كبح جوي

مثال للكبح الجوي: مارس ريكونيسانس أوربيتر · المريخ

كبح جوي (بالإنجليزية: Aerobraking)، وهي مناورة خاصة بالمركبات الفضائية تستخدم لخفض ازدياد النقطة العليا بالمدارات الإهليجية، أوالأوج المداري، عن طريق تحليق المركبة عبر الغلاف الجوي عندما تكون المركبة عند النقطة السفلى من المدار، أوالحضيض المداري. وتؤدي قوى السحب المؤثرة على المركبة الفضائية إلى إبطاء سرعتها. تستخدم هذه المناورة عندما بحاجة المركبة الفضائية الدخول في مدار منخفض بعد وصولها عند جرم يتمتع بغلاف جوي، وتحتاج هذه المناورة إلى كميات أقل من الوقود مقارنةً بالاستخدام المباشر للمحركات الصاروخية.

الطريقة

تحتاج المركبة الفضائية بين الكوكبية حتى تغير من سرعتها، عند وصولها إلى الجرم المقصود، لتبقى حول هذا الجرم. ويمكن حتى تصل إجمالي التغيرات المطلوبة في السرعة إلى عدة كيلومترات لكل ثانية، عند الحاجة لإدخال المركبة الفضائية في مدار منخفض شبه دائري حول جرم يتمتع بجاذبية عالية، كما هومطلوب لتطبيق الكثير من الدراسات الفهمية. وتستلزم المعادلة الصاروخية للحصول على هذه التغيرات في السرعة باستخدام الدفع الصاروخي المباشر، استغلال جزء كبير من كتلة المركبة الفضائية ليكون وقودًا صاروخيًا. ويعني هذا حتى حجم حمولة المركبة الفضائية ستكون محدودةً لأجهزة فهمية صغيرة نسبيًا، أوسيحتاج إطلاق المركبة إلى نظام إطلاق شديد الضخامة والتكلفة. يمكن حتى تفيد هذه المناورة في خفض احتياجات المركبة للوقود، إذا كان الجرم المقصود يتمتع بغلاف جوي. تؤسر المركبة الفضائية في مدار إهليجي شديد الاستطالة بعمل الاستخدام الضئيل نسبيًا لمحركاتها الصاروخية. وتُستخدم مناورة الكبح الجوي بعد ذلك لزيادة دائرية المدار. ويمكن حتى تنخفض سرعة المركبة الفضائية إلى المستوى المطلوب من خلال مرورها عبر الغلاف الجوي للجرم المقصود مرةً واحدةً، إذا كان يتمتع بغلاف جوي سميك على نحوكافٍ. ومع ذلك، غالبًا ما تُنفذ مناورة الكبح الجوي عن طريق المرور المداري للمركبة عبر الغلاف الجوي للجرم عدة مرات على ارتفاعات عالية، وبالتالي، تمر المركبة بالمناطق التيقد يكون عندها الغلاف الجوي رقيقًا. وتُنفذ المناورة بهذه الطريقة للتقليل من آثار حرارة الاحتكاك، ولصعوبة التنبؤ التدقيق بمقدار الانخفاض في سرعة المركبة الذي سينتج عن مرورها مرةً واحدةً عبر الغلاف الجوي؛ بسبب آثار الاضطرابات الجوية التي لا يمكن التنبؤ بها، وهجريب الغلاف الجوي، ودرجة الحرارة. ويمكن حتىقد يكون هناك وقتًا كافيًا بعد جميع اجتياز للمركبة عبر الغلاف الجوي، عند تطبيق مناورة الكبح الجوي بهذه الطريقة، لحساب مقدار التغير في السرعة وتطبيق أي تسليمات ضرورية لعملية العبور التالية. تستغرق مدة الوصول إلى المدار النهائي عند استخدام هذه الطريقة وقتًا طويلًا، وعلى سبيل المثال، تصل هذه المدة إلى أكثر من ستة أشهر في حالة كوكب المريخ، ويمكن حتى تتطلب هذه الطريقة اجتياز المركبة عبر الغلاف الجوي للكوكب أوالقمر عدة مئات من المرات. ويجب حتى تحصل المركبة الفضائية كمية أكبر من الطاقة الحركية باستخدام محركاتها الصاروخية، بعد آخر عملية اجتياز بمناورة الكبح الجوي، لحمل نقطة الحضيض المداري لمدارها أعلى الغلاف الجوي للكوكب.

تتحول الطاقة الحركية المُتبددة أثناء الكبح الجوي إلى طاقة حرارية، ما يعني حتى المركبة الفضائية التي تستخدم هذه المناورة يجب حتى تكون قادرةً على تبديد هذه الطاقة الحرارية. يجب حتى تتمتع المركبة أيضًا بمساحة سطح وقوة هيكلية كافية لإنتاج قوى السحب المطلوبة وتحمل آثارها، ولكن لا تصل شدة درجات الحرارة والضغوط المرتبطة بالكبح الجوي إلى نفس شدتها عند دخول الغلاف الجوي أوفي مناورة الأسر الجوي. استخدمت عمليات محاكاة مناورة الكبح الجوي للمركبة مارس ريكونيسانس أوربيتر حدًا للقوة بمقدار 0.35 نيوتن لكل متر مربع مع مركبة فضائية بمساحة مبتر عرضي يصل إلى 37 مترًا مربعًا، وبلغت أقصى قيمة لقوة السحب نحو7.4 نيوتن، ووصلت أقصى قيمة لدرجة الحرارة المتسقطة إلى 170 درجةً مئويةً. وتعتبر كثافة القوة (أي الضغط)، المؤثرة على مركبة مارس أوبزرفر أثناء تطبيقها لمناورة الكبح الجوي، والتي بلغت 0.2 نيوتن تقريبًا، مشابهةً للمقاومة الديناميكية الهوائية التي تنتج عند التحرك بسرعة 0.6 متر لكل ثانية (2.17 كيلومتر لكل ساعة) عند مستوى سطح البحر على كوكب الأرض، وهي تقريبًا نفس كمية المقاومة التي نشعر بها عند السير ببطء.

المراجع

^ Jill L. Hanna Prince & Scott A. Striepe. "NASA LANGLEY TRAJECTORY SIMULATION AND ANALYSIS CAPABILITIES FOR MARS RECONNAISSANCE ORBITER" (PDF). NASA Langley Research Center. مؤرشف من الأصل (PDF) في 20 مارس 2009. اطلع عليه بتاريخ 09 يونيو2008.
^ http://www.spacedaily.com/mars/features/aero-97g.html article on MGS
^ Spaceflight Now | Destination Mars | Spacecraft enters orbit around Mars نسخة محفوظة 13 أبريل 2020 على مسقط واي باك مشين.