دانش فضائی / مدارهای فضایی شناور یا مدارهای غیر کپلری
یک شنبه 30 آبان 1389 9:11 AM
در سال ۱۹۸۴ یک فیزیکدان آمریکایی به نام رابرت ال فوروارد نظریه‌ای برای استفاده از مدارهای فضایی جدید ارائه نمود که نام‌های گوناگونی همچون مدارهای شناور، مدارهای غیر کپلری یا مدارهای جابجا شده بر خود دیده است. در آن زمان مجامع علمی دنیا استفاده از این مدار فضایی جدید را غیر ممکن ارزیابی نمودند. اما اکنون و پس از ۲۵ سال، محاسبات مهندسان آزمایشگاه مفاهیم پیشرفته فضایی در دانشگاه استراث‌کلاید نشان می‌دهد که ایده فوروارد عملی است. دکتر فوروارد که در سال ۲۰۰۲ از دنیا رفته است، معتقد بود که می‌توان با ترفندهایی صفحه مداری مشابه مدار زمین ثابت (ژئوسنکرون) در دو سمت شمال یا جنوب صفحه استوای سماوی به دست آورد. به این ترتیب قادر خواهیم بود به تقاضای روزافزون برای دست‌یابی به نقاط جدید مداری در این مدار منحصر به فرد پاسخ دهیم.
دکتر فوردارد معتقد بود که می‌توان ماهواره‌های مخابراتی را روی یک مدار دقیقا مشابه مدار زمین ثابت اما به موازات آن و به فاصله اندکی حدود ۵۰ تا ۱۰۰ کیلومتر در شمال یا جنوب صفحه استوایی قرار داد. اما از آنجا که چنین مداری غیر کپلری است و به عبارت دیگر از تعادل دینامیکی ناشی از نیروی گرانش تبعیت نمی‌کند، باید دائماً با صرف نیروی اندکی آن را در وضعیت از پیش تعریف شده نگه داشت. پیشنهاد مشخص دکتر فوروارد در آن زمان استفاده از بادبانهای خورشیدی بود.
طرح وی توسط مخالفان و به بهانه دینامیک غیر معمول مداری رد شد و مطالعه بیشتری روی آن صورت نپذیرفت. اما به تازگی یک دانشجوی پاکستانی دوره دکتری به نام شاهید بیگ به همراه استاد راهنمای خود، پروفسور کلین مک اینس این ایده پیشرو را مورد آنالیز قرار دادند و در کمال تعجب مشاهده نمودند که از نظر تئوری این ایده کاملاً امکان‌پذیر است. آنها نتیجه تحقیقات خود را در مقاله‌ای در ژورنال هدایت، کنترل و دینامیک منتشر کرده‌اند.
پروفسور مک اینس می‌گوید: "ماهواره‌ها معمولا در مدارهای کپلری به دور جرم مرکزی خود که می‌تواند زمین باشد می‌چرخند. این مدارها را به افتخار یوهانس کپلر، دانشمندی که حدود ۴۰۰ سال پیش به ما کمک کرد تا حرکت مداری را درک کنیم، مدارهای کپلری می‌نامند. ماهواره‌هایی که در چنین مدارهایی قرار دارند در حالت ایده‌آل و طبق تئوری به هیچ موتوری نیاز نداشته و پس از تزریق در مدار برای همیشه در مدار باقی مانده و به دور جرم مرکزی خود گردش می‌کنند. البته در عمل اغتشاشات ناچیز مداری باعث تغییر مدار حرکت ماهواره شده و باید هر از چند گاهی موتورهای آن روشن شده و تصحیحات لازم مداری صورت گیرد.
|
از قوانین مداری کپلر می‌دانیم که در حالت عمومی٬ هر جسم مدارگردی مانند ماهواره‌ها برای زمین یا زمین برای خورشید روی یک بیضی به دور مرکز جرم جسم مرکزی خود می‌چرخد. بنابراین در حوزه مدارهای کپلری ما قادر به تزریق ماهواره در مداری به دور قطب شمال نیستیم. حرکت ماهواره در مدارهای کپلری را می‌توان به حرکت یک گوی در کف دره تشبیه کرد. اگر گوی را به سمت هر کدام از دامنه‌ها منحرف کنید٬ گوی مجدداً به کف دره باز خواهد گشت و برای نگه داشتن آن در پایین دره احتیاجی به صرف نیروی اضافه نیست. از این رو است که مدارهای کپلری را مدارهای متعادل دینامیکی نیز می‌نامند. از سوی دیگر حرکت یک ماهواره روی مداری غیر کپلری مانند چرخاندن یک گوی بر لبه یک تیغ است. لحظه ای غفلت باعث می‌شود که گوی از دیواره فرو افتد. برای حفظ موقعیت چنین گویی باید دائماً و با صرف انرژی موقعیت و وضعیت آن را اصلاح نمایید. پروفسور مک اینس می‌گوید: ماهواره‌هایی که روی مدار زمین ثابت غیر کپلری به دور زمین می‌چرخند مانند همنوع کپلری خود تقریباً هر ۲۴ ساعت یک بار زمین را دور می زنند اما مرکز چرخش این مدار روی مرکز جرم زمین قرار ندارد بلکه قدری شمال‌تر و یا جنوب‌تر از مرکز جرم زمین است. طبیعتاً چنین مداری پایدار نیست و اگر نیرویی برای نگهداشتن آن صرف نشود٬ ماهواره طوری تغییر مدار خواهد داد تا نهایتاً مرکز چرخش آن بر مرکز جرم زمین منطبق گردد. برای ثابت نگه داشتن مرکز چرخش ماهواره در جایی متفاوت از مرکز جرم جسم مرکزی باید نیرویی به صورت دائمی به ماهواره وارد شود. |
مدار ژئوسنکرون (زمین ثابت) مدار زئوسنکرون یا مدار زمین ثابت، مداری است دایره‌ای شکل که در ارتفاع حدود ۳۶۰۰۰ هزار کیلومتری بر فراز خط استوای زمین قرار گرفته است. ویژگی مداری با چنین ارتفاعی این است که سرعت ماهواره‌ای که در آن مدار به دور مرکز جرم زمین می‌چرخد با سرعت چرخش زمین به دور خود برابر است. بنابراین از دید ناظر زمینی اینطور به نظر می‌رسد که ماهواره در فضا و در جایی بالای خط استوا، ثابت ایستاده است.
بنابراین برای کاربردهای خانگی ماهواره‌های مخابراتی نظیر شبکه‌های تلویزیونی ماهواره‌ای و یا سرویس‌دهنده‌های ماهواره‌ای اینترنت که بسیار سهل‌تر است تا آنتن بشقابی دریافت امواج به سمت خاصی از فضا ثابت شود، وجود این مدار یک فرصت استثنائی به حساب می‌آید. همین خصوصیت منحصر به فرد باعث شده است تا تقاضاهای فراوانی از صاحبان ماهواره‌های مخابراتی برای کسب نقاط مداری روی این حلقه یگانه وجود داشته باشد. ایران از سال‌ها قبل سه نقطه مداری روی مدار ژئوسنکرون (مدار زمین ثابت) و حدوداً بر فراز کشور رزرو کرده بود که مهلت پر کردن آنها با ماهواره‌های فعال رو به اتمام است.منبع |
نیروی مورد نظر قطعاً نمی‌تواند توسط موتورهای شیمیایی و یا سایر موتورهایی که سوخت زیادی مصرف می‌کنند٬ تأمین گردد. اما فشار تابشی خورشید منبعی لایزال (حداقل در مقیاس ما زمینی‌ها) است که می‌تواند ما را در رسیدن به آرزوی بزرگمان برای تزریق ماهواره در مدارهای غیر کپلری یاری کند.
اما زمانی که شب می‌شود (ماهواره در سایه زمین قرار می‌گیرد) و فشار تابشی خورشید حذف می‌گردد٬ ماهواره اندک اندک به سمت صفحه استوا منحرف می‌گردد. میزان انحراف حدود ۱۰ تا ۵۰ کیلومتر در هر شب است اما آن را نیز می‌توان با استفاده از موتورهای یونی یا دیگر انواع موتورهای الکتریکی که نیروی مورد نیاز خود را از باطریها تأمین می‌کنند٬ جبران نمود.
ایده متهورانه دیگری که دکتر فوروارد پیشنهاد کرده بود٬ مدارهایی همراستای مدار زمین به دور خورشید اما در بالای قطب شمال و یا پایین قطب جنوب است. این مدارها نیز همچون مدارهای زمین ثابت غیر کپلری٬ به دور مرکز جرم جسم مرکزی خود که در اینجا خورشید است نمی‌چرخند و در عوض با دریافت نیروی دائمی از بادبانهای خورشیدی تلاش خواهند کرد که برای همیشه تعادل خود را در لبه تیغ حفظ کنند. فوردارد این مدارها را مدارهای قطب نشین با مدارهای استاتیت (تلفیق دو کلمه استاتیک و ستلایت) قطبی نام‌گذاری کرده بود.
دسترسی عملی به این ایده ۲۵ ساله باعث رونق صنعت ماهواره‌های مخابراتی خواهد شد. در صورت توفیق جهت ارسال ماهواره روی مدارهای قطب‌نشین ساکنان عرض‌های جغرافیایی شمالی و جنوبی با شرایط بهتری قادر به دریافت سیگنالهای مخابراتی خواهند شد. همچنین دانشمندان می‌توانند به آرزوی دیرینه خود جهت مراقب ۲۴ ساعته از دو قطب زمین برسند.
