Quỹ đạo Molniya

Quỹ đạo Molniya (, "Tia chớp") là một loại quỹ đạo vệ tinh được thiết kế để cung cấp khả năng truyền thông và quan sát từ xa cho các khu vực có vĩ độ cao. Đây là một quỹ đạo hình elip cao với độ nghiêng 63,4 độ, góc quỹ đạo tại cận điểm 270 độ, và chu kỳ quỹ đạo xấp xỉ một nửa ngày sao. Tên gọi Molniya xuất phát từ các vệ tinh Molniya, một loạt vệ tinh truyền thông dân sự và quân sự của Liên Xô/Nga đã sử dụng loại quỹ đạo này từ giữa thập niên 1960. Một biến thể của quỹ đạo Molniya là quỹ đạo ba apogee (Three Apogee, TAP), có chu kỳ bằng một phần ba ngày sao.

Quỹ đạo Molniya có thời gian tồn tại lâu trên bán cầu mục tiêu, trong khi di chuyển rất nhanh qua bán cầu đối diện. Trên thực tế, điều này khiến vệ tinh chủ yếu nằm trên Nga hoặc Canada trong phần lớn quỹ đạo, cung cấp góc quan sát cao cho các vệ tinh truyền thông và giám sát phủ sóng các khu vực có vĩ độ cao. Các quỹ đạo địa tĩnh, vốn phải nằm trên xích đạo, chỉ có thể quan sát các khu vực này với góc thấp, làm giảm hiệu quả. Trên thực tế, một vệ tinh trong quỹ đạo Molniya phục vụ cho các vùng vĩ độ cao tương tự như vệ tinh địa tĩnh phục vụ các vùng xích đạo, tuy nhiên để đảm bảo phủ sóng liên tục cần nhiều vệ tinh Molniya.

Các vệ tinh được đặt trên quỹ đạo Molniya đã được sử dụng cho phát sóng truyền hình, viễn thông, thông tin liên lạc quân sự, truyền dẫn tín hiệu, giám sát thời tiết, các hệ thống cảnh báo sớm và các mục đích trinh sát mật.

Lịch sử
Quỹ đạo Molniya được các nhà khoa học Liên Xô phát hiện vào những năm 1960 như một giải pháp truyền thông cho các khu vực vĩ độ cao, thay thế cho quỹ đạo địa tĩnh, vốn đòi hỏi năng lượng phóng lớn để đạt được cận điểm cao và để thay đổi độ nghiêng nhằm đưa quỹ đạo nằm trên xích đạo (đặc biệt khi phóng từ các vĩ độ của Nga). Do đó, OKB-1 đã tìm kiếm một loại quỹ đạo đòi hỏi ít năng lượng hơn. Các nghiên cứu cho thấy điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng một quỹ đạo elip cao với điểm viễn địa nằm trên lãnh thổ Nga.Tên của quỹ đạo này đề cập đến tốc độ “nhanh như chớp” mà vệ tinh đạt được khi đi qua cận điểm.

Việc sử dụng đầu tiên của quỹ đạo Molniya là bởi loạt vệ tinh thông tin liên lạc cùng tên. Sau hai lần phóng thất bại và một lần vệ tinh gặp sự cố vào năm 1964, vệ tinh đầu tiên sử dụng thành công quỹ đạo này, Molniya 1-1, đã được phóng vào ngày 23 tháng 4 năm 1965. Các vệ tinh Molniya-1 giai đoạn đầu được sử dụng cho truyền hình dân sự, viễn thông và thông tin liên lạc quân sự tầm xa, nhưng chúng cũng được trang bị các máy ảnh dùng cho giám sát thời tiết, và có thể để đánh giá các khu vực quang đãng phục vụ cho các vệ tinh do thám Zenit. Các vệ tinh Molniya ban đầu có tuổi thọ khoảng 1,5 năm, do quỹ đạo của chúng bị nhiễu loạn bởi các nhiễu động, và vì vậy phải được thay thế liên tục.

Loạt kế tiếp, Molniya-2, cung cấp cả phát sóng quân sự và dân sự, và được sử dụng để xây dựng mạng truyền hình Orbita trải dài khắp Liên Xô. Sau đó, chúng lại được thay thế bằng thiết kế Molniya-3. 

Một vệ tinh có tên Mayak đã được thiết kế vào năm 1997 nhằm bổ sung và thay thế các vệ tinh Molniya, nhưng dự án này đã bị hủy bỏ, và Molniya-3 sau đó được thay thế bằng các vệ tinh Meridian, trong đó vệ tinh đầu tiên được phóng vào năm 2006. Các vệ tinh cảnh báo sớm US-K của Liên Xô, dùng để theo dõi các vụ phóng tên lửa của Hoa Kỳ, đã được phóng vào quỹ đạo Molniya từ năm 1967, như một phần của hệ thống Oko.

Từ năm 1971, các vệ tinh quân sự Jumpseat và Trumpet của Hoa Kỳ đã được phóng vào quỹ đạo Molniya (và có thể được sử dụng để thu chặn thông tin liên lạc của Liên Xô từ các vệ tinh Molniya). Thông tin chi tiết về cả hai dự án này vẫn được giữ bí mật tính đến năm 2019. Tiếp theo là chòm vệ tinh SDS của Hoa Kỳ, hoạt động với sự kết hợp giữa quỹ đạo Molniya và quỹ đạo địa tĩnh. Các vệ tinh này được sử dụng để chuyển tiếp tín hiệu từ các vệ tinh bay ở quỹ đạo thấp hơn về các trạm mặt đất tại Hoa Kỳ và đã hoạt động ở một mức độ nào đó kể từ năm 1976. Một chòm vệ tinh của Nga mang tên Tyulpan đã được thiết kế vào năm 1994 nhằm hỗ trợ thông tin liên lạc ở các vĩ độ cao, nhưng không tiến triển vượt qua giai đoạn lập kế hoạch.

Vào các năm 2015 và 2017, Nga đã phóng hai vệ tinh Tundra vào quỹ đạo Molniya, mặc dù tên gọi của chúng, như một phần của hệ thống cảnh báo sớm EKS.

Sử dụng

Phần lớn lãnh thổ của Liên Xô trước đây, và đặc biệt là Nga, nằm ở các vĩ độ cao thuộc bán cầu Bắc. Việc phát sóng tới các vĩ độ này từ quỹ đạo địa tĩnh (nằm trên xích đạo Trái Đất) đòi hỏi công suất lớn do góc nâng thấp, cùng với khoảng cách xa hơn và sự suy hao khí quyển đi kèm. Các địa điểm nằm trên vĩ độ 81° không thể quan sát các vệ tinh địa tĩnh, và theo kinh nghiệm thực tế, các góc nâng nhỏ hơn 10° có thể gây ra vấn đề, tùy thuộc vào tần số thông tin liên lạc.

Một vệ tinh trong quỹ đạo Molniya phù hợp hơn cho thông tin liên lạc ở các khu vực này, bởi vì trong phần lớn quỹ đạo nó quan sát gần như trực tiếp xuống các khu vực đó. Với độ cao viễn địa lên tới 40.000 kilômét (25.000 dặm) và điểm chiếu dưới vệ tinh tại viễn địa ở vĩ độ 63,4° Bắc, nó dành một phần đáng kể thời gian quỹ đạo với khả năng quan sát rất tốt ở bán cầu Bắc, bao gồm Nga, cũng như Bắc Âu, Greenland và Canada.

Trong khi các vệ tinh ở quỹ đạo Molniya đòi hỏi năng lượng phóng thấp hơn đáng kể so với các vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh (đặc biệt khi phóng từ các vĩ độ cao), các trạm mặt đất của chúng cần các ăng-ten có khả năng điều hướng để theo dõi tàu vũ trụ, các liên kết phải được chuyển đổi giữa các vệ tinh trong chòm vệ tinh, và sự thay đổi khoảng cách gây ra biến thiên về biên độ tín hiệu. Ngoài ra, nhu cầu duy trì quỹ đạo cũng lớn hơn, và tàu vũ trụ sẽ đi qua vành đai bức xạ Van Allen bốn lần mỗi ngày.

Các đề xuất cho bán cầu Nam 
Các quỹ đạo tương tự với góc quỹ đạo tại cận điểm là 90° có thể cho phép phủ sóng các khu vực vĩ độ cao ở bán cầu Nam. Một chòm vệ tinh được đề xuất, mang tên Antarctic Broadband Program, đã dự định sử dụng các vệ tinh trên quỹ đạo Molniya đảo ngược để cung cấp dịch vụ internet băng rộng cho các cơ sở tại Nam Cực. Ban đầu được tài trợ bởi Chương trình Nghiên cứu Không gian Úc (Australian Space Research Programme) nay đã giải thể, dự án này không tiến triển vượt quá giai đoạn phát triển ban đầu.

Chòm vệ tinh Molniya
Để có được khả năng phủ sóng liên tục ở vĩ độ cao trên một khu vực rộng lớn của Trái Đất (chẳng hạn như toàn bộ lãnh thổ Nga, nơi các vùng phía nam nằm khoảng vĩ độ 45° Bắc), cần một chòm ít nhất ba tàu vũ trụ trên quỹ đạo Molniya. Nếu sử dụng ba tàu vũ trụ, mỗi tàu sẽ hoạt động trong khoảng tám giờ mỗi chu kỳ quỹ đạo, tập trung quanh điểm viễn địa, như được minh họa trong hình 4. Hình 5 cho thấy trường quan sát của vệ tinh xung quanh điểm viễn địa. 

Trái Đất hoàn thành nửa vòng quay trong mười hai giờ, do đó các điểm viễn địa của các quỹ đạo Molniya kế tiếp sẽ luân phiên giữa một nửa bán cầu Bắc và nửa còn lại. Đối với quỹ đạo Molniya ban đầu, các điểm viễn địa được bố trí trên Nga và Bắc Mỹ, nhưng bằng cách thay đổi xích kinh của nút lên, điều này có thể được điều chỉnh. Phạm vi phủ sóng của một vệ tinh trên quỹ đạo Molniya khi đặt trên Nga được thể hiện trong các hình 6 đến 8, và khi đặt trên Bắc Mỹ trong các hình 9 đến 11.

Quỹ đạo của ba tàu vũ trụ khi đó phải có cùng các tham số quỹ đạo, nhưng khác nhau về xích kinh của nút lên, với các lần đi qua điểm viễn địa cách nhau 7,97 giờ. Do mỗi vệ tinh có thời gian hoạt động khoảng tám giờ, khi một tàu vũ trụ đi được bốn giờ sau khi qua điểm viễn địa (xem hình 8 hoặc hình 11), thì vệ tinh tiếp theo sẽ bắt đầu giai đoạn hoạt động của mình, với trường quan sát Trái Đất như thể hiện trong hình 6 (hoặc hình 9), và việc chuyển đổi có thể được thực hiện. Lưu ý rằng hai tàu vũ trụ tại thời điểm chuyển giao cách nhau khoảng 1.500 kilômét (930 dặm), vì vậy các trạm mặt đất chỉ cần điều chỉnh ăng-ten vài độ để bắt được vệ tinh mới.

Biểu đồ

Tính chất
Một quỹ đạo Molniya điển hình có các đặc tính sau:

 Góc quỹ đạo tại cận điểm: 270°
 Độ nghiêng: 63,4°
 Chu kỳ: 718 phút
 Độ lệch tâm: 0,74
 Bán trục lớn: 26.600 kilômét (16.500 dặm)

Góc quỹ đạo tại cận điểm 
Góc quỹ đạo tại cận điểm được đặt ở 270°, khiến vệ tinh đạt điểm viễn địa tại vị trí xa nhất về phía bắc trên quỹ đạo của nó. Đối với các ứng dụng trong tương lai ở bán cầu Nam, giá trị này sẽ được đặt ở 90°.

Độ nghiêng quỹ đạo
Nói chung, độ dẹt của Trái Đất gây nhiễu loạn lên góc quỹ đạo tại cận điểm (ω), khiến nó thay đổi dần theo thời gian. Nếu chỉ xét đến hệ số bậc nhất J₂, thì cận điểm sẽ thay đổi theo phương trình (1), trừ khi nó được hiệu chỉnh liên tục bằng các lần đốt động cơ duy trì quỹ đạo.

{(1-e^2)^2}</math>|}}

trong đó  là độ nghiêng quỹ đạo,  là độ lệch tâm,  là chuyển động trung bình tính bằng độ trên ngày,  là hệ số gây nhiễu,  bán kính Trái đất,  là bán trục lớn, và  được tính bằng độ/ngày.

Để tránh việc tiêu tốn nhiên liệu này, quỹ đạo Molniya sử dụng độ nghiêng 63,4°, tại đó biểu thức   do đó vị trí của cận điểm không thay đổi theo thời gian. Một quỹ đạo được thiết kế theo cách này được gọi là quỹ đạo “đóng băng”

Chu kỳ quỹ đạo
Để đảm bảo hình học tương đối so với các trạm mặt đất lặp lại sau mỗi 24 giờ, chu kỳ quỹ đạo nên xấp xỉ bằng nửa ngày sao, nhằm giữ cho kinh độ của các điểm viễn địa không đổi.

Tuy nhiên, độ dẹt của Trái Đất cũng gây nhiễu loạn xích kinh của nút lên (), làm thay đổi chu kỳ nút và khiến vết quỹ đạo trên mặt đất bị trôi theo thời gian với tốc độ được thể hiện trong phương trình (2)

 {(1-e^2)^2}</math> |}}

trong đó  tính bằng độ/ngày.

Vì độ nghiêng của quỹ đạo Molniya là cố định (như đã nêu ở trên), nhiễu loạn này có giá trị  độ mỗi ngày. Để bù lại, chu kỳ quỹ đạo được điều chỉnh sao cho kinh độ của điểm viễn địa thay đổi đủ để triệt tiêu ảnh hưởng này.

Độ lệch tâm 
Độ lệch tâm của quỹ đạo được xác định dựa trên sự chênh lệch giữa độ cao của điểm viễn địa và cận điểm. Để tối đa hóa khoảng thời gian mà vệ tinh lưu lại tại điểm viễn địa, độ lệch tâm nên được đặt càng lớn càng tốt. Tuy nhiên, cận điểm phải đủ cao để giữ cho vệ tinh nằm đáng kể phía trên khí quyển nhằm giảm lực cản (khoảng 600 km), và chu kỳ quỹ đạo cần được duy trì xấp xỉ bằng nửa ngày sao (như đã nêu ở trên). Hai yếu tố này giới hạn giá trị của độ lệch tâm, đưa nó vào khoảng xấp xỉ 0,737.

Bán trục lớn
Độ cao chính xác của một vệ tinh trong quỹ đạo Molniya thay đổi tùy theo từng nhiệm vụ, nhưng một quỹ đạo điển hình sẽ có độ cao cận điểm khoảng 600 kilômét (370 dặm) và độ cao viễn điểm khoảng 39.700 kilômét (24.700 dặm), tương ứng với bán trục lớn là 26.600 kilômét (16.500 dặm).

Mô hình hóa
Để theo dõi các vệ tinh sử dụng quỹ đạo Molniya, các nhà khoa học sử dụng mô hình nhiễu loạn giản lược SDP4, mô hình này tính toán vị trí của vệ tinh dựa trên hình dạng quỹ đạo, lực cản khí quyển, bức xạ, các ảnh hưởng hấp dẫn từ Mặt Trời và Mặt Trăng, cũng như các thành phần cộng hưởng với Trái Đất.

Xem thêm
 Quỹ đạo Tundra

Tham khảo

Link ngoài
 Illustration of the communication geometry provided by satellites in 12-hour Molniya orbits (video)

Earth orbits
Satellite broadcasting
Soviet inventions