วงโคจรการถ่ายโอนจีโอสเตชันนารี

ตัวอย่างหนึ่งของการปรับวงโคจรเพื่อเพิ่มระดับ: การเปลี่ยนจากวงโคจร GTO ไปเป็นวงโคจร GEO  เส้นทางโคจรของดาวเทียม EchoStar XVII  ·  โลก .

ในการออกแบบภารกิจอวกาศวงโคจรการถ่ายโอนจีโอสเตชันนารี ( GTO ) หรือวงโคจรการถ่ายโอนจีโอซิงโครนัสเป็น วงโคจรจี โอเซนทริกแบบวงรี สูง โดยปกติจะมี จุดใกล้โลกที่สุด ( perigee ) ต่ำเท่ากับวงโคจรต่ำของโลก (LEO) และจุดไกลโลกที่สุด ( apogee ) สูงเท่ากับ วงโคจรจีโอสเตชันนารี ( GEO) ดาวเทียมที่มุ่งหน้าสู่วงโคจรจีโอซิงโครนัส (GSO) หรือ GEO มักจะถูกส่งเข้าสู่ GTO เป็นขั้นตอนกลางเพื่อไปถึงวงโคจรสุดท้าย^{[ 1 ]}ผู้ผลิตยานปล่อยมักจะโฆษณาปริมาณน้ำหนักบรรทุกที่ยานสามารถนำเข้าสู่ GTO ได้^{[ 2 ]}

วงโคจรค้างฟ้า (Geostationary orbit) และวงโคจรซิงโครนัสฟ้า (Geosynchronous orbit) เป็นที่ต้องการอย่างมากสำหรับ ดาวเทียม สื่อสารและดาวเทียมสำรวจโลก หลายดวง อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงความเร็ว ( delta-v ) และค่าใช้จ่ายทางการเงินในการส่งยานอวกาศไปยังวงโคจรดังกล่าวสูงมาก เนื่องจากรัศมีวงโคจรสูง วงโคจร GTO (Geostationary to the Orbit) เป็นวงโคจรระดับกลางที่ใช้เพื่อให้กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพมากขึ้น ผู้ควบคุมดาวเทียมมักใช้ยานปล่อยที่มีแรงขับสูงแต่ประสิทธิภาพต่ำเพื่อส่งดาวเทียมไปยังวงโคจร GTO จากนั้นหลังจากแยกยานปล่อยแล้ว จะใช้เครื่องยนต์ขับดันที่มีแรงขับต่ำแต่ประสิทธิภาพสูงบนตัวดาวเทียมเองเพื่อปรับวงโคจรให้เป็นวงกลม (ไปยังวงโคจรค้างฟ้า) สถาปัตยกรรมภารกิจนี้มีประโยชน์เพราะช่วยลดมวลที่ยานอวกาศต้องผลักดันไปยังวงโคจร GEO ช่วยให้การเผาไหม้เพื่อปรับวงโคจรมีประสิทธิภาพสูงสุดโดยใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์โอเบิร์ธ (Oberth effect ) และช่วยให้ยานปล่อยที่ใช้แล้ว ลดระดับวงโคจร ลง โดย ส่วนใหญ่ผ่านการเบรกด้วยแรงต้านอากาศเนื่องจากจุดใกล้โลกที่สุดต่ำ ซึ่งช่วยลดอายุการใช้งานในวงโคจร ให้น้อย ที่สุด

GTO เป็น วงโคจรของโลกที่มี รูปร่างเป็นวงรีสูงโดยมี จุดสูงสุด (จุดในวงโคจรของดวงจันทร์หรือดาวเทียมที่อยู่ห่างจากโลกมากที่สุด) ที่ 42,164 กม. (26,199 ไมล์) ^{[ 3 ]}หรือความสูง 35,786 กม. (22,236 ไมล์) เหนือระดับน้ำทะเล ซึ่งสอดคล้องกับระดับความสูงคงที่ทางภูมิศาสตร์ ระยะเวลาของวงโคจรการถ่ายโอนแบบซิงโครนัสทางภูมิศาสตร์มาตรฐานอยู่ที่ประมาณ 10.5 ชั่วโมง^{[ 4 ]}มุมของจุดต่ำสุดมีลักษณะที่จุดสูงสุดเกิดขึ้นบนหรือใกล้เส้นศูนย์สูตร จุดต่ำสุดสามารถอยู่ได้ทุกที่เหนือชั้นบรรยากาศ แต่โดยปกติจะจำกัดไว้ที่ไม่กี่ร้อยกิโลเมตรเหนือพื้นผิวโลกเพื่อลดความต้องการ delta-V ของจรวด ( ) และเพื่อจำกัดอายุการใช้งานของจรวดที่ใช้แล้วเพื่อลดขยะอวกาศ ${\displaystyle \Delta V}$

หากใช้เครื่องยนต์แรงขับต่ำ เช่นระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าเพื่อเปลี่ยนจากวงโคจรถ่ายโอนไปยังวงโคจรค้างฟ้า วงโคจรถ่ายโอนอาจเป็นวงโคจรซูเปอร์ซิง โครนัส (โดยมีจุดสูงสุดอยู่เหนือวงโคจรค้างฟ้าขั้นสุดท้าย) อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ใช้เวลานานกว่ามากในการดำเนินการ เนื่องจากแรงขับที่ส่งเข้าไปในวงโคจรมีน้อย^{[ 5 ] [ 6 ]} ยานปล่อยทั่วไปจะส่งดาวเทียมไปยังวงโคจรซูเปอร์ซิงโครนัสที่มีจุดสูงสุดอยู่เหนือ 42,164 กม. เครื่องยนต์แรงขับต่ำของดาวเทียมจะถูกขับเคลื่อนอย่างต่อเนื่องรอบวงโคจรถ่ายโอนค้างฟ้า ทิศทางและขนาดของแรงขับมักจะถูกกำหนดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเวลาและ/หรือระยะเวลาการถ่ายโอน ในขณะที่ต้องเป็นไปตามข้อจำกัดของภารกิจ ส่วนประกอบนอกระนาบของแรงขับจะใช้เพื่อลดความเอียงเริ่มต้นที่กำหนดโดยวงโคจรถ่ายโอนเริ่มต้น ในขณะที่ส่วนประกอบในระนาบจะเพิ่มจุดใกล้โลกและลดจุดสูงสุดของวงโคจรถ่ายโอนค้างฟ้าขั้นกลางไปพร้อมกัน ในกรณีที่ใช้เส้นทางโคจรแบบโฮห์มันน์ (Hohmann transfer orbit) จะใช้เวลาเพียงไม่กี่วันในการไปถึงวงโคจรค้างฟ้า (geosynchronous orbit) แต่หากใช้เครื่องยนต์แรงขับต่ำหรือระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า จะใช้เวลาหลายเดือนกว่าที่ดาวเทียมจะไปถึงวงโคจรสุดท้าย

มุมเอียงของวงโคจร ของ GTO คือมุมระหว่างระนาบวงโคจรและ ระนาบเส้นศูนย์สูตรของโลกซึ่งกำหนดโดยละติจูดของสถานที่ปล่อยและทิศทาง (มุมอะซิมุธ) ของการปล่อย ทั้งมุมเอียงและความเยื้องศูนย์กลางต้องลดลงเหลือศูนย์เพื่อให้ได้วงโคจรค้างฟ้า หากลดเฉพาะความเยื้องศูนย์กลางของวงโคจรเหลือศูนย์ ผลลัพธ์อาจเป็นวงโคจรซิงโครนัส แต่จะไม่ใช่วงโคจรค้างฟ้า เนื่องจากพลังงานที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนระนาบเป็นสัดส่วนกับความเร็วขณะนั้น มุมเอียงและความเยื้องศูนย์กลางจึงมักถูกเปลี่ยนพร้อมกันในการปรับวงโคจรครั้งเดียวที่จุดสูงสุดของวงโคจร ซึ่งเป็นจุดที่ความเร็วต่ำที่สุด ${\displaystyle \Delta V}$

ความต้องการสำหรับการเปลี่ยนแปลงความเอียงที่จุดขึ้นหรือจุดลงของวงโคจรจะคำนวณได้ดังนี้: ^{[ 7 ]}${\displaystyle \Delta V}$

${\displaystyle \Delta V=2V\sin {\frac {\Delta i}{2}}.}$

สำหรับ GTO ทั่วไปที่มีแกนกึ่งเอก 24,582 กม. ความเร็ว ที่จุดใกล้โลกที่สุดคือ 9.88 กม./วินาที และความเร็วที่จุดไกลโลกที่สุด คือ 1.64 กม./วินาที ซึ่งเห็นได้ชัดว่าการเปลี่ยนแปลงความเอียงนั้นมีต้นทุนน้อยกว่ามากที่จุดไกลโลก ในทางปฏิบัติ การเปลี่ยนแปลงความเอียงจะถูกรวมเข้ากับการเผาไหม้เพื่อทำให้วงโคจรเป็นวงกลม (หรือ "การเร่งวงโคจร ที่จุดไกลโลก ") เพื่อลดผลรวมของการเคลื่อนที่ทั้งสอง การเคลื่อนที่รวมกันคือผลรวมเวกเตอร์ของการเปลี่ยนแปลงความเอียงและการทำให้เป็นวงกลมและเนื่องจากผลรวมของความยาวของด้านสองด้านของสามเหลี่ยมจะมากกว่าความยาวของด้านที่เหลือเสมอ ผลรวมในการเคลื่อนที่แบบรวมจึงน้อยกว่าการเคลื่อนที่สองครั้งเสมอสามารถคำนวณการเคลื่อนที่รวมกันได้ดังนี้: ^{[ 7 ]}${\displaystyle \Delta V}$${\displaystyle \Delta V}$${\displaystyle \Delta V}$${\displaystyle \Delta V}$${\displaystyle \Delta V}$${\displaystyle \Delta V}$

${\displaystyle \Delta V={\sqrt {V_{t,a}^{2}+V_{\text{GEO}}^{2}-2V_{t,a}V_{\text{GEO}}\cos \Delta i}},}$

โดยที่คือขนาดของความเร็ว ณ จุดสูงสุดของวงโคจรการถ่ายโอน และคือความเร็วในวงโคจร GEO ${\displaystyle V_{t,a}}$${\displaystyle V_{\text{GEO}}}$

แม้จะถึงจุดสูงสุดแล้ว เชื้อเพลิงที่จำเป็นในการลดมุมเอียงให้เป็นศูนย์ก็อาจมีปริมาณมาก ทำให้ฐานปล่อยจรวดที่อยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตรได้เปรียบอย่างมากเมื่อเทียบกับฐานปล่อยจรวดที่อยู่ละติจูดสูงกว่า ศูนย์อวกาศไบโคนูร์ของรัสเซียในคาซัคสถานตั้งอยู่ที่ละติจูด 46° เหนือศูนย์อวกาศเคนเนดีในสหรัฐอเมริกาตั้งอยู่ที่ละติจูด 28.5° เหนือ ศูนย์อวกาศ เหวินชางของจีนตั้งอยู่ที่ละติจูด 19.5° เหนือ ศูนย์อวกาศ SDSCของอินเดียตั้งอยู่ที่ละติจูด 13.7° เหนือศูนย์อวกาศกีอานา ซึ่ง เป็นฐานปล่อยจรวด Arianeของยุโรป และจรวด Soyuzของรัสเซียที่ดำเนินการโดยยุโรปตั้งอยู่ที่ละติจูด 5° เหนือ โครงการ Sea Launchที่ "ถูกระงับอย่างไม่มีกำหนด" ได้ปล่อยจรวดจากแท่นลอยน้ำที่อยู่บนเส้นศูนย์สูตรในมหาสมุทรแปซิฟิกโดยตรง

โดยทั่วไปแล้วจรวดส่งยานอวกาศ แบบใช้แล้วทิ้งจะไปถึงวงโคจรค้างฟ้า (GTO) ได้โดยตรง แต่ยานอวกาศที่อยู่ในวงโคจรต่ำของโลก ( LEO ) อยู่แล้วสามารถเข้าสู่ GTO ได้โดยการจุดจรวดไปตามทิศทางวงโคจรเพื่อเพิ่มความเร็ว วิธีนี้เคยใช้เมื่อมีการปล่อยยานอวกาศที่โคจรค้างฟ้าจากกระสวยอวกาศโดย "มอเตอร์เร่งความเร็วที่จุดใกล้โลกที่สุด" ที่ติดอยู่กับยานอวกาศจะจุดระเบิดหลังจากที่กระสวยอวกาศปล่อยยานและถอยออกไปในระยะที่ปลอดภัยแล้ว

แม้ว่าจรวดส่งดาวเทียมบางลำจะสามารถนำดาวเทียมขึ้นไปถึงวงโคจรค้างฟ้าได้ แต่ส่วนใหญ่จะสิ้นสุดภารกิจด้วยการปล่อยดาวเทียมเข้าสู่วงโคจรค้างฟ้า (GTO) จากนั้นยานอวกาศและผู้ควบคุมจะเป็นผู้รับผิดชอบในการปรับวงโคจรเข้าสู่วงโคจรค้างฟ้าขั้นสุดท้าย การลอยตัวไปยังจุดสูงสุดของวงโคจรครั้งแรกซึ่งใช้เวลา 5 ชั่วโมง อาจนานกว่าอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของจรวดหรือยานอวกาศ และบางครั้งการปรับวงโคจรอาจทำที่จุดสูงสุดของวงโคจรที่ช้ากว่า หรือแบ่งออกเป็นหลายจุดสูงสุด พลังงานแสงอาทิตย์ที่มีอยู่บนยานอวกาศจะช่วยสนับสนุนภารกิจหลังจากแยกตัวออกจากจรวด นอกจากนี้ จรวดส่งดาวเทียมหลายลำในปัจจุบันยังบรรทุกดาวเทียมหลายดวงในการปล่อยแต่ละครั้งเพื่อลดต้นทุนโดยรวม และการปฏิบัติเช่นนี้ช่วยลดความซับซ้อนของภารกิจเมื่อดาวเทียมอาจมีจุดหมายปลายทางที่ตำแหน่งวงโคจรที่แตกต่างกัน

เนื่องจากวิธีการนี้ ความจุของจรวดส่งจึงมักระบุเป็นมวลของยานอวกาศที่จะส่งไปยังวงโคจร GTO และตัวเลขนี้จะสูงกว่าน้ำหนักบรรทุกที่สามารถส่งไปยังวงโคจร GEO ได้โดยตรง

ตัวอย่างเช่น ความจุ (มวลของอะแดปเตอร์และยานอวกาศ) ของDelta IV Heavyคือ 14,200 กก. สำหรับ GTO หรือ 6,750 กก. สำหรับวงโคจรค้างฟ้าโดยตรง^{[ 2 ]}

หากจะทำการเปลี่ยนวงโคจรจาก GTO ไป GEO ด้วยแรงกระตุ้นเพียงครั้งเดียว เช่นเดียวกับการใช้เครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงแข็งเพียงตัวเดียว จุดสูงสุดของวงโคจรจะต้องเกิดขึ้นที่เส้นศูนย์สูตรและที่ระดับความสูงของวงโคจรแบบซิงโครนัส ซึ่งหมายความว่ามุมของจุดใกล้โลกที่สุดจะต้องเป็น 0° หรือ 180° เนื่องจากมุมของจุดใกล้โลกที่สุดจะถูกรบกวนอย่างช้าๆ จากความแบนของโลก จึงมักจะมีการปรับค่าไว้ที่จุดปล่อยจรวดเพื่อให้ได้ค่าที่ต้องการในเวลาที่เหมาะสม (ตัวอย่างเช่น โดยปกติจะเป็นจุดสูงสุดของวงโคจรครั้งที่หกในการปล่อยจรวดAriane 5 ^{[ 8 ]} ) หากความเอียงของ GTO เป็นศูนย์ เช่นเดียวกับSea Launchแล้ว ข้อนี้จะไม่นำมาใช้ (นอกจากนี้ยังไม่สามารถนำมาใช้กับ GTO ที่เอียง 63.4° ซึ่งเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ ดูวงโคจร Molniya )

การอภิปรายก่อนหน้านี้ได้มุ่งเน้นไปที่กรณีที่การถ่ายโอนระหว่าง LEO และ GEO ทำได้โดยใช้วงโคจรถ่ายโอนขั้นกลางเพียงวงเดียว บางครั้งก็มีการใช้วิถีโคจรที่ซับซ้อนกว่า ตัวอย่างเช่นProton-Mใช้ชุดวงโคจรขั้นกลางสามวง ซึ่งต้องใช้การจุดระเบิดจรวดขั้นบนห้าครั้ง เพื่อวางดาวเทียมใน GEO จากฐานปล่อยจรวด Baikonur Cosmodrome ที่มีความเอียงสูงใน คา ซัคสถาน^{[ 9 ]} เนื่องจาก Baikonur อยู่ในละติจูดสูงและมีข้อพิจารณาด้านความปลอดภัยที่ขัดขวางการปล่อยจรวดไปทางทิศตะวันออกโดยตรง จึงต้องใช้ delta-v น้อยลงในการถ่ายโอนดาวเทียมไปยัง GEO โดยใช้วงโคจรถ่ายโอนแบบซูเปอร์ซิงโครนัสซึ่งจุดสูงสุด (และการปรับวงโคจรเพื่อลดความเอียงของวงโคจรถ่ายโอน) อยู่ที่ระดับความสูงที่สูงกว่า 35,786 กม. ซึ่งเป็นระดับความสูงของวงโคจรแบบจีโอซิงโครนัส Proton ยังเสนอให้ทำการปรับวงโคจรจุดสูงสุดแบบซูเปอร์ซิงโครนัสได้นานถึง 15 ชั่วโมงหลังจากการปล่อย^{[ 10 ]}

วงโคจรคงที่ทางภูมิศาสตร์เป็นวงโคจรพิเศษรอบโลกที่ดาวเทียมโคจรรอบโลกด้วยความเร็วเท่ากับการหมุนของโลก ซึ่งหมายความว่าดาวเทียมจะปรากฏอยู่นิ่งเมื่อเทียบกับจุดคงที่บนพื้นผิวโลก วงโคจรคงที่ทางภูมิศาสตร์ตั้งอยู่ที่ระดับความสูงประมาณ 35,786 กิโลเมตร (22,236 ไมล์) เหนือเส้นศูนย์สูตรของโลก

• พลศาสตร์ดาราศาสตร์
• วงโคจรต่ำของโลก
• รายชื่อวงโคจร
• การบิน