مدار ژئو و دلایل نیاز استراتژیک ایران به این ارتفاع طلایی

گروه فضا و نجوم خبرگزاری تسنیم، علی اصغر اصولی؛ با توسعه صنعت فضایی در جهان، دستیابی به مدار ژئوسنکرون (GEO – Geosynchronous Orbit) به عنوان یک نقطه عطف در فناوری فضایی شناخته می‌شود، زیرا مدار ژئو با ارتفاع حدود 35٬786 کیلومتر تنها مداری است که ماهواره می‌تواند به طور ثابت نسبت به یک نقطه از زمین باقی بماند.

این ویژگی کلیدی باعث شده که تقریباً تمامی ماهواره‌های مخابراتی و تلویزیونی، ایستگاه‌های رصد اقلیمی و حتی ماهواره‌هایی برای هشدارهای سریع (Early Warning Satellites) در این مدار قرار داده شوند. رسیدن به این مدار، نیازمند فناوری‌های پیشرفته انتقال مداری و موتورهای قدرتمند است که در این گزارش جزئیات آن بررسی می‌شود.

پرتاب موفق ماهواره ناهید 2، محصول سازمان فضایی ایران، توسط پرتابگر سایوز روسیه و قرارگیری آن در مدار پایین زمین (LEO)، بار دیگر موضوع دستیابی به مدار ژئوسنکرون (GEO) و جایگاه حیاتی آن در صنعت ماهواره‌ای کشور را به صدر اخبار تخصصی آورده است. این پرتاب نه تنها حاصل یک همکاری بین‌المللی است، بلکه نقطه شروعی برای ورود ماهواره‌های ایرانی به عرصه ارتباطات پیشرفته و حضور در مدار ژئو به شمار می‌رود.

چرا مدار ژئوسنکرون اهمیت ویژه‌ای دارد؟

مدار ژئو (GEO – Geostationary Orbit) مداری است در ارتفاع تقریبی 35٫786 کیلومتری سطح زمین که یک ماهواره‌ در آن مدام بر فراز یک نقطه ثابت از خط استوا قرار می‌گیرد. اهمیت استراتژیک این مدار در صنعت فضایی، ریشه در خصوصیات منحصربه‌فرد آن دارد:

• پوشش دائمی و گسترده: ماهواره‌ای که در مدار ژئو قرار گیرد، بدون جابجایی ظاهری نسبت به زمین، می‌تواند به طور 24 ساعته یک منطقه وسیع را پوشش دهد. این ویژگی برای مخابرات، تلویزیون و اینترنت ماهواره‌ای حیاتی است.
• پایداری لینک ارتباطی: برخلاف مدارهای پایین (LEO/MEO) که ماهواره‌ها مدام در مدار جابجا می‌شوند و نیاز به پایگاه‌های ارسال/دریافت متعدد دارند، در GEO یک دیش ثابت می‌تواند همیشه با ماهواره در تماس باشد.
• حجم ارتباطات بزرگ‌تر: به لطف پایداری، می‌توان ترمینال‌های بسیار بیشتری را با ماهواره همزمان متصل کرد. تمامی شبکه‌های مخابراتی تلویزیونی سنتی و اینترنت جهانی (VSAT، اینمارست، یوتلست، هاتبرد و غیره) بر GEO متکی هستند.

به همین دلیل، قرارگیری ماهواره‌های مخابراتی ایرانی در GEO، عملاً لازمه ورود ایران به باشگاه کشورهای صاحب شبکه‌های ارتباطات مستقل مبتنی بر ماهواره و یکی از الزامات راهبردی صنعت فضایی کشور است.

ناهید 2؛ از پرتاب توسط سایوز تا تحقق ارتباطات GEO

ماهواره ناهید 2 که اخیراً با پرتابگر سایوز روسی به مدار پایین زمین (LEO با ارتفاع 500 کیلومتر) تزریق شد، یک نمونه پیش‌گام برای آزمایش فناوری‌های ارتباطی و مخابراتی بومی است. این پرتاب بیانگر آن است که فناوری طراحی و ساخت ماهواره در ایران بومی‌سازی شده، اما گام بعدی و حیاتی، رساندن یک ماهواره مخابراتی به مدار ژئو و عملیاتی شدن آن برای ارائه سرویس‌های پایدار و مستقل است.

پرتاب توسط سایوز، این امکان را فراهم ساخت تا ماهواره‌ای با استانداردهای جهانی تست مدار پایین LEO را پشت سر بگذارد. اما در گام بعد، ماهواره‌های نسل بعدی باید به ارتفاعات بالاتر و مدار GEO منتقل شوند؛ چالشی که مستلزم فناوری‌های ویژه است.

فناوری‌ رساندن ماهواره به مدار ژئو

روند انتقال ماهواره از LEO به GEO، نیازمند طیف فناوری‌های پیچیده و پیشرفته در عرصه فضانوردی است که به طور مختصر به آن‌ها اشاره می‌شود:

1. پرتاب اولیه (به واسطه پرتابگر چندمرحله‌ای):

ابتدا ماهواره توسط یک پرتابگر چندمرحله‌ای (مانند سایوز، آریان، فالکون9، لانگ مارچ) به مدار (LEO) یا مدار انتقالی اولیه قرار می‌گیرد.

2. بلوک انتقال مداری یا Upper Stage:

فناوری اصلی انتقال ماهواره به GEO، استفاده از بلوک انتقال مداری (Orbital Transfer Vehicle/Upper Stage) است. پس از قرار گرفتن ماهواره در مدار پایین، این بلوک با روشن شدن موتور خود، ماهواره را به مدار بیضوی انتقالی GEO موسوم به GTO (Geostationary Transfer Orbit) منتقل می‌کند. سپس در نقطه اوج (اپوگی) GTO، معمولاً یک موتور دیگر که بر روی خود ماهواره یا به عنوان مرحله‌ای جداشونده نصب شده، مدار را گرد کرده و ماهواره را وارد GEO تثبیت می‌کند.

این فرآیند عمدتاً به چند شیوه انجام می‌شود:

الف) بلوک‌های انتقال مخصوص پرتابگرها:

“بلوک‌های انتقال مخصوص پرتابگرها” در واقع اشاره دارد به آن دسته از بلوک‌ها (مراحل بالایی یا Upper Stage/Orbital Transfer Vehicle) که به طور خاص به عنوان بخشی از خود پرتابگر (راکت اصلی) طراحی و ساخته می‌شوند؛ این بلوک‌ها بعد از مراحل اصلی پرتاب فعال شده و وظیفه دارند ماهواره را از مدار پایین (LEO) به مدار انتقالی ژئو (GTO) یا خودش GEO برسانند.

نمونه‌های جهانی:

Blok-DM, Briz-M (روسیه): مخصوص پرتابگرهای پروتون و سایوز برای رساندن ماهواره‌های سنگین به GEO.

Centaur (آمریکا): در پرتابگر Atlas و Vulcan استفاده می‌شود (سوخت اکسیژن مایع و هیدروژن مایع).

Fregat (اروپا/روسیه): مرحله پایانی عموماً برای پرتاب ماهواره‌های متوسط به GEO و بالاتر.

Ariane Upper Stage (اروپا): مدل های ESC-A و ESC-B در موشک آریان.

Long March Upper Stage (چین): مدل YF-75D و مشتقات آن برای انتقال به GEO.

Cryogenic Upper Stage (هند): موتور CUS هند (GSLV) برای جایگذاری محموله GEO.

ب) بلوک‌های مستقل یا موتورهای انتقال به اوج (Apogee Kick Motor):

برخی ماهواره‌ها دارای پیشران مخصوص خود هستند که پس از تزریق به مدار GTO، با احتراق داخلی مدار GEO را تثبیت می‌کنند (مانند پیشران‌های جامد، یا اخیراً نمونه‌های یونی).

Apogee Kick Motor (AKM) یا موتور مانور اوج، یک موتور مستقل است که مستقیماً به خود ماهواره متصل می‌شود و معمولاً بخشی از طراحی خود ماهواره محسوب می‌شود.

پس از پرتاب ماهواره توسط راکت و معمولاً ورود به مدار انتقالی ژئو (GTO)، ماهواره از پرتابگر جدا می‌شود؛ سپس در نقطه اوج (apogee) مدار GTO، این موتور فعال شده و با افزایش سرعت، مدار ماهواره را از حالت بیضوی به حالت دایره‌ای (مدار ژئو/GEO) در می‌آورد؛ این عملیات معمولاً یک بار و با زمان‌بندی دقیق انجام می‌شود تا ماهواره در ارتفاع ثابت ژئوسنکرون قرار بگیرد.

این نوع موتور اغلب یک موتور شیمیایی (سوخت جامد یا مایع) نسبتاً قدرتمند است و نمونه‌های معروف آن برای ماهواره‌های مخابراتی و سنجشی استفاده می‌شود. از طرفی نیازی نیست حتماً بلوک انتقال ویژه‌ای به انتهای پرتابگر اضافه شود بلکه ماهواره با موتور اوج‌گیر خودش تکمیل‌کننده عملیات است. کمپانی‌های سازنده نیز می‌توانند با توجه به مأموریت، پیشران اوج مناسب را روی ماهواره موردنظر نصب کنند.

نمونه‌های واقعی:

• R-4D (شرکت Aerojet Rocketdyne، آمریکا): یکی از متداول‌ترین موتورهای اوج‌گیر با سوخت مایع
• S400 و S500 (شرکت آلمانی ArianeGroup): پرکاربرد برای ماهواره‌های اروپایی
• Leros-1b (شرکت Moog، سابقاً AMPAC): برای بسیاری از ماهواره‌های مخابراتی و نظامی جهان
• موتورهای اوج‌گیر هندی PS4، یا موتورهای یوز و شمس (ایران در فاز مطالعاتی)

ج) فناوری پیشران الکتریکی (Electric Propulsion):

پیشران الکتریکی (EP) یا «پیشران‌های یونی/هال‌ترَستِر (Hall Thruster)» یکی از پیشرفته‌ترین شیوه‌های امروزی برای جابه‌جایی ماهواره‌ها به مدار ژئو و همچنین حفظ و کنترل موقعیت آن‌هاست.

پیشران الکتریکی، برخلاف موتورهای شیمیایی که سوخت را با احتراق تبدیل به انرژی می‌کنند، گاز مخصوصی (معمولاً زنون) را با انرژی برق (مثلاً از صفحات خورشیدی ماهواره) به یون تبدیل کرده و با سرعت بسیار بالا به بیرون پرتاب می‌کند.

ماهواره بعد از جدا شدن از پرتابگر، به جای استفاده از موتور اوج‌گیر شیمیایی (که سنگین و پرمصرف است)، با پیشران یونی به آرامی مدار خود را از GTO به GEO اصلاح و گرد می‌کند. این فرآیند ممکن است چند هفته یا حتی چند ماه طول بکشد، اما حجم سوخت مورد نیاز و وزن کل ماهواره بسیار کمتر می‌شود.

نمونه‌های صنعتی و فناوری‌های جهانی:

• ماهواه‌های Inmarsat GX5 و Eutelsat 172B (اروپا) از پیشران یونی برای مرحله پایانی استفاده می‌کنند.
• Boeing 702SP (آمریکا) اولین نسل ماهواره‌های کاملاً بر پایه پیشران الکتریکی GEO بود.
• ماهواره‌های مخابراتی مدرن ژاپن، هند، چین و روسیه هم به این فناوری مجهز شده‌اند.

پیشران الکتریکی تحول بزرگی در انتقال به GEO است. اگرچه کند پیش می‌رود، اما وزن و هزینه و نیاز به سوخت را به‌شدت کاهش می‌دهد و راه آینده انتقال ماهواره‌ها به مدار ژئو و اداره آن‌ها را شکل می‌دهد.

د) بلوک‌های انتقال مداری چندبارمصرف (Space Tugs/OTVs):

در نسل جدید خدمات فضایی، شرکت‌هایی نظیر Northrop Grumman (با MEV) و Spaceflight، بلوک‌های انتقال مداری چندبارمصرف می‌سازند که قابلیت انتقال یا سرویس‌دهی به ماهواره‌ها را دارند.

«Space Tugs» سامانه‌هایی هستند که همچون یدک‌کش‌های فضایی عمل می‌کنند؛ یعنی می‌توانند یک یا چند ماهواره را پس از رهاسازی در مدار پایین (LEO یا GTO)، گرفته و تا مدار هدف (معمولاً GEO یا حتی مدارهای بالاتر) انتقال دهند. همچنین برخی مدل‌ها قابلیت انجام مانورهای ثانویه، تزریق سوخت، تعمیر یا حتی بازیابی و خارج‌سازی ماهواره‌های از رده خارج را دارند.

ایران و بلوک انتقال مداری «سامان»

با توجه به پیشرفت‌های صنایع فضایی، ایران نیز طی سال‌های اخیر با ساخت و تست «بلوک انتقال مداری سامان» عملاً به جرگه کشورهایی پیوسته که توان توسعه فناوری انتقال ماهواره از LEO به GEO را دارند. آزمون موتورهای این بلوک و موفقیت آن در آزمایش‌های پروازی اولیه، راه را برای پرتاب عملیاتی نخستین ماهواره‌های مخابراتی یا سنجشی کاملاً ایرانی به مدار GEO هموار می‌کند.

این بلوک از موتورهای سوخت مایع پیشرفته و سامانه‌های کنترلی بومی بهره می‌برد و در آینده با ترکیب توانمندی پرتابگرهای ملی، ایران را قادر خواهد ساخت تا سراغ ماموریت‌های GEO مستقل برود.

پرتاب ناهید 2 توسط سایوز، بهانه‌ای دوباره است برای تأکید بر ضرورت و اهمیت دستیابی به فناوری GEO در صنعت مخابرات و اقتدار ارتباطی کشور. مدار GEO تنها راه ارائه سرویس‌های مخابراتی 24 ساعته و مستقل است و همچنان یک نقطه آرمانی برای ایران به لحاظ قابلیت‌های فنی، اقتصادی و راهبردی در مسیر اقتدار فضایی خواهد بود.

توسعه بلوک سامان، پرتابگرهای قوی‌تر و همراهی با استانداردهای جهانی، افق امید‌بخشی را برای استقرار ماهواره‌های ایرانی در مدار ژئوسنکرون و ارتقاء جایگاه ایران در باشگاه فضایی جهان رقم خواهد زد.

انتهای پیام/