miniatura|Figura 1: A órbita Molniya. Geralmente, o período de perigeu +2 horas a perigeu +10 horas é usado para transmissão para o hemisfério norte. miniatura|upright=0.9|Figura 2: A constelação SDS, que utiliza satélites em uma combinação de órbitas geoestacionárias e Molniya. A constelação de satélites em órbita Molniya usa três satélites em planos orbitais distintos, com apogeus comparáveis aos dos satélites geoestacionários.
Uma órbita Molniya (, «Relâmpago») é um tipo de órbita de satélite projetada para fornecer cobertura de comunicações e sensoriamento remoto em altas latitudes. Trata-se de uma órbita altamente elíptica com uma inclinação de 63,4 graus, um argumento do perigeu de 270 graus e um período orbital de cerca de meio dia sideral. O nome provém dos satélites Molniya, uma série de satélites de comunicações civis e militares soviéticos/russos que utilizam esse tipo de órbita desde meados da década de 1960. Uma variação da órbita Molniya é a órbita de Três Apogeus, cujo período é de um terço de um dia sideral.
A órbita Molniya possui um longo tempo de permanência sobre o hemisfério de interesse, enquanto se desloca muito rapidamente sobre o outro. Na prática, isso a posiciona sobre a Rússia ou o Canadá durante a maior parte de sua órbita, proporcionando um elevado ângulo de visada para satélites de comunicações e monitoramento que cobrem essas áreas de altas latitudes. As órbitas geoestacionárias, que são necessariamente situadas sobre o equador, só conseguem visualizar essas regiões sob um ângulo muito baixo, o que prejudica o desempenho do sinal. Na prática, um satélite em uma órbita Molniya atende ao mesmo propósito para altas latitudes que um satélite geoestacionário desempenha para regiões equatoriais, com a diferença de que múltiplos satélites são necessários para garantir uma cobertura contínua.
Satélites colocados em órbitas Molniya têm sido utilizados para transmissão televisiva, telecomunicações, comunicações militares, retransmissão de sinais, monitoramento meteorológico, sistemas de alerta precoce e para propósitos confidenciais de vigilância e espionagem.
História A órbita Molniya foi descoberta por cientistas soviéticos na década de 1960 como uma alternativa de comunicações em altas latitudes às órbitas geoestacionárias, as quais demandam grandes energias de lançamento para alcançar um perigeu elevado e para alterar a inclinação de modo a orbitar sobre o equador (especialmente quando os lançamentos ocorrem a partir das latitudes setentrionais da Rússia). Em razão disso, a OKB-1 buscou uma órbita energeticamente menos exigente. Estudos demonstraram que isso poderia ser alcançado por meio de uma órbita altamente elíptica com um apogeu sobre o território soviético. O nome da órbita faz referência à velocidade de um «relâmpago» com a qual o satélite passa pelo perigeu.
O primeiro uso da órbita Molniya foi feito pela série homônima de satélites de comunicações Molniya. Após duas falhas de lançamento e uma falha em órbita em 1964, o primeiro satélite a utilizar essa trajetória com sucesso, o Molniya 1-1, foi lançado em 23 de abril de 1965. Os primeiros satélites Molniya-1 eram destinados à transmissão civil de televisão, telecomunicações e comunicações militares de longo alcance, mas também foram equipados com câmeras utilizadas para monitoramento meteorológico e, possivelmente, para avaliar áreas livres de nuvens para os satélites espiões Zenit. Os satélites Molniya originais possuíam uma vida útil de aproximadamente 1,5 ano, visto que suas órbitas eram severamente desestabilizadas por perturbações gravitacionais, exigindo substituições constantes.
A série seguinte, a Molniya-2, supria demandas de transmissão tanto militares quanto civis e foi empregada na constituição da rede de televisão Orbita, abrangendo toda a extensão da União Soviética. Esses veículos foram posteriormente sucedidos pelo modelo Molniya-3. Um satélite denominado Mayak foi projetado para complementar e substituir os Molniya em 1997, mas o projeto acabou cancelado, e os Molniya-3 foram finalmente substituídos pelos satélites Meridian, cujo primeiro exemplar foi lançado em 2006. Os satélites soviéticos de alerta precoce US-K, encarregados de detectar lançamentos de mísseis balísticos norte-americanos, passaram a ser inseridos em órbitas Molniya a partir de 1967, integrando o sistema Oko.
A partir de 1971, os Estados Unidos passaram a lançar os satélites militares Jumpseat e Trumpet em órbitas Molniya (utilizados possivelmente para interceptar comunicações soviéticas retransmitidas pelos satélites Molniya). Detalhes aprofundados sobre ambos os projetos permanecem confidenciais. A esses seguiu-se a constelação norte-americana SDS, operando com uma combinação de órbitas Molniya e geoestacionárias. Esses satélites funcionam retransmitindo dados de satélites de baixa altitude para estações terrenas nos Estados Unidos, mantendo-se em atividade operacional contínua desde 1976. Uma constelação russa chamada Tyulpan chegou a ser projetada em 1994 para comunicações em altas latitudes, mas não avançou além da fase de planejamento.
Em 2015 e 2017, a Rússia lançou dois satélites da classe Tundra em órbitas Molniya, apesar do nome, como parte integrante do sistema de alerta precoce EKS.
Usos miniatura|Figura 3: Traço de solo (ground track) de uma órbita Molniya. No trecho operacional da órbita (quatro horas antes e depois do apogeu), o satélite permanece ao norte de 55,5° N (latitude que compreende, por exemplo, o centro da Escócia, Moscou e o sul da Baía de Hudson). Um satélite nessa órbita passa a maior parte de seu tempo sobre o hemisfério norte e atravessa velozmente o hemisfério sul. Grande parte do território da antiga União Soviética, e da Rússia em particular, situa-se em altas latitudes setentrionais. Transmitir para essas regiões a partir de uma órbita geoestacionária (sobre o equador terrestre) exige potência considerável em virtude dos baixos ângulos de elevação, além da maior distância percorrida e da atenuação atmosférica decorrente. Locais situados acima de 81° de latitude são inteiramente incapazes de avistar satélites geoestacionários e, como regra prática, ângulos de elevação inferiores a 10° costumam introduzir falhas severas de enlace, a depender da frequência de comunicação utilizada.
Um satélite em uma órbita Molniya adequa-se muito melhor às comunicações nessas regiões, visto que ele aponta de modo mais direto para a superfície ao longo de grandes intervalos de sua trajetória. Com uma altitude de apogeu atingindo até e um ponto sub-satélite no apogeu a 63,4 graus norte, o veículo passa uma fração substancial de sua órbita sob excelente visibilidade no hemisfério norte, cobrindo com eficiência a Rússia, o norte da Europa, a Groenlândia e o Canadá.
Muito embora satélites em órbitas Molniya exijam energia de lançamento consideravelmente menor do que aqueles destinados a órbitas geoestacionárias (especialmente quando partem de bases de lançamento em altas latitudes), as estações de solo correspondentes requerem antenas móveis rastreáveis para acompanhar o veículo espacial, os enlaces devem ser comutados continuamente entre os diferentes satélites da constelação e as variações de distância ao longo da elipse provocam flutuações na amplitude do sinal. Adicionalmente, há uma necessidade maior de manutenção de posição em órbita, além de a espaçonave cruzar os cinturões de radiação de Van Allen quatro vezes ao dia.
Propostas para o hemisfério sul Órbitas análogas dotadas de um argumento de perigeu fixado em 90° permitiriam fornecer cobertura idêntica para altas latitudes no hemisfério sul. Uma proposta de constelação, o Antarctic Broadband Program, previa a utilização de satélites em uma órbita Molniya invertida para prover serviços de internet banda larga a instalações científicas na Antártida. Inicialmente financiado pelo extinto Australian Space Research Program, o projeto não avançou além das etapas preliminares de desenvolvimento.
Constelações Molniya A cobertura contínua e permanente em altas latitudes de uma grande área da Terra (como a totalidade da Rússia, cuja fronteira sul se situa por volta de 45°N) requer uma constelação composta por pelo menos três espaçonaves em órbitas Molniya. Caso três satélites sejam empregados, cada veículo permanecerá ativo durante um intervalo de oito horas por órbita, centralizado em torno do apogeu, conforme ilustrado na Figura 4. A Figura 5 demonstra o campo de visão de um satélite nas adjacências do apogeu.
A Terra completa meia rotação em doze horas, de modo que os apogeus de passagens sucessivas de uma órbita Molniya alternam-se entre uma metade do hemisfério norte e a oposta. Na órbita Molniya original, os apogeus foram posicionados sobre a Rússia e a América do Norte, mas, alterando-se a ascensão reta do nó ascendente, essa posição geográfica pode ser reconfigurada. A cobertura gerada por um satélite em órbita Molniya sobre a Rússia é ilustrada nas Figuras 6 a 8, e sobre a América do Norte nas Figuras 9 a 11.
As trajetórias das três espaçonaves devem possuir os mesmos elementos orbitais fundamentais, diferindo apenas nas ascensões retas dos nós ascendentes, de modo que suas passagens sucessivas pelos respectivos apogeus ocorram espaçadas por intervalos de 7,97 horas. Uma vez que cada satélite possui um período de operação efetiva de aproximadamente oito horas, quando uma espaçonave atinge quatro horas após sua passagem pelo apogeu (ver Figura 8 ou Figura 11), o satélite seguinte ingressa em sua janela operacional com o campo de visada da Terra representado na Figura 6 (ou Figura 9), momento em que ocorre a comutação de sinal (handover). Nota-se que as duas espaçonaves no instante da comutação encontram-se separadas por apenas cerca de , de modo que as estações de solo precisam apenas ajustar suas antenas móveis em poucos graus angulares para travar a conexão com a nova espaçonave que assume o enlace.
Diagramas
Propriedades Uma órbita Molniya típica possui as seguintes características:
Argumento do perigeu: 270° Inclinação: 63,4° Período orbital: 718 minutos Excentricidade: 0,74 Semieixo maior:
Argumento do perigeu O argumento do perigeu é fixado em 270°, fazendo com que o apogeu da espaçonave coincida com a posição de latitude mais setentrional de sua trajetória. Para aplicações projetadas para atender ao hemisfério sul, o argumento seria posicionado alternativamente em 90°.
Inclinação orbital Em termos gerais, o achatamento polar da Terra perturba o argumento do perigeu (), fazendo com que ele sofra uma precessão contínua com o passar do tempo. Considerando-se apenas o coeficiente harmônico de primeira ordem , a posição do perigeu se deslocará de acordo com a equação , a menos que receba correções periódicas contínuas por meio de queimas de motores de manutenção de posição.
onde é a inclinação orbital, é a excentricidade, é o movimento médio em graus por dia, é o fator de perturbação do achatamento terrestre, é o raio equatorial da Terra, é o semieixo maior e é a taxa de variação angular em graus por dia.
Para evitar o dispêndio contínuo de propelente de bordo, a órbita Molniya adota rigorosamente a inclinação crítica de 63,4°, valor no qual o fator anula-se identicamente, eliminando a precessão secular e mantendo o perigeu imóvel ao longo do tempo. Uma trajetória orbital projetada sob essas premissas de equilíbrio é denominada uma órbita congelada.
Período orbital Para assegurar que a geometria em relação às estações terrenas se repita precisamente a cada 24 horas, o período orbital deve ser rigorosamente igual a metade de um dia sideral, conservando constantes as longitudes geográficas dos sucessivos apogeus.
Contudo, o achatamento da Terra perturba de igual modo a ascensão reta do nó ascendente (), alterando o período nodal e provocando o deslocamento secular do traço de solo (ground track) de acordo com a taxa expressa na equação .
onde é expressa em graus por dia.