عندما تضع يدك خارج نافذة سيارة متحركة ، تشعر أن قوة تدفع ضدك تسمى السحب. تعارض هذه القوة مركبة متحركة ، وهي جزء من سبب إبطاء سيارتك بشكل طبيعي إلى توقف إذا قمت بإخراج قدمك من دواسة الوقود. لكن السحب لا يبطئ السيارات.
يعمل مهندسو الفضاء على استخدام قوة السحب في الفضاء لتطوير المزيد من المركبات الفضائية والبعثات المفعمة بالكفاءة في استهلاك الوقود ، والمركبة الفضائية Deorbit دون خلق الكثير من غير المرغوب فيها ، وحتى تحقيق تحقيقات في المدار حول الكواكب الأخرى.
الفضاء ليس فراغًا كاملاً – على الأقل ليس كل ذلك. يصبح جو الأرض أرق مع الارتفاع ، لكن لديه ما يكفي من الهواء لنقل قوة السحب على المركبة الفضائية المدور ، حتى حوالي 620 ميلًا (1000 كيلومتر).
كأستاذ هندسي للفضاء ، أدرس كيف يؤثر السحب على حركة المركبات الفضائية في المدار. الهوائية ، كما يوحي الاسم ، هو نوع من المناورة التي تستخدم الهواء الرقيق في الفضاء لتطبيق قوة السحب في الاتجاه المعاكس لحركة المركبة الفضائية ، مثل الكبح في السيارة.
تغيير المدار
في الفضاء ، يمكن للهواء أن يغير مدار المركبة الفضائية مع تقليل استخدام نظام الدفع والوقود.
المركبة الفضائية التي تدور حول الأرض تفعل ذلك في نوعين من المدارات: دائري وإهليلجي. في مدار دائري ، تكون المركبة الفضائية دائمًا في نفس المسافة من وسط الأرض. نتيجة لذلك ، فإنه يتحرك دائمًا بنفس السرعة. يتم تمديد المدار الإهليلجي ، وبالتالي فإن المسافة من الأرض – والسرعة التي تتحركها الحرفة تتغير – تتغير حيث تسافر المركبة الفضائية على طول المدار.
تسمى أقرب نقطة في مدار بيضاوي حول الأرض ، حيث تتحرك القمر الصناعي أو المركبة الفضائية في أسرع ، الحرية. وتسمى أبعد نقطة ، حيث تتحرك أبطأ ، apogee.
تتمثل الفكرة العامة وراء الهوائي في البدء في مدار دائري كبير ومناورة المركبة الفضائية في مدار بيضاوي الشكل للغاية ، بحيث تقع أدنى نقطة في المدار – في الجزء الأكثر كثافة من الغلاف الجوي العلوي. بالنسبة للأرض ، يتراوح هذا بين حوالي 62 و 310 ميلًا (100 و 500 كيلومتر) ، مع الاختيار اعتمادًا على الوقت المطلوب لإكمال تغيير المدار.
مع مرور المركبة الفضائية عبر هذه النقطة الأدنى ، يمارس الهواء قوة سحب عليها ، مما يقلل من امتداد المدار بمرور الوقت. هذه القوة تسحب الحرفة نحو مدار دائري أصغر من المدار الأصلي.
أول مناورة تضع المركبة الفضائية في مدار بيضاوي الشكل بحيث يمكن أن يسري السحب يتطلب استخدام نظام الدفع وبعض الوقود. ولكن بمجرد أن يكون في المدار الإهليلجي ، اسحب من الغلاف الجوي يبطئ الحرفة ، ولا يحتاج إلى استخدام الكثير ، إن وجد ،.
يجلب الهوائية حرفة من مدار كبير إلى مدار صغير ولا يمكن عكسه – لا يمكن أن يزيد من حجم المدار. يتطلب زيادة حجم المدار أو رفع المركبة الفضائية إلى مدار أعلى الدفع والوقود.
استخدامات الهو
هناك حالة شائعة حيث تستخدم وحدات التحكم في المركبة الفضائية الهوائي عند تغيير مدار الحرفة من مدار جغرافي – جغرافي – إلى مدار أرضي منخفض ، ليو. المدار الجغرافي هو مدار دائري على ارتفاع حوالي 22236 ميل (35786 كم). في Geo ، تصنع المركبة الفضائية مدارًا واحدًا حول الأرض خلال 24 ساعة ، وبالتالي تظل المركبة الفضائية دائمًا فوق نفس النقطة على سطح الأرض.
قبل الهوائية ، يدفع نظام الدفع على متن المركبة الفضائية في الاتجاه المعاكس لحركة المدار الجغرافي. هذا الدفع يضعه في مدار بيضاوي الشكل. تمر الحرفة عبر الجو عدة مرات ، والتي تدور في النهاية المدار.
بمجرد أن يصل إلى Leo ، قد تحتاج المركبة الفضائية إلى استخدام القليل من الوقود لدفع نفسها إلى مدارها المستهدف. عادة ، تكون أدنى نقطة في المدار الإهليلجي الأصلي أقل من المدار الدائري الهدف النهائي.
تشبه هذه العملية من الناحية المفاهيمية كيف استخدمت X-37B من قوة الفضاء الأمريكية الهوائية في أوائل عام 2025.
ذكرت قوة الفضاء الأمريكية أن Spaceplane غير المأهولة ، X-37B ، تستخدم الهو. أظهر هذا الاختبار خفة الحركة وقابلية المناورة.
تطبيق آخر للهواء هو جعل مركبة الفضاء deorbit – أو إعادة إدخال الغلاف الجوي – بعد أن توقف عن العمل. وبهذه الطريقة ، يمكن للشركة أو الوكالة التخلص من المركبة الفضائية وتجنب إنشاء غير مرغوب فيه ، لأنها ستحترق في الجو السفلي.
الهوائية للبعثات بين الكواكب
استخدمت بعض مهام المريخ ، بما في ذلك مدار المريخ استطلاع المريخ ودوار المريخ أوديسي ، الهوائية للوصول إلى مداراتها المستهدفة حول الكوكب الأحمر.
بالنسبة للبعثات بين الكواكب مثل هذه ، يستخدم العلماء الهوائية بالتزامن مع نظام الدفع على متن الطائرة. عندما تصل مركبة فضائية إلى المريخ ، فإنها تفعل ذلك في مدار زائدي.
على عكس مدار دائري أو مدار إهليلجي ، فإن مسار المركبة الفضائية في المدار الزائدي لن يبقيه يدور حول المريخ. بدلاً من ذلك ، سوف يطير ويغادر المريخ – ما لم يستخدم الدفع من نظام الدفع الخاص به للحصول على “القبض” في مدار إهليزي مغلق.
مع وصول المركبة الفضائية إلى المريخ ، يطلق نظام الدفع على متن الطائرة القوة اللازمة لالتقاط المركبة الفضائية إلى مدار بيضاوي الشكل حول المريخ. بمجرد التقاطها ، يستخدم العلماء صناعة الهوائية على عدة تمريرات مدارية عبر الجو لتحقيق المدار النهائي ، بشكل عام ، وهو مستمر.
يمكن أن تؤدي المناورات الهوائية إلى وفورات كبيرة في الوقود. مع اقتراب البشر من الهبوط على سطح الكوكب الأحمر ، يمكن أن توفر وفورات الوقود التي يتم تمكينها من قبل الهوائية الكتلة والسماح لكل مركبة فضائية متجهة إلى المريخ لأخذ المزيد من الإمدادات.
في القوس الكبير لاستكشاف الفضاء ، ليس الهوائية مجرد مناورة. لها دور حاسم يلعبه في مستقبل العمليات الفضائية والبعثات الكوكبية والاستعمار.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: بيوش ميهتا ، جامعة فرجينيا الغربية
اقرأ المزيد:
يتلقى Piyush Mehta تمويلًا من وكالات اتحادية متعددة – ناسا ، NSF ، NOAA ، IARPA ، و DOD.