التقنية الفضائية (١)

يقوم درس التقنية الفضائية على استطاعة الإنسان الوصول إلى أجرام لم تكن مأهولة من خلال المركبات الفضائية والأقمار الصناعية ومحطات الفضاء. يغطي الدرس مفهوم المدار ومسار الجسم تحت تأثير الجاذبية، ويصنف المركبات إلى أقمار صناعية تدور في مدارات مختلفة مثل المدار الأرضي المنخفض والمتوسط والثابت والقطبي، ومحطات فضاء مأهولة، ومركبات مأهولة وغير مأهولة لاستكشاف الكواكب والمذنبات. على سبيل المثال، يتحرك القمر الصناعي في المدار المنخفض بسرعة تصل إلى حوالي $7.8\ \mathrm{km/s}$ لإكمال دورة حول الأرض في نحو $90\ \mathrm{min}$، مع توثيق إنجازات المملكة العربية السعودية التاريخية في الفضاء وإطلاق الأقمار الصناعية.

الفكرة الأساسية

استطاعة الإنسان بواسطة التقنيات الفضائية من الوصول إلى أجرام لم تكن مأهولة من خلال تصميم المركبات الفضائية والأقمار الصناعية ومحطات الفضاء التي تتحرك في مدارات محددة وفق قوانين الفيزياء وتحديداً قوانين كبلر ونيوتن.

الشرح

المدار هو مسار منحنى لجسم ما حول جسم آخر تحت تأثير قوة الجاذبية. تخضع حركة الأقمار الصناعية Satellites للكرة الأرضية إلى قوانين كبلر التي تحدد حركة الكواكب، والتي تنص على أنه كلما كان القمر واقعا في مدار أعلى تحرك بسرعة أبطأ. ويطلق القمر الصناعي إلى الفضاء بواسطة صاروخ، حيث يدور حول الأرض عندما تتوازن السرعة من خلال الجاذبية الأرضية، إذ بدون التوازن إما أن يطير في خط مستقيم إلى الفضاء، أو يسقط إلى الأرض.

تُصنف مدارات الأقمار الصناعية إلى عدة أنواع رئيسية:

1. المدار الأرضي المنخفض Low Earth Orbit - LEO: وهو مدار قريب من سطح الأرض على ارتفاع أقل من $2000\ \mathrm{km}$، وهو الأفضل للتصوير بدقة أعلى، وتتحرك فيه الأقمار الصناعية ومحطة الفضاء الدولية ISS بسرعة حوالي $7.8\ \mathrm{km/s}$ لتستغرق حوالي $90\ \mathrm{min}$ لإكمال دورة حول الأرض.
2. المدار الأرضي المتوسط Medium Earth Orbit - MEO: يقع على مسافة تتراوح بين $2000\ \mathrm{km}$ إلى $35000\ \mathrm{km}$ من سطح الأرض، وهو مدار مثالي للملاحة وأقمار الاتصالات، ويستغرق القمر فيه $12\ \mathrm{h}$ لإكمال دورة حول الأرض أي يدور مرتين في اليوم، ومن أبرز أنواعه نظام تحديد المواقع العالمي GPS.
3. المدار الثابت للأرض Geostationary Orbit - GEO: هو مدار دائري يقع مباشرة فوق خط الاستواء على ارتفاع $3786\ \mathrm{km}$ من سطح الأرض، يتحرك فيه القمر في اتجاه دوران الأرض بنفس سرعة دورانها، لذا هو ثابت لمنطقة معينة ويدور معها، وتستعمل لأقمار الطقس وأقمار الاتصالات السلكية واللاسلكية.
4. المدار القطبى الارضي Earth's Polar Orbit: تتحرك فيه الأقمار في مدارات قطبية من الشمال إلى الجنوب مروراً تقريبياً فوق قطبي الأرض، على ارتفاعات منخفضة بين $200\ \mathrm{km}$ إلى $1000\ \mathrm{km}$، وتستخدم للالتنبؤ بالطقس والعواصف وحرائق الغابات.

كما تشمل التقنية الفضائية محطات الفضاء Space Station وهي مركبات مصممة من عدة وحدات معملية ومعيشية يتناوب فيها رواد الفضاء العمل لعدة أشهر، ومركبات الفضاء المأهولة Manned Space Vehicles التي يقودها رواد فضاء، ومركبات الفضاء غير المأهولة Unmanned Space Vehicle التي تقترب من الكواكب أو المذنبات لأخذ القياسات والصور أو الهبوط على السطح مثل مركبات الركوب (Rover).

مثال محلول خطوة بخطوة

إذا كان لديك قمر صناعي يدور في مدار أرضي منخفض بسرعته المعتادة والتي تبلغ حوالي $7.8\ \mathrm{km/s}$، واستغرق لإكمال دورة كاملة حول الأرض زمنا قدره $90\ \mathrm{min}$:

• الخطوة الأولى: حدد نوع المدار بناء على الارتفاع والسرعة المذكورة، وهي تدل على أن الارتفاع أقل من $2000\ \mathrm{km}$، إذن هو المدار الأرضي المنخفض (LEO).
• الخطوة الثانية: اربط السرعة بقوانين التوازن المداري، حيث تتوازن قوة الجاذبية مع سرعة إطلاق القمر الصاروخية ليبقى في مداره دون أن يسقط أو يهرب.
• الخطوة الثالثة: استنتج التطبيق العملي لهذا المدار، وهو التقاط الصور بدقة عالية واستخدامه لمحطة الفضاء الدولية ISS.

أخطاء شائعة

• الاعتقاد بأن القمر الصناعي في المدار الثابت للأرض لا يتحرك إطلاقاً، والصواب أنه يتحرك بنفس سرعة دوران الأرض واتجاهها ليبقى ثابتاً بالنسبة لمنطقة معينة على السطح.
• الخلط بين ارتفاعات المدارات، مثل ظن أن المدار المنخفض أعلى من المدار الثابت، بينما المدار المنخفض أقل من $2000\ \mathrm{km}$ والمدار الثابت على ارتفاع $3786\ \mathrm{km}$.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

• السؤال الأول: ما هو المدار المناسب لأقمار الاتصالات التي لا تتطلب تغيير اتجاه الهوائي وتتحرك بنفس سرعة دوران الأرض؟
• الإجابة: المدار الثابت للأرض Geostationary Orbit - GEO.
• السؤال الثاني: لماذا تعتبر الأقمار في المدار الأرضي المنخفض مناسبة لالتقاط الصور بدقة عالية؟
• الإجابة: لأن قربها من السطح يسمح لها بالتقاط صور بدقة أعلى مقارنة بالمدارات المرتفعة.