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 حركة السيارة. 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 مرت مركبة فضائية فوق القطبين الشمالي والجنوبي (جغرافيًا ، وليس مغناطيسيًا) ، يكون ميلها 90 درجة.

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

عالية بالقرب من الأرض

عندما يصل قمر صناعي 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 للمناطق الشمالية أو الجنوبية البعيدة. 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 مركبة فضائية خط الاستواء ، يكون التوقيت الشمسي المحلي هو نفسه دائمًا. 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 الفصول. 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 في 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. مثلما يتمدد الهواء في البالون ويرتفع عند تسخينه ، يرتفع 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 ، وعند الضرورة ، يخططون بعناية لمناورات المراوغة. يخطط نفس الفريق وينفذ مناورات لضبط إمالة القمر الصناعي وارتفاعه.

الأرض ، مثل أي جسم كوني ، لها مجال جاذبيتها الخاصة والمدارات المجاورة ، والتي يمكن أن تحتوي على أجسام وأشياء مختلفة الأحجام. في أغلب الأحيان ، يقصدون القمر ومحطة الفضاء الدولية. الأول يذهب في مداره الخاص ، ومحطة الفضاء الدولية - في مدار أرضي منخفض. هناك العديد من المدارات التي تختلف عن بعضها البعض في المسافة من الأرض ، والموقع النسبي بالنسبة للكوكب واتجاه الدوران.

مدارات أقمار اصطناعية للأرض

حتى الآن ، يوجد في أقرب فضاء قريب من الأرض العديد من الأشياء التي هي نتيجة نشاط بشري. في الأساس ، هذه أقمار صناعية تعمل على توفير الاتصالات ، ولكن هناك أيضًا الكثير من الحطام الفضائي. تعد محطة الفضاء الدولية واحدة من أشهر الأقمار الاصطناعية الخاصة بالأرض.

يتحرك AES في ثلاثة مدارات رئيسية: استوائي (ثابت بالنسبة للأرض) ، قطبي ومائل. الأول يقع تمامًا في مستوى الدائرة الاستوائية ، والثاني متعامد تمامًا عليه ، والثالث يقع بينهما.

المدار المتزامن مع الأرض

يرجع اسم هذا المسار إلى حقيقة أن سرعة الجسم المتحرك على طوله تساوي الفترة الفلكية لدوران الأرض. المدار الثابت بالنسبة للأرض هو حالة خاصة للمدار المتزامن مع الأرض ، والذي يقع في نفس مستوى خط الاستواء للأرض.

مع ميل لا يساوي صفرًا وانحرافًا صفريًا ، فإن القمر الصناعي ، عند ملاحظته من الأرض ، يصف الشكل الثامن في السماء خلال النهار.

أول قمر صناعي في مدار متزامن مع الأرض هو American Syncom-2 ، وقد تم إطلاقه في عام 1963. اليوم ، في بعض الحالات ، يرجع وضع الأقمار الصناعية في مدار متزامن مع الأرض إلى حقيقة أن مركبة الإطلاق لا يمكنها نقلها إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض.

المدار الثابت بالنسبة للأرض

يحتوي هذا المسار على مثل هذا الاسم لأنه على الرغم من الحركة المستمرة ، فإن الكائن الموجود عليه يظل ثابتًا بالنسبة إلى سطح الأرض. يُطلق على المكان الذي يوجد فيه الكائن اسم نقطة الوقوف.

غالبًا ما تُستخدم الأقمار الصناعية التي يتم إطلاقها في مثل هذا المدار لنقل القنوات الفضائية ، لأن الثابت يسمح لك بتوجيه الهوائي إليه مرة واحدة والبقاء على اتصال لفترة طويلة.

يبلغ ارتفاع الأقمار الصناعية في المدار الثابت بالنسبة للأرض 35786 كيلومترًا. نظرًا لأنهم جميعًا فوق خط الاستواء مباشرةً ، يتم تسمية خط الزوال فقط للإشارة إلى الموضع ، على سبيل المثال ، 180.0˚E Intelsat 18 أو 172.0˚E Eutelsat 172A.

يبلغ نصف القطر التقريبي للمدار حوالي 42164 كم ، ويبلغ الطول حوالي 265000 كم ، والسرعة المدارية حوالي 3.07 كم / ث.

مدار إهليلجي مرتفع

المدار الإهليلجي المرتفع هو مسار يكون ارتفاعه عند نقطة الحضيض أقل بعدة مرات مما هو عند الأوج. إن وضع الأقمار الصناعية في مثل هذه المدارات له عدد من المزايا المهمة. على سبيل المثال ، قد يكون أحد هذه الأنظمة كافيًا لخدمة روسيا بأكملها أو ، وفقًا لذلك ، مجموعة من الدول ذات المساحة الإجمالية المتساوية. بالإضافة إلى ذلك ، تعد أنظمة HEO في خطوط العرض العالية وظيفية أكثر من السواتل المستقرة بالنسبة إلى الأرض. ووضع قمر صناعي في مدار بيضاوي مرتفع أرخص بنحو 1.8 مرة.

أمثلة كبيرة للأنظمة التي تعمل على HEO:

• المراصد الفضائية التي أطلقتها ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية.
• راديو الأقمار الصناعية راديو Sirius XM.
• اتصالات الأقمار الصناعية Meridian ، -Z و -ZK ، Molniya-1T.
• نظام تصحيح GPS عبر الأقمار الصناعية.

المدار الأرضي المنخفض

يعد هذا أحد المدارات الأقل انخفاضًا ، والتي يمكن أن يتراوح ارتفاعها بين 160 و 2000 كيلومتر ومدة مدارية تتراوح بين 88 و 127 دقيقة على التوالي ، وذلك حسب الظروف المختلفة. المرة الوحيدة التي تغلبت فيها المركبات الفضائية المأهولة على المدار الأرضي المنخفض كانت برنامج أبولو بهبوط رواد فضاء أمريكيين على القمر.

تعمل معظم الأقمار الصناعية الأرضية الاصطناعية المستخدمة حاليًا أو المستخدمة في أي وقت مضى في مدار أرضي منخفض. للسبب نفسه ، يقع الجزء الأكبر من الحطام الفضائي الآن في هذه المنطقة. تبلغ السرعة المدارية المثلى لسواتل المدار الأرضي المنخفض 7.8 كم / ثانية في المتوسط.

أمثلة على الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض:

• محطة الفضاء الدولية (400 كم).
• أقمار الاتصالات من مختلف الأنظمة والشبكات.
• مركبات استطلاع وأقمار صناعية.

تمثل وفرة الحطام الفضائي في المدار المشكلة الحديثة الرئيسية لصناعة الفضاء بأكملها. يتزايد الوضع اليوم لدرجة أن احتمال اصطدام أجسام مختلفة في المدار الأرضي المنخفض يتزايد. وهذا بدوره يؤدي إلى تدمير وتشكيل المزيد من الشظايا والتفاصيل في المدار. تشير التوقعات المتشائمة إلى أن مبدأ دومينو الذي تم إطلاقه يمكن أن يحرم البشرية تمامًا من فرصة استكشاف الفضاء.

مدار مرجعي منخفض

من المعتاد تسمية المدار المرجعي المنخفض بمدار الجهاز ، مما يوفر تغييرًا في الميل أو الارتفاع أو أي تغييرات مهمة أخرى. إذا كان الجهاز لا يحتوي على محرك ولا يقوم بأي مناورات ، فإن مداره يسمى المدار الأرضي المنخفض.

ومن المثير للاهتمام ، أن المقذوفات الروسية والأمريكية تحسب ارتفاعها بشكل مختلف ، لأن الأول يعتمد على نموذج بيضاوي للأرض ، والأخير على نموذج كروي. لهذا السبب ، هناك اختلاف ليس فقط في الارتفاع ، ولكن أيضًا في موضع الحضيض والأوج.

"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 ، أكد الاتحاد السوفيتي أخيرًا حدس نيوتن بإطلاق سبوتنيك 1 ، أول قمر صناعي يدور حول 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 نشط في مدار الأرض ، فإن أقرب منطقة فضاء لدينا أكثر ازدحامًا من مدينة رئيسية خلال 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.

تأتي الأقمار الصناعية بجميع الأشكال والأحجام وتؤدي 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.
• تستجيب أقمار الإنقاذ لمكالمات 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 ، في محاولة يائسة لمواكبة خصومهم في الحرب الباردة ، حاول العلماء الأمريكيون وضع قمر صناعي في مدار 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 أدوات 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 في المجال المغناطيسي للأرض.

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 طبيعية ، وعلى مر السنين قاموا بتجميع قائمة بمئات من هذه الأجسام التي تدور حول الكواكب والكواكب القزمة في نظامنا 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 ظهور كمية هائلة من القمامة في مدار الأرض. 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. الأجسام الكبيرة مثل محطة الفضاء الدولية هي 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 بجميع الأشكال والأحجام وتؤدي العديد من الوظائف المختلفة ، لكنها كلها متشابهة 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. تشتمل أحدث الأقمار الصناعية أيضًا على خلايا الوقود. طاقة الأقمار الصناعية باهظة الثمن ومحدودة للغاية. تستخدم خلايا الطاقة النووية بشكل شائع لإرسال مجسات فضائية إلى كواكب أخرى.

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 لاسلكي وجهاز استقبال لاسلكي بحيث يمكن للطاقم الأرضي 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 بالترتيب 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 بتثبيت 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 ، ينطلق الصاروخ مباشرة لأعلى ، مما يسمح له بالمرور عبر الغلاف الجوي السميك بشكل أسرع ويقلل من استهلاك الوقود. بعد إقلاع الصاروخ ، تستخدم آلية التحكم في الصاروخ نظام التوجيه بالقصور الذاتي لحساب التعديلات اللازمة على فوهة الصاروخ لتحقيق الإمالة المطلوبة.

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 ، تبلغ السرعة المدارية 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 يؤدي إلى مقاومة الهواء. على ارتفاعات عالية ، لا توجد مقاومة عمليًا ، ويمكن أن يكون القمر الصناعي ، مثل القمر ، 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 دائرة كاملة 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 حسب ارتفاعها فوق 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 ، ويبحثون أيضًا 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 حياتنا 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 ، حيث جمعت صورًا متعددة الأطياف للمناطق الساحلية والجليد القطبي والجزر 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 الثلج ، 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 في أمريكا الشمالية للهواتف 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 الأقمار الصناعية 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 لفترة قصيرة والتقاط بعض الصور بالهواتف. 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.

كما تعلم ، فإن الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض تتدلى 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 والارتفاع الشاهق لحوالي 36000 كم ، والتي يمكن رؤية نصف سطح الأرض منها تقريبًا ، يتم وضع الأقمار الصناعية للتلفزيون والراديو والاتصالات في مدار ثابت بالنسبة إلى الأرض.

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 يدحضون نيوتن ذاته. بالطبع إنها ليست كذلك. يتم حساب إطلاق الأقمار الصناعية في المدار الثابت بالنسبة للأرض بدقة وفقًا لقانون الجاذبية الكونية لنيوتن.

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 الزاوية لدوران الأرض ، أي دورة واحدة في اليوم ، وبالنسبة للأقمار الصناعية ذات المدارات المنخفضة ، تكون السرعة الزاوية أكبر ، أي أن لديها الوقت للقيام بعدة ثورات حول الأرض في يوم واحد). 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.