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 قصور القمر 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، والذي يسمح للقمر الصناعي بمغادرة مدار الأرض ، يلعب دورًا مهمًا في إطلاق محطات فضائية بين الكواكب.) إذا كان القمر الصناعي يتحرك ببطء شديد ، فستفوز الجاذبية في المعركة ضد القصور الذاتي وسيسقط القمر الصناعي على الأرض. هذا بالضبط ما حدث عام 1979 ، عندما بدأت محطة الفضاء الأمريكية سكايلاب بالتراجع 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 عمودي على نصف قطر مداره.

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 إما انزياحًا شرقيًا أو غربيًا ، حيث تتحرك المركبة الفضائية بشكل مختلف في نقاط معينة في مدارها.

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.

يعتبر المدار الثابت بالنسبة للأرض للقمر الصناعي فريدًا 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. أقمار صناعيةيمكن إطلاق الأرض من لوحات الأجهزة الأخرى ، على سبيل المثال ، 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. أول قمر صناعي أطلقته ناسا في عام 1964 كان يسمى 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 وفي الاتجاه المعاكس لقوة الجاذبية الناتجة عن جاذبية الأرض عند 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 بيان أن ارتفاع المدار ، وهو المسافة من مركز الأرض ، مع السرعة الزاوية للقمر الصناعي ، بالتزامن مع حركة دوران الكوكب ، يؤدي إلى السرعة الخطية، والتي تساوي المساحة الأولى عند 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 القمرية والشمسية ، 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 السواتل المستقرة بالنسبة إلى الأرض هو التأخيرات الكبيرة 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. صرحت الدول أن المدار الثابت بالنسبة للأرض هو عامل مادي مرتبط بوجود الكوكب ويعتمد على مجال جاذبية الأرض ، لذا فإن أجزاء المجال هي امتداد لإقليم 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.

"يجب أن يرتفع الإنسان فوق الأرض - في الغلاف الجوي وما وراءه - لأنه بهذه الطريقة فقط سيفهم تمامًا العالم الذي يعيش فيه."

قام سقراط بهذه الملاحظة قبل قرون من نجاح البشر في وضع جسم ما في مدار الأرض. ومع ذلك ، يبدو أن الفيلسوف اليوناني القديم قد أدرك مدى أهمية رؤية من الفضاء ، على الرغم من أنه لم يكن يعرف على الإطلاق كيفية تحقيق ذلك.

كان على فكرة كيفية الحصول على شيء ما "داخل وخارج الغلاف الجوي" أن تنتظر حتى نشر إسحاق نيوتن تجربته الفكرية الشهيرة في المدفع عام 1729. يبدو شيئًا كالتالي:

"تخيل أنك وضعت مدفعًا على قمة جبل وأطلقته أفقيًا. ستنتقل قذيفة المدفع بالتوازي مع سطح الأرض لفترة من الوقت ، لكنها ستستسلم في النهاية للجاذبية وتعود إلى الأرض. تخيل الآن أنك واصلت إضافة البارود إلى المدفع. مع انفجارات إضافية ، سوف يسافر القلب أكثر فأكثر حتى يسقط. أضف الكمية المناسبة من البارود وامنح النواة التسارع المناسب ، وسوف تطير باستمرار حول الكوكب ، وتسقط دائمًا في مجال الجاذبية ، ولكنها لا تصل إلى الأرض أبدًا.

في أكتوبر 1957 الاتحاد السوفيتيأكد أخيرًا تخمين نيوتن بإطلاق سبوتنيك 1 ، أول قمر صناعي في مدار الأرض. أدى ذلك إلى بدء السباق الفضائي وإطلاق العديد من الأجسام التي تهدف إلى التحليق حول الأرض والكواكب الأخرى في النظام الشمسي. منذ إطلاق سبوتنيك ، أطلقت بعض الدول ، معظمها الولايات المتحدة وروسيا والصين ، أكثر من 3000 قمرا صناعيا في الفضاء. بعض هذه الأشياء التي من صنع الإنسان ، مثل محطة الفضاء الدولية ، كبيرة. يتناسب البعض الآخر تمامًا مع صندوق صغير. بفضل الأقمار الصناعية ، نحصل على تنبؤات الطقس ، ونشاهد التلفزيون ، ونتصفح الإنترنت ونجري مكالمات هاتفية. حتى تلك الأقمار الصناعية ، التي لا نشعر بعملها ولا نراه ، تخدم الجيش جيدًا.

بالطبع ، أدى إطلاق الأقمار الصناعية وتشغيلها إلى مشاكل. اليوم ، مع وجود أكثر من 1000 قمر صناعي عاملة في مدار الأرض ، أصبحت أقرب منطقة فضاء لدينا أكثر انشغالًا من مدينة كبيرةفي ساعة الذروة. أضف إلى تلك المعدات غير العاملة ، والأقمار الصناعية المهجورة ، وقطع الأجهزة ، وشظايا الانفجارات أو الاصطدامات التي تملأ السماء جنبًا إلى جنب مع المعدات المفيدة. هذا الحطام المداري ، الذي نتحدث عنه ، تراكم على مر السنين ويشكل تهديدًا خطيرًا للأقمار الصناعية التي تدور حاليًا حول الأرض ، بالإضافة إلى عمليات الإطلاق المستقبلية المأهولة وغير المأهولة.

في هذه المقالة ، سنزحف إلى أحشاء قمر صناعي عادي وننظر في عينيه لنرى مناظر لكوكبنا لم يستطع حتى سقراط ونيوتن الحلم بها. لكن أولاً ، دعنا نلقي نظرة فاحصة على كيفية اختلاف القمر الصناعي عن الأجرام السماوية الأخرى.

هو أي كائن يتحرك في منحنى حول الكوكب. القمر هو قمر طبيعي للأرض ، وبجانب الأرض يوجد العديد من الأقمار الصناعية التي صنعتها يد الإنسان ، إذا جاز التعبير ، اصطناعية. المسار الذي يتبعه القمر الصناعي هو مدار ، يتخذ أحيانًا شكل دائرة.

لفهم سبب تحرك الأقمار الصناعية بهذه الطريقة ، يجب أن نزور صديقنا نيوتن. اقترح أن قوة الجاذبية موجودة بين أي جسمين في الكون. إذا لم تكن هذه القوة موجودة ، فإن الأقمار الصناعية التي تطير بالقرب من الكوكب ستستمر في حركتها بنفس السرعة وفي نفس الاتجاه - في خط مستقيم. هذا الخط المستقيم هو مسار القصور الذاتي للقمر الصناعي ، والذي ، مع ذلك ، متوازن بواسطة جاذبية قوية موجهة نحو مركز الكوكب.

أحيانًا يبدو مدار القمر الصناعي وكأنه قطع ناقص ، دائرة مسطحة تدور حول نقطتين تعرفان بالبؤر. في هذه الحالة ، تعمل جميع قوانين الحركة نفسها ، باستثناء أن الكواكب تقع في أحد النقاط. نتيجة لذلك ، لا يتم توزيع القوة الكلية المطبقة على القمر الصناعي بشكل موحد في جميع أنحاء مساره ، كما أن سرعة القمر الصناعي تتغير باستمرار. يتحرك بسرعة عندما يكون الأقرب إلى الكوكب - عند نقطة الحضيض (لا يجب الخلط بينه وبين الحضيض) ، وأبطأ عندما يكون بعيدًا عن الكوكب - عند نقطة الأوج.

الأقمار الصناعية هي الأكثر أشكال مختلفةوأحجام وأداء مجموعة متنوعة من المهام.

• تساعد أقمار الأرصاد الجوية خبراء الأرصاد الجوية على التنبؤ بالطقس أو معرفة ما يحدث معه في الوقت الحالي. القمر الصناعي التشغيلي الثابت بالنسبة إلى الأرض (GOES) هو مثال جيد. تشتمل هذه الأقمار الصناعية عادةً على كاميرات تعرض طقس الأرض.
• أقمار الاتصالات تسمح بنقل المحادثات الهاتفية عبر الأقمار الصناعية. أهم ميزة في قمر الاتصالات هو جهاز الإرسال والاستقبال ، وهو راديو يستقبل محادثة على تردد واحد ، ثم يضخمها ويرسلها مرة أخرى إلى الأرض على تردد مختلف. يحتوي القمر الصناعي عادة على مئات أو آلاف من أجهزة الإرسال والاستقبال. عادة ما تكون أقمار الاتصالات متزامنة مع الأرض (المزيد عن ذلك لاحقًا).
• تنقل الأقمار الصناعية التلفزيونية إشارات تلفزيونية من نقطة إلى أخرى (على غرار أقمار الاتصالات).
• تقوم الأقمار الصناعية العلمية ، مثل تلسكوب هابل الفضائي ، بتنفيذ جميع أنواع المهمات العلمية. يشاهدون كل شيء من البقع الشمسية إلى أشعة جاما.
• الأقمار الصناعية للملاحة تساعد الطائرات على الطيران وإبحار السفن. تعد أقمار GPS NAVSTAR و GLONASS من الممثلين البارزين.
• أقمار الإنقاذ تستجيب لإشارات الاستغاثة.
• أقمار مراقبة الأرض تلاحظ تغيرات من درجة الحرارة إلى القمم الجليدية. أشهرها سلسلة لاندسات.

الأقمار الصناعية العسكرية موجودة أيضًا في المدار ، لكن الكثير من عملياتها لا يزال لغزًا. يمكنهم نقل الرسائل المشفرة ومراقبة الأسلحة النووية ومراقبة تحركات العدو والتحذير من إطلاق الصواريخ والاستماع إلى الراديو الأرضي وإجراء مسوحات الرادار ورسم الخرائط.

متى تم اختراع الأقمار الصناعية؟

ربما أطلق نيوتن أقمارًا صناعية في تخيلاته ، لكن قبل أن نحقق هذا العمل الفذ ، مر الكثير من الوقت. كان من أوائل الحالمين كاتب الخيال العلمي آرثر سي كلارك. في عام 1945 ، اقترح كلارك أنه يمكن وضع قمر صناعي في المدار بطريقة تجعله يتحرك في نفس الاتجاه وبنفس سرعة الأرض. يمكن استخدام ما يسمى بالأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض للاتصالات.

لم يفهم العلماء كلارك - حتى 4 أكتوبر 1957. ثم أطلق الاتحاد السوفيتي سبوتنيك 1 ، أول قمر صناعي ، في مدار الأرض. كان قطر "سبوتنيك" 58 سنتيمترا ووزنه 83 كيلوغراما وصُنع على شكل كرة. على الرغم من أنه كان إنجازًا رائعًا ، إلا أن محتوى سبوتنيك كان هزيلًا وفقًا لمعايير اليوم:

• ميزان الحرارة
• البطارية
• جهاز لاسلكي
• غاز النيتروجين الذي تم ضغطه داخل القمر الصناعي

على الجزء الخارجي من سبوتنيك ، كانت هناك أربعة هوائيات سوطية ترسل على ترددات الموجات القصيرة أعلى وتحت المعيار الحالي (27 ميجاهرتز). التقطت محطات التتبع على الأرض إشارة راديو وأكدت أن القمر الصناعي الصغير نجا من الإطلاق وكان في طريقه بنجاح حول كوكبنا. بعد شهر ، أطلق الاتحاد السوفيتي سبوتنيك 2 في المدار. داخل الكبسولة كان الكلب لايكا.

في ديسمبر 1957 ، حاول يائسًا مواكبة خصومه الحرب الباردة، حاول العلماء الأمريكيون وضع القمر الصناعي في مداره مع كوكب فانجارد. لسوء الحظ ، تحطم الصاروخ واحترق في مرحلة الإقلاع. بعد ذلك بوقت قصير ، في 31 يناير 1958 ، كررت الولايات المتحدة نجاح اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية من خلال تبني خطة ويرنر فون براون لإطلاق القمر الصناعي Explorer-1 مع الولايات المتحدة. حجر احمر. حمل إكسبلورر 1 الأدوات اللازمة لاكتشاف الأشعة الكونية ووجد ، في تجربة أجراها جيمس فان ألين من جامعة أيوا ، أن عدد الأشعة الكونية أقل بكثير مما كان متوقعًا. أدى ذلك إلى اكتشاف منطقتين حلقيتين (سميت في النهاية باسم Van Allen) مليئة بالجسيمات المشحونة المحاصرة حقل مغناطيسيأرض.

وبتشجيع من هذه النجاحات ، بدأت بعض الشركات في تطوير وإطلاق الأقمار الصناعية في الستينيات. كان أحدهم شركة Hughes Aircraft مع المهندس النجم Harold Rosen. قاد روزن الفريق الذي جعل فكرة كلارك تؤتي ثمارها - وضع قمر صناعي للاتصالات في مدار الأرض بطريقة يمكنها أن تعكس موجات الراديو من مكان إلى آخر. في عام 1961 ، منحت وكالة ناسا Hughes عقدًا لبناء سلسلة من الأقمار الصناعية Syncom (الاتصالات المتزامنة). في يوليو 1963 ، رأى روزين وزملاؤه Syncom-2 ينطلق في الفضاء ويدخل في مدار متزامن مع الأرض. استخدم الرئيس كينيدي النظام الجديد للتحدث مع رئيس الوزراء النيجيري في إفريقيا. سرعان ما انطلق Syncom-3 ، والذي يمكنه بالفعل بث إشارة تلفزيونية.

لقد بدأ عصر الأقمار الصناعية.

ما الفرق بين القمر الصناعي والخردة الفضائية؟

من الناحية الفنية ، القمر الصناعي هو أي جسم يدور حول كوكب أو جرم سماوي أصغر. يصنف علماء الفلك الأقمار على أنها أقمار صناعية ، وعلى مر السنين قاموا بتجميع قائمة بمئات من هذه الأجسام التي تدور حول الكواكب و عالم الأقزامنظامنا الشمسي. على سبيل المثال ، قاموا بإحصاء 67 قمرا لكوكب المشتري. وحتى الآن.

يمكن أيضًا تصنيف الكائنات التي من صنع الإنسان مثل Sputnik و Explorer على أنها أقمار صناعية ، لأنها ، مثل الأقمار ، تدور حول الكوكب. لسوء الحظ ، أدى النشاط البشري إلى حقيقة أنه اتضح أنه موجود في مدار الأرض كمية كبيرةقمامة. كل هذه القطع والحطام تتصرف مثل الصواريخ الكبيرة - تدور حول الكوكب بسرعة عالية في مسار دائري أو إهليلجي. في تفسير صارم للتعريف ، يمكن تعريف كل كائن على أنه قمر صناعي. لكن علماء الفلك ، كقاعدة عامة ، يعتبرون أقمارًا تلك الأشياء التي تؤدي وظيفة مفيدة. تندرج شظايا المعادن وغيرها من القمامة في فئة الحطام المداري.

يأتي الحطام المداري من عدة مصادر:

• الانفجار الصاروخي الذي ينتج أكبر قدر من الخردة.
• قام رائد الفضاء بإرخاء ذراعه - إذا قام رائد فضاء بإصلاح شيء ما في الفضاء وفقد مفتاح الربط ، فسيضيع هذا المفتاح إلى الأبد. يدخل المفتاح في المدار ويطير بسرعة حوالي 10 كم / ثانية. إذا اصطدمت بشخص أو قمر صناعي ، يمكن أن تكون النتائج كارثية. الأشياء الكبيرة، مثل محطة الفضاء الدولية ، هدف كبير للحطام الفضائي.
• العناصر المهملة. أجزاء من حاويات الإطلاق وأغطية عدسات الكاميرا وما إلى ذلك.

أطلقت وكالة ناسا قمرًا صناعيًا خاصًا يسمى LDEF لدراسة الآثار طويلة المدى لتأثيرات الحطام الفضائي. على مدار ست سنوات ، سجلت أجهزة القمر الصناعي حوالي 20000 تأثير ، بعضها ناجم عن النيازك الدقيقة والبعض الآخر بسبب الحطام المداري. يواصل علماء ناسا تحليل بيانات LDEF. ولكن يوجد في اليابان بالفعل شبكة عملاقة لالتقاط الحطام الفضائي.

ماذا يوجد داخل قمر صناعي عادي؟

تأتي الأقمار الصناعية في العديد من الأشكال والأحجام وتؤدي مجموعة متنوعة من الأقمار الصناعية وظائف مختلفة، لكنهم جميعًا متماثلون في الأساس. كل منهم بهيكل معدني أو مركب وجسم يسميه المهندسون الناطقون بالإنجليزية بالحافلة ، ويطلق الروس على منصة فضائية. تجمع المنصة الفضائية كل شيء معًا وتوفر تدابير كافية لضمان بقاء الأجهزة على قيد الحياة عند الإطلاق.

تحتوي جميع الأقمار الصناعية على مصدر طاقة (عادةً ألواح شمسية) وبطاريات. تسمح المصفوفات الشمسية لشحن البطاريات. أحدث الأقمار الصناعيةتشمل خلايا الوقود. طاقة الأقمار الصناعية باهظة الثمن ومحدودة للغاية. يشيع استخدام خلايا الطاقة النووية للشحن المسابر الفضائيةللكواكب الأخرى.

تحتوي جميع الأقمار الصناعية على كمبيوتر داخلي للتحكم في الأنظمة المختلفة ومراقبتها. تحتوي جميعها على راديو وهوائي. كحد أدنى ، تحتوي معظم الأقمار الصناعية على جهاز إرسال واستقبال لاسلكي حتى يتمكن الطاقم الأرضي من الاستعلام عن حالة القمر الصناعي ومراقبتها. تسمح العديد من الأقمار الصناعية بالكثير من الأشياء المختلفة ، من تغيير المدار إلى إعادة برمجة نظام الكمبيوتر.

كما قد تتوقع ، فإن تجميع كل هذه الأنظمة معًا ليس بالمهمة السهلة. يستغرق الأمر سنوات. كل شيء يبدأ بتحديد الغرض من المهمة. يسمح تحديد معلماته للمهندسين بتجميع الأدوات المناسبة وتثبيتها فيها النظام الصحيح. بمجرد الموافقة على المواصفات (والميزانية) ، يبدأ تجميع القمر الصناعي. يحدث في غرفة نظيفة ، في بيئة معقمة تحافظ على درجة الحرارة والرطوبة الصحيحة وتحمي القمر الصناعي أثناء التطوير والتجميع.

عادة ما تصنع الأقمار الصناعية حسب الطلب. قامت بعض الشركات بتطوير أقمار صناعية معيارية ، أي هياكل يمكن تجميعها للسماح بتركيب عناصر إضافية وفقًا للمواصفات. على سبيل المثال ، كان للقمر الصناعي بوينج 601 وحدتان أساسيتان - هيكل لنقل نظام الدفع الفرعي والإلكترونيات والبطاريات ؛ ومجموعة من أرفف قرص العسل لتخزين المعدات. تسمح هذه النموذجية للمهندسين بتجميع الأقمار الصناعية ليس من الصفر ، ولكن من العدم.

كيف يتم إطلاق الأقمار الصناعية في المدار؟

اليوم ، يتم إطلاق جميع الأقمار الصناعية في مدار على صاروخ. كثير نقلهم في قسم الشحن.

في معظم عمليات إطلاق الأقمار الصناعية ، يتم إطلاق الصاروخ بشكل مستقيم ، مما يسمح له بالمرور عبر الغلاف الجوي السميك بشكل أسرع ويقلل من استهلاك الوقود. بعد إقلاع الصاروخ ، يتم استخدام آلية التحكم في الصاروخ نظام بالقصور الذاتيالتوجيه لحساب التعديلات اللازمة على فوهة الصاروخ لتحقيق الميل المطلوب.

بعد دخول الصاروخ إلى الهواء المخلخل ، على ارتفاع حوالي 193 كيلومترًا ، يطلق نظام الملاحة مضاربًا صغيرة ، وهو ما يكفي لقلب الصاروخ إلى وضع أفقي. بعد ذلك ، يتم إطلاق القمر الصناعي. يتم إطلاق صواريخ صغيرة مرة أخرى وتحدث فرقًا في المسافة بين الصاروخ والقمر الصناعي.

السرعة المدارية والارتفاع

يجب أن تصل سرعة الصاروخ إلى 40320 كيلومترًا في الساعة ليهرب تمامًا من جاذبية الأرض ويطير في الفضاء. سرعة الفضاء أكبر بكثير مما يحتاجه القمر الصناعي في المدار. إنهم لا يهربون من جاذبية الأرض ، لكنهم في حالة توازن. السرعة المدارية هي السرعة المطلوبة للحفاظ على التوازن بين قوة الجاذبية وحركة القصور الذاتي للقمر الصناعي. هذا ما يقرب من 27359 كيلومترًا في الساعة على ارتفاع 242 كيلومترًا. بدون الجاذبية ، القصور الذاتي سيحمل القمر الصناعي إلى الفضاء. حتى مع الجاذبية ، إذا تحرك القمر الصناعي بسرعة كبيرة ، فسيتم نفخه في الفضاء. إذا كان القمر الصناعي يتحرك ببطء شديد ، فسوف تسحبه الجاذبية نحو الأرض.

تعتمد السرعة المدارية للقمر الصناعي على ارتفاعه فوق الأرض. كلما اقتربنا من الأرض ، زادت السرعة. على ارتفاع 200 كيلومتر السرعة المداريةهي 27400 كيلومتر في الساعة. للحفاظ على مدار على ارتفاع 35786 كيلومترًا ، يجب أن يدور القمر الصناعي بسرعة 11300 كيلومترًا في الساعة. تسمح هذه السرعة المدارية للقمر الصناعي بالمرور مرة كل 24 ساعة. نظرًا لأن الأرض تدور أيضًا لمدة 24 ساعة ، فإن القمر الصناعي على ارتفاع 35786 كيلومترًا في وضع ثابت بالنسبة لسطح الأرض. هذا الموقف يسمى الثابت بالنسبة للأرض. المدار الثابت بالنسبة للأرض مثالي لسواتل الأرصاد الجوية والاتصالات.

بشكل عام ، كلما ارتفع المدار ، زادت مدة بقاء القمر الصناعي فيه. على ارتفاع منخفض ، يكون القمر الصناعي في الغلاف الجوي للأرض ، مما يخلق مقاومة. على ال ارتفاع عاليلا توجد مقاومة عمليًا ، ويمكن لقمر صناعي ، مثل القمر ، أن يدور في المدار لعدة قرون.

أنواع الأقمار الصناعية

على الأرض ، تبدو جميع الأقمار الصناعية متشابهة - الصناديق أو الأسطوانات اللامعة المزينة بأجنحة الألواح الشمسية. لكن في الفضاء ، تتصرف هذه الآلات الخرقاء بشكل مختلف تمامًا اعتمادًا على مسار الرحلة والارتفاع والاتجاه. نتيجة لذلك ، يصبح تصنيف الأقمار الصناعية مسألة معقدة. تتمثل إحدى الطرق في تحديد مدار المركبة بالنسبة إلى الكوكب (عادةً الأرض). تذكر أن هناك مدارين رئيسيين: دائري وبيضاوي الشكل. تبدأ بعض الأقمار الصناعية في شكل قطع ناقص ثم تنتقل إلى مدار دائري. يتحرك البعض الآخر في مسار بيضاوي يعرف باسم مدار "البرق". تدور هذه الأجسام عادةً بين الشمال والجنوب عبر قطبي الأرض وتكمل مدارًا كاملاً في غضون 12 ساعة.

تمر الأقمار الصناعية التي تدور حول القطب أيضًا عبر القطبين مع كل ثورة ، على الرغم من أن مداراتها أقل إهليلجية. تظل المدارات القطبية ثابتة في الفضاء بينما تدور الأرض. نتيجة لذلك ، يمر معظم الأرض تحت القمر الصناعي في مدار قطبي. نظرًا لأن المدارات القطبية توفر تغطية ممتازة للكوكب ، فهي تُستخدم لرسم الخرائط والتصوير الفوتوغرافي. يعتمد المتنبئون أيضًا على شبكة عالمية من الأقمار الصناعية القطبية التي تدور حول عالمنا في 12 ساعة.

يمكنك أيضًا تصنيف الأقمار الصناعية من خلال ارتفاعها أعلاه سطح الأرض. بناءً على هذا المخطط ، هناك ثلاث فئات:

• المدار الأرضي المنخفض (LEO) - تحتل أقمار المدار الأرضي المنخفض مساحة من الفضاء من 180 إلى 2000 كيلومتر فوق الأرض. تعتبر الأقمار الصناعية التي تتحرك بالقرب من سطح الأرض مثالية لأغراض جمع المعلومات العسكرية والخاصة بالطقس.
• مدار أرضي متوسط ​​(MEO) - تطير هذه الأقمار الصناعية من 2000 إلى 36000 كم فوق الأرض. تعمل أقمار الملاحة GPS بشكل جيد على هذا الارتفاع. السرعة المدارية التقريبية 13900 كم / ساعة.
• المدار الثابت بالنسبة للأرض (المتزامن مع الأرض) - تتحرك الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض حول الأرض على ارتفاع يتجاوز 36000 كم وبنفس سرعة دوران الكوكب. لذلك ، يتم وضع الأقمار الصناعية في هذا المدار دائمًا في نفس المكان على الأرض. تحلق العديد من الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض على طول خط الاستواء ، مما تسبب في حدوث الكثير من "الاختناقات المرورية" في هذه المنطقة من الفضاء. تستخدم عدة مئات من أقمار التلفزيون والاتصالات والطقس المدار الثابت بالنسبة للأرض.

أخيرًا ، يمكن للمرء أن يفكر في الأقمار الصناعية بمعنى المكان الذي "يبحثون عنه". معظم الأجسام المرسلة إلى الفضاء خلال العقود القليلة الماضية تنظر إلى الأرض. تحتوي هذه الأقمار الصناعية على كاميرات ومعدات يمكنها رؤية عالمنا بأطوال موجية مختلفة من الضوء ، مما يسمح لنا بالاستمتاع بمشهد خلاب بألوان الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء على كوكبنا. يتجه عدد أقل من الأقمار الصناعية إلى الفضاء ، حيث يرصدون النجوم والكواكب والمجرات ، بالإضافة إلى البحث عن أجسام مثل الكويكبات والمذنبات التي يمكن أن تصطدم بالأرض.

الأقمار الصناعية المعروفة

حتى وقت قريب ، ظلت الأقمار الصناعية أجهزة غريبة وسرية للغاية تستخدم في المقام الأول لأغراض عسكرية للملاحة والتجسس. الآن أصبحوا جزءًا لا يتجزأ من الحياة اليومية. بفضلهم ، سنعرف توقعات الطقس (على الرغم من أن المتنبئين بالطقس ، أوه ، كم مرة يخطئون). نشاهد التلفزيون ونعمل مع الإنترنت أيضًا بفضل الأقمار الصناعية. يتيح لنا نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في سياراتنا وهواتفنا الذكية الوصول إلى المكان الصحيح. هل يستحق الحديث عن المساهمة القيمة لتلسكوب هابل وعمل رواد الفضاء على محطة الفضاء الدولية؟

ومع ذلك ، هناك أبطال حقيقيون في المدار. دعنا نتعرف عليهم.

1. تقوم أقمار لاندسات بتصوير الأرض منذ أوائل السبعينيات ، ومن حيث رصد سطح الأرض ، فهي أبطال. تم إطلاق Landsat-1 ، المعروف في ذلك الوقت باسم ERTS (قمر تكنولوجيا موارد الأرض) ، في 23 يوليو 1972. حملت جهازين رئيسيين: كاميرا وماسحة ضوئية متعددة الأطياف من صنع شركة Hughes Aircraft Company وقادرة على تسجيل البيانات بأطياف خضراء وحمراء واثنين من أطياف الأشعة تحت الحمراء. التقط القمر الصناعي مثل هذه الصور الرائعة واعتبر ناجحًا لدرجة أن سلسلة كاملة اتبعته. أطلقت ناسا آخر لاندسات 8 في فبراير 2013. طارت هذه المركبة جهازي استشعار لرصد الأرض ، وهما جهاز تصوير الأرض التشغيلي ومستشعر الأشعة تحت الحمراء الحرارية ، وجمعان صورًا متعددة الأطياف للمناطق الساحلية ، الجليد القطبيوالجزر والقارات.
2. تدور الأقمار الصناعية البيئية التشغيلية المستقرة بالنسبة إلى الأرض (GOES) حول الأرض في مدار ثابت بالنسبة إلى الأرض ، وكل منها مسؤول عن جزء ثابت من الكرة الأرضية. يسمح هذا للأقمار الصناعية بمراقبة الغلاف الجوي عن كثب واكتشاف التغيرات في أنماط الطقس التي يمكن أن تؤدي إلى الأعاصير والأعاصير والفيضانات والعواصف الرعدية. تستخدم الأقمار الصناعية أيضًا لتقدير كمية هطول الأمطار وتراكم الثلوج ، وقياس درجة الغطاء الثلجي وتتبع حركة البحر وجليد البحيرة. منذ عام 1974 ، تم إطلاق 15 قمراً صناعياً من GOES إلى المدار ، لكن قمران فقط من GOES West و GOES East يراقبان الطقس في نفس الوقت.
3. لعب Jason-1 و Jason-2 دورًا رئيسيًا في التحليل طويل المدى لمحيطات الأرض. أطلقت ناسا Jason-1 في ديسمبر 2001 ليحل محل القمر الصناعي NASA / CNES Topex / Poseidon الذي كان يدور حول الأرض منذ عام 1992. منذ ما يقرب من ثلاثة عشر عامًا ، قام Jason-1 بقياس مستويات سطح البحر وسرعة الرياح وارتفاع الأمواج في أكثر من 95٪ من محيطات الأرض الخالية من الجليد. تقاعدت ناسا رسميًا جايسون -1 في 3 يوليو 2013. دخل Jason 2 المدار في عام 2008. حملت أدوات دقيقة لقياس المسافة من القمر الصناعي إلى سطح المحيط بدقة تصل إلى بضعة سنتيمترات. توفر هذه البيانات ، بالإضافة إلى كونها ذات قيمة لعلماء المحيطات ، نظرة شاملة على سلوك أنماط المناخ في العالم.

كم تكلفة الأقمار الصناعية؟

بعد سبوتنيك وإكسبلورر ، أصبحت الأقمار الصناعية أكبر وأكثر تعقيدًا. خذ على سبيل المثال TerreStar-1 ، وهو قمر صناعي تجاري كان من المفترض أن يوفر نقل بيانات الجوال إليه شمال امريكاللهواتف الذكية والأجهزة المماثلة. تم إطلاق TerreStar-1 في عام 2009 ، وكان يزن 6910 كجم. وعندما تم نشرها بالكامل ، كشفت عن هوائي 18 مترًا ومصفوفات شمسية ضخمة بجناحيها 32 مترًا.

يتطلب بناء مثل هذه الآلة المعقدة الكثير من الموارد ، لذلك تاريخيًا فقط الإدارات الحكومية والشركات ذات الجيوب العميقة يمكن أن تدخل في أعمال الأقمار الصناعية. تكمن معظم تكلفة القمر الصناعي في المعدات - أجهزة الإرسال والاستقبال وأجهزة الكمبيوتر والكاميرات. يكلف القمر الصناعي النموذجي للطقس حوالي 290 مليون دولار. سيكلف القمر الصناعي للتجسس 100 مليون دولار إضافية. أضف إلى ذلك تكلفة صيانة وإصلاح الأقمار الصناعية. يجب أن تدفع الشركات مقابل عرض النطاق الترددي للأقمار الصناعية بنفس الطريقة التي يدفع بها مالكو الهواتف مقابل الاتصالات الخلوية. يكلف أحيانًا أكثر من 1.5 مليون دولار في السنة.

عامل مهم آخر هو تكلفة بدء التشغيل. يمكن أن يكلف إطلاق قمر صناعي واحد إلى الفضاء ما بين 10 ملايين دولار و 400 مليون دولار ، اعتمادًا على المركبة. يمكن لصاروخ Pegasus XL رفع 443 كجم إلى مدار أرضي منخفض مقابل 13.5 مليون دولار. سيتطلب إطلاق قمر صناعي ثقيل مزيدًا من الرفع. يمكن لصاروخ آريان 5G إطلاق قمر صناعي زنة 18000 كيلوغرام إلى مدار منخفض مقابل 165 مليون دولار.

على الرغم من التكاليف والمخاطر المرتبطة ببناء وإطلاق وتشغيل الأقمار الصناعية ، تمكنت بعض الشركات من بناء أعمال كاملة حولها. على سبيل المثال ، بوينج. في عام 2012 ، سلمت الشركة حوالي 10 أقمار صناعية إلى الفضاء وتلقت طلبات لأكثر من سبع سنوات ، محققة ما يقرب من 32 مليار دولار من العائدات.

مستقبل الأقمار الصناعية

بعد مرور ما يقرب من خمسين عامًا على إطلاق سبوتنيك ، فإن الأقمار الصناعية ، مثل الميزانيات ، تنمو وتزداد قوة. الولايات المتحدة ، على سبيل المثال ، أنفقت ما يقرب من 200 مليار دولار منذ بدء برنامج الأقمار الصناعية العسكرية والآن ، على الرغم من كل هذا ، لديها أسطول من المركبات القديمة في انتظار استبداله. يخشى العديد من الخبراء من أن بناء ونشر الأقمار الصناعية الكبيرة لا يمكن أن يتم ببساطة من أموال دافعي الضرائب. يبقى الحل الذي يمكن أن يقلب كل شيء رأسًا على عقب هو الشركات الخاصة مثل SpaceX وغيرها من الشركات التي من الواضح أنها لن تقع في ركود بيروقراطي مثل NASA و NRO و NOAA.

حل آخر هو تقليل حجم وتعقيد الأقمار الصناعية. يعمل العلماء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وجامعة ستانفورد منذ عام 1999 على نوع جديد من الأقمار الصناعية CubeSat ، يعتمد على اللبنات الأساسية بحافة 10 سنتيمترات. يحتوي كل مكعب على مكونات جاهزة ويمكن دمجه مع مكعبات أخرى لزيادة الكفاءة وتقليل عبء العمل. من خلال توحيد التصميمات وتقليل تكلفة بناء كل قمر صناعي من البداية ، يمكن أن يكلف CubeSat واحد أقل من 100000 دولار.

في أبريل 2013 ، قررت وكالة ناسا اختبار هذا المبدأ البسيط وثلاثة CubeSats على أساس الهواتف الذكية التجارية. كان الهدف هو وضع الأقمار الصناعية الدقيقة في المدار عند وقت قصيروالتقط بعض الصور بهواتفك. تخطط الوكالة الآن لنشر شبكة واسعة من هذه الأقمار الصناعية.

سواء كانت كبيرة أو صغيرة ، يجب أن تكون أقمار المستقبل قادرة على التواصل بشكل فعال مع المحطات الأرضية. تاريخياً ، اعتمدت وكالة ناسا على اتصالات التردد اللاسلكي ، لكن التردد اللاسلكي وصل إلى الحد الأقصى مع تزايد الطلب على المزيد من الطاقة. للتغلب على هذه العقبة ، يقوم علماء ناسا بتطوير نظام اتصال ثنائي الاتجاه يعتمد على الليزر بدلاً من موجات الراديو. في 18 أكتوبر 2013 ، أطلق العلماء لأول مرة شعاع ليزر لنقل البيانات من القمر إلى الأرض (على مسافة 384633 كيلومترًا) وحصلوا على معدل نقل قياسي قدره 622 ميغا بت في الثانية.

قد يبدو أن الأقمار الصناعية في مدار الأرض هي أبسط الأشياء وأكثرها شهرة وأعز شيء في هذا العالم. بعد كل شيء ، كان القمر معلقًا في السماء لأكثر من أربعة مليارات عام ولا يوجد شيء خارق للطبيعة في تحركاته. ولكن إذا أطلقنا أنفسنا أقمارًا صناعية في مدار حول الأرض ، فإنها تبقى هناك لبضعة أو عقود فقط ، ثم تدخل الغلاف الجوي مرة أخرى وتحترق أو تسقط في المحيط وعلى الأرض.

علاوة على ذلك ، إذا نظرت إلى الأقمار الصناعية الطبيعية على الكواكب الأخرى ، فجميعها تدوم لفترة أطول بكثير من الأقمار الصناعية التي صنعها الإنسان والتي تدور حول الأرض. دولي محطة فضاء(ISS) ، على سبيل المثال ، تدور حول الأرض كل 90 دقيقة ، بينما يحتاج قمرنا إلى حوالي شهر للقيام بذلك. حتى الأقمار الصناعية القريبة من كواكبها - مثل كوكب المشتري آيو ، التي تدفئ قوى المد والجزر بها العالم وتمزقه بفعل الكوارث البركانية - مستقرة في مداراتها.

من المتوقع أن يبقى آيو في مدار كوكب المشتري لبقية عمر النظام الشمسي ، لكن محطة الفضاء الدولية ، إذا لم يتم اتخاذ أي إجراء ، فستبقى في مدارها لمدة تقل عن 20 عامًا. المصير نفسه ينطبق تقريبًا على جميع الأقمار الصناعية الموجودة في مدار أرضي منخفض: بحلول الوقت الذي يدور فيه القرن المقبل ، ستكون جميع الأقمار الصناعية الحالية تقريبًا قد دخلت الغلاف الجوي للأرض واحترقت. أكبرها (مثل محطة الفضاء الدولية التي يبلغ وزنها 431 طنًا) ستسقط على شكل حطام كبير على الأرض وفي الماء.

لماذا يحدث ذلك؟ لماذا لا تهتم هذه الأقمار الصناعية بقوانين أينشتاين ونيوتن وكبلر ، ولماذا لا يريدون الحفاظ على مدار مستقر طوال الوقت؟ اتضح أن هناك عددًا من العوامل التي تسبب هذا الاضطراب المداري.

ربما يكون هذا هو التأثير الأكثر أهمية وهو أيضًا سبب عدم استقرار الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض. أقمار صناعية أخرى - مثل الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض- يخرج أيضًا من المدار ، لكن ليس بهذه السرعة. تعودنا على اعتبار "الفضاء" كل شيء يزيد عن 100 كيلومتر: فوق خط كرمان. لكن أي تعريف لحدود الفضاء ، حيث يبدأ الفضاء وينتهي الغلاف الجوي للكوكب ، سيكون بعيد المنال. في الواقع ، تمتد جزيئات الغلاف الجوي بعيدًا وعاليًا ، لكن كثافتها تتناقص شيئًا فشيئًا. في النهاية تنخفض الكثافة - أقل من ميكروجرام لكل سنتيمتر مكعب، ثم النانوجرام ، ثم البيكوجرام - وبعد ذلك يمكننا بثقة أن نسميها مساحة. لكن يمكن أن توجد ذرات الغلاف الجوي على بعد آلاف الكيلومترات ، وعندما تصطدم الأقمار الصناعية بهذه الذرات ، فإنها تفقد الزخم وتتباطأ. لذلك ، فإن الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض غير مستقرة.

جزيئات الرياح الشمسية

تنبعث من الشمس باستمرار تيارًا من الجسيمات عالية الطاقة ، معظمها من البروتونات ، ولكن هناك أيضًا إلكترونات ونواة هيليوم تتصادم مع كل ما تقابله. هذه الاصطدامات بدورها تغير زخم الأقمار الصناعية التي تصطدم بها وتبطئها تدريجياً. بعد وقت كافٍ ، تبدأ المدارات في الانهيار أيضًا. وعلى الرغم من أن هذا ليس السبب الرئيسي لفك مدار الأقمار الصناعية عن المدار الأرضي المنخفض ، فإن الأقمار الصناعية البعيدة لديها المزيد أهميةفكلما اقتربوا منه تزداد مقاومة الغلاف الجوي.

مجال الجاذبية الأرضية غير الكامل

إذا لم يكن للأرض غلاف جوي مثل عطارد أو القمر ، فهل ستتمكن أقمارنا الصناعية من البقاء في المدار إلى الأبد؟ لا ، حتى لو أزلنا الرياح الشمسية. هذا لأن الأرض - مثل جميع الكواكب - ليست نقطة كتلة ، بل هي بنية ذات كتلة غير دائمة مجال الجاذبية. هذا المجال ويتغير مع دوران الأقمار الصناعية حول الكوكب مما يؤدي إلى تأثير قوى المد والجزر عليها. وكلما اقترب القمر الصناعي من الأرض ، زاد تأثير هذه القوى.

تأثير الجاذبية لبقية النظام الشمسي

من الواضح أن الأرض ليست نظامًا معزولًا تمامًا حيث تولد قوة الجاذبية الوحيدة التي تؤثر على الأقمار الصناعية على الأرض نفسها. لا ، القمر والشمس وجميع الكواكب الأخرى والمذنبات والكويكبات وغيرها تساهم في شكل قوى الجاذبية التي تدفع المدارات بعيدًا. حتى لو كانت الأرض نقطة مثالية - على سبيل المثال ، مضغوطة في ثقب أسود غير دوار - بدون غلاف جوي ، وكانت الأقمار الصناعية محمية بنسبة 100٪ من الرياح الشمسية ، فإن هذه الأقمار الصناعية ستبدأ بالتدريج بشكل حلزوني في مركز الأرض. كانت ستبقى في مدار أطول من الشمس نفسها ، لكن هذا النظام لن يكون مستقرًا تمامًا أيضًا ؛ سوف تتعطل مدارات الأقمار الصناعية في النهاية.

التأثيرات النسبية

قوانين نيوتن - ومدارات كبلر - ليست الشيء الوحيد الذي يحكم الحركة الأجرام السماوية. نفس القوة التي تجعل مدار عطارد يسبق مدار عطارد بمقدار 43 بوصة إضافي كل قرن يتسبب في تعطيل المدارات بفعل موجات الجاذبية. معدل هذا الاضطراب بطيء للغاية بالنسبة لحقول الجاذبية الضعيفة (مثل تلك التي وجدناها في النظام الشمسي) ولأجل مسافات طويلة: سيستغرق الأمر 10،150 عامًا حتى تنزل الأرض إلى الشمس ، ودرجة اضطراب مدارات الأقمار الصناعية القريبة من الأرض أقل بمئات الآلاف من المرات من هذا. لكن هذه القوة موجودة وهي نتيجة حتمية النظرية العامةالنسبية ، تتجلى بشكل فعال على الأقمار الصناعية الأقرب للكوكب.

كل هذا لا يؤثر فقط على الأقمار الصناعية التي أنشأناها ، بل يؤثر أيضًا على الأقمار الصناعية الطبيعية التي نجدها تدور حول عوالم أخرى. أقرب قمر إلى المريخ ، فوبوس ، على سبيل المثال ، محكوم عليه بالتمزق بفعل قوى المد والجزر والانحدار إلى الغلاف الجوي للكوكب الأحمر. على الرغم من وجود غلاف جوي لا يزيد عن 1/140 من الغلاف الجوي للأرض ، إلا أن الغلاف الجوي للمريخ كبير ومنتشر ، علاوة على ذلك ، لا يتمتع المريخ بأي حماية من الرياح الشمسية (على عكس الأرض بمجالها المغناطيسي). لذلك ، بعد عشرات الملايين من السنين ، فوبوس هو كل شيء. قد يبدو أن هذا لن يحدث قريبًا ، لكن هذا أقل من 1٪ من الوقت الذي يكون فيه النظام الشمسي موجودًا بالفعل.

لكن أقرب قمر للمشتري ليس Io: إنه Metis ، وفقًا للأساطير ، الزوجة الأولى لزيوس. أقرب إلى Io توجد أربعة أقمار صناعية صغيرة ، Metis هو الأقرب منها - فقط 0.8 نصف قطر كوكب المشتري من الغلاف الجوي للكوكب. في حالة كوكب المشتري ، ليست قوى الغلاف الجوي أو الرياح الشمسية هي المسؤولة عن تعطيل المدارات ؛ مع شبه محور مداري يبلغ 128000 كيلومتر ، يواجه Metis قوى مد هائلة مسؤولة عن هبوط هذا القمر المتصاعد نحو كوكب المشتري.

كمثال على ما يحدث عندما تهيمن قوى المد والجزر القوية ، يمكن ملاحظة المذنب Shoemaker-Levy 9 وتأثيره على كوكب المشتري في عام 1994 ، بعد أن تمزقه تمامًا بفعل قوى المد والجزر. هذا هو مصير جميع الأقمار الصناعية التي تتجه نحو عالمهم الأصلي.

إن الجمع بين كل هذه العوامل يجعل أي قمر صناعي غير مستقر بشكل أساسي. بالنظر إلى الوقت الكافي وعدم وجود تأثيرات استقرار أخرى ، سيتم انتهاك جميع المدارات تمامًا. بعد كل شيء ، كل المدارات غير مستقرة ، لكن بعضها غير مستقر أكثر من البعض الآخر.

لإطلاق قمر صناعي في مدار قريب من الأرض ، من الضروري إعطائه سرعة أولية تساوي السرعة الفضائية الأولى أو أعلى بقليل 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: مدار بيضاوي الشكليقترب من الدائرة. 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 للغاية.

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 تحمل 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 لها أهمية علمية كبيرة ، وبالتالي يتم إجراء ملاحظات منهجية لحركة الأقمار الصناعية.