اگر شما از باورمندان به زمین تخت نباشید، قطعاً واژه‌ی
“مدار” به گوشتان خورده است. زمین به عنوان یک سیاره‌ی کروی، به طور کلی
دارای سه نوع مدار است: مدار زمین بالا (HEO)، مدار زمین میانی
(MEO) و مدار زمین پایین (LEO).

در این مطلب، تمرکز ما بر روی مدار زمین پایین، عملکرد ماهواره‌ها در
این مدار، انواع دیگر مدارها و تمامی نکاتی است که باید درباره‌ی آن‌ها بدانید.
بنابراین، مدار زمین پایین دقیقاً چیست؟ چه فاصله‌ای از سطح زمین دارد؟ و چه
کاربردهایی دارد؟

مدار چیست؟

مدار، مسیری منحنی است که در اثر نیروی گرانش، اجرام مختلفی مانند
سیارات، سیارک‌ها، ستارگان یا فضاپیماها در آن حرکت می‌کنند. جاذبه، جرم متحرک را
در نزدیکی جرم‌های بزرگ‌تر نگه می‌دارد.

به طور معمول، جرم کوچکتر به دور جرم بزرگ‌تر می‌چرخد. برای مثال،
زمین به دور خورشید و ماه به دور زمین می‌چرخد. در این مثال، خورشید از زمین بزرگ‌تر
و ماه از زمین کوچک‌تر است.

فرآیندی مشابه هنگام پرتاب ماهواره‌ها به فضا رخ می‌دهد. تیمی از
دانشمندان مسیر مداری مناسب را طراحی می‌کنند تا ماهواره ضمن مقابله با نیروی
جاذبه‌ی زمین، در مدار خود باقی بماند.

بسته به مأموریت هر ماهواره، جایابی آن در یکی از مدارهای موجود صورت
می‌گیرد.

انواع مدارها

مدارهای مختلف دارای ویژگی‌های متفاوتی از نظر بیضوی بودن
(برحسب خروج از مرکز یا Eccentricity) هستند.
زمین چندین نوع مدار دارد که هر یک مزایا و کارکردهای خاص خود را دارند. همچنین،
ارتفاع این مدارها بر سرعت حرکت مداری ماهواره‌ها تأثیر می‌گذارد.

انواع اصلی مدارها بر اساس ارتفاع از سطح زمین عبارتند از:

۱. مدار
زمین بالا (High Earth Orbit – HEO)

مدار زمین بالا محل استقرار بسیاری از ماهواره‌های هواشناسی و
مخابراتی است. این مدارها حدود ۳۵٬۷۸۰ کیلومتر از سطح زمین فاصله دارند.

وقتی ماهواره‌ای دقیقاً در فاصله ۴۲٬۱۶۴
کیلومتری از مرکز زمین قرار گیرد و در HEO مستقر شود،
سرعت حرکت مداری آن با سرعت چرخش زمین برابر می‌شود.

در این حالت، ماهواره از دید ناظر زمینی روی یک طول جغرافیایی ثابت
ظاهر می‌شود. به این مدارها مدارهای هم‌زمان با زمین (Geosynchronous Orbit) گفته
می‌شود.

اگر چنین ماهواره‌ای دقیقاً بالای خط استوا قرار گیرد، مدار آن مدار
زمین‌ایستا (Geostationary Orbit) نامیده
می‌شود.

مدار زمین‌ایستا (GEO):
ماهواره‌های مدار زمین‌ایستا از غرب به شرق، هم‌راستا با خط استوا
حرکت می‌کنند و طی ۲۳
ساعت و ۵۶ دقیقه یک دور کامل به دور زمین می‌زنند.
این نوع مدار برای نظارت هواشناسی بسیار باارزش است، زیرا دید پیوسته‌ای از یک
منطقه خاص فراهم می‌کند.

۲. مدار
زمین میانی (Medium Earth Orbit – MEO)

مدار زمین میانی نسبت به HEO به مرکز
زمین نزدیک‌تر است. دو نوع اصلی در این دسته وجود دارد: مدار مولنیا
(Molniya Orbit) و مدار نیم‌همزمان (Semi-Synchronous
Orbit).

مدار نیم‌همزمان:
این مدار تقریباً دایره‌ای شکل است و در فاصله‌ی ۲۶٬۵۶۰ کیلومتری از مرکز زمین (حدود ۲۰٬۲۰۰
کیلومتر از سطح زمین) قرار دارد. ماهواره‌ها در این مدار طی ۱۲ ساعت یک دور کامل به دور زمین می‌زنند. بنابراین در ۲۴ ساعت، دوبار از همان نقاط روی استوا
عبور می‌کنند. اکثر ماهواره‌های سامانه‌ی موقعیت‌یابی جهانی (GPS) در
این مدار مستقرند.

مدار مولنیا:
این مدار بیضوی بسیار کشیده‌ای است که توسط روس‌ها برای پوشش بهتر
مناطق شمالی و جنوبی معرفی شد. در این مدار، ماهواره در بخش نزدیک به زمین سریع‌تر
حرکت می‌کند و در دورترین فاصله کند می‌شود.

به طور کلی، ماهواره‌ی مستقر در مدار مولنیا طی یک سوم زمان، نیم‌کره‌ی
نزدیک‌تر و طی دو سوم زمان، نیم‌کره‌ی دورتر را می‌پیماید.

۳. مدار
زمین پایین (Low Earth Orbit – LEO)

مدار زمین پایین، نزدیک‌ترین مدار به سطح زمین است. این مدار تقریباً
دایره‌ای شکل بوده و ماهواره‌ها در آن با سرعت‌های بسیار بالا حرکت می‌کنند.

بسته به مأموریت ماهواره، شیب مداری (Inclination) آن
متفاوت است. به عنوان مثال، ماهواره‌های رصد زمین ناسا در مدار
LEO با شیب زیاد قرار دارند و در نتیجه مسیر آن‌ها تقریباً قطبی است و هر
۹۹ دقیقه یک بار به دور زمین می‌چرخند.

اصول مدار زمین
پایین

همانطور که هنگام پریدن به هوا دوباره به زمین بازمی‌گردید، ماهواره‌های
LEO نیز تحت تأثیر نیروی گرانش قرار دارند و در معرض مقاومت جوی بیشتری
نسبت به ماهواره‌های مدار بالا هستند.

سرعت حرکت ماهواره‌ها در LEO حدود ۷٫۸ کیلومتر بر ثانیه (معادل ۱۷٬۵۰۰ مایل بر ساعت) است.

در ارتفاعات بالاتر، سرعت مداری کاهش می‌یابد. اما به دلیل هزینه‌ی
بالای قرار دادن ماهواره در مدارهای بالاتر، اکثر ماهواره‌ها در
LEO مستقر می‌شوند؛ به طوری که حدود ۵۵٪ کل ماهواره‌ها در این مدار قرار دارند.

اگر ماهواره‌ای در LEO با سرعتی
بیش از ۱۱٫۲ کیلومتر بر ثانیه (۲۵٬۰۰۰ مایل بر ساعت) حرکت کند، به سرعت گریز
از زمین می‌رسد و از مدار خارج می‌شود.

نکات جالب درباره‌ی مدار LEO

• ماهواره‌های
  LEO طی ۹۰
  تا ۱۲۰
  دقیقه یک بار به دور زمین می‌چرخند؛ در نتیجه می‌توانند در طول شبانه‌روز
  حدود ۱۶ بار
  به دور زمین بگردند.
• ماهواره‌های این مدار تنها چند ثانیه در
  معرض دید یک ناظر زمینی قرار می‌گیرند و سپس با سرعت از افق خارج می‌شوند.
• به دلیل ارتفاع کم و دوره‌ی مداری کوتاه،
  ماهواره‌های LEO برای
  سنجش از راه دور و ارتباطات بسیار مناسب هستند.
• شرکت‌هایی مانند
  SpaceX ماهواره‌های پروژه‌ی استارلینک (Starlink) خود را در این مدار مستقر می‌کنند.

تا تاریخ ۱۸
ژانویه‌ی ۲۰۲۲، از میان ۴٬۵۵۰
ماهواره‌ی فعال، ۳٬۷۹۰ ماهواره در مدار LEO فعالیت
داشتند. بیشتر این ماهواره‌ها برای ارتباطات، پایش زمین و توسعه‌ی فناوری استفاده
می‌شوند. این مدار برای وصل شدن به اینترنت ماهواره ای اسفتاده می شود. 

ماهواره‌های
مدار زمین پایین چه هستند؟

ماهواره‌های LEO فضاپیماهایی
هستند که در ارتفاع ۴۰۰
تا ۲٬۰۰۰ کیلومتری از سطح زمین قرار دارند.

بیشتر ماهواره‌های مستقر در این ارتفاع برای ارتباطات پهن‌باند
استفاده می‌شوند؛ زیرا این موقعیت به کاهش تأخیر بین ماهواره‌ها کمک می‌کند و زمان
رفت و برگشت سیگنال کوتاه‌تر می‌شود.

SpaceX تاکنون بیش از ۳٬۰۰۰
ماهواره برای ارتباطات در مدار LEO مستقر کرده
است.

با ایجاد منظومه‌ای از ماهواره‌ها، امکان پوشش جهانی فراهم شده است،
که هدف پروژه‌ی استارلینک نیز همین است.

ماهواره‌های LEO چگونه کار می‌کنند؟

ماهواره‌های مدار LEO به دلیل
حرکت سریع خود (۱۲
تا ۱۶ بار در روز) نمی‌توانند بر یک نقطه‌ی
ثابت باقی بمانند. در نتیجه، برای پوشش کامل، به منظومه‌ای از ماهواره‌ها نیاز است.

ویژگی‌های مشترک ماهواره‌های LEO عبارتند
از:

• استفاده از باند فرکانسی L: این
  باند رادیویی، مخصوص ارتباطات دریایی و برد بلند است و تجهیزات زمینی کوچکتری
  نیاز دارد. همچنین کمتر تحت تأثیر شرایط جوی قرار می‌گیرد.
• سرعت‌های بسیار بالا: برای
  مثال، ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) که در
  مدار LEO قرار
  دارد، هر ۹۳
  دقیقه یک دور کامل به دور زمین می‌زند.
• نیاز به منظومه‌های ماهواره‌ای: به
  دلیل برد پوشش محدود، چندین ماهواره باید با هم کار کنند تا اتصال پیوسته
  برقرار شود.

مزایای ماهواره‌های
مدار زمین پایین

• کاهش زمان تأخیر: نزدیک
  بودن به زمین باعث می‌شود ارتباطات ماهواره‌ای پایدارتر و سریع‌تر باشد.
• پوشش گسترده‌تر: منظومه‌های LEO مانند استارلینک امکان دسترسی به
  اینترنت را حتی در مناطق دورافتاده فراهم می‌کنند.
• پهنای باند بیشتر: فاصله‌ی
  کوتاه‌تر باعث انتقال داده‌های بیشتر و کیفیت بهتر ارتباط می‌شود.

معایب ماهواره‌های
مدار زمین پایین

• عمر کوتاه‌تر: مقاومت
  جوی بیشتر باعث کاهش عمر مفید این ماهواره‌ها می‌شود، که هزینه‌ی نگهداری و
  جایگزینی آن‌ها را بالا می‌برد.
• سرعت زاویه‌ای بالا: زمان
  مشاهده‌ی این ماهواره‌ها از روی زمین بسیار کوتاه است.
• پیچیدگی عملیاتی: برای
  پوشش جهانی، به هماهنگی تعداد زیادی ماهواره نیاز است که عملیات همگام‌سازی
  بسیار دشواری می‌طلبد.