آشنایی با مدار و انواع آن

مدار همان مسیر گرانشی یک جسم به دور یک نقطه یا جرمی دیگر است. مانند مسیر حرکت سیاره حول ستاره. نیرویی مانند جاذبه، اجسام را هنگامی که تمایل به پرواز در یک خط مستقیم دارند به سمت جرم مرکزی می‌کشد. بنابراین حرکت مستقیم الخط آنها به حرکت منحنی در اطراف جرمی که تحت تاثیر جاذبه آن قرار گرفته‌اند تبدیل می شود.
مسیر حرکت گرانشی (بدون نیروی پیشرانش) اجسام حول اجرام آسمانی به شکل یکی از مقاطع مخروطی یعنی دایره، بیضی، سهمی و یا هذلولی است. بنابراین، در مکانیک مدار، مدارها به این چند دسته تقسیم بندی می‌شوند. هر دسته از این مدارها ویژگی‌های خاص خود را دارد.
هنگام رهایش جسم از پرتابگر چنانچه سرعت رهایش یا همان سرعت اولیه جسم پایین یا به عبارت دقیق‌تر کمتر از سرعت لازم برای قرارگیری جسم در مدار باشد جسم سقوط و به زمین برخورد می‌کند. مسیر حرکت این جسم بخشی از یک بیضی است که با برخورد با زمین ناتمام مانده است.
اگر سرعت رهایش یا سرعت اولیه جسم در مدار برای گردش در آن کافی باشد (جسم به سرعت مداری رسیده باشد) جسم شروع به گشتن حول زمین می کند. مسیر حرکت بسته به سرعت می تواند دایروی یا بیضوی باشد. برای هر ترکیب مشخص از ارتفاع از مرکز جرم سیاره و جرم سیاره یک سرعت اولیه مشخص وجود دارد که مدار دایروی ایجاد می‌کند.
با افزایش سرعت رهایش به میزان بیش از این مقدار مدارهای بیضوی تشکیل می شوند. همچنین چنانچه سرعت تزریق در مدار کمتر از سرعت موردنیاز برای تشکیل مدار دایروی باشد باز هم مدارهای بیضوی خواهیم داشت، اما این بار مسیر حرکت جسم به سطح زمین نزدیک‌تر خواهد بود.
در یک سرعت خاص موسوم به سرعت فرار (باز هم بسته به ارتفاع مدار و جرم سیاره) یک مدار باز ایجاد می‌شود که از معادله سهمی پیروی می‌کند. یعنی با رسیدن به سرعت فرار، جسم در مداری سهموی مسیر را می پیماید.
در سرعت‌های بالاتر جسم در مسیرهای هذلولوی پرواز خواهد کرد. حرکت در مسیرهای هذلولوی و سهموی نشان دهنده فرار از جاذبه زمین و رفتن به سمت فضای بی انتهاست.
بنابراین حرکت آزاد یا گرانشی یک جسم حول یک سیاره یا جسم آسمانی دیگر به شکل یکی از اشکال زیر خواهد بود: بیضی ناتمام در مسیرهای حرکت زیرمداری، مدارهای بیضوی و دایروی در مسیرهای مداری و اشکال سهموی و هذلولوی در مسیرهای حرکت باز یا فرار. (مثال شلیک توپ از بالای یک کوه مرتفع، معروف به مدل نیوتن‏، شکل‌گیری مدار در اطراف یک سیاره را توصیف می‌کند که مطالعه آن می‌تواند به درک بهتر مفهوم مدار کمک کند).
مدارهای دایروی
در مکانیک مدار‏، مدار دایروی نوع خاصی از مدار بیضوی است که خروج از مرکز آن صفر است. خروج از مرکز پارامتری است که نشان می‌دهد مقطع مخروطی تا چه میزان از وضعیت دایروی (مقطع افقی مخروط) خارج شده است.
مدارهای بیضوی
در مکانیک مدار، مدار بیضوی مداری کپلری با خروج از مرکز بین صفر و یک است. حالت صفر همان مدار دایروی را نتیجه می‌دهد.
مدارهای سهموی
مسیر سهموی همان مدار کپلری با خروج از مرکزی برابر با یک است. هنگامی که جسم در چنین مداری از جرم یا نقطه مرکزی دور می‌شود به آن مدار فرار یا گریز و در غیر اینصورت مدار جذب یا ربایش می‌گویند. مسیر سهمی، مسیر فرار با کمترین انرژی است.
مدارهای هذلولوی
در مکانیک مدار خط سیر هذلولوی یک مدار کپلری با خروج از مرکز بیشتر از یک است. مشابه مسیر سهموی تمام مدارهای هذلولوی مسیر فرار هستند.

دسته‌بندی مدارها از نظر ارتفاع

مدارهای پایینی زمین یا لئو
مدارهای با ارتفاع بین ۱۶۰ تا ۲۰۰۰ کیلومتر از سطح زمین را مدارهای پایینی زمین، مدارهای کم ارتفاع و یا لئو (مخفف Low Earth Orbit: LEO) می‌نامند. پریود (دوره یک گردش کامل حول زمین) این مدارها بسیار کوتاه است. در ارتفاع ۳۰۰ کیلومتری جسم روزی نزدیک به پانزده بار دور زمین می‌چرخد. پروازهای فضایی سرنشین‌دار در محدوده مدارهای لئو انجام می‌گیرد. ایستگاه‌های فضایی در این مدارها قرار می‌گیرند زیرا محدوده‌ای بین اتمسفر و بخش زیرین کمربند تشعشعی ون آلن است. ماهواره‌های سنجش از دور و شماری از ماهواره‌های مخابراتی در این مدارها قرار می‌گیرند. البته ارتفاع قرارگیری ماهواره معمولا زیر ۳۰۰ کیلومتر نیست چراکه زیر این ارتفاع میزان پسای اتمسفری بسیار زیاد است.

۱۳۰۵۵-۳
مدارهای میانی
طبق تعریف مدارهای بالای لئو (بالای ۲۰۰۰ کیلومتر) و زیر مدار ژئو (۳۶۰۰۰ کیلومتر) را مدارهای میانی با علامت اختصاری مئو (Medium Earth Orbit: MEO) می‌نامند. در این مدارها معمولا ماهواره‌های مکان یاب، مانند سامانه جی‌پی‌اس امریکا، گلوناس روسیه و گالیله اروپا، قرار می‌گیرند. ماهواره‌های مخابراتی پوشش دهنده قطب‌های شمال و جنوب نیز در این مدارها مستقر می‌شوند. پریود مداری این مدارها از ۲ تا ۲۴ ساعت متغیر است.
مدارهای با بیضویت بالا
مدارهای با بیضویت بالا با نام اختصاری هئو (Highly elliptical orbit: HEO) با این مشخصه بارز شناخته می‌شوند که ارتفاع نقطه حضیض آنها بسیار کم و ارتفاع نقطه اوج‌شان بسیار زیاد است. این ویژگی سبب می‌شود ماهواره مدت زیادی را برای رسیدن و عبور از نقطه اوج در آسمان محل طی کند و مدتی طولانی را در آسمان منطقه مورد نظر به سر برد. ابن مدت زمان گاهی بیش از دوازده ساعت طول می کشد. این در حالی است که عبور از نقطه حضیض به سرعت انجام می‌گیرد و طی این مرحله بسیار کوتاه‌تر است. این مدارها برای پاره‌ای از کاربردهای مخابراتی مناسب هستند. به عنوان مثال از آنجایی که مدار زمین‌ثابت برای کشورهایی مانند روسیه که در عرض‌های جغرافیایی بالا قرار گرفته‌اند چندان مناسب نیست این مدارها پوشش‌دهی بهتری برای این کشورها فراهم می‌کنند. از جمله این مدارها به مدار مولنیا و مدار توندرا می‌توان اشاره کرد.
مدار زمین‌ثابت
مدار زمین‌ثابت با علامت اختصاری ژئو (Geostationary Earth Orbit : GEO) یک مدار زمین‌آهنگ است، به این معنی که ماهواره‌هایی که در این مدار قرار می‌گیرند هم سرعت با زمین می چرخند. مدار زمین‌آهنگ مداری است در اطراف زمین که پریود مداری آن با پریود گردش زمین به دور خود یکسان است. از دید ناظر زمینی ماهواره‌ای که در مدار زمین‌آهنگ قرار می‌گیرد هر روز در یک ساعت مشخص از یک نقطه ثابت در آسمان عبور می‌کند. هر مداری که پریود آن با پریود حرکت وضعی زمین یکی باشد زمین‌آهنگ است، اما در بیشتر موارد این عبارت برای نوع خاصی از مدار زمین‌آهنگ به کار می‌رود که این مدار دایروی (یا بسیار نزدیک به دایره) است‏، زاویه میلی نزدیک به صفر دارد، درست بالای استوای زمین قرار گرفته است و ارتفاع آن از سطح دریاهای زمین ۳۵۷۸۶ کیلومتر است. این مدار همان مدار زمین‌ثابت یا ژئو است. اغلب اوقات هر دو لفظ زمین‌ثابت و زمین‌آهنگ برای این مدار به کار می‌رود.
در مدار زمین‌ثابت مدت‌زمان گردش جسم به دور زمین با مدت‌زمان چرخش زمین به دور خود یکسان است. بنابراین‏، از دید ناظر زمینی ثابت در یک نقطه، ماهواره در مدار زمین‌ثابت ثابت به نظر می‌رسد.
مدار زمین‌ثابت برای استقرار ماهواره‌های مخابراتی بسیار مناسب است چراکه همواره ناحیه ثابتی را روی زمین پوشش می‌دهد. هر کشور دو یا سه نقطه اختصاصی در این مدار دارد که می‌تواند ماهواره ملی خود را در آن قرار دهد. به دلیل ویژگی زمین‌ثابت بودن این مدار برای مطالعات ماهواره‌های هواشناسی نیز مفید است.
مدار مولنیا
مدار مولنیا نوعی از مدار هئو با زاویه میل ۶۳/۴ درجه است و پریود مداری آن نزدیک به ۱۲ ساعت طول می‌کشد. به دلیل ویژگی‌های این مدار ماهواره‌های مخابراتی روسیه از اواسط دهه ۱۹۶۰ به این مدار پرتاب می‌شوند. ماهواره‌ای که در این مدار قرار می‌گیرد مدت زمان زیادی از دوره گردش خود را بر فراز منطقه تحت پوشش خود به سر می برد.
مدار خورشیدآهنگ
مدار خورشیدآهنگ، طبق تعاریف، مداری است که ماهواره شناور در آن در یک زمان خورشیدی ثابت از فراز نقاط مورد نظر بر سطح زمین عبور می کند. برای داشتن زاویه تابش ثابت، ماهواره هر روز باید جهت خود را نسبت به خورشید تغییر دهد تا تغییر زاویه تابش خورشید نسبت به زمین را جبران کند. بنابراین، ماهواره روزانه به اندازه ۰/۹۸ درجه صفحه مداری خود را به سمت شرق نسبت به زمین تغییر می‌دهد. این عدد از تقسیم ۳۶۰ درجه بر ۳۶۵ روز سال به دست می‌آید.
مدار خورشیدآهنگ در گروه مدارهای لئوی قطبی جای می‌گیرد و زاویه میل آن بسته به ارتفاع حول و حوش ۹۶ تا ۹۸ درجه تغییر می‌کند (برای نمونه در ارتفاع ۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتری زاویه میل مدار ۹۷/۷ تا ۹۸/۶ درجه است). به دلیل اینکه زاویه میل مدارهای خورشید آهنگ بالای ۹۰ درجه است این مدارها از جمله مدارهای عقب رو، یعنی مدارهایی که جهت گردش اجسام در آنها خلاف جهت گردش زمین به دور خود است، به حساب می آید.
قرارگیری در این مدار، در تمام زمان ها زاویه روشنایی سطح تقریباً ثابتی برای عکس برداری فضایی در اختیار دوربین ماهواره ها قرار می دهد. بنابراین، شمار زیادی از ماهواره های سنجش از دور که ماموریت آنها تهیه عکس و تصویر (با استفاده از نور مرئی یا تابش فروسرخ) از مناطقی است که به دلایل گوناگون باید پایش شوند، در این مدار قرار می گیرند تا تصاویر آنها برای مطالعه مطلوب باشد.

۱۳۰۵۵-۴

منبع:
www.nasa.gov

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *