ماهواره های مصنوعی

ماهواره های مصنوعی

تاریخچه

ماهواره  مصنوعی شیی است  که توسط انسان ساخته شده و به طور مداوم در حال حرکت در مداری حول زمین یا اجرام دیگری درفضا می باشد. بیشتر ماهواره های ساخته شده تاکنون حول کره زمین در حرکتند و در مواردی چون مطالعه کائنات، ایستگاه های هواشناسی، انتقال تماس های تلفنی از فراز اقیانوس ها، ردیابی و تعیین مسیر کشتی ها و هواپیماها و همینطور امور نظامی به کار میروند .

ماهواره هایی نیز وجود دارند که دور ماه، خورشید، اجرام نزدیک به زمین و سیاراتی نظیر زهره، مریخ و مشتری در حال گردش میباشند. این ماهواره ها اغلب اطلاعات مربوط به جرم آسمانی که حول آن در گردشند را جمع آوری می کنند. به جز ماهواره های مصنوعی مذکور اشیاء در حال گردش دیگری نیز در فضا وجود دارند از جمله فضا پیما ها، کپسول های فضایی وایستگاه های فضایی که به آنها نیز ماهواره می گوییم. البته اجرام دیگری نیز در فضا وجود دارند به نام زباله های فضایی شامل بالابرنده های مستهلک راکت ها، تانک های خالی سوخت و … که به زمین سقوط نکرده اند و در فضا در حرکتند. امروزه قریب به 3000 ماهواره فعال و 6000 زباله فضایی در حال گردش به دور زمینند .
در سال 1955 شوروی تحقیقات خود را برای پرتاب ماهواره مصنوعی به فضا آغاز کرد. در تاریخ چهارم اکتبر 1957 این اتحادیه ماهواره  اسپوتنیک 1 را به عنوان اولین ماهواره مصنوعی به فضا ارسال نمود. این ماهواره در هر 96 دقیقه یک دور کامل به دور زمین می چرخید و اطلاعات به دست آورده خود را به شکل سیگنال های رادیویی قابل دریافت به زمین ارسال می کرد. در تاریخ 3 نوامبر 1957 اتحادیه جماهیر شوروی دومین ماهواره مصنوعی یعنی اسپاتنیک 2 را به فضا فرستاد. این ماهواره حامل اولین حیوانی بود که  به فضا سفر کرد(سگی به نام لایکا). پس از آن ایالات متحده ماهواره  کاوشگر1 را در تاریخ 31 ﮋانویه 1958 و ونگارد 1 را در تاریخ 17 مارس همان سال به فضا فرستاد.
نخستین ماهواره ارتباطی  اکو 1 در ماه اگست سال 1960 از ایالات متحده به فضا فرستاده شد. این ماهواره امواج رادیویی به زمین می فرستاد. در آپریل 1960 نیز اولین ماهواره هواشناسی تیروس 1 که تصاویر ابرها را به زمین ارسال می کرد فرستاده شد.
نیروی دریایی آمریکا سازنده اولین ماهواره ردیاب ( ترانزیت 1ب ( درآپریل  سال 1960 بود. به این ترتیب تا سال 1965 در هر سال بیش از 100 ماهواره به مدارهایی در فضا فرستاده شدند.
از سال 1970 دانشمندان به کمک رایانه و نانو تکنولوﮋی موفق به اختراع  سازه ها و تجهیزات پیشرفته تری برای ماهواره شده اند. به علاوه کشور های دیگر همینطور سازمانهای تجاری مبادرت به خریداری و ارسال ماهواره نموده اند. در سالهای اخیر بیشتر از 40 کشور ماهواره در اختیار دارند و نزدیک به 3000 ماهواره در مدارها به انجام ماموریت های خود می پردازند

انواع مدارها
مدارهای ماهواره ها اشکال گوناگونی دارند. برخی دایره شکل و برخی به شکل بیضی می باشند. مدارها از لحاظ ارتفاع (فاصله از جرمی که ماهواره حول آن در گردش است) نیز با یکدیگر تفاوت دارند. برای مثال بعضی از ماهواره در مداری دایره شکل حول زمین خارج از اتمسفر در ارتفاع 250 کیلومتری در حرکتند و برخی در مداری حرکت می کنند که بیش از 32200 کیلومتر  از زمین فاصله دارد. هر چه ارتفاع مدار ، بیشتر باشد ، دوره گردش ماهواره طولانی تر خواهد بود . یک ماهواره زمانی در مدار خود باقی می ماند که بین شتاب ماهواره ( سرعتی که ماهواره می تواند در طی یک مسیر مستقیم داشته باشد ) و نیروی گرانش ناشی از جرم آسمانی که ماهواره تحت تاثیر آن می باشد و دور آن در گردش است تعادل وجود داشته باشد. چنانچه شتاب ماهواره ای بیشتر از گرانش زمین باشد ماهواره در یک مسیر مستقیم از زمین دور می شود و چنانچه این شتاب کمتر باشد ماهواره به سمت زمین برخواهد گشت. برای درک بهتر تعادل بین گرانش و شتاب، جسم کوچکی را در نظر بگیرید که به انتهای یک رشته طناب متصل  و در حال چرخش است. اگر طناب پاره شود جسم متصل به آن در یک مسیر صاف به زمین می افتد. طناب در واقع کار گرانش را انجام می دهد تا شیی بتواند به چرخش خود ادامه دهد. ضمنا وزن شیی و طناب  میتوانند نشانگر رابطه بین ارتفاع ماهواره و دوره گردش آن باشد. طناب بلند مانند ارتفاع بلند است. هر چه طناب بلندتر باشد زمان بیشتری نیاز است تا شیی متصل به آن یک دور کامل بچرخد. طناب کوتاه مانند ارتفاع کوتاه است و در زمان کمتری شیی مذکور یک دور کامل در مدار خود گردش خواهد کرد.

انواع  گوناگونی از مدارها وجود دارند اما اغلب ماهواره هایی که حول زمین در گردشند در یکی از این چهار گونه مدار حرکت میکنند.

LEO

ماهواره‌ای با ارتفاع پائین. ابن ماهواره‌ها در ارتفاع بین 350 تا 1400 کیلمتر از سطح زمین  در گردش هستند. گفتنی است مدارهای کمتر از این ارتفاع پایدار نیستند و اگر ماهواره به ارتفاعهای کمتر سقوط کند بعداز مدتی در جو متلاشی خواهد شد. ماهواره‌های این گروه با سرعت تقریبی 8 کیلو متر در ثانیه حرکت کرده و هر 90 دقیقه یکبار زمین را دور می زنند. ماهواره های سنجش از راه دور معمولاً در این گروه قرار می گیرند. د رحال حاضر حدود 8000 ماهواره و قطعات پراکنده با قطر بیشتر از 10 سانتی‌متر در این مدارها قرار دارند.

MEO

 ماهواره های با ارتفاع متوسط که ارتفاع آنها بیشتر از 1400 کیلومتر وکمتر از 35790 کیلومتر است. ماهواره‌ای موقعیت ‌یابی GPS ازاین گروه هستند.

ژئوسینکرونوس

 ماهواره‌های با دوره تناوب مداری برابر با دوره گردش نجومی زمین( Sidereal) ونیم قطر بزرگ 42164 کیلومتر. اگر مدار آنها دایروی بوده و در صفحه استوای زمین قرار داشته باشندبه مدار Geostationary تغییر نام می‌دهند. به نظر می رسد ماهواره‌های با مدار زمین ثابت در یک نقطه از آسمان قفل شده باشند .به کمک یک آنتن با جهت ثابت می توان با این ماهواره ها ارتباط برقرار کرد. ماهواره های هواشناسی وارتباطی بیشتر در این مدارها قرار می گیرند. ایده استفاده از این مدارها اولین بار توسط آرتورسی‌کلارک در سال 1945 مطرح شده بهمین دلیل به این مدارها، مدار کلارک هم گفته می شود. از ماهواره‌های این گروه می توان به ماهواره های زیر اشاره نمود. Eumetsat, Meteosat, Us geos مربوط به آژانس فضایی اروپا و GMS مربوطه به ژاپن

مدار قطبی

ماهواره هایی که از بالا یا از نزدیکی مناطق قطبی می گذرند. زوایه مداری آنها بااستوای زمین در حدودنوددرجه است و در هر چرخش از روی یک منطقه با طول جغرافیایی مشخص و قطبین گذر می کنند. از این ماهواره‌ها بیشتر برای مشاهده سطح زمین استفاده می شود.

آهنگ عبور ماهواره از پهنه آسمان بستگی به ارتفاع ماهواره دارد. ماهواره‌های بامدار ارتفاع پائین در طی چنددقیقه، ماهواره های با ارتفاع 2000 کیلومتر در حدود نیم ساعت وبرای ماهواره های با مدار ژئوسنکرون این زمان 24 ساعت است.

                                                              

انواع ماهواره ها

                                                               

ماهواره های مصنوعی بر اساس ماموریت هایشان طبقه بندی می شوند. شش نوع  اصلی ماهواره وجود دارند.

۱ -  تحقیقات علمی

 ۲ - هواشناسی

۳ -  ارتباطی

۴ - ردیاب

 - ۵مشاهده زمین

 ۶ - تاسیسات نظامی

ماهواره های تحقیقات علمی اطلاعات را به منظور بررسی های کارشناسی جمع آوری می کنند. این ماهواره ها اغلب به منظور انجام یکی از سه ماموریت زیر طراحی و ساخته می شوند.

الف - جمع آوری اطلاعات مربوط به ساختار، ترکیب و تاثیرات فضای اطراف کره زمین

 - ب ثبت تغییرات در سطح و جو کره زمین. این ماهواره ها اغلب در مدارهای قطبی در حرکتند.

ج - مشاهده سیارات، ستاره ها و اجرام آسمانی در فواصل بسیار دور.

بیشتر این ماهواره ها در ارتفاع کوتاه در حرکتند.

ماهواره های هواشناسی به دانشمندان برای مطالعه بر روی نقشه های هواشناسی و پیش بینی وضعیت آب و هوا کمک می کنند. این ماهواره ها قادر به مشاهده وضعیت اتمسفر مناطق گسترده ای از زمین می باشند . بعضی از ماهواره های هواشناسی در مدارهای سان سینکرنوس، قطبی، در حرکتند که توانایی  مشاهده بسیار دقیق تغییرات در کل سطح کره زمین را دارند. آنها می توانند مشخصات ابرها، دما، فشار هوا، بارندگی و ترکیبات شیمیایی اتمسفر را اندازه گیری نمایند. از آنجا که این ماهواره ها همواره هر نقطه از زمین را در یک ساعت مشخص محلی مشاهده می کنند دانشمندان با اطلاعات به دست آمده قادر به مقایسه دقیق تر آب و هوای مناطق مختلفند. ضمنا شبکه جهانی ماهواره های هواشناسی که در این مدارها در حرکتند می توانند نقش یک سیستم جستجو و نجا ت را بر عهده گیرند. آنها تجهیزات مربوط به شناسایی سیگنال های اعلام خطر در همه هواپیما ها و کشتی های خصوصی و غیر خصوصی را  دارا هستند .بقیه ماهواره های هواشناسی در ارتفاع های بلند تر در مدارهای ژئوسینکرنوس قرار دارند. از این مدارها، آنها می توانند تقریبا نصف کره زمین و تغییرات آب و هوایی آن را  در هر زمان مشاهده کنند. تصاویر این ماهواره ها مسیر حرکت ابرها و تغییرات آنها را نشان می دهد. آنها همینطور تصاویر مادون قرمز نیز تهیه می کنند که گرمای زمین و ابرها را نشان می دهد.

ماهواره های ارتباطی در واقع ایستگاه های تقویت کننده سیگنال ها هستند، از نقطه ای امواج را دریافت و به نقطه ای دیگر ارسال میکنند. یک ماهواره ارتباطی می تواند در آن واحد هزاران تماس تلفنی و جندین برنامه شبکه تلوزیونی را تحت پوشش قرار دهد. این ماهواره ها اغلب در ارتفاع های بلند، مدار ﮋئوسینکرنوس و بر فراز یک ایستگاه در زمین  قرار داده می شوند . یک ایستگاه در زمین مجهز به آنتنی بسیار بزرگ برای دریافت و ارسال سیگنال ها می باشد. گاهی چندین ماهواره که دریک شبکه ودرمدارهای کوتاهترقرار گرفته اند، امواج را دریافت و با انتقال دادن سیگنال ها  به یکدیگر آنها را به کاربران روی زمین در اقصی نقاط آن می رسانند. سازمانهای تجاری مانند تلوزیون ها و شرکت های مخابراتی در کشورهای مختلف از کاربران دائمی این نوع ماهواره ها هستند.

 به کمک ماهواره های ردیاب، کلیه هواپیماها، کشتی ها  و خودروها بر روی زمین قادربه مکان یابی با دقت بسیار زیاد خواهند بود. علاوه بر خودروها و وسایل نقلیه اشخاص عادی نیزمیتوانند ازشبکه ماهواره های ردیاب بهره مند شوند. در واقع سیگنال های این شبکه ها در هر نقطه ای از زمین قابل دریافتند . دستگاه های دریافت کننده، سیگنال ها را حداقل از سه ماهواره فرستنده دریافت و پس از محاسبه کلیه سیگنال ها، مکان دقیق رانشان می دهند.

ماهواره های مخصوص مشاهده زمین به منظور تهیه نقشه و بررسی کلیه منابع سیاره زمین و تغییرات ماهیتی چرخه های حیاتی درآن، طراحی و ساخته می شوند. آنها در مدارهای سان سینکرنوس قطبی در حرکتند. این ماهواره ها دائما در شرایط تحت تابش نور خورشید مشغول عکس برداری از زمین با نور مرئی و پرتوهای نا مرئی هستند.  رایانه ها در زمین اطلاعات به دست آمده را بررسی و مطالعه می کنند. دانشمندان به کمک این ماهواره معادن و مراکز منابع در زمین رامکان یابی وظرفیت آنها را مشخص می کنند.همینطور می توانند به مطالعه بر روی منابع آبهای آزاد و یا مراکز ایجاد آلودگی و تاثیرات آنها و یا آسیب های جنگل ها و مراتع بپردازند .

ماهواره های تاسیسات نظامی شامل ماهواره های هواشناسی، ارتباطی، ردیاب و مشاهده زمین می باشند که برای مقاصد نظامی به کار می روند.برخی از این ماهواره ها که به ماهواره های جاسوسی نیز شهرت دارند قادر به تشخیص دقیق پرتاب موشکها،حرکت کشتی ها در مسیر های دریایی و جابجایی تجهیزات نظامی در روی زمین می باشند.

زندگی و مرگ ماهواره ها

ساخت یک ماهواره

هر ماهواره حامل تجهیزاتیست که برای انجام ماموریت خود به آن ها نیاز دارد. برای مثال ماهواره ای که مامور مطالعه کائنات است مجهز به تلسکوپ و ماهواره مامور پیش بینی وضع هوا مجهز به دوربین مخصوص برای ثبت حرکات ابرها است. علاوه بر تجهیزات تخصصی، همه ماهواره ها دارای سیستمهای اصلی برای کنترل تجهیزات خود و عملکرد ماهواره می باشند. از جمله سیستم تامین انرﮋی، مخازن، سیستم تقسیم برق و … . در هر یک از این بخشها ممکن است از سلول های خورشیدی برای جذب انرﮋی مورد نیاز استفاده شود. بخش داده ها و اطلاعات نیز مجهز به رایانه هایی به منظور جمع آوری و پردازش اطلاعات به دست آمده از طریق تجهیزات و اجرای فرامین ارسال شده از زمین می باشد . هریک از تجهیزات جانبی و بخشهای اصلی یک ماهواره به طور جداگانه طراحی، ساخته و آزمایش می شوند. متخصصان بخشهای مختلف را کنارهم گذاشته و متصل می کنند تا زمانیکه ماهواره کامل شود  و سپس ماهواره در شرایطی نظیر شرایطی که هنگام ارسال از سطح زمین و هنگام استقرار در مدار خود خواهد داشت آزمایش می شود. اگر ماهواره همه آزمایش ها را به خوبی گذراند آماده پرتاب می شود

                                                             

پرتاب ماهواره

برخی ماهواره ها توسط شاتل ها در فضا حمل می شوند ولی اغلب ماهواره ها توسط راکت هایی به فضا فرستاده می شوند که پس از اتمام سوختشان به درون اقیانوسها می افتند. بیشتر ماهواره ها در ابتدا با حداقل تنظیمات در مسیر مدار خود قرار داده می شوند. تنظیمات کامل را راکت هایی انجام می دهند که داخل ماهواره کار گذاشته می شوند. زمانیکه ماهواره در یک مسیر پایدار در مدار خودقرار گرفت می تواند مدت های درازی در همان مدار بدون نیاز به تنظیمات مجدد باقی بماند.

انجام ماموریت

کنترل بیشتر ماهواره ها در مرکزی بر روی زمین است. رایانه ها و افراد  متخصص در مرکز کنترل وضعیت ماهواره را تحت نظر دارند. آنها دستورالعمل ها را به ماهواره ارسال می کنند و اطلاعات جمع آوری شده توسط ماهواره را دریافت می نمایند. مرکز کنترل از طریق امواج رادیویی با ماهواره در ارتباط است. ایستگاه ها یی بر روی زمین این امواج را از ماهواره دریافت و یا به آن ارسال می کنند.

ماهواره ها معمولا به طور دائم از مرکز کنترل دستورالعمل دریافت نمی کنند. آنها در واقع مثل روباتهای چرخان هستند.روباتی که سلول های خورشیدی خود را برای دریافت انرﮋی کافی تنظیم و کنترل می کند و آنتن های خود را برای دریافت دستورات خاص از زمین آماده نگه می دارد. تجهیزات ماهواره به صورت مستقل و اتوماتیک وظایف خود را انجام می دهند و اطلاعات را جمع آوری می کنند.ماهواره ها ی موجود در ارتفاع های بلند مدار ﮋئوسینکرنوس در ارتباط همیشگی و دائم با زمین می باشند. ایستگاه ها ی موجود در زمین می توانند دوازده بار در روز با ماهواره های موجود در ارتفاع کوتاه ارتباط برقرار نمایند. در طول هر تماس ماهواره اطلاعات خود را ارسال و دستورالعمل ها را از ایستگاه دریافت می کند. تبادل اطلاعات تا زمانیکه ماهواره از فراز ایستگاه عبور می کند می تواند ادامه داشته باشد که معمولا زمانی حدود 10 دقیقه است.

چنانچه قسمتی از ماهواره دچار نقص فنی شود اما ماهواره قادر به ادامه ماموریت های خود باشد، معمولا همچنان به کار خود ادامه می دهد. در چنین شرایطی مرکز کنترل روی زمین بخش آسیب دیده را تعمیر و یا مجددا برنامه نویسی می کند. در موارد نادری نیزعملیات تعمیرماهواره  را شاتل ها در فضا انجام می دهند. و اما چنانچه آسیب های وارد آمده به ماهواره به اندازه ای باشد که ماهواره دیگر قادر به انجام ماموریت های خود نباشد مرکز کنترل فرمان توقف ماهواره را صادر می کند.

سقوط از مدار

یک ماهواره در مدار خود باقی می ماند تا زمانیکه شتاب آن کم شود و در چنین حالتی نیروی گرانش، ماهواره را به سمت پایین و به سمت اتمسفر می کشاند. سرعت ماهواره هنگام برخورد با مولکول های خارجی ترین لایه اتمسفر کم می شود. هنگامی که نیروی گرانش ، ماهواره را به سمت لایه های داخلی اتمسفر می کشاند هوایی که در جلوی ماهواره قرار می گیرد سریعا به قدری فشرده و داغ می شود که در این هنگام بخشی و یا تمامی ماهواره می سوزد.

تعقیب ماهواره ها از لحاظ علمی بسیار با ارزش بوده و بیشتر با روشهای عکاسی یا دیدگانی مستقیم انجام می‌شود. به طور کلی ماهواره ها زمانی که آسمان تاریک بوده ولی هنوز ماهواره در مسیر پرتوهای نور خورشید قرار دارند مشاهده‌ می شوند یعنی اوائل شب به مدت 2 تا 3 ساعت بعد از غروب خورشید یا قبل از طلوع خورشید. مدت زمانی که ماهواره قابل مشاهده است بستگی به زمان و مکان رصد کننده ومدار ماهواره دارد. درخشندگی ماهواره هم به چگونگی سطوح بازتاب کننده نور، زاویه فاز (زاویه  بین خورشید و مکان رصد کننده از دید ماهواره) فاصله و ارتفاع ماهواره نسبت به افق از دید رصد کننده بستگی دارد.

در قسمت سوالات المپیاد و آزمونهای نجوم این وبلاگ مسایلی در ارتباط با ماهواره ها و نحوه حل آنها و فرمولهای مربوطه آمده است که امیدوارم مفید واقع شود .