در مکانیک کیهانی، مدار به مسیر منحنی یک جرم آسمانی گفته می‌شود که تحت اثر نیرویی مرکزگرا (مثل گرانش) به دور جسم یا نقطه‌ای دیگر می‌چرخد. چرخش یک قمر به دور یک سیاره مانند چرخش ماه به دور کره خاکی ما، چرخش ماهواره‌های ساخت بشر به دور زمین و یا گردش سیاره‌ها گرد ستاره خود همگی نمونه‌ای از حرکت در مدار هستند. در ادامه به معرفی کامل مدار زمین می‌پردازیم؛ با ما همراه باشید.
به طور معمول، مدار به مسیری اشاره دارد که به طور منظم تکرار می‌شود، اگرچه گاهی مدار برای یک مسیر غیر تکراری نیز صدق می‌کند. تقریبا می‌توان گفت سیاره‌ها و ماهواره‌ها در مدارهای بیضوی در حرکتند و مرکز جرم حول نقطه کانونی این بیضی می‌چرخد، همان‌طور که در قوانین حرکت سیاره‌ای یوهانس کپلر توضیح داده شده است.
مدار زمین چیست؟
مدار زمین به زبان بسیار ساده، مسیر چرخش ماهواره دور زمین است؛ بنابراین همه مدارهای زمین حول این سیاره می‌چرخند و به اصطلاح زمین‌مرکز هستند. در تعریف مدار زمین به صورتی علمی‌تر می‌توان گفت هر مسیر چرخش به دور زمین معادل یک میزان سرعتی است که این سرعت با جاذبه زمین تعادل ایجاد می‌کند. در واقع جاذبه زمین جسم را به سمت خود می‌کشد، اما چنین سرعتی در مدار اجازه سقوط آن را نمی‌دهد. حال به توضیح موقعیت مدارهای زمین می‌پردازیم.
مدار زمین کجاست؟
مدارهای زمین انواع مختلفی دارند که در ارتفاع‌های متفاوتی نسبت به سطح آب‌های آزاد تعریف می‌شوند. این مدارها از ارتفاع ۱۶۰ کیلومتری شروع شده و تا چند صد هزار کیلومتری زمین ادامه دارند. البته به جز تعداد معدودی از ماهواره‌ها که در ارتفاع‌های بسیار بالا قرار دارند، تقریبا همه ماهواره‌های مختلف سنجشی، ناوبری و مخابراتی در ارتفاع‌هایی بین ۵۰۰ تا ۳۶ هزار کیلومتری زمین مستقرند.
دانلود دوره جامع آموزش صنعت فضا شامل مباحث مختلف صنعت فضا از جمله ماهواره‌ها، ماهواره‌برها و عملیات‌های پرتاب فضایی از لینک زیر:
دانلود دوره جامع آموزش صنعت فضا
اما برخی ماهواره‌ها مانند تلسکوپ فضایی تس (TESS) ناسا بنا به نوع ماموریتشان در مدارهایی بسیار مرتفع‌تر قرار گرفته‌اند. مثلا تلسکوپ تس در حالت اوج خود به ارتفاع ۳۷۵ هزار کیلومتری زمین می‌رسد. مدارهای زمین شکل‌های مختلفی دارند که در ادامه با آن‌ها آشنا خواهید شد.
مدار زمین چه شکلی است؟
در مکانیک مداری شکل مدارهای زمین بر اساس مسیر حرکت گرانشی (بدون نیروی پیشران) یک جسم دور اجرام آسمانی به صورت‌های مختلفی تقسیم می‌شود که عبارتند از دایره، بیضی، سهمی و هذلولی و هر کدام مشخصات خاص خود را دارند.
مدارهای ماهواره معمولا یک مسیر بیضی شکل را دنبال می‌کنند که طول و عرض آن به عنوان محورهای اصلی و فرعی شناخته می‌شود. وقتی این دو محور از نظر اندازه برابر باشند، مدار یک دایره کامل است که فقط یک حالت خاص از یک بیضی به شمار می‌رود. بیشتر ماهواره‌ها مدارهای نزدیک به دایره دارند، اما در موارد معدودی بیضی می‌تواند بسیار کشیده‌تر بوده و محور اصلی آن بسیار طولانی تر از محور فرعی باشد.
به عنوان مثال، مدار ماهواره روسی مالنیا (Molniya) که برای ارتباطات در عرض های جغرافیایی شمالی استفاده می شود، دارای نقطه پایینی در حدود ۴۹۵ کیلومتر و نقطه اوجی در حدود ۴۰ هزار کیلومتر است.
مدارهای ماهواره‌ای همچنین بسته به ارتفاع به انواع مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند:
انواع مدارهای ماهواره‌ای کدامند؟
مدار پایینی زمین یا مدار لئو (LEO)
این مدار از ارتفاع ۱۶۰ کیلومتری سطح آب‌های آزاد شروع شده و تا ارتفاع ۲ هزار کیلومتری ادامه دارد. ماهواره‌های مدار لئو اغلب دارای دوره مداری ۱۲۸ دقیقه یا کمتر هستند؛ به این معنی که آن‌ها حدودا ۱۲۸ دقیقه طول می‌کشد تا یک گردش کامل را دور زمین تمام کنند. در نتیجه ماهواره‌های مدار پایینی زمین در هر شبانه‌روز حداقل ۱۱.۲۵ بار گرد زمین می‌چرخند.
همچنین خروج از مرکز مداری آن کمتر از ۰.۲۵ است؛ متغیری که نشان می‌دهد مدار یک جرم به چه میزان از یک دایره کامل بودن انحراف دارد. بیشتر ماهواره‌هایی که در مدار زمین قرار گرفته‌اند در مدار لئو مستقرند و ارتفاع آن‌ها هرگز از یک سوم شعاع زمین فراتر نمی‌رود. اغلب ماهواره‌های سنجش از دور که با استفاده از ابزار تصویربرداری به رصد زمین می‌پردازند، در این مدار استقرار دارند. جالب است بدانید ایستگاه فضایی بین‌المللی نیز در این مدار قرار دارد.
برای ماندن در این مدار، یک ماهواره باید با سرعتی در حدود ۷.۸ کیلومتر در ثانیه حرکت کند. در ارتفاعات بالاتر، سرعت لازم برای نگه داشتن ماهواره در مدار کاهش می‌یابد. با این حال، این بدان معنا نیست که یک حامل برای قرار دادن یک ماهواره در مدار بالاتر نیاز به صرف انرژی کمتری دارد.
مدار میانی زمین یا مدار مئو (MEO)
مدار میانی زمین از بالای مدار لئو یعنی ارتفاع ۲ هزار کیلومتری شروع می‌شود و تا زیر مدار با بیضویت بالا یا هئو یعنی ارتفاع ۳۵۷۸۶ کیلومتری زمین ادامه دارد. ماهواره‌های مدار مئو معمولا در ارتفاع ۲۰۲۰۰ کیلومتری یا ۲۰۶۵۰ کیلومتری زمین مسقرند و دوره مدار آن‌ها ۱۲ ساعت است. تمام ماهواره‌ها در مدار میانی زمین دارای دوره مداری کمتر از ۲۴ ساعت بوده و حداقل دوره برای یک مدار دایره‌ای در پایین‌ترین ارتفاع آن حدود ۲ ساعت است.
مرز بین مدارهای مئو و لئو یک ارتفاع دلخواه است که به صورت قراردادی پذیرفته می‌شود، اما مرز میان مدارهای مئو و هئو ارتفاعی خاص در مدار زمین ثابت یا ژئو است که در آن یک روز نجومی (۲۳ ساعت و ۵۶ دقیقه و ۴ ثانیه) طول می‌کشد تا ماهواره دور زمین بچرخد. ماهواره‌های ناوبری مانند ماهواره‌های جی‌پی‌اس و برخی ماهواره‌های مخابراتی در این مدار قرار دارند.
مدار با بیضویت بالا یا مدار هئو (HEO)
مدار با بیضویت بالا دارای ارتفاع نقطه حضیض (نزدیکترین نقطه مدار به زمین) بسیار کم در حدود هزار کیلومتر و ارتفاع اوج (دورترین نقطه مدار از زمین) بسیار بالای ۳۵۷۸۶ کیلومتری است. ویژگی مهم مدار هئو این است که ماهواره در این نوع مدار زمانی که به زمین نزدیک است، بسیار سریعتر از زمانی حرکت می‌کند که دورتر از زمین قرار دارد.
چنین امری به این دلیل است که کشش گرانشی از سمت زمین وقتی ماهواره در حضیض قرار گرفته است، در مقایسه با زمانی که در اوج قرار دارد بسیار بیشتر است؛ در نتیجه، زمانی که ماهواره در اوج است می‌تواند پوشش بهتری را بر روی هر نقطه از زمین ارائه دهد، زیرا پوشش زمین توسط آن برای مدت زمان طولانی‌تری ادامه می‌یابد. با این حال هنگامی که ماهواره در حضیض است، از هر نقطه بسیار سریع عبور می‌کند که برای اپراتور خوشایند نیست.
برای حل این مشکل، دو ماهواره در مدارهای مشابه به گونه‌ای زمان‌بندی می‌شوند که یکی از آن‌ها همیشه در منطقه تحت پوشش مورد نظر قرار داشته باشد (همان‌طور که در تصاویر نشان داده شده است). همچنین اگر چندین ماهواره با فضای مساوی در یک مدار قرار گیرند، می‌توان به پوشش دائمی دست یافت.
مدار زمین ایستا (زمین ثابت) یا مدار ژئو (GEO)
برای تعریف مدار زمین ایستا ابتدا لازم است بدانیم مدار زمین آهنگ یا ژئوسنکرون (GSO) چیست؟ مدار زمین آهنگ به مدارهایی اطلاق می‌شود که سرعت زاویه‌ای چرخش ماهواره در آن‌ها برابر با سرعت چرخش زمین است. در واقع یک دوره مداری ماهواره در مدار زمین آهنگ با چرخش زمین در محور خود مطابقت دارد که معادل یک روز نجومی (۲۳ ساعت و ۵۶ دقیقه و ۴ ثانیه) است.
همزمانی چرخش و دوره مداری به این معنی است که برای ناظر روی زمین، یک ماهواره در مدار ژئوسنکرون همواره در یک نقطه ثابت از آسمان قرار دارد.
اما مدار زمین ثابت چیست؟ مدار زمین ثابت یکی از مهم‌ترین مدارهای زمین آهنگ محسوب می‌شود که آن را با نام‌های مدار زمین ایستا، مدار ژئو و کمربند کلارک نیز می‌شناسند. فاصله مدار ژئو از زمین چقدر است؟
ارتفاع این مدار ۳۵۷۸۶ کیلومتری بالاتر از سطح آب‌های آزاد قرار دارد. ماهواره‌های مخابراتی عمدتا در این مدار قرار گرفته‌اند؛ البته طی سال‌های اخیر بسیاری از ماهواره‌های ارتباطاتی کوچکی که در قالب منظومه‌های ماهواره‌ای به فضا فرستاده می‌شوند، در مدار لئو مستقر شده‌اند. این ماهواره‌ها عمدتا با هدف ارائه خدمات اینترنت ماهواره‌ای به مناطق مختلف زمین در مدار قرار می‌گیرند.
همه ماهواره‌های مخابراتی تلویزیونی در مدار زمین ثابت قرار دارند و به همین دلیل است که آنتن‌های بشقابی گیرنده امواج این ماهواره‌ها به شکل ثابت نصب می‌شوند و نیازی به موتور برای حرکت مداوم ندارند. همچنین با قوی‌تر شدن ابزار تصویربرداری ماهواره‌های سنجشی، به تدریج شاهد استقرار برخی از این نوع ماهواره‌ها در مدار ژئو نیز هستیم.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، پیشنهاد می‌کنیم مطلب ماهواره‌ها بر چه اساسی به دور زمین می‌گردند را نیز مطالعه کنید. نظرات و دیدگاه‌های خود را با ما در میان بگذارید و سوالاتتان را بپرسید؛ کارشناسان اسپاش به شما پاسخ می‌دهند.
عالی بود