مدارات الأقمار الصناعية الأرضية. أنواع مدارات القمر الصناعي وتعريفاتها ما هو مدار القمر الصناعي
في الفضاء الخارجي فوق الأرض، تتحرك الأقمار الصناعية على طول مسارات معينة تسمى مدارات الأقمار الصناعية الأرضية. المدار هو مسار الحركة (أو المترجم من اللاتينية "المسار، الطريق") لأي جسم مادي (في حالتنا، قمر صناعي) للأمام على طول نظام محدد مسبقًا من الإحداثيات المكانية، مع الأخذ في الاعتبار تكوين مجالات القوة المؤثرة على هو - هي.
تتحرك الأقمار الصناعية الأرضية (AES) في ثلاثة مدارات: قطبية، ومائلة، واستوائية (مستقرة بالنسبة إلى الأرض).
يمتلك المدار القطبي ميلًا زاويًا قدره 90 درجة (يُشار إليه بالحرف "i" من الميل الإنجليزي) بالنسبة إلى المستوى الاستوائي. يتم قياس هذه الزاوية أيضًا بالدقائق والثواني. يمكن أن يكون المدار القطبي متزامنًا أو شبه متزامن.
ويقع المدار المائل بين القطبي والاستوائي مدارات الأقمار الصناعية الأرضية، وتشكيل زاوية حادة نازحة.
العيب الرئيسي والكبير للمدار القطبي والمائل هو أن القمر الصناعي يتحرك باستمرار في مداره، لذلك من أجل تتبع موقعه يجب ضبط الهوائي باستمرار لاستقبال إشارة القمر الصناعي. لضبط الهوائي تلقائيًا على موضع القمر الصناعي، هناك معدات خاصة باهظة الثمن يصعب جدًا تركيبها وصيانتها لاحقًا.
المدار الثابت بالنسبة للأرض (ويسمى أيضًا المدار الاستوائي) ليس له انحراف صفر ويقع في المستوى الاستوائي لكوكبنا. ويؤدي تحرك القمر الصناعي على طوله إلى إحداث ثورة كاملة تساوي الزمن الذي تستغرقه الأرض في الدوران حول محورها. وهذا هو، فيما يتعلق بالمراقب الأرضي، سيظهر مثل هذا القمر الصناعي بلا حراك عند نقطة واحدة.
1-المدار الثابت بالنسبة للأرض (GSO) أو المدار الاستوائي.
2- المدار المائل .
3- المدار القطبي.
الارتفاع فوق سطح الأرض في المدار الثابت بالنسبة للأرض ( هيئة التقييس الخليجية) تساوي 35876 كم، ونصف قطرها 42241 كم، وطولها (طولها) 265409 كم. ومن الضروري أن تأخذ هذه المعلمات في الاعتبار عند إطلاق القمر الصناعي هيئة التقييس الخليجيةوبعد ذلك سيكون من الممكن تحقيق مثل هذا الجمود فيما يتعلق بالمراقب الموجود على الأرض.
وهو المدار الثابت بالنسبة للأرض الذي يستخدم لإطلاق معظم الأقمار الصناعية التجارية. سرعة القمر الصناعي هيئة التقييس الخليجيةيساوي تقريبا 3000 م/ث.
بالإضافة إلى نقاط قوته، فإن للمدار الثابت بالنسبة للأرض أيضًا جانب ضعيف: في المناطق القطبية للأرض، تكون زاوية التضاريس صغيرة جدًا، لذلك يصبح نقل الإشارة مستحيلًا - بسبب التشبع الزائد للمدار الثابت بالنسبة للأرض، والذي يحدث بسبب تراكم عدة أقمار صناعية على مسافة قصيرة من بعضها البعض.
بالنسبة للقنوات الفضائية، الأقمار الصناعية الموجودة على هيئة التقييس الخليجية، وبالتالي فإن هوائي المستخدم ثابت. كلما كان خط العرض أقرب إلى الشمال، قل عدد الأقمار الصناعية التي يمكنك استقبالها.
عادة، يتم ضبط طبق القمر الصناعي وفقًا لإحداثيتين: السمت (انحراف القمر الصناعي نفسه عن الاتجاه نحو "الشمال" ومستوى الأفق، ويتم تحديده في اتجاه عقارب الساعة) والارتفاع (الزاوية بين مستوى الأفق والاتجاه إلى القمر الصناعي) ).
ما هو المدار الثابت بالنسبة للأرض؟ وهو مجال دائري يقع فوق خط استواء الأرض، ويدور على طوله قمر صناعي بنفس السرعة الزاوية لدوران الكوكب حول محوره. لا يغير اتجاهه في نظام الإحداثيات الأفقي، ولكنه معلق بلا حراك في السماء. المدار الأرضي المستقر بالنسبة إلى الأرض (GEO) هو نوع من المجال المتزامن مع الأرض ويستخدم لوضع الاتصالات والبث التلفزيوني والأقمار الصناعية الأخرى.
فكرة استخدام الأجهزة الاصطناعية
بدأ مفهوم المدار الثابت بالنسبة للأرض من قبل المخترع الروسي كيه إي تسيولكوفسكي. اقترح في أعماله ملء الفضاء بمساعدة المحطات المدارية. كما وصف العلماء الأجانب عمل المجالات الكونية، على سبيل المثال، G. Oberth. الرجل الذي طور مفهوم استخدام المدار للتواصل هو آرثر سي كلارك. في عام 1945، نشر مقالًا في مجلة Wireless World، حيث وصف مزايا المجال الثابت بالنسبة للأرض. لعمله النشط في هذا المجال، تكريما للعالم، تلقى المدار اسمه الثاني - "حزام كلارك". لقد فكر العديد من المنظرين في مشكلة تنفيذ اتصالات عالية الجودة. وهكذا، أعرب هيرمان بوتوتشنيك في عام 1928 عن فكرة كيفية استخدام الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة للأرض.
خصائص "حزام كلارك"
لكي يُطلق على المدار اسم "مستقر بالنسبة إلى الأرض"، يجب أن يستوفي عددًا من المعلمات:
1. التزامن الجغرافي. تتضمن هذه الخاصية مجالًا له فترة تقابل فترة دوران الأرض. ويكمل قمر صناعي متزامن مع الأرض مداره حول الكوكب في يوم فلكي، وهو 23 ساعة و56 دقيقة و4 ثوان. تحتاج الأرض إلى نفس الوقت لإكمال دورة واحدة في مكان ثابت.
2. للحفاظ على القمر الصناعي عند نقطة معينة، يجب أن يكون المدار الثابت بالنسبة للأرض دائريًا، وميله صفر. سيؤدي الحقل الإهليلجي إلى إزاحة إما شرقًا أو غربًا، حيث تتحرك المركبة بشكل مختلف عند نقاط معينة في مدارها.
3. يجب أن تكون "نقطة التحويم" لآلية الفضاء عند خط الاستواء.
4. يجب أن يكون موقع الأقمار الصناعية في المدار الثابت بالنسبة للأرض بحيث لا يؤدي قلة عدد الترددات المخصصة للاتصال إلى تداخل ترددات الأجهزة المختلفة أثناء الاستقبال والإرسال، وكذلك تجنب تصادمها.
5. كمية كافية من الوقود للحفاظ على وضع ثابت لآلية الفضاء.
يعد المدار الثابت بالنسبة للأرض للقمر الصناعي فريدًا من حيث أنه فقط من خلال الجمع بين معلماته يمكن للجهاز أن يظل ثابتًا. ميزة أخرى هي القدرة على رؤية الأرض بزاوية سبعة عشر درجة من الأقمار الصناعية الموجودة في المجال الفضائي. يلتقط كل جهاز ما يقرب من ثلث السطح المداري، وبالتالي فإن ثلاث آليات قادرة على تغطية الكوكب بأكمله تقريبًا.
الأقمار الصناعية
تم إطلاق الأقمار الصناعية من قبل العديد من الدول والشركات. تم إنشاء أول جهاز اصطناعي في العالم في الاتحاد السوفييتي، وطار إلى الفضاء في 4 أكتوبر 1957. وقد أطلق عليه اسم سبوتنيك 1. وفي عام 1958، أطلقت الولايات المتحدة مركبة فضائية ثانية، إكسبلورر 1. أول قمر صناعي أطلقته وكالة ناسا عام 1964 كان اسمه Syncom-3. الأجهزة الاصطناعية في الغالب غير قابلة للإرجاع، ولكن هناك تلك التي يتم إرجاعها جزئيًا أو كليًا. يتم استخدامها لإجراء البحث العلمي وحل المشكلات المختلفة. فهناك الأقمار الصناعية العسكرية والبحثية والملاحة وغيرها. يتم أيضًا إطلاق الأجهزة التي أنشأها موظفو الجامعة أو هواة الراديو.
"نقطة الوقوف"
وتقع الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض على ارتفاع 35786 كيلومترًا فوق مستوى سطح البحر. يوفر هذا الارتفاع فترة مدارية تتوافق مع فترة دوران الأرض بالنسبة للنجوم. والمركبة الاصطناعية بلا حراك، ولذلك فإن موقعها في المدار الثابت بالنسبة للأرض يسمى "نقطة الوقوف". ويضمن التحويم اتصالاً ثابتًا طويل المدى، وبمجرد توجيه الهوائي، سيتم دائمًا توجيهه نحو القمر الصناعي المطلوب.
حركة
يمكن نقل الأقمار الصناعية من مدار منخفض الارتفاع إلى مدار ثابت بالنسبة للأرض باستخدام حقول النقل الجغرافي. والأخيرة عبارة عن مسار بيضاوي الشكل بنقطة على ارتفاع منخفض وقمة على ارتفاع قريب من الدائرة المستقرة بالنسبة إلى الأرض. يتم إرسال القمر الصناعي الذي أصبح غير مناسب لمزيد من التشغيل إلى مدار التخلص الموجود على ارتفاع 200-300 كيلومتر فوق الأرض.
ارتفاع المدار الثابت بالنسبة للأرض
ويحافظ القمر الصناعي الموجود في مجال معين على مسافة معينة من الأرض، فلا يقترب منها ولا يتحرك بعيدًا. ويقع دائمًا فوق نقطة ما على خط الاستواء. وبناء على هذه الميزات، يترتب على ذلك أن قوى الجاذبية وقوة الطرد المركزي توازن بعضها البعض. يتم حساب ارتفاع المدار الثابت بالنسبة للأرض باستخدام طرق تعتمد على الميكانيكا الكلاسيكية. في هذه الحالة، يتم أخذ مراسلات قوى الجاذبية والطرد المركزي في الاعتبار. يتم تحديد قيمة الكمية الأولى باستخدام قانون الجذب العام لنيوتن. يتم حساب مؤشر قوة الطرد المركزي عن طريق ضرب كتلة القمر الصناعي في تسارع الجاذبية. نتيجة المساواة في كتلة الجاذبية والقصور الذاتي هي الاستنتاج بأن الارتفاع المداري لا يعتمد على كتلة القمر الصناعي. لذلك، يتم تحديد المدار الثابت بالنسبة للأرض فقط من خلال الارتفاع الذي تكون فيه قوة الطرد المركزي مساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه لقوة الجاذبية الناتجة عن جاذبية الأرض على ارتفاع معين.
من صيغة حساب التسارع المركزي، يمكنك العثور على السرعة الزاوية. يتم تحديد نصف قطر المدار الثابت بالنسبة للأرض أيضًا بهذه الصيغة أو بقسمة ثابت الجاذبية الأرضية على مربع السرعة الزاوية. ويبلغ طوله 42.164 كيلومتراً. وبأخذ نصف القطر الاستوائي للأرض في الاعتبار، نحصل على ارتفاع يساوي 35.786 كيلومترًا.
ويمكن إجراء الحسابات بطريقة أخرى، استنادا إلى القول بأن الارتفاع المداري، وهو المسافة من مركز الأرض، مع تزامن السرعة الزاوية للقمر الصناعي مع الحركة الدورانية للكوكب، يؤدي إلى ظهور خطي سرعة تساوي السرعة الكونية الأولى عند ارتفاع معين.
السرعة في المدار الثابت بالنسبة للأرض. طول
يتم حساب هذا المؤشر بضرب السرعة الزاوية في نصف قطر المجال. وتبلغ قيمة السرعة في المدار 3.07 كيلومتر في الثانية، وهي أقل بكثير من السرعة الكونية الأولى على المسار القريب من الأرض. ولتقليل المعدل، من الضروري زيادة نصف القطر المداري بأكثر من ست مرات. يتم حساب الطول بضرب الرقم Pi ونصف القطر في اثنين. ويبلغ طولها 264924 كيلومترا. ويؤخذ المؤشر في الاعتبار عند حساب "نقاط الوقوف" للأقمار الصناعية.
تأثير القوى
يمكن أن تتغير معلمات المدار الذي تدور حوله الآلية الاصطناعية تحت تأثير اضطرابات الجاذبية القمرية الشمسية، وعدم تجانس مجال الأرض، والإهليلجية لخط الاستواء. يتم التعبير عن تحول المجال في ظواهر مثل:
- إزاحة القمر الصناعي من موقعه على طول المدار نحو نقاط التوازن المستقر، والتي تسمى الثقوب المحتملة في المدار الثابت بالنسبة للأرض.
- وتنمو زاوية ميل المجال على خط الاستواء بسرعة معينة وتصل إلى 15 درجة مرة كل 26 سنة و5 أشهر.
لإبقاء القمر الصناعي عند "نقطة الوقوف" المرغوبة، فهو مزود بنظام دفع، يتم تشغيله عدة مرات كل 10-15 يومًا. وبالتالي، للتعويض عن الزيادة في الميل المداري، يتم استخدام تصحيح "الشمال-الجنوب"، وللتعويض عن الانجراف على طول المجال، يتم استخدام تصحيح "الغرب-الشرق". لتنظيم مسار القمر الصناعي طوال عمره، يلزم توفر كمية كبيرة من الوقود على متنه.
أنظمة الدفع
يتم تحديد اختيار الجهاز من خلال الميزات التقنية الفردية للقمر الصناعي. على سبيل المثال، يحتوي محرك الصاروخ الكيميائي على إمدادات وقود الإزاحة ويعمل على مكونات عالية الغليان مخزنة منذ فترة طويلة (رابع أكسيد ثنائي النيتروجين، ثنائي ميثيل هيدرازين غير متماثل). تتميز أجهزة البلازما بقوة دفع أقل بكثير، ولكن نظرًا للتشغيل المطول، والذي يتم قياسه بعشرات الدقائق لحركة واحدة، فإنها يمكن أن تقلل بشكل كبير من كمية الوقود المستهلك على متن الطائرة. يستخدم هذا النوع من نظام الدفع لمناورة القمر الصناعي إلى موقع مداري آخر. العامل المحدد الرئيسي في عمر خدمة الجهاز هو إمداد الوقود في المدار الثابت بالنسبة للأرض.
عيوب المجال الاصطناعي
من العوائق الكبيرة في التفاعل مع الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض حدوث تأخيرات كبيرة في انتشار الإشارة. وهكذا، عند سرعة الضوء 300 ألف كيلومتر في الثانية، وعلى ارتفاع مداري 35786 كيلومترا، تستغرق حركة شعاع الأرض-القمر الصناعي حوالي 0.12 ثانية، وتستغرق حركة شعاع الأرض-القمر-الأرض 0.24 ثانية. ومع الأخذ في الاعتبار تأخر الإشارة في المعدات وأنظمة نقل الكابلات الخاصة بالخدمات الأرضية، يصل إجمالي التأخير لإشارة "المصدر-القمر الصناعي-المستقبل" إلى حوالي 2-4 ثواني. يؤدي هذا المؤشر إلى تعقيد استخدام الأجهزة الموجودة في المدار للاتصالات الهاتفية بشكل كبير ويجعل من المستحيل استخدام الاتصالات عبر الأقمار الصناعية في أنظمة الوقت الفعلي.
ومن العيوب الأخرى عدم رؤية المدار الثابت بالنسبة للأرض من خطوط العرض العالية، مما يتداخل مع الاتصالات والبث التلفزيوني في منطقتي القطب الشمالي والقطب الجنوبي. في الحالات التي تكون فيها الشمس والقمر الصناعي المرسل متماشيين مع هوائي الاستقبال، يكون هناك انخفاض، وأحيانًا غياب كامل للإشارة. في المدارات الثابتة بالنسبة للأرض، بسبب جمود القمر الصناعي، تتجلى هذه الظاهرة بشكل خاص بشكل واضح.
تأثير دوبلر
تتكون هذه الظاهرة من تغير في ترددات الاهتزازات الكهرومغناطيسية مع الحركة المتبادلة للمرسل والمستقبل. ويتم التعبير عن هذه الظاهرة من خلال تغير المسافة مع مرور الوقت، وكذلك حركة المركبات الاصطناعية في المدار. يتجلى التأثير في انخفاض استقرار التردد الحامل للقمر الصناعي، والذي يضاف إلى عدم استقرار الأجهزة لتردد المكرر الموجود على متن الطائرة والمحطة الأرضية، مما يؤدي إلى تعقيد استقبال الإشارات. يساهم تأثير دوبلر في تغيير تردد تعديل الاهتزازات، وهو أمر لا يمكن التحكم فيه. في حالة استخدام أقمار الاتصالات والبث التلفزيوني المباشر في المدار، يتم القضاء عمليا على هذه الظاهرة، أي أنه لا توجد تغييرات في مستوى الإشارة عند نقطة الاستقبال.
الموقف من المجالات المستقرة بالنسبة للأرض في العالم
لقد أثار ولادة المدار الفضائي العديد من الأسئلة والمشاكل القانونية الدولية. ويشارك في حلها عدد من اللجان، ولا سيما الأمم المتحدة. ادعت بعض الدول الواقعة على خط الاستواء بسط سيادتها على جزء من المجال الفضائي الواقع فوق أراضيها. وذكرت الدول أن المدار الثابت بالنسبة للأرض هو عامل فيزيائي يرتبط بوجود الكوكب ويعتمد على مجال الجاذبية الأرضية، لذا فإن شرائح المجال هي امتداد لأراضي دولها. لكن مثل هذه الادعاءات تم رفضها، لأن العالم لديه مبدأ عدم الاستيلاء على الفضاء الخارجي. يتم حل جميع المشاكل المتعلقة بتشغيل المدارات والأقمار الصناعية على المستوى العالمي.
سنتناول في هذا القسم أنواع مدارات الأقمار الصناعية. تتحرك جميع الأقمار الصناعية في شكل قطع ناقص، حيث تكون الأرض في إحدى البؤرتين. ونتيجة لذلك، فإن جميع أنواع المدارات بيضاوية الشكل. يتم التقسيم الرئيسي للمدارات عن طريق الميل "أنا"قيمة المدار وشبه المحور الرئيسي "أ". بالإضافة إلى ذلك، يمكن تمييز التقسيم وفقًا لحجم الانحراف "ه"- مدارات إهليلجية منخفضة ومدارات إهليلجية عالية. ويرد في الصورة تمثيل مرئي للتغير في مظهر المدار عند قيم مختلفة من الانحراف المركزي .تصنيف مدارات الأقمار الصناعية حسب الميل
بشكل عام، يقع ميل مدار القمر الصناعي في نطاق 0° "i" (الشكل 1). 12). اعتمادًا على قيمة ميل القمر الصناعي وارتفاعه فوق سطح الأرض، يكون لموقع مناطق رؤيته حدود خطوط عرض مختلفة، واعتمادًا على الارتفاع فوق السطح، تختلف أنصاف أقطار هذه المناطق. كلما زاد الميل، زادت إمكانية رؤية القمر الصناعي في خطوط العرض الشمالية، وكلما زاد ارتفاعه، زادت مساحة الرؤية. لذلك الميل "أنا"والمحور الرئيسي "أ"تحديد حركة نطاق رؤية القمر الصناعي فوق سطح الأرض وعرضه.بشكل عام، سوف تتطور المعلمات المدارية اعتمادًا على الميل "أنا"، نصف المحور الرئيسي "أ"وغرابة الأطوار "ه".
المدارات الاستوائية
المدار الاستوائي هو حالة متطرفة للمدار حيث الميل "أنا"= 0 درجة (انظر ). في هذه الحالة، ستكون حركة المدار ودورانه بحد أقصى - ما يصل إلى 10 درجات في اليوم وما يصل إلى 20 درجة في اليوم، على التوالي. يتم تحديد عرض نطاق رؤية القمر الصناعي، الواقع على طول خط الاستواء، من خلال ارتفاعه فوق سطح الأرض. مدارات منخفضة الميل "أنا"غالبًا ما يطلق عليه "بالقرب من خط الاستواء".المدارات القطبية
المدار القطبي هو الحالة القصوى الثانية للمدار، عندما يكون مائلاً "أنا"= 90 درجة (انظر ). وفي هذه الحالة لا توجد مبادرة للمدار، ويحدث دوران المدار في الاتجاه المعاكس لدوران القمر الصناعي، ولا يتجاوز 5 درجات/يوم. ويمر قمر صناعي قطبي مماثل بالتتابع فوق جميع مناطق سطح الأرض. يتم تحديد عرض نطاق رؤية القمر الصناعي من خلال ارتفاعه فوق سطح الأرض، ولكن عاجلاً أم آجلاً يمكن رؤية القمر الصناعي من أي نقطة. المدارات مع الميل "أنا"، بالقرب من 90 درجة، تسمى "شبه القطبية".مدارات متزامنة مع الشمس
مدار متزامن مع الشمس ( استعراض منتصف المدة) هو نوع خاص من المدار يستخدم غالبًا بواسطة الأقمار الصناعية التي تلتقط صورًا لسطح الأرض. وهو مدار له مثل هذه المعلمات بحيث يمر القمر الصناعي فوق أي نقطة على سطح الأرض في نفس التوقيت الشمسي المحلي تقريبًا. تتم مزامنة حركة مثل هذا القمر الصناعي مع حركة الخط الفاصل على طول سطح الأرض - ونتيجة لذلك، يمكن للقمر الصناعي أن يطير دائمًا فوق حدود المناطق المضيئة وغير المضاءة، أو دائمًا في المنطقة المضيئة، أو العكس. - دائمًا في الليل، وتكون ظروف الإضاءة عند الطيران فوق نفس النقاط من الأرض هي نفسها دائمًا. ولتحقيق هذا التأثير، يجب أن يتحرك المدار في الاتجاه المعاكس لدوران الأرض (أي شرقًا) بمقدار 360 درجة سنويًا للتعويض عن دوران الأرض حول الشمس. لا يتم استيفاء هذه الشروط إلا في نطاق معين من الارتفاعات والميلات المدارية - كقاعدة عامة، تكون هذه الارتفاعات والميل 600-800 كيلومتر "أنا"ينبغي أن يكون حوالي 98 درجة، أي. AES في مدارات متزامنة مع الشمس لها حركة عكسية (انظر. أرز. 15). ومع زيادة ارتفاع رحلة القمر الصناعي، يجب أن يزيد الميل، ولهذا السبب لن يطير فوق المناطق القطبية. وكقاعدة عامة، تكون المدارات المتزامنة مع الشمس قريبة من الدائرية، ولكن يمكن أيضًا أن تكون بيضاوية الشكل بشكل ملحوظ.
بشكل عام، الميل المطلوب للمدار المتزامن مع الشمس هو أنا سسيمكن حسابها باستخدام الصيغة:
حيث "e" هو الانحراف المركزي لمدار القمر الصناعي، و"a" هو المحور شبه الرئيسي لمدار القمر الصناعي بالكيلومترات (a = h + R W، و"h" هي مسافة الحضيض إلى سطح الأرض، و"R W" = 6371 كم هو نصف قطر الأرض).
على أرز. 16يُظهر رسمًا بيانيًا للميل المطلوب لمدار القمر الصناعي ليكون متزامنًا مع الشمس - لقيم مختلفة من الانحراف المركزي "e" وارتفاع الحضيض "h" للقمر الصناعي فوق سطح الأرض.
وبسبب تأثير الاضطرابات، يخرج القمر الصناعي تدريجيا من وضع المزامنة، وبالتالي يحتاج بشكل دوري إلى تصحيح مداره باستخدام المحركات.
تصنيف مدارات الأقمار الصناعية حسب المحور الرئيسي
أما التصنيف الثاني فيعتمد على حجم المحور شبه الرئيسي، وبشكل أدق، على الارتفاع فوق سطح الأرض.الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي المنخفض (LEO).
الأقمار الصناعية ذات المدار المنخفض ( أنف(الروسية)، أرز. 17، أاستمع)) تعتبر عادةً أقمارًا صناعية يتراوح ارتفاعها بين 160 كم و2000 كم فوق سطح الأرض. تسمى هذه المدارات (والأقمار الصناعية) في الأدب الإنجليزي LEO (من اللغة الإنجليزية " لآه هآرث يا rbit"). تخضع مدارات LEO لأقصى قدر من الاضطرابات من مجال الجاذبية للأرض وغلافها الجوي العلوي. السرعة الزاوية للأقمار الصناعية LEO هي الحد الأقصى - من 0.2°/s إلى 2.8°/s، والفترات المدارية من 87.6 دقيقة إلى 127 دقائق .الأقمار الصناعية ذات المدار المتوسط (MEO)
الأقمار الصناعية في المدار المتوسط ( SOS(الروسية)، أو "ميو"- من الانجليزية " مإيديوم هآرث يا rbit") تعتبر عادة أقمار صناعية بارتفاعات تتراوح من 2000 كم إلى 35786 كم فوق سطح الأرض ( أرز. 17، ب). ويتم تحديد الحد الأدنى من خلال حدود المدار الأرضي المنخفض، والحد الأعلى من خلال مدار الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض (انظر أدناه). هذه المنطقة "مأهولة" بشكل أساسي بأقمار الملاحة (تطير أقمار NAVSTAR التابعة لنظام GPS على ارتفاع 20200 كيلومتر، والأقمار الصناعية لنظام GLONASS - على ارتفاع 19100 كيلومتر) والاتصالات التي تغطي قطبي الأرض. مدة التداول من 127 دقيقة إلى 24 ساعة. السرعة الزاوية - وحدات وكسور دقيقة قوسية في الثانية.مدارات الأقمار الصناعية المستقرة والمتزامنة مع الأرض
الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض ( جي إس إس(الروسية)، أو "جي أس أو"- من الانجليزية " ز eo سمتزامن يا rbit") تعتبر أقمار صناعية لها فترة دوران حول الأرض تساوي يوم فلكي (فلكي) - 23 ساعة 56 م 4.09 ثانية. إذا كان الميل "أنا"المدارات صفر، وتسمى هذه المدارات مدارات ثابتة بالنسبة للأرض (انظر. أرز. 18، أ). تطير الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض على ارتفاع 35,786 كيلومترًا فوق سطح الأرض. لأن وبما أن فترة دورانها تتزامن مع فترة دوران الأرض حول محورها، فإن هذه الأقمار الصناعية "تعلق" في السماء في مكان واحد (انظر الشكل 1). أرز. 19). إذا كان الميل "أنا"لا يساوي الصفر، فإن هذه الأقمار الصناعية تسمى متزامنة مع الأرض (انظر. أرز. 18، ب). في الواقع، تتمتع العديد من الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض بميل طفيف وتتعرض لاضطرابات من القمر والشمس، مما يجعلها تصف الأشكال في السماء على شكل "ثمانية" ممدودة في الاتجاه الشمالي الجنوبي.
 |
|
أرز. 18. الساتل المستقر بالنسبة إلى الأرض (أ) والمتزامن مع الأرض (ب). |
 |
|
أرز. صورة 19. صورة للأجسام الثابتة بالنسبة إلى الأرض على خلفية دوران السماء: 1 - Eutelsat W4 (NORAD No. 26369)، 2 - Eutelsat W7 (NORAD No. 36101). السكتات الدماغية هي مسارات النجوم. التقطت بتاريخ 06/06/2010 من نقطة المراقبة ر.س. على عدسة Jupiter 36B وكاميرا Canon 30D DSLR، تم تجميع 12 إطارًا بسرعة غالق تبلغ 30 ثانية لكل منها. © V. Povalishev، V. Mechinsky. |
إذا تحدثنا عن نوع مسار GSS، فسيتم تحديده من خلال قيمة الميل "i"، والانحراف المركزي "e" وحجة الحضيض "W p لمدار القمر الصناعي (انظر. ). إذا كان انحراف المدار وميله صفراً، فإن نقطة القمر الصناعي تكون ثابتة ويتم إسقاطها على نقطة محددة على سطح الأرض. مع انحراف مركزي غير صفري وميل صفري، فإن GSS "يرسم" جزءًا على السطح، ويتحرك من الشرق إلى الغرب والعودة، ويتحول من موضع الصفر بما لا يزيد عن ΔL max = 114.6° e، أي. عند الانحراف المركزي e = 0.01 لن يزيد الإزاحة عن 1.2 درجة. إذا كان الميل غير صفري والانحراف المركزي صفر، فإن GSS "يرسم" "الثمانيات" الكلاسيكية - الارتفاع الزاوي 2Θ للشكل يساوي ضعف قيمة الميل i للمدار، أقصى عرض ΔL يتم حساب الحد الأقصى بالصيغة 0.044 i 2 (الميل "i" محدد بالدرجات). في الحالة الأكثر عمومية، مع "i" و"e" غير الصفر، يكون مسار GSS على سطح الأرض "شكل ثمانية مائل"، والارتفاع الزاوي 2Θ = i، والعرض الأقصى ΔL max = 114.6° e، و يتم الحصول على "الرقم ثمانية" فقط في هذه الحالة، إذا كانت وسيطة الحضيض "W p" للمدار تساوي 0° و180°، وفي حالات أخرى يتم الحصول على رقم أكثر تعقيدًا - شيء بين الشكل البيضاوي والرقم ثمانية.
كما أصبح واضحًا بالفعل، خلافًا للاعتقاد الشائع، فإن GSS لا "تتدلى" في السماء عند نقطة واحدة بالضبط - فحجة الميل والانحراف المركزي والحضيض لمدار القمر الصناعي تحدد نوع وحجم الأشكال المعقدة إلى حد ما لمسار GSS في السماء. علاوة على ذلك، إذا كان القمر الصناعي غير نشط، أي. لا يضبط مداره، ويبدأ في التحول على خلفية النجوم بسرعة كبيرة إلى حد ما. دعونا نقتبس من: "إن الحاجة إلى نظام دفع تصحيحي على متن الأقمار الصناعية الثابتة ترجع إلى مهام الإدخال في مدار ثابت، وإلى حقيقة أنه أثناء وجوده فيه، يتعرض باستمرار لعدد من الاضطرابات. وهذا الأخير تشمل الاضطرابات الناجمة عن عدم تجانس مجال الجاذبية الأرضية، واضطراب عمل مجالات الجاذبية للقمر والشمس وحتى الضغط الخفيف، على سبيل المثال، الضغط الخفيف يسبب تحركات طويلة المدى لـ IS3 على طول مدار يصل إلى 100 كم ويصل ارتفاعه إلى عدة عشرات من الكيلومترات بالنسبة لـ IS3 الخفيف نسبيًا ولكن الكبير (كلما زادت كتلة IS3 وصغرت أبعادها، قل تأثير الضغط الخفيف على مدارها). يؤدي تفلطح الأرض عند القطبين إلى تفلطح الأرض عند القطبين. تؤدي حركة IS3 على طول مدار ثابت إلى ما يقرب من 9.8 درجة سنويًا، إلى اضطرابات دورية في الارتفاع والميل بسعة تصل إلى 3 كم وإلى تغييرات في المعلمات المدارية الأخرى. نتيجة لانحراف خط استواء الأرض عن الدائرة المثالية ( انظر الصورة أدناه - مرض الذئبة ) يتحرك IS3 الثابت بمقدار 3.3 درجة تقريبًا على طول المدار خلال شهرين فقط، ويتقلب موقع ارتفاعه بأكثر من 8 كم. علاوة على ذلك، يتم تحقيق أقصى قدر من الاضطراب الناجم عن الضغط الاستوائي بالقرب من نقطتي "الوقوف" 30° و20°. د.، 60 س و 150 س ث. د - وبالعكس فإن أكثر نقاط "وقوف" IS3 الثابتة هي 75 درجة شمالاً و105 درجة غرباً. وما إلى ذلك (لمزيد من التفاصيل حول نقاط الوقوف، انظر أدناه).
 |
|
الشكل 21. شكل الشكل الجيولوجي للأرض وفقًا لبيانات القمر الصناعي GOCE. |
ومن نفس المكان: "يمكن القضاء على عدد من الاضطرابات العلمانية لموضع IS3 في مدار ثابت من خلال التصحيح الذي يتم إجراؤه بعد إطلاق IS3 في المدار. على سبيل المثال، الاضطرابات العلمانية للموقع في المستوى المداري، الناجمة عن تأثير الضغط القطبي، يمكن تعويضها بزيادة في الارتفاع المداري وزيادة مقابلة في سرعة حركة القمر الصناعي. ومع ذلك، في الوقت نفسه، يبقى تأثير العوامل المزعجة الأخرى دون حل (خاصة بسبب خط الاستواء). ضغط الأرض)، مما يؤدي، على وجه الخصوص، دائمًا تقريبًا إلى تغيير في خط طول نقطة "الوقوف" لـ IS3 الثابتة. وبالتالي، من الضروري إجراء تصحيح عرضي لحركة IS3 الثابتة، وتصحيح مدارها. تعتمد التصحيحات على الإزاحة المسموح بها لـ IS3 الثابت على خط الطول في السنة. بشكل عام، إذا كانت الإزاحة المسموح بها لـ IS3 لا يجب أن تتجاوز 1 o -4 o، فمن الضروري إجراء ما يصل إلى 6 تصحيحات في السنة. في الوضع المستقر لجهاز IS3 الثابت، لن تكون هناك حاجة إلى أكثر من تعديل واحد سنويًا."
اتضح أنه بدون التصحيح الإلزامي للمدار، لن تتمكن GSS من البقاء في المدار الثابت بالنسبة للأرض - التصحيح الدوري مطلوب. ولذلك، فإن كل GSS لديه احتياطي من الوقود للتصحيح، وعندما يصل الأمر إلى نهايته، يتم نقل GSS إلى مدار التخلص وإيقافه (انظر أدناه) من أجل تحرير مدار قريب لقمر صناعي جديد، وليس خلق خطر الاصطدام مع GSS الموجود أثناء الانجراف.
وفي الوقت الحالي، تم فهرسة أكثر من 16000 جسم فضائي من أصل اصطناعي في المدارات القريبة من الأرض والمدارات الثابتة بالنسبة للأرض. ومن بين هؤلاء، هناك حوالي 6% فقط "نشطون"، أي. تسيير. تعتبر هيئة التقييس الخليجية الأكثر جاذبية وإفادة لحل العديد من المشاكل العلمية والاقتصادية والعسكرية والملاحة والتجارية وغيرها. يتم نشر حوالي 80% من الأقمار الصناعية النشطة والعاملة في مدار ثابت بالنسبة للأرض. بشكل عام، هذا مدار خاص، حيث سيعلق أي قمر صناعي باستمرار فوق نقطة واحدة على سطح الأرض.
من وجهة نظر الفيزياء والميكانيكا السماوية، يمكن تفسير وجود المدار الأرضي المستقر لسببين:
إن محصلة جميع القوى المؤثرة على جرم سماوي (في حالتنا، GSS) تساوي الصفر.
السرعة الزاوية لدوران الأرض والقمر الصناعي متساوية.
, (**)
حيث m القمر الصناعي هي كتلة القمر الصناعي، M ⊕ هي كتلة الأرض، G هو ثابت الجاذبية، و r هي المسافة من القمر الصناعي إلى مركز الأرض، أو نصف قطر المدار. حجم قوة الطرد المركزي يساوي:
. (***)
من المعادلتين (**) و (***) يمكننا تحديد سرعة القمر الصناعي في مدار دائري:
.
عندما تتساوى السرعة الزاوية لدوران الأرض والقمر الصناعي، تظهر منطقة ذات خصائص فريدة. هذه المساواة ممكنة فقط في مستوى خط الاستواء السماوي. عندما لا يدور القمر الصناعي في المستوى الاستوائي، فمن المستحيل ضمان تزامن دوران الأرض والقمر الصناعي. الفترة المدارية للقمر الصناعي حول الأرض T تساوي الطول المداري 2πr مقسومًا على سرعة القمر الصناعي v:
.
عندما تكون الفترة المدارية T للقمر الصناعي مساوية لفترة دوران الأرض حول محورها (23 ساعة و56 دقيقة و04 ثانية)، فإن القمر الصناعي سوف "يعلق" فوق نفس المنطقة من الأرض، وسيقع المدار الدائري في هذه المنطقة تسمى ثابتة بالنسبة للأرض.
المدار الثابت بالنسبة للأرض محدود الحجم ويقع في مستوى خط الاستواء للأرض. ويبلغ نصف قطرها 42164 كم من مركز الأرض. ستكون الإحداثيات السماوية لقمر صناعي ثابت بالنسبة للأرض في مدار ثابت بالنسبة للأرض ثابتة من الناحية النظرية. الأسباب الرئيسية التي تشوه حركة كبلر للقمر الصناعي السلبي المستقر بالنسبة إلى الأرض هي اضطرابات الجاذبية (الاضطرابات الأرضية غير الكروية، والاضطرابات القمرية الشمسية)، وبالنسبة لنظام GSS الذي لديه نسبة كبيرة من مساحة السطح إلى الكتلة - وهو أيضًا غير جاذبية (الضغط الخفيف) ) عامل. نتيجة لعمل القوى المزعجة، يظهر انحراف للقمر الصناعي، مما يغير فترة الدوران حول الأرض. يؤدي الاختلاف بين فترة دوران GSS والنظرية إلى حقيقة أن متوسط خط الطول لـ GSS يتغير مع مرور الوقت: ينجرف القمر الصناعي ببطء من الغرب إلى الشرق إذا كانت فترة دورانه حول الأرض أقل من يوم فلكي ومن الشرق إلى الغرب غير ذلك. يؤدي الفرق بين الانحراف المركزي "e" والصفر أيضًا إلى حقيقة أن خط طول القمر الصناعي الفرعي لنظام GSS يتغير. هناك تغير طفيف في خط الطول (مع فترة حوالي 12 ساعة وسعة تتناسب مع مربع زاوية الميل المداري) وخط العرض (مع فترة 24 ساعة وسعة تساوي الميل "i" نفسه). ونتيجة لذلك، فإن النقطة الفرعية للقمر الصناعي تصف "الشكل الثامن" المعروف على سطح الأرض (انظر الشكل 1). ).
 |
|
أرز. 22. المسار اليومي لـ GSS "RAGUGA 22" (SCN: 19596). |
يؤدي التأثير الرنان للمصطلحات الطولية في توسيع الإمكانات الأرضية للأرض (عدم تجانس مجال الجاذبية للأرض) إلى حقيقة ذلك يوجد في المدار الثابت بالنسبة للأرض موقعان (نقطتان) مستقرتان للتوازن مع خطي طول 75 درجة شرقًا. (نقطة التحرير ل 1 ) و 255 درجة شرقا. (نقطة التحريرل 2 ) . واثنين غير مستقرين، متباعدين بحوالي 90 درجة عن النقاط المستقرة. لا ينبغي تحديد نقاط الميزان على GEO مع نقاط الميزان في الميكانيكا السماوية عند حل مشكلة الجسم "n".
لا يوجد سوى مدار واحد ثابت بالنسبة للأرض حول الأرض. بدأ إطلاق الأقمار الصناعية إلى مدار الأرض في عام 1963. في بداية القرن الحادي والعشرين، أصبح لدى أكثر من 40 دولة على هذا الكوكب أقمار صناعية خاصة بها في مدارات ثابتة بالنسبة للأرض. يتم إطلاق العشرات من الأقمار الصناعية كل عام إلى مدار الأرض المستقرة بالنسبة إلى الأرض، كما يمتلئ المدار تدريجيًا بالأقمار الصناعية المستهلكة. تحدث انفجارات للمركبات الفارغة ومركبات الإطلاق بشكل مستمر في منطقة الخليج. تولد هذه الانفجارات عشرات أو مئات الشظايا الفضائية التي يمكنها تعطيل تشغيل الأجهزة. يمكن أن يؤدي تلوث هذا المدار بالحطام الفضائي إلى عواقب لا رجعة فيها - استحالة التشغيل المستقر للأقمار الصناعية. يمكن للحطام الفضائي الموجود في المدار الأرضي المستقر، على عكس المدارات الأرضية القريبة، أن يدور حول الأرض لآلاف السنين، مما يهدد بالاصطدام بالمركبات الفضائية العاملة. منذ نهاية القرن العشرين، أصبحت مشكلة التلوث GSO مشكلة بيئية كوكبية واسعة النطاق.
وفقا للاتفاقية الدولية للاستخدام السلمي للفضاء الخارجي في الأمم المتحدة، ومتطلبات لجنة الراديو الدولية (لتجنب التداخل الراديوي مع نظام GSS المجاور)، يجب ألا تقل المسافة الزاوية بين نظام GSS عن 0.5 درجة. وبالتالي، من الناحية النظرية، يجب ألا يزيد عدد GSS الموجودة على مسافة آمنة على GSO عن 720 قطعة. وفي العقد الماضي، لم يتم الحفاظ على هذه المسافة بين GSS. اعتبارًا من عام 2011، تجاوز عدد GSS المفهرس بالفعل أكثر من 1500.
تصنف الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض عادة على أنها أقمار بفترات زمنية تتراوح من 22 ساعة إلى 26 ساعة، وانحراف مركزي "e" لا يزيد عن 0.3 وميل المستوى المداري إلى المستوى الاستوائي "i" يصل إلى 15 درجة، ولكن في بعض المصادر يمكنك العثور على تصنيف أكثر تفصيلاً وحدود أكثر صرامة.
يمكن إجراء تصنيف GSS وفقًا لعدة معايير: حسب درجة "النشاط"، حسب الغرض الوظيفي، حسب الحركة المدارية. بناءً على العلامة الأولى، يمكن تقسيم جميع أجهزة GSS إلى فئتين:
"نشط" - وجود مصدر طاقة ويتم التحكم فيه بواسطة أوامر من الأرض.
"السلبية" هي أجسام اصطناعية لا يمكن السيطرة عليها من الأرض والتي استنفدت وقود الصواريخ وأصبحت مصنفة على أنها حطام فضائي. وهي عبارة عن مركبات الإطلاق، وأجزاء من المراحل التي تضع الأقمار الصناعية في المدار، وأجزاء عديدة مصاحبة للإطلاق، وأجزاء من الأقمار الصناعية تكونت بعد انفجار جهاز في المدار، أو الاصطدامات مع بعضها البعض أو مع أجسام النيازك.
علمي.
الجيوديسية.
الأرصاد الجوية.
ملاحية.
الأغراض العسكرية والتي تنقسم إلى عدة فئات فرعية (الاستطلاع البصري، الراديوي، الراداري، الإنذار من هجوم صاروخي نووي – نظام الإنذار المبكر).
أقمار الاتصالات الراديوية (بما في ذلك الأقمار الصناعية التجارية).
هندسة.
الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي العالي (HEO).
الأقمار الصناعية ذات المدار العالي ( فوس(الروسية)، أو "هيو"- من الانجليزية " ح igh هآرث يا rbit") تعتبر أقمارًا صناعية تصل إلى ارتفاعات تزيد عن 35,786 كيلومترًا فوق سطح الأرض، أي تحلق فوق الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض (انظر. الشكل 23). يمكن أن يكون للمدارات انحراف كبير (على سبيل المثال، الأقمار الصناعية لسلسلة ميريديان ومولنيا) - في هذه الحالة يطلق عليها اسم إهليلجي للغاية ( WPP) ، وتكون دائرية تقريبًا (على سبيل المثال، القمر الصناعي فيلا (نفس الأقمار الصناعية التي تم اكتشاف انفجارات أشعة جاما عليها في أواخر الستينيات من القرن العشرين)).
 |
|
أرز. 23. مدار محطة توليد طاقة الرياح. |
بالنسبة لكل ساتل GSS، يتم حساب مدار الدفن بشكل منفصل، والحد الأدنى لنقطة الحضيض ΔH يساوي:
, (1)
أين "ج ر " - معامل الضغط الخفيف)، "س"- منطقة الأقمار الصناعية، "م"- كتلته.
الأقمار الصناعية ذات المدار المنخفض والتي تحمل على متنها مفاعلات نووية يبلغ ارتفاع مدارها الدفن حوالي 1000 كيلومتر، حيث يتم نقل قلب المفاعل النووي بعد الانتهاء من تشغيله.
مدار المركبة الفضائية (الشكل 2.7) هو مسارها في مجال القوة المركزية، التي يحددها تأثير الجاذبية، في حين تعتبر المركبة الفضائية نفسها جسمًا متناهيًا في الصغر، وكتلته صغيرة جدًا مقارنة بكتلة الجسم. الجسم المركزي الذي يمكن اعتباره منجذبًا إلى الجسم المركزي، لكنه لا ينجذب إلى الأخير. يتم تعريف مجال قوة الجذب عادة على أنه مجال الجاذبية الناتج عن جسم متجانس وكروي. فيما يتعلق بالأقمار الصناعية، مثل هذا الجسم هو الأرض بمجال جاذبيتها.
أرز. 2.7. مدارات المركبة الفضائية في مجال الجسم المركزي:
1 - الجسم المركزي
2- مجال قوة الجسم المركزي.
3- مدار دائري.
4 - مدار بيضاوي الشكل؛
5 - مدار مكافئ. 6- المدار الزائدي
مجال القوة للقوة المركزية متناظر كرويًا وقوة الجذب عند كل نقطة من نقاطها موجهة بشكل قطري نحو مركز الجذب (الشكل 2.7، حجم الأسهم يوضح زيادة قوة الجاذبية عند الاقتراب من المركز) كتلة الجسم المركزي وفقا للقانون تتناسب عكسيا مع مربع المسافة).
من المادة الموجودة في المحاضرة الأولى، نعلم أن الجسم الذي يتحرك في مدار حول جسم آخر يخضع لقوانين كبلر الثلاثة. في هذه الحالة، سنكون مهتمين فقط باثنين منهم - الأول والثالث.
وفق قانون كبلر الأول، يتحرك جسم يدور حول الأرض (في حالتنا) على طول القطع الناقص، عند إحدى بؤرتيه مركز الأرض (الشكل 2.8). ولم نذكر هنا على وجه التحديد أن الجسم يمكن أن يتحرك في ثلاثة أنواع من المدارات - القطع الناقص والقطع الزائد والقطع المكافئ. نحن مهتمون فقط بالمدارات الدورية، وأحد تلك المدارات المدرجة هو القطع الناقص.
أرز. 2.8. مدار القمر الصناعي
تظهر عناصر القطع الناقص في الشكل. 2.9. F1 وF2 هما بؤرتا القطع الناقص؛ أ- نصف المحور الرئيسي؛ ب- محور شبه صغير؛ ه- انحراف القطع الناقص، والذي يتم تحديده على النحو التالي:
وبالتالي، فإن النقطة المهمة الأولى هي أن الأقمار الصناعية تتحرك حول الأرض في شكل قطع ناقص.
وفق قانون كبلر الثالث، مربعات فترات الثورة تترتبط الأقمار الصناعية بمكعبات محاورها شبه الرئيسية
أرز. 2.9. عناصر القطع الناقص
في الحالة الأكثر عمومية، معادلة مسار المركبة الفضائية هي معادلة حركة جسم حر في مجال القوة المركزية، والتي لها في الإحداثيات القطبية شكل معادلة مقطع مخروطي (الشكل 2.10). :
أين هي معلمة المقطع المخروطي؟
ه =الكمبيوتر 1 – انحراف المقطع المخروطي.
معو مع 1 – ثوابت التكامل .
أرز. 2.10. حركة المركبة الفضائية في مجال القوة المركزية للأرض:
1 - الجسم المركزي (الأرض) ؛ 2 - مدار المركبة الفضائية؛
3 - كاليفورنيا؛ 4 - مدار الحضيض؛ ص-ناقل نصف قطر المركبة الفضائية؛
الخامس-السرعة الإجمالية الخامس ص -السرعة الشعاعية
V φ - السرعة المستعرضة
المعادلة (2.1) هي معادلة منحنى من الدرجة الثانية يتم تحديد الشكل المحدد لها بقيمة الانحراف ه= 0 للدائرة، ه< 1 للقطع الناقص (الشكل 2.11)، ه = 1 للقطع المكافئ، ه> 1 للقطع الزائد.
أرز. 2.11. تغيير مظهر المدار الإهليلجي مع زيادة القيمة
الانحراف
المرحلة الأخيرة من رحلة مركبة الإطلاق هي إطلاق المركبة الفضائية إلى المدار، والذي يتحدد شكله بمقدار الطاقة الحركية التي تنقلها مركبة الإطلاق إلى المركبة الفضائية، أي قيمة السرعة النهائية للأخيرة. وفي هذه الحالة يجب أن يكون حجم الطاقة الحركية التي تنقلها المركبة الفضائية بنسبة معينة إلى حجم طاقة مجال الجسم المركزي الموجودة على مسافة معينة صمن مركزها. وتتميز هذه العلاقة بالطاقة الثابتة حوهو يمثل الفرق بين طاقة مجال الجسم المركزي والطاقة الحركية للمركبة الفضائية التي تكون في حركة حرة في هذا المجال على مسافة صمن مركزها، أي.
اعتمادا على حجم الانحراف هثابت للدائرة، ح< 0 для эллипса, ح= 0 للقطع المكافئ و ح> 0 للقطع الزائد.
السرعة النهائية لمركبة الإطلاق، مما يضمن انطلاق المركبة الفضائية إلى المدار في مجال الجاذبية،
تحليل كميات الطاقة الثابتة ح، المقابلة لأشكال مختلفة من مدار المركبة الفضائية، والاعتماد (2.3) يسمح لنا بتحديد قيم السرعات النهائية لمركبة الإطلاق، مما يضمن طيران المركبة الفضائية في مجال الجاذبية في مدار معين.
يجب أن تكون السرعة النهائية لمركبة الإطلاق مساوية لإطلاق المركبة الفضائية في مدار دائري، - إلى بيضاوي الشكل، - إلى مكافئ و - إلى الزائدي.
يتم تطبيقه على المدارات الدائرية ذات القيم ص، قريبة من نصف قطر الأرض ر= 6,371 كم، السرعة النهائية لمركبة الإطلاق لإطلاق المركبة الفضائية في مدار دائري الخامس 0 ~ 7900 م/ث. وهذا هو ما يسمى سرعة الهروب الأولى. بالنسبة للمدارات الإهليلجية، السرعات النهائية الخامسأوه = 7900 ... 11200 م / ث.
المركبات الفضائية التي تتحرك في مدارات دائرية وإهليلجية تقع في مجال الجاذبية ولها عمر محدود. إن وجود بقايا الغلاف الجوي وجزيئات المادة الأخرى يؤدي مع مرور الوقت إلى انخفاض سرعة المركبات الفضائية التي تنقلها لها مركبة الإطلاق، كما أن الكبح في مجال قوة الأرض يسبب دخولها إلى الطبقات الكثيفة من الغلاف الجوي وتدميرها. العامل الرئيسي الذي يحدد عمر المركبة الفضائية في المدارات الدائرية والإهليلجية هو ارتفاع الأول وارتفاع الحضيض في الثاني، حيث يحدث التباطؤ الرئيسي.
من وجهة نظر الطاقة، يتميز طيران المركبة الفضائية على طول القطع المكافئ بما يسمى سرعة الهروب الثانية، والتي تساوي الخامسص ≈ 11200 م/ث، مما يسمح لك بالتغلب على الجاذبية. لا يمكن الحركة على طول القطع المكافئ بالنسبة للأرض إلا في حالة عدم وجود أي قوى تصادم غير قوة الجاذبية.
تتميز المدارات الزائدية بالسرعات الخامس r > 11,200 م/ث، ومن بينها ما يسمى بسرعة الهروب الثالثة، والتي تساوي الخامس g ≈ 16,700 م/ث، هي أدنى سرعة أولية يمكن للمركبة الفضائية من خلالها التغلب ليس فقط على الجاذبية الأرضية، ولكن أيضًا على الجاذبية الشمسية ومغادرة النظام الشمسي.
تحدث المدارات الزائدية في نظرية الرحلات الفضائية عندما تنتقل المركبة الفضائية من مجال الجاذبية لجسم مركزي إلى مجال الجاذبية لجسم آخر، بينما يبدو أن المركبة الفضائية تخرج من منطقة جاذبية واحدة وتدخل إلى أخرى.
كقاعدة عامة، تنقل مركبات الإطلاق سرعة الهروب الأولى فقط إلى المركبة الفضائية وتضعها إما في مدار دائري أو إهليلجي. ويعتبر تحقيق السرعتين الكونيتين الثانية والثالثة أكثر ربحية بسبب طاقة المركبة الفضائية نفسها، بدءا في هذه الحالة من المدار المرجعي للقمر الصناعي.
مسار مكافئ- في الديناميكا الفلكية والميكانيكا السماوية، مدار كبلر، الذي يكون انحرافه يساوي 1. إذا تحرك الجسم بعيدًا عن مركز الجذب، يسمى هذا المدار مدار الهروب، وإذا اقترب يسمى مدار الالتقاط. في بعض الأحيان يسمى هذا المدار مدارًا ج3 = 0(انظر الطاقة المميزة).
في ظل الافتراضات القياسية، فإن الجسم الذي يتحرك في مدار الهروب سوف يتحرك في شكل قطع مكافئ إلى ما لا نهاية، في حين أن السرعة بالنسبة للجسم المركزي سوف تميل إلى الصفر. وبالتالي فإن الجسم الدائر لن يعود إلى الجسم المركزي. المسارات المكافئة هي مدارات هروب من الطاقة الدنيا، تفصل المسارات الزائدية عن المدارات الإهليلجية.
سرعة
في ظل الافتراضات القياسية، السرعة المدارية ( الخامس (\displaystyle v\,)) لجسم يتحرك على طول مسار مكافئ يمكن حسابه كـ
v = 2 μ r , (\displaystyle v=(\sqrt (2\mu \over (r)))،)عند أي نقطة من مسار القطع المكافئ، يتحرك الجسم بسرعة الإفلات عند نقطة معينة.
إذا كان لجسم ما سرعة إفلات بالنسبة إلى الأرض، فإن هذه السرعة لن تكون كافية لمغادرة النظام الشمسي، لذلك، على الرغم من أن المدار القريب من الأرض سيكون له مظهر مكافئ، ولكن على مسافة أكبر من الأرض سيكون المدار تتحول إلى مدار بيضاوي الشكل حول الشمس.
سرعة الجسم ( الخامس (\displaystyle v\,)) في مدار مكافئ يرتبط بالسرعة في مدار دائري، نصف قطره يساوي طول ناقل نصف القطر الذي يربط الجسم في المدار بالجسم المركزي:
v = 2 ⋅ v o , (\displaystyle v=(\sqrt (2))\cdot v_(o,)أين v o (\displaystyle v_(o)\,)- السرعة المدارية للجسم في مدار دائري .
معادلة الحركة
في ظل الافتراضات القياسية، بالنسبة لجسم يتحرك في مدار مكافئ، تأخذ المعادلة المدارية الشكل
r = h 2 μ 1 1 + cos ν , (\displaystyle r=((h^(2)) \over (\mu ))((1) \over (1+\cos \nu ))،)طاقة
طاقة الجسم على مسار مكافئ ( ϵ (\displaystyle \epsilon \,)) لكل وحدة كتلة من جسم معين، تساوي صفرًا، وبالتالي فإن قانون الحفاظ على الطاقة لمدار معين له الشكل
ϵ = v 2 2 − μ r = 0 , (\displaystyle \epsilon =(v^(2) \over 2)-(\mu \over (r))=0,)هذه المساواة تعادل تمامًا الطاقة المميزة الصفرية:
ج 3 = 0. (\displaystyle C_(3)=0.)معادلة باركر
تربط معادلة باركر وقت الحركة بالشذوذ الحقيقي لنقطة على مسار مكافئ:
T − T = 1 2 p 3 μ (D + 1 3 D 3) , (\displaystyle t-T=(\frac (1)(2))(\sqrt (\frac (p^(3))(\mu ) ))\left(D+(\frac (1)(3))D^(3)\يمين)،)
وبشكل أعم، يمكن التعبير عن الفاصل الزمني بين موقعين للجسم في المدار على النحو التالي: t f − t 0 = 1 2 p 3 μ (D f + 1 3 D f 3 − D 0 − 1 3 D 0 3) . (\displaystyle t_(f)-t_(0)=(\frac (1)(2))(\sqrt (\frac (p^(3))(\mu )))\left(D_(f)+ (\frac (1)(3))D_(f)^(3)-D_(0)-(\frac (1)(3))D_(0)^(3)\يمين).)
يمكن كتابة المعادلة بشكل مختلف من حيث المسافة المحيطة بالمركز، في حالة المسار المكافئ r p = p/2:
T − T = 2 r p 3 μ (D + 1 3 D 3) . (\displaystyle t-T=(\sqrt (\frac (2r_(p)^(3))(\mu )))\left(D+(\frac (1)(3))D^(3)\right). )
A = 3 2 μ 2 r p 3 (t − T) , (\displaystyle A=(\frac (3)(2))(\sqrt (\frac (\mu )(2r_(p)^(3))) )(ر-ت)،)مسار شعاعي تكون فيه السرعة النسبية لجسمين مساوية دائمًا لسرعة الهروب. هناك حالتان: ابتعدت الأجسام عن بعضها البعض أو اقتربت من بعضها البعض.
اعتماد الموقف على الوقت له شكل بسيط إلى حد ما:
r = (4.5 μ t 2) 1 / 3 , (\displaystyle r=(4.5\mu t^(2))^(1/3)\!\,)في أي وقت من الأوقات، يكون متوسط السرعة منذ ذلك الحين 1.5 مرة من السرعة الحالية.
لجعل هذه اللحظة ر = 0 (\displaystyle t=0\!\,)يتوافق مع اتصال الجسم المداري بسطح الجسم المركزي، ويمكن تطبيق التحول الزمني؛ على سبيل المثال، بالنسبة للأرض (وغيرها من الأجسام المتناظرة كرويًا بنفس متوسط الكثافة) مثل الجسم المركزي، تحتاج إلى تطبيق تحول زمني يساوي 6 دقائق و20 ثانية.