پروژهای فیزیک دانشگاه پیام نور گناوه

مقدمه

واژه‌ي انگليسي Satellite از کلمه‌ي لاتين Satelles به معني همراه، دنباله‌رو يا محافظ شخصي گرفته شده است و در حقيقت ريشه‌اي اتروريايي دارد. بر اساس آثار تاريخي به جا مانده، تارکينيوس سوپربوس (510-534 پيش از ميلاد) آخرين امپراطور روم، که اصليت اتروريايي داشت هميشه با محافظي شخصي همراه بود. اين مفهوم از قرن هفدهم ميلادي در علم کيهان‌شناسي کاربرد داشته است.

ماهواره ، فضاپيمائي است که در حول جسمي ديگر گردش مي کند. ماهواره ها مي توانند به صورت فعال يا غير فعال باشند. ماهواره هاي غير فعال هيچگونه فرستنده راديويي يا منبع ديگري همراه ندارند و در عوض تنها علائم ارسال شده از زمين را باز مي تابانند.

بيشتر ماهواره هاي ساخته شده تاکنون حول کره زمين در حرکتند و در مواردي چون مطالعه کائنات، ايستگاه هاي هواشناسي، انتقال تماس هاي تلفني از فراز اقيانوس ها، رديابي و تعيين مسير کشتي ها و هواپيماها و همينطور امور نظامي به کار مي روند.

ماهواره هايي نيز وجود دارند که دور اجرام نزديک به زمين در حال گردش مي باشند. اين ماهواره ها اغلب اطلاعات مربوط به جرم آسماني که حول آن در گردشند را جمع آوري مي کنند.

اتحاديه جماهير شوروي پرتاب کننده اولين ماهواره مصنوعي، اسپاتنيک ۱، در سال ۱۹۵۷ بود. از آن زمان ايالات متحده و حدود ۴۰ کشور ديگر ، سازنده و پرتاب کننده ماهواره به فضا بوده اند.

امروزه قريب به ۳۰۰۰ ماهواره فعال و ۶۰۰۰ زباله فضايي در حال گردش به دور زمينند.

ساختار ماهواره ها

ماهواره ها تجهيزات فراواني در خود جاي داده اند . يك ماهواره داراي هفت سيستم فرعي است كه هر كدام وظيفه خاص خود را بر عهده دارند :

(1)             سيستم فرعي خروجي شامل موتور شيميايي يا الكتريكي است كه فضاپيما را به مكان دائمي آن هدايت مي كند ، همچنين هدايت موتورهاي كوچك تأمين نيرو را كه موجب نگاهداري ماهواره ها در مكان تعيين شده آن در مدار مي شوند ، بر عهده دارد . ماهواره ها در اثر باد خورشيدي و يا نيروي كششي يا مغناطيسي از مسير خود منحرف مي شوند . در اين زمان با روشن شدن موتورهاي تأمين نيرو ، ماهواره به موقعيت صحيح خود باز مي گردد.

(2)             سيستم فرعي نيرو كه از صفحات خورشيدي خارج از فضاپيما الكتريسيته توليد مي كند. صفحات خورشيدي همچنين با ذخيره كردن الكتريسيته در باطري ذخيره ساز ، هنگامي كه خورشيد بر صفحات نمي تابد ، نيروي لازم را تأمين مي كند . اين نيرو براي به كار انداختن سيستم فرعي ارتباطي مورد استفاده قرار مي گيرد .

(3)             سيستم فرعي ارتباطي كليه كارهاي مربوط به ارسال و دريافت را انجام مي دهد . اين سيستم سيگنالها را از زمين دريافت سپس آنها را تقويت و به ماهواره يا ايستگاه زميني ديگر ارسال مي كند .

(4)             سيستم فرعي ساختاري كه فشارهاي ناشي از پرتاب را پراكنده مي سازد و به عنوان يك پشتيبان محكم و قوي براي اتصال قسمتهاي مختلف ماهواره عمل مي كند .

(5)             سيستم فرعي حرارتي ، قسمتهاي فعال ماهواره را خنك نگه مي دارد تا بتواند به درستي كار كنند . اين سيستم ، گرماي حاصل از عملكرد ماهواره را به فضا هدايت مي كند تا گرما در كار ماهواره اختلالي ايجاد نكند .

(6)             سيستم فرعي كنترل وضعيت ، ارتباط سيگنالهاي ماهواره به جاي پا را در روي زمين حفظ مي كند . ماهواره ها نبايد از جاي خود تكان بخورند يا منحرف شوند ، زيرا اگر ماهواره دقيقاً در جاي تعيين شده نباشد ، ارسال اطلاعات به مكان دقيق در روي كره زمين دچار اشكال شده و در برنامه هاي تلويزيوني  و ارتباطات تلفني اختلال  ايجاد مي شود . اگر ماهواره از مكان اصلي خارج شود ، سيستم فرعي كنترل وضعيت به سيستم خروج فرمان مي دهد تا با روشن كردن يك موتور تأمين نيرو ماهواره را به وضعيت صحيح خود بازگرداند .

(7)             اداره كنندگان ماهواره در ايستگاه هاي زميني بايد قادر باشند تا فرمانهايي را به ماهواره ارسال كنند و كاركرد صحيح آنرا تحت كنترل داشته باشد ؛ بدين منظور سيستم فرعي فرمان و كنترل از راه دور ، ارتباط افراد مستقر در ايستگاه زميني را با ماهواره فراهم مي سازد .

 ماهواره محفظه‌اي فلزي به شکل کره، استوانه يا مخروط است. پوشش فلزي ماهواره‌ها بايد بسيار مقاوم باشد، زيرا اين وسيله نوسانات حرارتي شديدي را بايد تحمل کند. اگر ماهواره در سايه‌ي زمين قرار گيرد، چنان سرد مي‌شود که قطعاتش به صدا در مي‌آيند و بر عکس، در برابر خورشيد، بدنه‌ي فلزي آن به شدت گرم مي‌شود. بنابراين، هميشه اين خطر وجود دارد که ابزارهاي موجود در ماهواره بيش از حد گرم يا چنان سرد شوند که از کار بيفتند. چون در فضا هوا وجود ندارد، تنظم دما به شيوه‌ي تبادل حرارتي با محيط ممکن نيست، اما به شيوه‌ي تابشي مي‌توان مقدار دما را تغيير داد. به همين دليل، ماهواره‌ها را با موادي مي‌پوشانند که عايق حرارتي باشند و پرتوهاي رسيده را منعکس کنند.

پرتاب ماهواره ها

بيشتر ماهواره ها را با موشک به فضا مي‌فرستند. اين موشک‌ها پس از اتمام سوختشان به درون اقيانوس‌ها مي‌افتند. ماهواره ها در آغاز فعاليت خود وزن بيشتري نسبت به پايان فعاليت دارند ، زيرا آنها براي ت‍أمين نيروي موتورها و پرتاب و نگهداري در مدار خود سوخت حمل مي كنند كه با مصرف شدن آن ، ماهواره ها سبكتر ميشوند. ماهواره ها تا حد امكان سبك ساخته ميشوند ، زيرا پرتاب يك ماهواره و رساندن آن تا مدارش به ازاي هر پوند (454 گرم) وزن 15 هزار دلار هزينه دارد.

انواع ماهواره ها

ماهواره هاي مصنوعي بر اساس ماموريت هايشان طبقه بندي مي شوند. شش نوع اصلي ماهواره وجود دارند:

(۱) تحقيقات علمي

      وظايف:

1.     جمع آوري اطلاعات مربوط به ساختار، ترکيب و تأثيرات فضاي اطراف

     کره زمين.                            

2.     ثبت تغييرات در سطح و جو کره زمين 

                    3.  مشاهده سيارات، ستاره ها و اجرام آسماني در فواصل بسيار دور

(۲) هواشناسي

      وظايف:

                    1. کمک به دانشمندان براي تهيه نقشه هاي هواشناسي و پيش بيني وضعيت

                        آب و هوا

                    2. مشاهده وضعيت اتمسفر مناطق گسترده اي از زمين

                    3. اندازه گيري مشخصات ابرها، دما، فشار هوا، بارندگي و ترکيبات شيميايي

                        اتمسفر

(۳) ارتباطي

      وظايف:

              1. ايستگاه هاي تقويت کننده سيگنال ها هستند، از نقطه اي امواج را دريافت و به
                   نقطه اي ديگر ارسال مي کنند

                     2. در آن واحد هزاران تماس تلفني و چندين برنامه شبکه تلويزيوني را تحت  
                          پوشش قرار مي دهد

(۴) ردياب

      وظيفه:

                     1. مکان يابي کليه هواپيماها، کشتي ها و خودروها و همچنين افراد عادي بر روي
                         زمين

(۵) مشاهده زمين

      وظايف:

                     1. تهيه نقشه و بررسي کليه منابع سياره زمين و تغييرات ماهيتي چرخه هاي حياتي
                         در آن

                     2. مکان يابي معادن و مراکز منابع در زمين

(۶) تأسيسات نظامي (مشتمل از ماهواره هاي هواشناسي، ارتباطي، ردياب و مشاهده زمين)

      وظيفه:
                   تشخيص دقيق پرتاب موشکها، حرکت کشتي ها در مسير هاي دريايي و جابجايي 
                      تجهيزات نظامي در روي زمين

انواع مدارها

مدار ماهواره ، مسيري است که ماهواره در اطراف يک جسم در فضا دنبال ميکند. کشش نيروي جاذبه زمين باعث ميشود که ماهواره ها در يک مسير دايره اي يا بيضي شکل قرار گيرند. مدارهاي ماهواره ها اشکال گوناگوني دارند. برخي دايره شکل و برخي به شکل بيضي مي باشند. مدارها از لحاظ ارتفاع (فاصله از جرمي که ماهواره حول آن در گردش است) نيز با يکديگر تفاوت دارند. براي مثال بعضي از ماهواره در مداري دايره شکل حول زمين خارج از اتمسفر در ارتفاع ۲۵۰ کيلومتر(۱۵۵ مايل) در حرکتند و برخي در مداري حرکت مي کنند که بيش از ۳۲۲۰۰ کيلومتر (۲۰۰۰۰ مايل) از زمين فاصله دارد.

يک ماهواره زماني در مدار خود باقي مي ماند که بين شتاب ماهواره ( سرعتي که ماهواره مي تواند در طي يک مسير مستقيم داشته باشد) و نيروي گرانش ناشي از جرم آسماني که ماهواره تحت تاثير آن مي باشد و دور آن در گردش است تعادل وجود داشته باشد.

 چنانچه شتاب ماهواره اي بيشتر از گرانش زمين باشد ماهواره در يک مسير مستقيم از زمين دور مي شود و چنانچه اين شتاب کمتر باشد ماهواره به سمت زمين برخواهد گشت.

انواع گوناگوني از مدارها وجود دارند اما اغلب ماهواره هايي که حول زمين در گردشند در يکي از اين پنج گونه مدار حرکت ميکنند:

سقوط از مدار

يک ماهواره در مدار خود باقي مي ماند تا زمانيکه شتاب آن کم شود و در چنين حالتي نيروي گرانش ماهواره را به سمت پايين و به سمت اتمسفر مي کشاند. سرعت ماهواره هنگام برخورد با مولکول هاي خارجي ترين لايه اتمسفر کم مي شود. هنگامي که نيروي گرانش ماهواره را به سمت لايه هاي داخلي اتمسفر مي کشاند هوايي که در جلوي ماهواره قرار مي گيرد سريعاً به قدري فشرده و داغ مي شود که در اين هنگام بخشي و يا تمامي ماهواره مي سوزد.

حرکت ماهواره در مدارها

نيرويي که دستگاه را در مدار خود نگه ميدارد (نيروي جانب مرکز) نيروي جاذبه زمين وارد بر ماهواره است. اغلب ماهواره ها در يک فاصله ثابت به زمين در حال گردش هستند. برخي ماهواره ها در بعضي از قسمتهاي مدار به زمين نزديکتر شده (نزديکترين نقطه مدار از زمين را حضيض ميگويند) و در قسمتهاي ديگر از زمين دورتر ميشوند.(دورترين نقطه از زمين را اوج مينامند). ماهواره‌هاي موجود در ارتفاع زياد (مدار ژئوسينکرونوس) در ارتباط هميشگي با زمين هستند. اما ماهواره‌هاي موجود در ارتفاع کم 12 بار در روز با مرکز کنترل ارتباط برقرار مي‌کنند. تبادل اطلاعات با مرکز تا زماني که ماهواره از فراز ايستگاه عبور مي‌کند ادامه دارد که معمولا اين مدت حدود ده دقيقه است.

حرکت ماهواره ها از شمال به جنوب است ؛ زيرا هر يک دور چرخش اين ماهواره ها به دور زمين حدود ۱.۵ ساعت طول مي‌کشد و در طول اين مدت ماهواره يک نوار مشخص از سطح زمين را پوشش مي‌دهد و از آنجايي که در طول اين مدت زمين هم در حال چرخش است در ۱.۵ ساعت دوم يک نوار ديگر از زمين را پوشش مي‌دهد، در نتيجه در هر ۱۶ ساعت يک مجموعه کامل عکس از کره زمين گرفته مي‌شود. از آنجايي که ماهواره‌هاي جاسوسي بايد همه زمين را زير نظر داشته باشند آنها را از شمال به جنوب مي‌فرستند. نکته جالب توجهي که وجود دارد اين است که اگر ۲۰ هزار کيلومتر از سطح زمين بالا برويم به مکاني مي‌رسيم که از آنجا هر دور چرخش حول زمين دقيقآ ۲۴ ساعت طول مي‌کشد و همانطور که مي‌دانيم در عرض اين ۲۴ ساعت زمين هم يک دور به دور خودش مي چرخد به همين دليل از آن مکان همواره يک نقطه از زمين را مي‌بينيم و بر اين اساس همه ماهواره‌هاي مخابراتي را آنجا قرار مي‌دهند. اين ماهواره‌هاي مخابراتي ۳ عدد هستند که در فضا ۱۲۰ درجه با يکديگر فاصله دارند و کل زمين را پوشش مي‌دهند. (البته تعداد شرکت‌هاي فرستنده اين ماهواره‌ها زياد است و هر يک از اين شرکت‌ها از ۳ ماهواره استفاده مي‌کنند)

مدار قطبي: ماهواره اي که در مدار قطبي قرار دارد توأم با حرکت وضعي زمين حرکت ميکند و به دو قطب زمين ميرسد. در اين حالت ماهواره ميتواند تقريبا تمام سطح زمين را مشاهده کند. اگر يک نقطه ثابت را در مدار در نظر بگيريم، ماهواره در هر 24 ساعت يکبار و هربار درهمان وقت روز قبل از آن نقطه مي گذرد.

مدار زمين ساکن: مدار زمين ساکن به ماهواره ها اجازه ميدهد علائم خود را به نقاط ثابت مشخصي در زمين مخابره کنند. مدار زمين ساکن آنچنان مورد استفاده اين ماهواره ها قرار مي گيرد که محل استقرار و امواج راديويي آنها را توافقهاي بين المللي تعيين مي کند. در اين مدار، ماهواره ها ميتوانند تا فاصله 70 کيلومتري به هم نزديک شوند. براي جلوگيري از تداخل امواج فرستنده هايشان، اين ماهواره ها بايد از فرکانس هاي راديويي متفاوت استفاده کنند.

بطور معمول حدود 200 ماهواره فعال در مدار زمين ساکن که مناسبترين مسير مداري محسوب مي شود قرار دارند. در ارتفاع 36 هزار کيلومتري از خط استوا، زمان لازم براي گردش کامل ماهواره به دور زمين درست برابر است با زمان حرکت وضعي زمين (حرکت زمين بدور خود). به همين خاطر ، ماهواره هميشه در يک نقطه ثابت بر فراز خط استوا قرار مي گيرد.

مدارهاي کم ارتفاع(لئو): با استفاده از کمترين انرژي ميتوان به مدار کم ارتفاع رسيد. به همين دليل است که ماهواره هاي سنگينتر دسترسي بيشتري به اين مدار دارند. شاتل فضايي و ايستگاه فضايي هر دو با حرکت در اين مدار – مدار کم ارتفاع – روزانه زمين را چند بار دور ميزنند. ايستگاه فضايي مير که در ارتفاع 300 تا 400 کيلومتري از سطح زمين قرار دارد، هر 90 دقيقه يکبار و هرروز 16 بار مدار زمين را دور مي زند. از زمين ، حرکت ماهواره ها در مدار کم ارتفاع (لئو) خيلي آهسته به نظر ميرسد.

مدار هاي غير عادي: مدار هاي غير عادي برخلاف مدارهاي دايره اي، از طول بيشتر و عرض کمتري برخوردار هستند. قسمتهايي از اين مدار به زمين نزديک و قسمتهايي نيز از آن دور هستند؛ اين امر باعث ميشود، ماهواره ها در بعضي از قسمتهاي مدار به زمين نزديک و در ديگرقسمتهاي آن از زمين دور ميشوند.

مدارهاي زمين ساکن انتقالي: مدارهاي زمين ساکن انتقالي مدارهاي موقتي هستند که براي انتقال يک ماهواره از مدارهاي نزديک به زمين به مدارهاي دور زمين ساکن مورد استفاده قرار مي گيرند. ماهواره ها را ابتدا در مدار زمين ساکن انتقالي قرار مي دهند و پس از آن به مدار زمين ساکن مناسب هدايت مي کنند.

رسيدن ماهواره‌ها به مدار خود

ماهواره‌ها در بالاترين قسمت موشک‌هاي باربري قرار مي‌گيرند و سفرشان را به سوي مدار مورد نظر آغاز مي‌کنند. اغلب اين موشک‌ها از مرحله‌ها يا طبقاتي تشکيل مي‌شوند که هر کدام داراي يک موتور پيشبرنده‌اند. وقتي سوخت يک مرحله به پايان مي‌رسد، محفظه‌ي خالي از موشک جدا مي‌شوند و کار مرحله‌ي بعدي آغاز مي‌گردد. به طوري که سرانجام موشک در سطحي موازي با لايه‌هاي فوقاني جو زمين پيش مي‌رود. قبل از آنکه آخرين مخزن سوخت موشک از ماهواره جدا شود، ماهواره بايد به سرعت مناسب براي حرکت در
مدار مورد نظر رسيده باشد. بعضي از موشک‌ها ماهواره را مستقيم به مدار مورد نظر
مي‌رسانند. بعضي از آنها نيز ماهواره‌ها را ابتدا به مداري مي‌برند که به منزله‌ي توقف‌‌گاه يا محل پرتاب نهايي ماهواره است. ماهواره‌هايي که در اين مدارهاي موسوم به «مدارهاي انتقالي» قرار مي‌گيرند به کمک سيستم پيشبرنده‌اي که ويژه‌ي خود آنهاست به سوي مدار واسطه‌اي ديگر و سرانجام به سوي مدار نهايي بالا مي‌روند تا وظايف‌شان را در آنجا انجام دهند.

به جابه‌جايي‌هاي ماهواره‌ها از يک مدار به مداري ديگر در فضا « انتقال مداري» مي‌گويند. اين انتقال به طور معمول در نقطه‌اي موسوم به «گذرگاه هوهمان» انجام مي‌گيرد. اين گذرگاه که دو مدار را به يکديگر مربوط مي‌کند نخستين بار توسط « والتر هوهمان» مهندس آلماني شناسايي شد. براي جابه‌جايي ماهواره‌ها از يک مدار به مدار بالاتر دو نيروي محرک به آن اعمال مي‌شود. محرک اول زماني که ماهواره در نزديک‌ترين نقطه‌ي مدار نسبت به زمين قرار داد. و محرک دوم زماني که ماهواره در دورترين نقطه‌ي مدار نسبت به زمين قرار دارد، دريافت مي‌گردد.

تثبيت ماهواره‌ها بر مدار خود

ماهواره‌ بايد به سرعتي معين و متناسب با ارتفاع خود برسد تا از مدار خارج نشود و به سوي زمين سقوط نکند. اين سرعت به گونه‌اي است که بين نيروي جاذبه‌ي زمين و کششي که مي‌تواند ماهواره را از مدار دور زمين خارج سازد (نيروي گريز از مرکز) توازن برقرار مي‌کند. به همين ترتيب ماهواره بايد راستاي حرکت يا مکان مشخصي در فضا داشته باشد تا براي مثال بتواند اخبار ارسالي از آنتن‌هاي زمين را دريافت کند. اما اغلب در جريان مأموريت‌هاي ماهواره‌اي لازم مي‌شود که مدار حرکت ماهواره تغيير کند. راستاي نيروي گريز از مرکز زمين به طرف خارج است. اين نيرو ماهواره‌هايي را که روي مدارهاي دور زمين حرکت مي‌کنند نيز تحت تأثير قرار مي‌دهد. به گونه‌اي که گويي آنها را به خارج از مدار و نقاط دورتر از زمين مي‌راند (پرتاب مي‌کند(.

نيروي جاذبه‌ي زمين در جهت مخالف نيروي گريز از مرکز عمل مي‌کند و ماهواره‌ها را به سوي زمين مي‌کشد. نيروي گريز از مرکز و نيروي جاذبه بايد با يکديگر تعادل داشته باشند به گونه‌اي که ماهواره‌ها به زمين سقوط نکنند، يا براي هميشه در فضا ناپديد نشوند. اين شرايط در صورتي فراهم مي‌شوند که مقدار نيروي گريز از مرکز با مقدار نيروي جاذبه تناسب داشته باشد.

تجهيزات ويژه‌اي براي ماهواره‌ها طراحي شده است که به کمک حسگر‌ها و هدايت کننده‌هايي خاص جهت حرکت و محل استقرار آنها را روي مدار شناسايي و تنظيم مي‌کنند . به همين ترتيب يک دستگاه هدايت سه محوره و هدايت چرخشي نيز به ماهواره‌ها کمک مي‌کند تا بتواند در نقطه‌ي ثابتي در فضا باقي بماند. با استفاده از تنظيمات چرخشي همين دستگاه، ماهواره حول محور مرکزي خود به چرخش در مي‌آيد. هم چنين تثبيت ماهواره نسبت به سه محور اصلي سبب مي‌شود که دستگاه‌هاي تأمين انرژي و تجهيزات مربوط به تنظيم سرعت ماهواره نيز موقعيت ثابتي داشته باشند.

ماهواره‌هايي که بايد هميشه در نقطه‌ي ثابتي از مدار (نقطه‌ي ثابتي نسبت به زمين) قرار داشته باشند، قبل از هر چيز به موتورهايي احتياج دارند که بتوانند آنها را به مدار مقصد در ارتفاع 36000 کيلومتري زمين برسانند.

                                                                 منابع

WWW.ACADEMIST.IR      

WWW.EDU.TEBYAN.NET       

WWW.GEOYAZD.BLOGFA.COM     

WWW.SARMAST.ARYANABLOG.COM       

WWW.GEOGRAPHY-DEPT.TALIF.SCH.IR      

WWW.HONARESTAN2007.BLOGFA.COM