دانستنی‌های فضا: مدار ژئوسنکرون چیست؟

دانستنی‌های فضا: مدار ژئوسنکرون چیست؟

5 / 0
[ 0 رای ]

مدار ژئوسنکرون (Geosynchronous) یا زمین آهنگ، یک مدار با ارتفاع بالاست که به ماهواره‌هایی که در آن قرار دارند، امکان هماهنگ شدن با گردش وضعی زمین (گردش زمین به دور خود) را می‌دهد.

geo-satellites-710x434

مدار ژئوسنکرون (Geosynchronous) یا زمین آهنگ، یک مدار با ارتفاع بالاست که به ماهواره‌هایی که در آن قرار دارند، امکان هماهنگ شدن با گردش وضعی زمین (گردش زمین به دور خود) را می‌دهد. این مدار، یک مدار دایروی در ارتفاع ۳۵۷۸۶ کیلومتری استوای زمین است. این مدار برای پایش هوا، مخابرات، دورسنجی، پایش زیست‌محیطی و بلایای طبیعی بسیار مهم و ارزشمند است.

به دلیل اینکه در این مدار ماهواره‌ها با دوره تناوب مساوی با گردش وضعی زمین در حال گردش‌اند، از دید یک ناظر زمینی، طول جغرافیایی آن‌ها ثابت به نظر می‌رسد و در طول شبانه‌روز فقط یک حرکت رفت و برگشتی رو به شمال و جنوب دارند و اگر مدار آن‌ها زاویه میل نداشته باشد (استوایی باشد)، کاملاً ساکن به نظر می‌رسند (در ادامه تشریح خواهد شد).

به‌عنوان یک مثال جالب از ماهواره‌های این مدار، می‌توان به ماهوار‌ه‌های مرکز پیش‌بینی سازمان ملی جوی و اقیانوسی آمریکا اشاره کرد. این ناوگان پنج ماهواره‌ای به نام‌های GOES-11، GOES-13، MSG-2، Meteosat-7 و MTSAT-2 مطابق شکل نشان داده شده در بالای متن در شکلی مانند پنج‌ضلعی در مدار ژئوسنکرون قرار دارند و مجموع آن‌ها تمام کره زمین را زیر نظر دارد.

ماهواره‌ها عموماً ازلحاظ مدار عملیاتی در سه دسته قرار می‌گیرند (البته طبق معمول استثنائاتی هم وجود دارد). این سه دسته بر اساس ارتفاع مدار مشخص‌شده‌اند و عبارت‌اند از: مدار ارتفاع پایین (LEO)، مدار ارتفاع متوسط (MEO) و مدار ارتفاع بالا. یک دسته خاص از ماهواره‌ها (مانند ماهواره‌های “مولنیا”ی روسیه) وجود دارند که در مدارهای بسیار بیضوی  (HEO: Highly Elliptical Orbit) قرار دارند و دارای یک نقطه اوج بسیار بالا و یک نقطه حضیض پایین هستند. در حالت کلی، هرچه ماهواره به ارتفاع بالاتری برود، سرعت کمتری خواهد داشت و دلیل آن واضح است: گرانش با افزایش فاصله از زمین کاهش می‌یابد؛ هرچه ماهواره به زمین نزدیک‌تر باشد، نیروی گرانش وارد بر آن قوی‌تر بوده و به دلیل بالاتر بودن شتاب مرکزگرا اگر بخواهد در مدار باقی بماند، باید سرعت بالاتری داشته باشد.

بنابراین، ماهواره‌ای در مدار ارتفاع پایین (مانند ایستگاه فضایی بین‌المللی که در ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری پرواز می‌کند)، بر فراز سطح زمین با سرعت‌های بالا (حدود ۷ الی ۷٫۸ کیلومتر بر ثانیه) پرواز کرده و در طول شبانه‌روز، نواحی مختلفی از زمین را می‌بیند (ایستگاه فضایی بین‌المللی در هر شبانه‌روز حدود ۱۵٫۵ بار زمین را دور می‌زند). ماهواره‌های مدار ارتفاع متوسط (بین ۲۰۰۰ و ۳۵۷۸۰ کیلومتر) آرام‌تر پرواز می‌کنند و امکان مشاهده و مطالعه دقیق‌تر سطح زمین را فراهم می‌کنند.

در مدار ژئوسنکرون، سرعت ماهواره‌ها بسیار نزدیک به‌سرعت دورانی زمین است (دوره تناوب نزدیک ۲۴ ساعت و به عبارت دقیق‌تر ۲۳ ساعت و ۵۶ دقیقه و ۴٫۱ ثانیه) و درصورتی‌که مدار آن نسبت به صفحه استوا زاویه نداشته باشد و بر آن منطبق باشد (زاویه میل مداری صفر، موسوم به مدار استوایی) در این صورت از دید ناظر زمینی، این ماهواره در نقطه‌ای ثابت در آسمان دیده می‌شود و به مدار آن‌ها، مدار ژئواستیشنری (Geostationary) یا زمین‌ثابت نیز گفته می‌شود. درصورتی‌که زاویه میل صفر نباشد، ناظر زمینی ماهواره را در یک مسیر هشتی بسته خواهد دید و در طول یک شبانه‌روز، ماهواره یک‌بار این مسیر را طی خواهد کرد. میزان کشیدگی این مسیر و کجی آن بستگی به زاویه میل و سایر مشخصات مدار دارد. رد زمینی چنین مداری مشابه شکل‌ زیر است (دو نمونه نشان داده شده).

nE7El

تصویر زیر، شماتیکی از مدار ژئواستیشنری را به همراه نمودار ماهواره‌های حاضر در طول‌های مختلف جغرافیایی آن نشان می‌دهد (توجه: نقاطی که روی‌هم چیده شده‌اند به این معنا نیست که در ارتفاعات مختلفی هستند، بلکه به دلیل نزدیک بودن به هم و شماتیک بودن شکل، به این صورت نشان داده‌شده‌اند.)

geostationary

مزایای این مدارها

ماهواره‌ای که در مدار ژئوسنکرون باشد، تقریباً به‌صورت تمام‌وقت یک قسمت سیاره را می‌بیند. در ماهواره‌های مشاهدات زمینی، به این معناست که ماهواره می‌تواند تغییرات یک منطقه را طی ماه‌ها و سال‌ها، به‌صورت پیوسته و بدون وقفه زیر نظر بگیرد. ایراد این مدار این است که بخش محدودی از سیاره در دید ماهواره است و مثلاً اگر در نقطه‌ای خارج از دید ماهواره، یک بلای طبیعی رخ دهد، ماهواره به دلیل محدودیت سوخت و زمان نمی‌تواند خود را به‌موقع بالای آن ناحیه برساند.

این مدار در کاربری‌های نظامی نیز بسیار سودمند است. اگر، به‌عنوان‌مثال ایالات‌متحده نگران فعالیت‌های تروریستی در نقاط خاصی باشد یا بخواهد عملکرد نیروهایش را زیر نظر بگیرد، ماهواره‌‌ای در مدار ژئوسنکرون قادر به تهیه تصویر و سایر اطلاعات به‌صورت پیوسته و شبانه‌روزی از آن ناحیه خواهد بود. نمونه‌ای از این ماهواره‌ها، ماهواره Wideband Global SATCOM 5 است که در سال ۲۰۱۳ پرتاب شد و به جمع چهار ماهواره دیگر WGS پیوست. این ناوگان ماهواره‌ای توان مخابراتی نظامی آمریکا را گسترش خواهد داد تا پوشش مخابراتی کامل، تقریباً در هر نقطه‌ای از کره زمین فراهم شود. این شبکه مخابراتی در خدمت نیروهای زمینی، کشتی‌ها، پهپادها و سایر نیروهای نظامی خواهد بود.

خوشبختانه، صنعت فضایی ایران نیز قصد ورود به مرحله استفاده از این مدار مهم را دارد. ماهواره فجر که در بهمن سال گذشته پرتاب شد، قرار است عملیات مانور مدار و افزایش ارتفاع مدار را آزمایش کند. این ماهواره و مانورهای انجام‌شده توسط آن درواقع مقدمه‌ای برای ماهواره مهم و بزرگ “قائم” است که قرار است در مدار ژئوسنکرون (زمین آهنگ) قرار داده شود.

کاربردهای مخابراتی غیرنظامی و تجاری نیز از این مدار بسیار بهره می‌برند. شرکت‌های متعددی وجود دارند که پوشش تلفن، اینترنت، رادیو و تلویزیون و سایر کاربردهای غیرنظامی را از طریق این کمربند مداری برای مشتریان خود عرضه می‌کنند. به دلیل اینکه ماهواره‌های کمربند زمین‌ثابت، همواره نسبت به ناظر زمینی ثابت هستند، امکان ارتباط کاربران عادی و شهروندان معمولی با این ماهواره‌ها توسط آنتن‌ها و ابزار‌های ساده، بدون نیاز به تعقیب ماهواره ممکن می‌شود.

رقابت مداری

با توجه به سیگنال‌های دریافتی از ماهواره‌ها، ۴۰۲ ماهواره در مدار ژئوسنکرون وجود دارد. در مدار ژئوسنکرون، در حلقه‌ای فرضی به دور زمین، بنا به گفته لارنس رابرتز در یک مقاله تحلیلی در مجله بررسی قوانین فناوری برکلی، امکان گنجایش تنها ۱۸۰۰ ماهواره وجود دارد. باوجود گستردگی بسیار زیاد این حلقه، برخی از موانع فعلی فناوری مانع از بالا رفتن این رقم می‌شوند.

ماهواره‌های این کمربند مداری باید در محدوده‌ای خاص پرواز کنند و از محدوده مشخص‌شده، زیاد دور نشوند، چون در این صورت تهدیدی برای ماهواره‌های همسایه خود محسوب می‌شوند. اتحادیه بین‌المللی مخابرات از راه دور، محل قرارگیری ماهواره‌ها را اختصاص می‌دهد و جدال‌های پیش‌آمده بین کشورها بر سر این جایگاه مداری را حل‌وفصل می‌کند.

علاوه بر این موارد، انتقال این ماهواره‌های نزدیک به پایان مأموریت به مدار “گورستان” قبل از اتمام سوخت، استراتژی خوبی است و مانع شلوغی این کمربند شده و برای نسل بعدی ماهواره‌ها جا باز می‌کند.

علاوه بر تداخل فیزیکی و احتمال برخورد، نزدیک شدن بیش‌ازحد ماهواره‌ها به هم، موجب تداخل امواج رادیویی آن‌ها می‌شود و با فناوری فعلی، این ماهواره‌ها باید ۱ الی ۳ درجه (طول جغرافیایی) باهم فاصله داشته باشند. با بهبود فناوری‌های مخابراتی،امکان کاهش این فاصله‌ها و افزایش ظرفیت این کمربند مداری بسیار مهم وجود خواهد داشت.

مدار سنکرون در دنیاهای دیگر؟

هر جرمی که سطح جامدی داشته باشد و امکان تعریف نقطه مرجع روی آن باشد، در صورت برقرار بودن برخی شرایط دیگر می‌تواند دارای مدار سنکرون باشد. اگر این جرم دارای سرعت دوران بسیار زیاد باشد، مدار سنکرون بسیار نزدیک به سطح آن و یا حتی داخل آن خواهد بود و عملاً غیرممکن است. اگر سرعت دوران جرم موردنظر بسیار کم باشد (مانند ماه)، مدار سنکرون خارج از کره تأثیر گرانشی آن خواهد بود و در این حالت نیز مدار سنکرون بی‌معناست.

در برنامه‌های فضایی آینده برای ساخت مهاجرنشین روی مریخ، کمربند سنکرون مریخ، موسوم به آرئوسنکرون بسیار موردتوجه قرار خواهد گرفت. در مریخ، این مدار در ارتفاع حدود ۱۷۰۰۰ کیلومتری است. شرکت مارس وان که قصد ساخت مهاجرنشین روی مریخ و ارسال خدمه‌ای بدون بازگشت به سیاره مریخ را دارد. تصمیم دارد در سال ۲۰۲۰ ماهواره‌ای مخابراتی به مریخ پرتاب کرده و در مدار آرئوسنکرون بر فراز نقطه موردنظر برای ساخت مهاجرنشین قرار دهد. درصورتی‌که این مأموریت عملی شود، ماهواره مخابراتی مارس وان اولین ماهواره مدار آرئوسنکرون خواهد بود.

سخن آخر:

این بار که از خانه بیرون می‌روید، کمی متفاوت به آسمان نگاه کنید. بااینکه نمی‌توانید این کمربند را مشاهده کنید، ولی به یاد داشته باشید که حلقه‌ای نامرئی از ماهواره‌ها در آسمان زمین وجود دارد. رویای آرتور سی کلارک، نویسنده معروف داستان‌های علمی تخیلی به واقعیت بدل شده است!

یک ماهواره زمین‌آهنگ بالای نقطه مشخص شده در استوا. ناظِری که روی زمین است، در نقطه مشخص‌شده ماهواره را همیشه بالای سر خود می‌بیند، در حالی که سایر اجسام در امتداد آسمان می‌چرخند.

ماهواره زمین‌آهنگ بالای نقطه مشخص شده در استوا. ناظِری روی زمین، در نقطه مشخص‌شده ماهواره را همیشه بالای سر خود می‌بیند، در حالی که سایر اجسام در امتداد آسمان می‌چرخند.

 

 

منبع : toranji.ir

نگارنده : علی رسول زاده

دیدگاه کاربران 0
  • نظرات شما پس از بررسی و تایید نمایش داده می شود.
  • لطفا نظرات خود را فقط در مورد مطلب بالا ارسال کنید.