مركبة مارس سايكلر

المركبة الدورية المريخية (أو المركبة الدورية بين الأرض والمريخ ) هي نوع من المركبات الدورية ، وهي مركبة فضائية ذات مسار يمر عبر الأرض والمريخ بانتظام. وتُعد مركبة ألدرين الدورية مثالاً على المركبات الدورية المريخية.

تُعد المركبات الدائرية مفيدة بشكل محتمل لنقل الأشخاص أو المواد بين تلك الأجرام باستخدام الحد الأدنى من الوقود (بالاعتماد على التحليق بمساعدة الجاذبية لمعظم تغييرات المسار) ويمكنها حمل دروع إشعاعية ثقيلة لحماية الأشخاص أثناء النقل من الأشعة الكونية والعواصف الشمسية .

المدار الدوري هو مسار يمر بجسمين أو أكثر بانتظام. بمجرد استقرار المدار ، لا حاجة إلى قوة دفع للتنقل بين الجسمين، مع إمكانية إجراء بعض التصحيحات الطفيفة نتيجة اضطرابات بسيطة في المدار. وقد درس والتر إم. هوليستر استخدام المدارات الدورية عام ١٩٦٩، حيث بحث في حالة مدار دوري بين الأرض والزهرة. ^{[ ١ ]} لم يكن لدى هوليستر مهمة محددة في ذهنه، لكنه افترض استخدامها للتواصل المنتظم بين كوكبين، ولمهام التحليق بالقرب من عدة كواكب. ^{[ ٢ ]}

السنة المريخية تعادل 1.8808 سنة أرضية، لذا يُكمل المريخ ثماني دورات حول الشمس في نفس الوقت تقريبًا الذي تُكمل فيه الأرض 15 دورة. تحدث مسارات المركبات الدورية بين الأرض والمريخ بمضاعفات عددية صحيحة للفترة الاقترانية بين الكوكبين، والتي تُقدر بحوالي 2.135 سنة أرضية. ^{[ 3 ]} في عام 1985، قدم باز ألدرين امتدادًا لعمله السابق حول المركبات الدورية القمرية ، والذي حدد فيه مركبة دورية مريخية تُقابل فترة اقترانية واحدة. ^{[ 4 ]} تُشكل مركبة ألدرين الدورية (كما تُعرف الآن) حلقة بيضاوية واحدة حول الشمس. تنتقل من الأرض إلى المريخ في 146 يومًا (4.8 أشهر)، وتقضي الأشهر الستة عشر التالية خارج مدار المريخ، ثم تستغرق 146 يومًا أخرى للعودة من مدار المريخ إلى أول نقطة عبور لمدار الأرض. ^{[ 5 ]}

تم حساب وجود مركبة ألدرين، التي سُميت لاحقًا باسمها، وتأكيده من قبل علماء مختبر الدفع النفاث في وقت لاحق من ذلك العام، إلى جانب مركبتي VISIT-1 وVISIT-2 اللتين اقترحهما جون نيهوف عام 1985. ^{[ 6 ] [ 7 ]} بالنسبة لكل مركبة تدور حول الأرض والمريخ، والتي لا يكون مدارها من مضاعفات سبعة دورات اقترانية، فإن المركبة المغادرة تتقاطع مع المريخ في طريقها للخروج من الأرض، بينما تتقاطع المركبة العائدة مع المريخ في طريقها للعودة إلى الأرض. والفرق الوحيد بين هذين المسارين هو تاريخ إطلاق المركبة من الأرض خلال الدورة الاقترانية. أما المركبات التي تدور حول الأرض والمريخ، والتي يكون مدارها من مضاعفات سبعة دورات اقترانية، فتعود إلى الأرض عند نفس النقطة تقريبًا في مدارها، وقد تصادف الأرض و/أو المريخ عدة مرات خلال كل دورة. تصادف المركبة VISIT-1 الأرض ثلاث مرات والمريخ أربع مرات خلال 15 عامًا. بينما تصادف المركبة VISIT-2 الأرض خمس مرات والمريخ مرتين خلال 15 عامًا. ^{[ 5 ]} تتضمن بعض الكواكب التي قد تدور حول الأرض والمريخ ما يلي: ^{[ 5 ]}

أجرى ريان راسل وسيزار أوكامبو من جامعة تكساس في أوستن ، تكساس ، دراسةً تفصيليةً لمسارات المركبات الدورية بين الأرض والمريخ . وحددا 24 مركبة دورية بين الأرض والمريخ بفترات تتراوح بين فترتين إلى أربع فترات اقترانية، و92 مركبة دورية بفترات تتراوح بين خمس وست فترات اقترانية. كما وجدا مئات المركبات الدورية غير الباليستية، والتي تتطلب مناورات مدفوعة. ^{[ 8 ]}

تدور الأرض حول الشمس في سنة أرضية واحدة، بينما يدور المريخ حولها في 1.881 سنة. لا يُعد أي من المدارين دائريًا تمامًا؛ إذ يبلغ انحراف مدار الأرض 0.0168، وانحراف مدار المريخ 0.0934. كما أن المدارين ليسا متوازيين تمامًا، حيث يميل مدار المريخ بزاوية 1.85 درجة عن مدار الأرض. يكاد يكون تأثير جاذبية المريخ على مدارات المركبة الدورية معدومًا، ولكن يجب أخذ تأثير جاذبية الأرض، ذات الكتلة الأكبر بكثير، في الاعتبار. إذا تجاهلنا هذه العوامل، وقدرنا فترة دوران المريخ حول الشمس بـ 1.875 سنة أرضية، فإن 15 سنة أرضية تعادل 8 سنوات مريخية. في الرسم التوضيحي أعلاه، ستصادف مركبة فضائية في مدار ألدرين الدوري، تنطلق من الأرض عند النقطة E1، المريخ عند النقطة M1. وعندما تعود إلى E1 بعد ما يزيد قليلًا عن سنتين أرضيتين، لن تكون الأرض موجودة هناك، ولكنها ستصادفها مرة أخرى عند النقطة E2.${\displaystyle 51.4^{\circ }}$، 1/7 من مدار الأرض، أكثر ^{استدارة .} [ ⁹ ]

يمكن الحصول على شكل مدار جهاز التدوير من المعادلة المخروطية :

$${\displaystyle r=a{\frac {1-\epsilon ^{2}}{1+\epsilon \cos \theta }}}$$

أين${\displaystyle r}$هي وحدة فلكية واحدة ،${\displaystyle a}$هو المحور شبه الرئيسي ،${\displaystyle \epsilon }$هو الانحراف المداري و${\displaystyle \theta =-25.7^{\circ }}$(نصف${\displaystyle -51.4^{\circ }}$يمكننا الحصول على${\displaystyle a}$عن طريق حل مشكلة لامبرت مع${\displaystyle 51.4^{\circ }}$باعتبارها زاوية النقل الابتدائية والنهائية. وهذا يعطي:

$${\displaystyle a=1.60}$$

حل المعادلة التربيعية يعطي:

$${\displaystyle \epsilon =0.393}$$

بفترة مدارية تبلغ 2.02 سنة. ^{[ 9 ]}

الزاوية التي تحلق بها المركبة الفضائية بالقرب من الأرض،${\displaystyle \gamma }$، ويتم الحصول عليها من خلال:

$${\displaystyle \tan \gamma ={\frac {\epsilon r\sin \theta }{a(1-\epsilon ^{2})}}}$$

بتعويض القيم المعطاة والمستنتجة أعلاه، نحصل على قيمة لـ${\displaystyle \gamma }$ل${\displaystyle 7.18^{\circ }}$يمكننا حساب مساعدة الجاذبية من الأرض:

$${\displaystyle \Delta V=2V\sin \gamma }$$

أين${\displaystyle V}$هي سرعة التحليق بالقرب من الشمس. ويمكن حسابها من خلال:

$${\displaystyle V=V_{E}{\sqrt {2-{\frac {r}{a}}}}}$$

حيث V _E   هي سرعة الأرض، والتي تبلغ 29.8  كم/ث. وبالتعويض نحصل على V = 34.9  كم/ث، و ΔV = 8.73  كم/ث. ^{[ 9 ]}

السرعة الزائدة تُعطى بالمعادلة التالية:

$${\displaystyle V_{\infty}={\sqrt {V^{2}+V_{E}^{2}-2VV_{E}\cos \gamma }}}$$

وهذا يعطي قيمة لـ V∞ تساوي   6.54  كم/ث. زاوية الانعطاف${\displaystyle \delta }$يمكن حسابها من:

$${\displaystyle \Delta V=2V_{\infty }\sin \delta }$$

مما يعطي${\displaystyle \delta =41.9^{\circ }}$وهذا يعني أن لدينا${\displaystyle 83.8^{\circ }}$الدوران. يُعطى نصف قطر أقرب اقتراب من الأرض r p بالصيغة التالية:  

$${\displaystyle \sin \delta ={\frac {1}{1+{\frac {r_{p}V_{\infty}^{2}}{\mu _{E}}}}}}$$

حيث μE   هو ثابت الجاذبية للأرض. بالتعويض بالقيم، نحصل على r p   = 4640 كيلومترًا (2880 ميلًا) ، وهو أمر غير مناسب لأن نصف قطر الأرض يبلغ 6371 كيلومترًا (3959 ميلًا) . لذا ، يلزم إجراء تصحيح لتجنب الاصطدام بالكوكب بشكل آمن. ^{[ 9 ]}  

اقترح ألدرين مركبتين فضائيتين دوريتين للمريخ، توفران نقلًا منتظمًا بين الأرض والمريخ. ^{[ 4 ]} في حين أن رواد الفضاء يستطيعون تحمل السفر إلى القمر في مركبات فضائية ضيقة نسبيًا لبضعة أيام، فإن مهمة إلى المريخ، تستغرق عدة أشهر، ستتطلب أماكن إقامة أكثر ملاءمة للرحلة الأطول بكثير: سيحتاج رواد الفضاء إلى منشأة ذات مساحة معيشية واسعة، وأنظمة دعم الحياة، ودروع واقية من الإشعاع. ^{[ 6 ] [ 10 ]} وقدّرت دراسة أجرتها وكالة ناسا عام 1999 أن مهمة إلى المريخ ستتطلب رفع حوالي 437 طنًا متريًا (482 طنًا أمريكيًا) إلى الفضاء، منها 250 طنًا متريًا (280 طنًا أمريكيًا) وقودًا. ^{[ 11 ]}

اقترح ألدرين إمكانية خفض تكاليف مهمات المريخ بشكل كبير باستخدام محطات فضائية ضخمة في مدارات دورية تُسمى " القلاع" . وبمجرد استقرارها في مداراتها، ستُجري هذه المحطات رحلات منتظمة بين الأرض والمريخ دون الحاجة إلى أي وقود. وبالتالي، باستثناء المواد الاستهلاكية، لن يلزم إطلاق الشحنات إلا مرة واحدة. [6] [10] سيتم استخدام قلعتين ^{، إحداهما للانطلاق على متن مركبة} ألدرين الدورية ، مع انتقال سريع إلى المريخ ورحلة عودة طويلة، والأخرى للانطلاق برحلة سريعة إلى الأرض ورحلة عودة طويلة إلى المريخ، ^{[ 3 ]} والتي أطلق عليها ألدرين اسم "السلالم المتحركة الصاعدة والهابطة" . ^{[ 6 ]}

سيلتقي رواد الفضاء بالمركبة الدورية في مدار الأرض، ثم لاحقًا في مدار المريخ، في مركبات متخصصة تُسمى سيارات الأجرة . ستسافر إحدى المركبات الدورية من الأرض إلى المريخ في مسار ذهابًا وإيابًا خلال خمسة أشهر تقريبًا. وستسافر مركبة دورية أخرى من المريخ إلى الأرض في مسار مكمل، أيضًا خلال خمسة أشهر تقريبًا. ستتصل سيارات الأجرة ومركبات الشحن بالمركبة الدورية عند أحد الكوكبين وتنفصل عنها عند الوصول إلى الكوكب الآخر. ^{[ 11 ] وبذلك ، يوفر} مفهوم المركبة الدورية وسيلة نقل منتظمة وآمنة واقتصادية بين الأرض والمريخ. ^{[ 12 ]}

كان من أبرز عيوب مفهوم المركبة الدائرية أن مركبة ألدرين الدائرية تحلق بالقرب من كلا الكوكبين بسرعة عالية. إذ ستحتاج المركبة إلى التسارع إلى 6.7 كم/ث (15000 ميل في الساعة ) حول الأرض، و 9.8 كم/ث (22000 ميل في الساعة) بالقرب من المريخ. ولتجاوز هذه المشكلة، اقترح ألدرين ما أسماه المركبة شبه الدائرية ، حيث تُبطئ المركبة سرعتها حول المريخ، وتدور حوله، ثم تستأنف مدارها الدائري . ويتطلب ذلك وقودًا لتنفيذ مناورات الكبح وإعادة التدوير. ^{[ 10 ] [ 11 ]}  

يمكن إدخال المركبات الفضائية الصغيرة (Castles) في مدارات دائرية مع توفير كبير في الوقود من خلال تنفيذ سلسلة من المناورات ذات الدفع المنخفض: ^{[ 12 ]} حيث تُوضع المركبة في مدار مؤقت عند الإطلاق، ثم تُستخدم مناورة الالتفاف حول الأرض لرفعها إلى المدار الدائري النهائي. ^{[ 13 ]} وبافتراض استخدام أنواع الوقود التقليدية، ^{[ ب ]} يمكن تقدير كمية الوقود اللازمة لإنشاء مدار دائري. ^{[ 14 ]} في حالة مركبة ألدرين الدائرية، يقلل استخدام المساعدة الجاذبية من كمية الوقود المطلوبة بحوالي 24.3 طن متري (26.8 طن قصير) ، أو 15  %. أظهرت المركبات الدائرية الأخرى تحسنًا أقل وضوحًا، نظرًا لشكل مداراتها وتوقيت اصطدامها بالأرض. في حالة مركبة VISIT-1 الدائرية، ستكون الفائدة حوالي 0.2 طن متري (0.22 طن قصير) ، أي أقل من 1%، وهو ما لا يبرر السنوات الثلاث الإضافية اللازمة لإنشاء المدار. ^{[ 14 ]}

• مُتَدَابِلُ البَطْرِيّ – رواية صدرت عام 2002 من تأليف كارل شرودر 
• مدار قمري – نوع من المدارات التي تمر بالقرب من الأرض والقمر