كما تعلم ، فإن الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض معلقة بلا حراك فوق الأرض فوق نفس النقطة. لماذا لا يسقطون؟ ألا يوجد جاذبية على هذا الارتفاع؟

إجابه

قمر الأرض الاصطناعي المستقر بالنسبة إلى الأرض هو جهاز يتحرك حول الكوكب في الاتجاه الشرقي (في نفس اتجاه دوران الأرض نفسها) ، على طول مدار استوائي دائري مع فترة ثورة تساوي فترة دوران الأرض.

وبالتالي ، إذا نظرنا من الأرض إلى قمر صناعي ثابت بالنسبة إلى الأرض ، فسنراه معلقًا بلا حراك في نفس المكان. بسبب هذا الجمود و ارتفاع عاليحوالي 36000 كم ، منها ما يقرب من نصف سطح الأرض مرئي ، يتم وضع الأقمار الصناعية للتلفزيون والراديو والاتصالات في مدار ثابت بالنسبة للأرض.

من حقيقة أن قمرًا صناعيًا ثابتًا بالنسبة إلى الأرض يتدلى باستمرار فوق نفس النقطة على سطح الأرض ، يتوصل بعض الناس إلى نتيجة خاطئة مفادها أن قوة الجذب للأرض لا تعمل على القمر الصناعي الثابت بالنسبة للأرض ، وأن قوة الجاذبية تختفي على مسافة معينة من الأرض ، أي أنهم يدحضون نيوتن ذاته. بالطبع إنها ليست كذلك. يتم حساب إطلاق الأقمار الصناعية في المدار الثابت بالنسبة للأرض بدقة وفقًا للقانون الجاذبيةنيوتن.

الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة إلى الأرض ، مثل جميع الأقمار الصناعية الأخرى ، تسقط فعليًا على الأرض ، لكنها لا تصل إلى سطحها. تتأثر بقوة الجاذبية للأرض (قوة الجاذبية) ، الموجهة نحو مركزها ، وفي الاتجاه المعاكس ، يتأثر القمر الصناعي بقوة الطرد المركزي التي تنفر من الأرض (قوة القصور الذاتي) ، والتي توازن بعضها البعض - لا يطير القمر الصناعي بعيدًا عن الأرض ولا يسقط عليه تمامًا مثل دلو يدور على حبل في مداره.

إذا لم يتحرك القمر الصناعي على الإطلاق ، فسوف يسقط على الأرض تحت تأثير الجذب إليه ، لكن الأقمار الصناعية تتحرك ، بما في ذلك الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض (الثابتة بالنسبة للأرض - بسرعة زاوية تساوي السرعة الزاويةدوران الأرض ، أي ثورة واحدة في اليوم ، والأقمار الصناعية ذات المدارات المنخفضة لها سرعة زاوية أعلى ، أي أنها تمكنت من القيام بعدة ثورات حول الأرض يوميًا). السرعة الخطية المبلغ عنها للساتل الموازي لسطح الأرض أثناء الإطلاق المباشر إلى المدار كبيرة نسبيًا (في مدار أرضي منخفض - 8 كيلومترات في الثانية ، في مدار ثابت بالنسبة للأرض - 3 كيلومترات في الثانية). إذا لم تكن هناك أرض ، فسيطير القمر الصناعي في خط مستقيم بهذه السرعة ، لكن وجود الأرض يجعل القمر الصناعي يسقط عليها تحت تأثير الجاذبية ، مما يؤدي إلى انحناء المسار نحو الأرض ، ولكن سطح الأرض الأرض ليست مسطحة ، إنها منحنية. بقدر ما يقترب القمر الصناعي من سطح الأرض ، ينتقل جزء كبير من سطح الأرض من تحت القمر الصناعي ، وبالتالي ، يظل القمر الصناعي على نفس الارتفاع باستمرار ، ويتحرك على طول مسار مغلق. القمر الصناعي يسقط طوال الوقت ، لكنه لا يمكن أن يسقط أبدًا.

لذا ، فإن جميع الأقمار الصناعية للأرض تسقط على الأرض ، ولكن - على طول مسار مغلق. الأقمار الصناعية في حالة انعدام الوزن ، مثل جميع الأجسام الساقطة (إذا تعطل المصعد في ناطحة سحاب وبدأ في السقوط بحرية ، فسيكون الأشخاص الموجودون بالداخل أيضًا في حالة انعدام الوزن). يعاني رواد الفضاء داخل محطة الفضاء الدولية من انعدام الوزن ليس لأن قوة الانجذاب إلى الأرض لا تعمل في المدار (فهي تقريبًا نفس قوة الجذب الموجودة على سطح الأرض) ، ولكن لأن محطة الفضاء الدولية تسقط بحرية على الأرض - على طول مسار دائري مغلق.

مثلما توفر المقاعد في المسرح وجهات نظر مختلفة حول الأداء ، توفر المدارات المختلفة للأقمار الصناعية منظورًا ، لكل منها غرض مختلف. يبدو أن البعض يحوم فوق نقطة على السطح ، مما يوفر رؤية ثابتة لجانب واحد من الأرض ، بينما يحيط البعض الآخر بكوكبنا ، ويمتد فوق العديد من الأماكن في يوم واحد.

أنواع المدار

في أي ارتفاع تطير الأقمار الصناعية؟ هناك 3 أنواع من مدارات الأرض: عالية ومتوسطة ومنخفضة. كقاعدة عامة ، توجد العديد من الأقمار الصناعية الخاصة بالطقس وبعض أقمار الاتصالات على المرتفعات والأبعد عن السطح. الأقمار الصناعية التي تدور في مدار متوسط ​​بالقرب من الأرض تشمل الملاحة والأقمار الصناعية الخاصة المصممة لمراقبة منطقة معينة. معظم المركبات الفضائية العلمية ، بما في ذلك أسطول نظام مراقبة الأرض التابع لناسا ، في مدار منخفض.

تعتمد السرعة التي تطير بها الأقمار الصناعية على سرعة حركتها. مع اقترابنا من الأرض ، تصبح الجاذبية أقوى وتتسارع الحركة. على سبيل المثال ، يستغرق القمر الصناعي أكوا التابع لوكالة ناسا حوالي 99 دقيقة للطيران حول كوكبنا على ارتفاع حوالي 705 كيلومترات ، بينما يستغرق جهاز الأرصاد الجوية 35786 كيلومترًا من السطح 23 ساعة و 56 دقيقة و 4 ثوانٍ. على مسافة 384403 كيلومترات من مركز الأرض ، يكمل القمر دورة واحدة في 28 يومًا.

مفارقة الديناميكية الهوائية

يؤدي تغيير ارتفاع القمر الصناعي أيضًا إلى تغيير سرعته المدارية. ثمة مفارقة هنا. إذا أراد مشغل القمر الصناعي زيادة سرعته ، فلا يمكنه ببساطة تشغيل المحركات لتسريعها. سيؤدي ذلك إلى زيادة المدار (والارتفاع) ، مما يؤدي إلى انخفاض السرعة. بدلاً من ذلك ، يجب عليك تشغيل المحركات في الاتجاه المعاكس لاتجاه القمر الصناعي ، أي القيام بعمل من شأنه ، على الأرض ، إبطاء الحركة مركبة. سيؤدي هذا الإجراء إلى تحريكه إلى أسفل ، مما يؤدي إلى زيادة السرعة.

خصائص المدار

بالإضافة إلى الارتفاع ، يتميز مسار القمر الصناعي بالغرابة والميل. الأول يتعلق بشكل المدار. يتحرك القمر الصناعي ذو الانحراف المنخفض على طول مسار قريب من دائري. المدار غريب الأطوار له شكل القطع الناقص. تعتمد المسافة من المركبة الفضائية إلى الأرض على موقعها.

الميل هو زاوية المدار بالنسبة لخط الاستواء. القمر الذي يدور مباشرة فوق خط الاستواء ليس لديه ميل. إذا كانت المركبة الفضائية تمر فوق المنطقة الشمالية و الأقطاب الجنوبية(جغرافي ، غير مغناطيسي) ، ميله 90 درجة.

كل ذلك معًا - الارتفاع والانحراف والميل - يحددان حركة القمر الصناعي وكيف ستبدو الأرض من وجهة نظرها.

عالية بالقرب من الأرض

عندما يصل القمر الصناعي إلى 42164 كم بالضبط من مركز الأرض (حوالي 36000 كم من السطح) ، فإنه يدخل منطقة حيث يتوافق مداره مع دوران كوكبنا. نظرًا لأن المركبة تتحرك بنفس سرعة الأرض ، أي أن فترة دورانها 24 ساعة ، يبدو أنها تظل في مكانها على خط طول واحد ، على الرغم من أنها قد تنجرف من الشمال إلى الجنوب. يسمى هذا المدار العالي الخاص بالتزامن مع الأرض.

يتحرك القمر الصناعي في مدار دائري فوق خط الاستواء مباشرة (الانحراف والميل صفرا) ولا يزال قائما بالنسبة للأرض. يقع دائمًا فوق نفس النقطة على سطحه.

يستخدم مدار Molniya (الميل 63.4 درجة) للرصد عند خطوط العرض العالية. ترتبط الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض بخط الاستواء ، لذا فهي غير مناسبة لأقصى الشمال أو المناطق الجنوبية. هذا المدار غريب الأطوار تمامًا: تتحرك المركبة الفضائية في شكل بيضاوي ممدود مع قرب الأرض من حافة واحدة. نظرًا لأن القمر الصناعي يتسارع تحت تأثير الجاذبية ، فإنه يتحرك بسرعة كبيرة عندما يكون قريبًا من كوكبنا. عند الابتعاد ، تتباطأ سرعته ، لذلك يقضي وقتًا أطول في الجزء العلوي من المدار في أقصى حافة من الأرض ، والتي يمكن أن تصل المسافة إلى 40 ألف كيلومتر. الفترة المدارية هي 12 ساعة ، لكن القمر الصناعي يقضي حوالي ثلثي هذا الوقت على نصف الكرة الأرضية. مثل المدار شبه المتزامن ، يتبع القمر الصناعي نفس المسار كل 24 ساعة ، ويستخدم للاتصالات في أقصى الشمال أو الجنوب.

الأرض المنخفضة

تقع معظم الأقمار الصناعية العلمية والعديد من محطات الأرصاد الجوية والفضائية في مدار أرضي منخفض تقريبًا. يعتمد منحدرهم على ما يراقبونه. تم إطلاق TRMM لمراقبة هطول الأمطار في المناطق المدارية ، لذلك فإن ميلها منخفض نسبيًا (35 درجة) مع البقاء بالقرب من خط الاستواء.

العديد من أقمار المراقبة التابعة لناسا لها مدار شبه قطبي شديد الانحدار. تتحرك المركبة الفضائية حول الأرض من قطب إلى آخر لمدة 99 دقيقة. نصف الوقت يمر على جانب النهار من كوكبنا ، وفي القطب يمر إلى الجانب الليلي.

أثناء تحرك القمر الصناعي ، تدور الأرض تحته. بحلول الوقت الذي تتحرك فيه المركبة الفضائية إلى المنطقة المضيئة ، تكون فوق المنطقة المجاورة لمنطقة مرور مدارها الأخير. في فترة 24 ساعة ، تغطي الأقمار الصناعية القطبية معظم الأرض مرتين: مرة أثناء النهار ومرة ​​في الليل.

مدار متزامن مع الشمس

مثلما يجب أن تكون الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض فوق خط الاستواء ، مما يسمح لها بالبقاء فوق نفس النقطة ، فإن الأقمار الصناعية المدارية القطبية لديها القدرة على البقاء في نفس الوقت. مدارهم متزامن مع الشمس - عندما تعبر المركبة الفضائية خط الاستواء المحلي التوقيت الشمسينفس الشيء دائما. على سبيل المثال ، يمر القمر الصناعي Terra عبر البرازيل دائمًا في الساعة 10:30 صباحًا. العبور التالي في 99 دقيقة فوق الإكوادور أو كولومبيا يحدث أيضًا في الساعة 10:30 بالتوقيت المحلي.

يعد المدار المتزامن مع الشمس ضروريًا للعلم ، لأنه يسمح بضوء الشمس على سطح الأرض ، على الرغم من أنه سيتغير مع الموسم. يعني هذا الاتساق أنه يمكن للعلماء مقارنة صور كوكبنا في نفس الوقت من العام على مدار عدة سنوات دون القلق بشأن الكثير من القفزات في الإضاءة التي يمكن أن تعطي وهم التغيير. بدون مدار متزامن مع الشمس ، سيكون من الصعب تتبعها بمرور الوقت وجمع المعلومات اللازمة لدراسة تغير المناخ.

مسار القمر الصناعي محدود للغاية هنا. إذا كان على ارتفاع 100 كم ، فينبغي أن يميل المدار بمقدار 96 درجة. سيكون أي انحراف غير صالح. لأن السحب الجوي وجاذبية الشمس والقمر يغيران مدار المركبة الفضائية ، يجب تصحيحه بانتظام.

الإدراج المداري: الإطلاق

يتطلب إطلاق قمر صناعي طاقة ، يعتمد مقدارها على موقع موقع الإطلاق ، وارتفاع وميل المسار المستقبلي لحركته. للوصول إلى مدار بعيد ، يتطلب الأمر المزيد من الطاقة. الأقمار الصناعية ذات ميل كبير (على سبيل المثال ، القطبية) تستهلك طاقة أكثر من تلك التي تدور حول خط الاستواء. المدار ذو الميل المنخفض يساعده دوران الأرض. يتحرك بزاوية 51.6397 درجة. وهذا ضروري لتسهيل وصول المكوكات الفضائية والصواريخ الروسية إليها. يبلغ ارتفاع محطة الفضاء الدولية 337-430 كم. الأقمار الصناعية القطبية ، من ناحية أخرى ، لا يساعدها زخم الأرض ، لذلك فهي تتطلب المزيد من الطاقة للسفر على نفس المسافة.

تعديل

بعد إطلاق القمر الصناعي ، يجب بذل الجهود لإبقائه في مدار معين. نظرًا لأن الأرض ليست كرة مثالية ، فإن جاذبيتها تكون أقوى في بعض الأماكن. هذا التفاوت ، جنبًا إلى جنب مع جاذبية الشمس والقمر والمشتري (أكبر كوكب من حيث الكتلة النظام الشمسي) ، يغير ميل المدار. على مدار عمرها ، تم تصحيح أقمار GOES ثلاث أو أربع مرات. يجب أن تقوم المدارات الأرضية المنخفضة التابعة لوكالة ناسا بتعديل ميلها سنويًا.

بالإضافة إلى ذلك ، تتأثر الأقمار الصناعية القريبة من الأرض بالغلاف الجوي. الطبقات العلوية ، على الرغم من تخلخلها تمامًا ، توفر مقاومة قوية بما يكفي لجذبها بالقرب من الأرض. يؤدي عمل الجاذبية إلى تسارع الأقمار الصناعية. بمرور الوقت ، فإنها تحترق ، وتتصاعد بشكل حلزوني إلى الأسفل وأسرع في الغلاف الجوي ، أو تسقط على الأرض.

يكون السحب الجوي أقوى عندما تكون الشمس نشطة. تماما مثل الهواء في الداخل منطادتتمدد وترتفع عند تسخينها ، ويرتفع الغلاف الجوي ويتمدد عندما تمنحه الشمس طاقة إضافية. ترتفع طبقات الغلاف الجوي المتخلخة ، وتحل الطبقات الأكثر كثافة مكانها. لذلك ، يجب أن تغير الأقمار الصناعية في مدار الأرض موقعها حوالي أربع مرات في السنة للتعويض عن مقاومة الغلاف الجوي. عندما يكون النشاط الشمسي هو الحد الأقصى ، يجب تعديل موضع الجهاز كل أسبوعين إلى ثلاثة أسابيع.

خردة الفضاء

السبب الثالث لإجبار تغيير المدار هو الحطام الفضائي. اصطدم أحد أقمار اتصالات إيريديوم بمركبة فضائية روسية لا تعمل. تحطمت ، وشكلت سحابة من الحطام ، تتكون من أكثر من 2500 جزء. تمت إضافة كل عنصر إلى قاعدة البيانات ، التي تضم اليوم أكثر من 18000 عنصر من صنع الإنسان.

تراقب وكالة ناسا بعناية كل ما قد يكون في مسار الأقمار الصناعية ، لأن الحطام الفضائي كان عليه بالفعل تغيير المدارات عدة مرات.

يراقب المهندسون مواقع الحطام الفضائي والأقمار الصناعية التي يمكن أن تتداخل مع الحركة ويخططون بعناية لمناورات المراوغة حسب الضرورة. يخطط نفس الفريق وينفذ مناورات لضبط إمالة القمر الصناعي وارتفاعه.

أو لماذا لا تسقط الأقمار الصناعية؟ مدار القمر الصناعي هو توازن دقيق بين القصور الذاتي والجاذبية. تسحب قوة الجاذبية القمر الصناعي باستمرار نحو الأرض ، بينما يميل القصور الذاتي للقمر الصناعي إلى الحفاظ على حركته في خط مستقيم. إذا لم يكن هناك جاذبية ، فإن القصور الذاتي للقمر الصناعي سيرسله مباشرة من مدار الأرض إلى الفضاء الخارجي. ومع ذلك ، في كل نقطة في المدار ، تحافظ الجاذبية على القمر الصناعي مقيدًا.

لتحقيق التوازن بين القصور الذاتي والجاذبية ، يجب أن يكون للقمر الصناعي سرعة محددة بدقة. إذا طار بسرعة كبيرة ، فإن القصور الذاتي يتغلب على الجاذبية ويغادر القمر الصناعي المدار. (حساب ما يسمى بالثانية سرعة الفضاء، الذي يسمح للقمر الصناعي بمغادرة مدار الأرض ، يلعب دورًا مهمًا في إطلاق الكواكب محطات فضاء.) إذا كان القمر الصناعي يتحرك ببطء شديد ، فستفوز الجاذبية في المعركة ضد القصور الذاتي وسيسقط القمر الصناعي على الأرض. هذا بالضبط ما حدث في عام 1979 ، عندما بدأت محطة الفضاء الأمريكية سكايلاب في التدهور نتيجة المقاومة المتزايدة. الطبقات العلياالغلاف الجوي للأرض. بعد أن سقطت في ملقط الجاذبية الحديدية ، سرعان ما سقطت المحطة على الأرض.

السرعة والمسافة

بقدر ما جاذبية الأرضيضعف مع المسافة ، والسرعة المطلوبة لإبقاء القمر الصناعي في المدار تختلف مع الارتفاع. يمكن للمهندسين حساب مدى السرعة والارتفاع الذي يحتاجه القمر الصناعي للدوران. على سبيل المثال ، يجب أن يكمل القمر الصناعي الثابت بالنسبة للأرض ، والذي يقع دائمًا فوق نفس النقطة على سطح الأرض ، دورة واحدة في غضون 24 ساعة (وهو ما يتوافق مع وقت دورة واحدة للأرض حول محوره) على ارتفاع 357 كيلومترًا.

الجاذبية والقصور الذاتي

يمكن محاكاة موازنة قمر صناعي بين الجاذبية والقصور الذاتي عن طريق تدوير حمل على حبل مربوط به. يميل القصور الذاتي للحمل إلى إبعاده عن مركز الدوران ، بينما يبقي شد الحبل ، الذي يعمل كجاذبية ، الحمل في مدار دائري. إذا تم قطع الحبل ، فإن الحمل سوف يطير بعيدًا على طول مسار مستقيم متعامد مع نصف قطر مداره.

لإطلاق قمر صناعي في مدار قريب من الأرض ، من الضروري إعطائه سرعة أولية تساوي السرعة الفضائية الأولى أو أعلى قليلاً من سرعة الثانية. هذا لا يحدث على الفور ، ولكن بشكل تدريجي. الصاروخ متعدد المراحل الذي يحمل أقمار صناعية تزداد سرعته ببطء. عندما تصل سرعة تحليقها إلى القيمة المحسوبة ، ينفصل القمر الصناعي عن الصاروخ ويبدأ حركته الحرة في المدار. يعتمد شكل المدار على السرعة الابتدائية المعطاة له واتجاهه: أبعاده وانحرافه.

إذا لم تكن هناك مقاومة للبيئة والجاذبية المزعجة للقمر والشمس ، وكان للأرض شكل كروي ، فلن يخضع مدار القمر الصناعي لأية تغييرات ، وسيتحرك القمر الصناعي نفسه على طوله إلى الأبد. ومع ذلك ، في الواقع ، يتغير مدار كل قمر صناعي تحت تأثير أسباب مختلفة.

القوة الرئيسية التي تغير مدار القمر الصناعي هي التباطؤ الناتج عن مقاومة الوسط المخلخل الذي يطير من خلاله القمر الصناعي. دعونا نرى كيف يؤثر ذلك على حركته. نظرًا لأن مدار القمر الصناعي عادة ما يكون بيضاوي الشكل ، فإن المسافة بينه وبين الأرض تتغير بشكل دوري. يتناقص باتجاه الحضيض ويصل إلى أقصى مسافة له في الأوج. تتناقص كثافة الغلاف الجوي للأرض بسرعة مع زيادة الارتفاع ، وبالتالي يواجه القمر الصناعي أكبر مقاومة بالقرب من نقطة الحضيض. بعد إنفاق جزء من الطاقة الحركية للتغلب على هذه المقاومة ، وإن كانت صغيرة ، لم يعد بإمكان القمر الصناعي أن يرتفع إلى ارتفاعه السابق ، وتتناقص ذروته تدريجياً. يحدث الانخفاض في نقطة الحضيض أيضًا ، ولكن بشكل أبطأ بكثير من الانخفاض في الأوج. وهكذا ، تتناقص أبعاد المدار وانحرافه تدريجياً: المدار الإهليلجي يقترب من مدار دائري. يتحرك القمر الصناعي حول الأرض في دوامة ملفوفة ببطء وينتهي في النهاية من وجوده في الطبقات الكثيفة من الغلاف الجوي للأرض ، حيث يسخن ويتبخر مثل النيزك. بأحجام كبيرة ، يمكن أن تصل إلى سطح الأرض.

من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن تباطؤ القمر الصناعي لا يقلل من سرعته ، بل على العكس يزيدها. لنقم ببعض العمليات الحسابية البسيطة.

من قانون كبلر الثالث يتبع ذلك

حيث C ثابت ، M هي كتلة الأرض ، م هي كتلة القمر الصناعي ، P هي فترة ثورتها ، و أ هي المحور شبه الرئيسي للمدار. أهمل

من خلال كتلة القمر الصناعي مقارنةً بكتلة الأرض ، نحصل عليها

لتبسيط العمليات الحسابية ، دعونا نأخذ مدار القمر الصناعي على أنه دائري. يتحرك القمر الصناعي بسرعة ثابتة ، ويمر المسافة υ Р = 2 πа على طول المدار أثناء دورة كاملة ، حيث Р = 2πa /. بالتعويض عن قيمة P هذه في الصيغة (9.1) وإجراء التحويلات ، نجد

لذلك ، مع انخفاض حجم المدار a ، تزداد سرعة القمر الصناعي v: تزداد الطاقة الحركية للقمر الصناعي بسبب الانخفاض السريع في الطاقة الكامنة.

القوة الثانية التي تغير شكل مدار القمر الصناعي هي ضغط الإشعاع الشمسي ، أي التيارات الضوئية والجسيمية (الرياح الشمسية). بالنسبة للأقمار الصناعية الصغيرة ، لا تؤثر هذه القوة عمليًا ، ولكن بالنسبة للأقمار الصناعية مثل Pageos ، فهي مهمة جدًا. عند الإطلاق ، كان بيدجوس مدارًا دائريًا ، وبعد عامين أصبح بيضاوي الشكل ممدودًا جدًا.

تتأثر حركة القمر الصناعي أيضًا بالمجال المغناطيسي للأرض ، حيث يمكن للقمر الصناعي الحصول على بعض الشحنة الكهربائيةوعندما يتحرك في مجال مغناطيسي ، يجب أن تحدث تغييرات في المسار.

ومع ذلك ، فإن كل هذه القوى مقلقة. القوة الرئيسية التي تمسك القمر الصناعي في مداره هي قوة الجاذبية. وهنا نلتقي ببعض الميزات. نحن نعلم ذلك نتيجة لذلك الدوران المحورييختلف شكل الأرض عن الشكل الكروي وأن جاذبية الأرض ليست موجهة بالضبط إلى مركز الأرض. لا يؤثر هذا على الأجسام البعيدة جدًا ، لكن القمر الصناعي الموجود بالقرب من الأرض يتفاعل مع وجود "انتفاخات استوائية" بالقرب من الأرض. يدور مستوى مداره ببطء ولكن بشكل منتظم تمامًا حول محور دوران الأرض. هذه الظاهرة واضحة للعيان من الملاحظات التي تمت على مدى أسبوع واحد. كل هذه التغييرات في المدارات ذات أهمية علمية كبيرة ، وبالتالي يتم إجراء ملاحظات منهجية لحركة الأقمار الصناعية.

ما هو المدار الثابت بالنسبة للأرض؟ هذا حقل دائري يقع فوق خط استواء الأرض ، حيث يدور قمر صناعي بالسرعة الزاوية لدوران الكوكب حول محوره. إنه لا يغير اتجاهه في نظام الإحداثيات الأفقي ، ولكنه يتدلى بلا حراك في السماء. المدار الثابت بالنسبة للأرض للأرض (GSO) هو نوع من المجال المتزامن مع الأرض ويستخدم لاستيعاب الاتصالات والبث التلفزيوني والأقمار الصناعية الأخرى.

فكرة استخدام الأجهزة الاصطناعية

بدأ مفهوم المدار الثابت بالنسبة للأرض من قبل المخترع الروسي ك.إي تسيولكوفسكي. في أعماله ، اقترح ملء الفضاء بمساعدة المحطات المدارية. كما وصف العلماء الأجانب عمل حقول الفضاء ، على سبيل المثال ، جي أوبيرث. الشخص الذي طور مفهوم استخدام المدار للتواصل هو آرثر كلارك. في عام 1945 ، نشر مقالًا في مجلة Wireless World ، حيث وصف مزايا المجال الثابت بالنسبة للأرض. للعمل النشط في هذا المجال تكريما للعالم ، حصل المدار على اسمه الثاني - "حزام كلارك". فكر العديد من المنظرين في مشكلة تنفيذ اتصال نوعي. لذلك ، أعرب هيرمان بوتوشنيك في عام 1928 عن فكرة كيفية استخدام الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة إلى الأرض.

خصائص "حزام كلارك"

لكي يسمى المدار ثابت بالنسبة للأرض ، يجب أن يفي بعدد من المعلمات:

1. Geosynchrony. تتضمن هذه الخاصية حقلاً له فترة مقابلة لفترة ثورة الأرض. يكمل قمر صناعي متزامن مع الأرض مداره حول الكوكب في يوم فلكي ، وهو 23 ساعة و 56 دقيقة و 4 ثوانٍ. الوقت نفسه ضروري للأرض لإكمال ثورة واحدة في الفضاء الثابت.

2. للحفاظ على القمر الصناعي في نقطة معينة ، يجب أن يكون المدار الثابت بالنسبة للأرض دائريًا ، وبدون ميل. سينتج عن المجال الإهليلجي إزاحة إما شرقًا أو غربًا ، حيث تتحرك المركبة الفضائية بشكل مختلف في نقاط معينة في المدار.

3. يجب أن تكون "نقطة التحويم" لآلية الفضاء على خط الاستواء.

4. يجب أن يكون موقع السواتل في المدار الثابت بالنسبة للأرض بحيث لا يؤدي عدد قليل من الترددات المخصصة للاتصالات إلى تداخل ترددات أجهزة مختلفة أثناء الاستقبال والإرسال ، وكذلك استبعاد تصادمها.

5. وقود كافٍ لإبقاء المركبة الفضائية ثابتة.

المدار الثابت بالنسبة للأرض للقمر الصناعي فريد من نوعه من حيث أنه فقط من خلال الجمع بين معلماته يمكن تحقيق جمود الجهاز. ميزة أخرى هي القدرة على رؤية الأرض بزاوية سبعة عشر درجة من تلك الموجودة على مجال الفضاءالأقمار الصناعية. يغطي كل جهاز ما يقرب من ثلث السطح المداري ، لذلك هناك ثلاث آليات قادرة على تغطية الكوكب بأكمله تقريبًا.

أقمار صناعية

تدور الطائرة حول الأرض على طول مسار مركزية الأرض. لإطلاقه ، يتم استخدام صاروخ متعدد المراحل. إنها آلية كونية تقود القوة التفاعلية للمحرك. للتحرك في المدار ، يجب أن يكون للأقمار الصناعية للأرض سرعة أولية تتوافق مع السرعة الفضائية الأولى. يتم تنفيذ رحلاتهم على ارتفاع لا يقل عن عدة مئات من الكيلومترات. يمكن أن تكون فترة تداول الجهاز عدة سنوات. يمكن إطلاق الأقمار الصناعية الأرضية الاصطناعية من مركبات أخرى ، مثل المحطات المدارية والسفن. تصل كتلة الطائرات بدون طيار إلى عشرين أطنان ويصل حجمها إلى عدة عشرات من الأمتار. تميز القرن الحادي والعشرون بولادة أجهزة ذات وزن فائق الخفة - يصل إلى عدة كيلوغرامات.

تم إطلاق الأقمار الصناعية من قبل العديد من البلدان والشركات. تم إنشاء أول جهاز اصطناعي في العالم في الاتحاد السوفياتي وطار إلى الفضاء في 4 أكتوبر 1957. حمل اسم "سبوتنيك -1". في عام 1958 ، أطلقت الولايات المتحدة جهازًا ثانيًا ، Explorer 1. أطلق على أول قمر صناعي أطلقته ناسا في عام 1964 اسم Syncom-3. غالبًا ما تكون الأجهزة الاصطناعية غير قابلة للإرجاع ، ولكن هناك أجهزة يتم إرجاعها جزئيًا أو كليًا. يتم استخدامها لتنفيذ بحث علميوحل المشكلات المختلفة. إذن ، هناك أقمار صناعية عسكرية وبحثية وملاحية وغيرها. يتم أيضًا إطلاق الأجهزة التي أنشأها موظفو الجامعة أو هواة الراديو.

"نقطة توقف"

تقع الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة إلى الأرض على ارتفاع 35786 كيلومترًا فوق مستوى سطح البحر. يوفر هذا الارتفاع فترة ثورة تتوافق مع فترة دوران الأرض بالنسبة للنجوم. المركبة الاصطناعية ثابتة ، لذا فإن موقعها في المدار الثابت بالنسبة للأرض يسمى "نقطة المحطة". يوفر Hovering اتصالاً ثابتًا طويل الأمد ، بمجرد توجيه الهوائي ، سيتم توجيهه دائمًا إلى القمر الصناعي الصحيح.

حركة

يمكن نقل الأقمار الصناعية من مدار منخفض الارتفاع إلى مدار ثابت بالنسبة للأرض باستخدام حقول النقل الجغرافي. هذا الأخير هو مسار بيضاوي مع نقطة على ارتفاع منخفض وذروة على ارتفاع قريب من الدائرة المستقرة بالنسبة إلى الأرض. يتم إرسال القمر الصناعي الذي أصبح غير قابل للاستخدام لمزيد من العمل إلى مدار التخلص الذي يقع على ارتفاع 200-300 كيلومتر فوق المدار الثابت بالنسبة للأرض.

ارتفاع المدار الثابت بالنسبة للأرض

القمر الصناعي في حقل معين يبقي على مسافة معينة من الأرض ، ولا يقترب ولا يتحرك بعيدًا. يقع دائمًا فوق نقطة ما على خط الاستواء. بناءً على هذه الميزات ، يترتب على ذلك أن قوى الجاذبية وقوة الطرد المركزي تتوازن مع بعضها البعض. يتم حساب ارتفاع المدار الثابت بالنسبة للأرض من خلال طرق تعتمد على الميكانيكا الكلاسيكية. هذا يأخذ في الاعتبار المراسلات بين قوى الجاذبية والطرد المركزي. يتم تحديد قيمة الكمية الأولى باستخدام قانون نيوتن للجاذبية العامة. يُحسب مؤشر قوة الطرد المركزي بضرب كتلة القمر الصناعي في عجلة الجاذبية المركزية. نتيجة المساواة بين كتل الجاذبية والقصور الذاتي هي الاستنتاج القائل بأن ارتفاع المدار لا يعتمد على كتلة القمر الصناعي. لذلك ، لا يتم تحديد المدار الثابت بالنسبة للأرض إلا من خلال الارتفاع الذي تتساوى فيه قوة الطرد المركزي في القيمة المطلقة والعكس في الاتجاه قوة الجاذبية، التي تم إنشاؤها عن طريق جاذبية الأرض على ارتفاع معين.

من صيغة حساب عجلة الجذب المركزي ، يمكنك إيجاد السرعة الزاوية. يتم أيضًا تحديد نصف قطر المدار الثابت بالنسبة للأرض من خلال هذه الصيغة أو بقسمة ثابت الجاذبية الأرضية على مربع السرعة الزاوية. إنها 42164 كيلومتر. بالنظر إلى نصف قطر خط الاستواء للأرض ، نحصل على ارتفاع يساوي 35786 كيلومترًا.

يمكن إجراء الحسابات بطريقة أخرى ، بناءً على العبارة التي تفيد بأن ارتفاع المدار ، وهو المسافة من مركز الأرض ، مع السرعة الزاوية للقمر الصناعي ، بالتزامن مع حركة دوران الكوكب ، يؤدي إلى سرعة خطية تساوي السرعة الكونية الأولى على ارتفاع معين.

السرعة في المدار الثابت بالنسبة للأرض. طول

يتم حساب هذا المؤشر بضرب السرعة الزاوية في نصف قطر المجال. تبلغ قيمة السرعة في المدار 3.07 كيلومترات في الثانية ، وهي أقل بكثير من السرعة الفضائية الأولى على المسار القريب من الأرض. لتقليل الأس ، من الضروري زيادة نصف قطر المدار بأكثر من ست مرات. يُحسب الطول بضرب pi في نصف القطر في اثنين. إنه 264924 كيلومتر. يؤخذ المؤشر في الاعتبار عند حساب "نقاط الوقوف" للأقمار الصناعية.

تأثير القوات

يمكن أن تتغير معلمات المدار الذي تدور حوله الآلية الاصطناعية تحت تأثير اضطرابات الجاذبية lunisolar ، وعدم تجانس مجال الأرض ، وخط الاستواء. يتم التعبير عن تحول المجال في ظواهر مثل:

1. إزاحة القمر الصناعي من موقعه على طول المدار باتجاه نقاط التوازن المستقر ، والتي تسمى الثقوب المحتملة في المدار الثابت بالنسبة للأرض.
2. تنمو زاوية ميل الحقل إلى خط الاستواء بمعدل معين وتصل إلى 15 درجة مرة كل 26 سنة و 5 أشهر.

للحفاظ على القمر الصناعي في "نقطة الوقوف" المطلوبة ، فهو مزود بنظام دفع يتم تشغيله عدة مرات كل 10-15 يومًا. لذلك ، للتعويض عن نمو ميل المدار ، يتم استخدام التصحيح "بين الشمال والجنوب" ، وللتعويض عن الانجراف على طول المجال ، يتم استخدام تصحيح "الغرب والشرق". لتنظيم مسار القمر الصناعي طوال فترة تشغيله ، يلزم توفير كمية كبيرة من الوقود على متنه.

أنظمة الدفع

يتم تحديد اختيار الجهاز من خلال الميزات الفنية الفردية للقمر الصناعي. على سبيل المثال ، مادة كيميائية محرك الصاروخلديه إمداد وقود الإزاحة ويعمل على مكونات عالية الغليان مخزنة على المدى الطويل (ديازوت تيتروكسيد ، ثنائي ميثيل هيدرازين غير المتماثل). تتمتع أجهزة البلازما بقوة دفع أقل بشكل ملحوظ ، ولكن نظرًا للتشغيل الطويل ، والذي يتم قياسه بعشرات الدقائق لحركة واحدة ، يمكن أن تقلل بشكل كبير من كمية الوقود المستهلكة على متن الطائرة. يستخدم هذا النوع من أنظمة الدفع لمناورة القمر الصناعي إلى موقع مداري آخر. العامل المحدد الرئيسي في عمر خدمة الجهاز هو إمداد الوقود في المدار الثابت بالنسبة للأرض.

مساوئ المجال الصناعي

عيب كبير في التفاعل مع الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرضهي تأخيرات كبيرة في انتشار الإشارة. إذن ، بسرعة الضوء 300 ألف كيلومتر في الثانية والارتفاع المداري 35786 كيلومترًا ، تستغرق حركة شعاع الأرض والقمر الصناعي حوالي 0.12 ثانية ، ويستغرق شعاع الأرض والقمر الصناعي 0.24 ثانية. مع الأخذ في الاعتبار تأخر الإشارة في المعدات وأنظمة الإرسال الكبلي للخدمات الأرضية ، فإن التأخير الكلي للإشارة "المصدر - القمر الصناعي - المستقبل" يصل إلى حوالي 2-4 ثوانٍ. مثل هذا المؤشر يعقد بشكل كبير استخدام الأجهزة في المدار في الاتصالات الهاتفية ويجعل من المستحيل استخدام اتصالات الأقمار الصناعية في أنظمة الوقت الفعلي.

عيب آخر هو عدم رؤية المدار الثابت بالنسبة للأرض من خطوط العرض العالية ، مما يتداخل مع توصيل الاتصالات والبث التلفزيوني في مناطق القطب الشمالي والقارة القطبية الجنوبية. في الحالات التي تتماشى فيها الشمس والقمر الصناعي المرسل مع هوائي الاستقبال ، يحدث انخفاض ، وأحيانًا غياب كامل للإشارة. في المدارات المستقرة بالنسبة إلى الأرض ، بسبب جمود القمر الصناعي ، تظهر هذه الظاهرة بشكل خاص.

تأثير دوبلر

تتمثل هذه الظاهرة في تغيير ترددات الاهتزازات الكهرومغناطيسية مع التقدم المتبادل بين المرسل والمستقبل. يتم التعبير عن هذه الظاهرة من خلال تغيير المسافة بمرور الوقت ، وكذلك من خلال حركة المركبات الاصطناعية في المدار. يتجلى التأثير على أنه عدم استقرار تردد الموجة الحاملة لتذبذبات الساتل ، والذي يضاف إلى عدم استقرار تردد الأداة للمكرر على متن الطائرة والمحطة الأرضية ، مما يعقد استقبال الإشارات. يساهم تأثير دوبلر في تغيير وتيرة اهتزازات التعديل ، والتي لا يمكن التحكم فيها. في حالة استخدام أقمار الاتصال والبث التلفزيوني المباشر في المدار ، يتم القضاء على هذه الظاهرة عمليًا ، أي لا توجد تغييرات في مستوى الإشارة عند نقطة الاستقبال.

الموقف في العالم من الحقول الثابتة بالنسبة للأرض

خلقت ولادة المدار الفضائي العديد من الأسئلة والمشاكل القانونية الدولية. يتعامل معها عدد من اللجان ، ولا سيما الأمم المتحدة. قدمت بعض الدول الواقعة على خط الاستواء مطالبات بمد سيادتها إلى جزء من مجال الفضاء يقع فوق أراضيها. ذكرت الدول أن المدار الثابت بالنسبة للأرض هو عامل مادي يرتبط بوجود كوكب ويعتمد عليه مجال الجاذبيةالأرض ، وبالتالي فإن أجزاء الحقل هي امتداد لأراضي بلدانهم. لكن تم رفض مثل هذه الادعاءات ، حيث يوجد في العالم مبدأ عدم التملك الفضاء الخارجي. يتم حل جميع المشكلات المرتبطة بتشغيل المدارات والأقمار الصناعية على المستوى العالمي.