مدارهای فضایی شناور

در سال 1984یک 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 25 سال، محاسبات مهندسان آزمایشگاه مفاهیم پیشرفته فضایی در دانشگاه استراث‌کلاید نشان می‌دهد که ایده فوروارد عملی است.

دکتر فوروارد که در سال 2002 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 فوروارد معتقد بود که می‌توان ماهواره‌های مخابراتی را روی یک مدار دقیقا مشابه مدار «زمین ثابت» اما به موازات آن و به فاصله اندکی حدود 50تا 100 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 400 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 24 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.

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 10 تا 50 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 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 25 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 مراقبت 24 ساعته از دو قطب زمین برسند.

 
شهرام یزدان‌پناه، پژوهشگر و مدرس علوم و فناوری فضایی
منبع: دانش فضایی