45 לשיגור לוויין הראשון מסדרת ”מולנייה”

לפני 45 שנה, ב-23 לאפריל 1965 שוגר בהצלחה לוויין התקשורת "מולנִייָה-1" ("ברק" ברוסית). מלבד היותו לוויין תקשורת ראשון של בריה"מ, היה לו מסלול מיוחד במינו, שמכונה מאז " מסלול מולנייה". [פורסם כטיוטה, ייתכן והעמוד ישתנה בעתיד]

על הלוויין:

פיתוח הלוויין החל בתחילת שנות ה-60 והושלם ב-1963. מדובר היה על לוויין גדול יחסית, במשקל של יותר מ-1500 ק"ג, עם בקרה אוטומטית וייצוב ב-3 צירים, המצויד במשדר-מקלט לתקשורת דו-כיוונית, ופנלים סולאריים עם מוטה של 8 מ'.


שני השיגורים הראשונים של הלוויין בשנת 1964 כשלו, אך המשך ההיסטוריה של משפחת לוויינים זו הייתה אופטימית הרבה יותר. העיצוב היה מוצלח מאוד, ולראיה ניתן לראות את כמות הגרסאות ואת העובדה שהלוויינים האחרונים ממשפחת "מולנייה" שוגרו גם בשנות האלפיים. (הרשימה מכילה סדרות של לוויינים, ולא לוויינים בודדים, המידע מאתר היצרן):

Molniya-1+: שיגור ראשון ב-1967. משקל רטוב (קרי: כולל הדלק): 1600 ק"ג. הספק: 460W.

Molniya-2: שיגור ראשון ב-1971. משקל רטוב: 1700 ק"ג. הספק: 960W.

Molniya-3: שיגור ראשון ב-1974. משקל רטוב: 1740 ק"ג. הספק: 1000W.

Molniya-1T: שיגור ראשון ב-1983. משקל רטוב: 1600 ק"ג. הספק:930W.

Molniya-3K: שיגור ראשון ב-2001. משקל רטוב: 1740 ק"ג. הספק: 1470W.

צילום של אחד מדגמי הלוויין במוזיאון לקוסמונאוטיקה במוסקווה [1]. שתי צילומים נוספים ממוזיאון בעיר קלוגה [1,2]. [קרדיט: ויטלי קוזמין ; מגזין "חדשות קוסמונאוטיקה"]

על המסלול:

"מסלול מולנייה" הוא שם כללי למסלול אליפטי בעל אקסצנטריות גבוהה, עם גובה אפוגיאה (המוגדרת כנקודה במסלול לוויין, בה המרחק מכדה"א הינו מרבי)) של כ-40,000 ק"מ, כך שנוצר זמן שהייה גדול יחסית מעל אזור מסויים (במקור - אזור הקוטבי הצפוני של כדה"א).

מסלול זה נבחר כפשרה בין הדרישה לכיסוי אזור קוטבי, ולבין העובדה שלא ניתן היה להשתמש במסלולים גיאוסטציאונריים (GEO). כזכור, מסלולי GEO, שמשמשים בעיקר עבור לווייני תקשורת, הינם מסלולים מעגליים בגובה של 35786 ק"מ. בתנאים אלו הלוויין מבצע סיבוב אחד תוך 24 שעות, ונראה כאילו הוא נמצא מעל נקודה קבועה מעל קו המשווה (איור בויקיפדיה). אבל אחד מהחסרונות של GEO הוא כיסוי לקוי של אזורי הקטבים, בצפון או דרום, עקב הזווית הנמוכה (ביחס לאופק המקומי) שבה מגיעים גלי הרדיו מהלוויין. המשמעות היא שהמרחק שגלי רדיו צריכים לעבור בתוך האטמוספרה הינו רב יותר, והדבר פוגע באיכות הקליטה (או השידור) וגם מגדיל את הסיכוי לחסימתם ע"י הרים או מבנים גבוהים. כאשר יוצרים מסלול אליפטי צר ובעל אפוגיאה גבוהה, הלוויין מבלה חלק גדול מזמן המחזור שלו מעל לנקודה מסוימת, ומאפשר תקשורת רציפה לאזור (ראה איור מקורי משנות ה-70 למטה).

אבל למסלול זה יש גם חסרונות. ראשית, עקב סיבוב כדה"א, חלק מהזמן האפוגיאה תהיה מעל אזורים לא רלוונטיים - כלומר הלוויין יהיה מעל אזורים לא רצויים. אומנם ניתן לעלות לוויין למסלול אליפטי עם זמן מחזור של 24 שעות, (מסלולים אלו קיבלו את השם "טונדרה"), אך חצי הציר הגדול יהיה חייב להיות 42164 ק"מ (כמו בלווייני GEO, רק שכאן רוב הזמן הלוויין יהיה רחוק יותר מאשר 36000 ק"מ), מה שיתבטא במרחק גדול יותר מכדה"א ובתורו ידרוש משגר בעל עוצמה גבוהה, וכן משדרים חזקים על הלוויין ותחנות הקרקע. הפשרה שהתקבלה ב"מולנייה" היא מסלול עם זמן מחזור של 12 שעות, שמתוכם מ-8 ל-10 שעות טובים לשידור מעל אזור רוסיה. את המחזור השני הלוויין מבצע מעל הצד השני של כדה"א, ולכן על מנת לספק כיסוי רציף, נדרש מערך של לפחות 3 לוויינים (סרטון להמחשה ביו-טיוב). כמו כן, למרות שהלוויין שוהה מספר שעות מעל לאזור המטרה, הוא משנה את מיקומו, ועל כן האנטנות הקרקעיות חייבות להיות בעלות יכולת עקיבה - בניגוד לתחנות קרקע של ללוויינים גיאוסטציאונריים. כמו כן, עקב התנועה המהירה של הלוויין בחלק מהמסלול יש לקחת בחשבון גם היסט דופלר.

הגדרת המסלול

מתוך אסטרודינמיקה ( או מתורת המכניקה של גופים בחלל), אנו יודעים כי כל מסלול ניתן להגדיר תוך שימוש ב-6 פרמטרים אורביטליים. הבחירה הטבעית ביותר (אך לא תמיד הכי נוחה) היא של 6 פרמטרים קלאסיים, המכונים גם פרמטרי קפלר, הכוללים חצי ציר ראשי (a), אקסצנטריות (e), אינקלינציה ( או זווית נטייה, i), זווית הפריגיאה (ω), זווית הצומת העולה (Ω), ועוד פרמטר הקושר את הזמן (בד"כ אנומליה ממוצעת), שאינו הכרחי לצורך הדיון הזה.

נחזור למסלולי "מולנייה": חצי ציר גדול במסלולים אלו נקבע מתוך הדרישה לזמן מחזור של 12 שעות. זווית פריגיאה - נקבעת להיות באזור 270 מעלות על מנת שהפריגיאה תהיה מעל לחצי הצפוני של כדה"א. האקסצנטריות נקבעת מגבהי הפריגיאה\אפוגיאה (שבתורם נקבעים משיקולים אחרים כגון הגבלות השיגור). אזורי כיסוי קובעים את זווית הצומת העולה. על הפרמטר האחרון, האינקלינציה, כדאי לדון ביתר פירוט.

כדור הארץ אינו כדור מושלם, אלא בעל צורה מורכבת יותר, המושפעת מהכוח הצנטריפוגלי וגורמים אחרים כגון השפעת הירח, השמש, ו-אי אחידות של החומר הכדה"א עצמו. הביטוי של פוטנציאל הכובד של כוכב הלכת שלנו מורכב למדי, ולכן נקפוץ ישר למסקנה האינטואיטיבית שניתן לקרב את צורת כדה"א לכדור הפחוס מצד הקטבים. לכך יש השפעה גדולה מאוד על תנועת הלוויינים. אחת מהן היא "נדידה" של פריגיאת המסלול סביב ציר המסלול. במקרה של "מולנייה" הדבר אומר שאם לא מתקנים את המסלול מדי פעם, הוא ייסחף עם הזמן, מה שעלול להביא לכך שאת רוב זמנו הלוויין יעביר מעל אזורים אליהם לא תוכנן לשדר. על מנת למנוע את הסחיפה, ומבלי לשלם במשקל יקר של דלק, בוחנים את הביטוי שמתאר את הסחיפה. ממנו ניתן ללמוד כי להימנע מהמצב שתואר, עלינו לבחור ערך מסוים עבור זווית הנטייה: 63.4 מעלות (גם הערך המשלים ל-180, 116.6 יהיה נכון, אבל זה כבר תלויה בכיוון השיגור).

אם כן, השלמנו את הקביעה של האלמנט החמישי והמסלול מוגדר היטב.