ماهواره ي مصنوعي

ماهواره ي مصنوعي شي ايست که توسط انسان ساخته شده و به طور مداوم در حال حرکت در مداري حول زمين يا اجرام ديگري در فضا مي باشد

بيشتر ماهواره هاي ساخته شده تاکنون حول کره زمين در حرکتند و در مواردي چون مطالعه کائنات، ايستگاه هاي هوا شناسي، 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 ماه، خورشيد، اجرام نزديک به زمين و سياراتي نظير زهره، مريخ و مشتري در حال گردش مي باشند. اين ماهواره ها اغلب اطلاعات مربوط به جرم آسماني که حول آن در گردشند را جمع آوري مي کنند.

به جز ماهواره هاي مصنوعي مذکور اشياي در حال گردش ديگري نيز در فضا وجود دارند از جمله فضا پيما ها، کپسول هاي فضايي و ايستگاه هاي فضايي که به آنها نيز ماهواره مي گوييم. البته اجرام ديگري نيز در فضا وجود دارند به نام زباله هاي فضايي شامل بالا برنده هاي مستهلک راکت ها، تانک هاي خالي سوخت و ... که به زمين سقوط نکرده اند و در فضا در حرکتند. در اين مقاله به اين اجرام نمي پردازيم.

(اسپاتنيک 1 اولين ماهواره مصنوعي)

اتحاد جماهير شوروي پرتاب کننده اولين ماهواره مصنوعي، اسپاتنيک 1، در سال 1957 بود ( اسپاتنيک در زبان روسي به معني همسفر مي باشد). از آن زمان ايالات متحده و حدود 40 کشور ديگر سازنده و پرتاب کننده ماهواره به فضا بوده اند.

امروزه قريب به 3000 ماهواره فعال و 6000 زباله فضايي در حال گردش به دور زمين اند.

انواع مدارها

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 250 کيلومتر(155 مايل) در حرکتند و برخي در مداري حرکت مي کنند که بيش از 32200 کيلومتر (20000 مايل) از زمين فاصله دارد. ارتفاع بيشتر مدار برابر است با دوره گردش ( مدت زمانيکه ماهواره يک دور کامل در مدار خود حرکت مي کند) طولاني تر.

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 سقوط مي کند.

براي درک بهتر تعادل بين گرانش و شتاب، جسم کوچکي را در نظر بگيريد که به انتهاي يک رشته طناب متصل و در حال چرخش است. اگر طناب پاره شود جسم متصل به آن در يک مسير صاف به زمين مي افتد. طناب در واقع کار گرانش را انجام مي دهد تا شي بتواند به چرخش خود ادامه دهد. ضمنا وزن شي و طناب مي توانند نشانگر رابطه بين ارتفاع ماهواره و دوره گردش آن باشد. طناب بلند مانند ارتفاع بلند است. هر چه طناب بلندتر باشد زمان بيشتري نياز است تا شي متصل به آن يک دور کامل بچرخد. طناب کوتاه مانند ارتفاع کوتاه است و در زمان کمتري شي مذکور يک دور کامل در مدار خود گردش خواهد کرد.

انواع گوناگوني از مدارها وجود دارند اما اغلب ماهواره هايي که حول زمين در گردشند در يکي از اين چهار گونه مدار حرکت مي کنند. (1) ارتفاع بلند، ژئوسينکرنوس. (2) ارتفاع متوسط. (3) سان سينکرنوس، قطبي. (4) ارتفاع کوتاه . شکل اغلب اين گونه مدارها دايره ايست.

مدارهاي ارتفاع بلند، ژئوسينکرنوس بر فراز استوا و در ارتفاع 35900 کيلومتر(22300 مايل) قرار دارند. ماهواره هاي اينگونه مدارها حول محور عمودي زمين با سرعت و جهت برابر حرکت زمين حرکت مي کنند. بنابراين هنگام رصد آنها از روي زمين همواره در نقطه اي ثابت به نظر مي رسند. براي پرتاب و ارسال اين ماهواره ها انرژي بسيار فراواني لازم است.

ارتفاع يک مدار متوسط حدود 20000 کيلومتر (12400 مايل) و دوره گردش ماهواره هاي آن 12 ساعت است . مدار خارج از اتمسفر زمين و کاملا پايدار است. امواج راديويي که از ماهواره هاي موجود در اين مدارها ارسال مي گردد در مناطق بسيارزيادي از زمين قابل دريافت است. پايداري و وسعت مناطق تحت پوشش اين گونه مدارها آنها را براي ماهواره هاي ردياب مناسب مي نمايد.

مدارهاي سان سينکرنوس، قطبي، ارتفاع نسبتا کوتاهي دارند. آنها تقريبا از فراز هر دو قطب زمين عبور مي کنند.مکان اين مدارها متناسب با حرکت زمين به دور خورشيد در حرکت است به گونه ايکه ماهواره ي اين مدار خمواره در يک ساعت محلي ثابت از استوا عبور مي کند. از آنجاييکه اين ماهواره ها از همه عرض هاي جغرافي زمين مي گذرند قادرند که اطلاعات را از تمامي سطح زمين دريافت نمايند. در اينجا مي توان ماهواره TERRA را به عنوان مثال نام برد. وظيفه اين ماهواره مطالعه اثرات چرخه ها ي طبيعي و فعاليت هاي انسان بر روي آب و هواي کره زمين است. ارتفاع مدار اين ماهواره 705 کيلومتر (438 مايل) و دوره گردش آن 99 دقيقه است. زمانيکه اين ماهواره از استوا عبور مي کند ساعت محلي هميشه 10:30 صبح و يا 10:30 شب است.

يک مدار ارتفاع کوتاه درست بر فراز جو زمين قرار دارد جايي که تقريبا هوايي براي ايجاد تماس و اصطکاک وجود ندارد. براي ارسال ماهواره به اين نوع مدارها انرژي کمتري نسبت به سه نوع مدار مذکور ديگر لازم است. ماهواره ها ي مطالعاتي که مسئول دريافت اطلاعات از اعماق فضا مي باشند غالبا در اين مدارها در حرکتند. براي مثال تلسکوپ هابل که در ارتفاع 610 کيلومتر(380 مايل) با دوره گردش 97 دقيقه در حرکت است.

انواع ماهواره ها

ماهواره هاي مصنوعي بر اساس ماموريت هاي شان طبقه بندي مي شوند. شش نوع اصلي ماهواره وجود دارند. (1) تحقيقات علمي، (2) هواشناسي، (3) ارتباطي، (4) درياب، (5) مشاهده زمين، (6) تاسيسات نظامي.

ماهواره هاي تحقيقات علمي اطلاعات را به منظور بررسي هاي کارشناسي جمع آوري مي کنند. اين ماهواره ها اغلب به منظور انجام يکي از سه ماموريت زير طراحي و ساخته مي شوند. (1) جمع آوري اطلاعات مربوط به ساختار، ترکيب و تاثيرات فضاي اطراف کره زمين. (2) ثبت تغييرات در سطح و جو کره زمين. اين ماهواره ها اغلب در مدارهاي قطبي در حرکتند. (3) مشاهده سيارات، ستاره ها و اجرام آسماني در فواصل بسيار دور. بيشتر اين ماهواره ها در ارتفاع کوتاه در حرکتند. ماهواره هاي مخصوص تحقيقات علمي حول سيارات ديگر، ماه و خورشيد نيز حضور دارند.

ماهواره هاي هواشناسي به دانشمندان براي مطالعه بر روي نقشه هاي هواشناسي و پيش بيني وضعيت آب و هوا کمک مي کنند. اين ماهواره ها قادر به مشاهده وضعيت اتمسفر مناطق گسترده اي از زمين مي باشند.

بعضي از ماهواره هاي هواشناسي در مدارهاي سان سينکرنوس، قطبي، در حرکتند که توانايي مشاهده بسيار دقيق تغييرات در کل سطح کره زمين را دارند. آنها مي توانند مشخصات ابرها، دما، فشار هوا، بارندگي و ترکيبات شيميايي اتمسفر را اندازه گيري نمايند. از آنجا که اين ماهواره ها همواره هر نقطه از زمين را در يک ساعت مشخص محلي مشاهده مي کنند دانشمندان با اطلاعات به دست آمده قادر به مقايسه دقيق تر آب و هواي مناطق مختلف اند. ضمنا شبکه جهاني ماهواره هاي هواشناسي که در اين مدارها در حرکتند مي توانند نقش يک سيستم جستجو و نجات را بر عهده گيرند. آنها تجهيزات مربوط به شناسايي سيگنال هاي اعلام خطر در همه هواپيما ها و کشتي هاي خصوصي و غير خصوصي را دارا هستند.

بقيه ماهواره هاي هواشناسي در ارتفاع هاي بلند تر در مدارهاي ژئوسينکرنوس قرار دارند. از اين مدارها، آنها مي توانند تقريبا نصف کره زمين و تغييرات آب و هوايي آن را در هر زمان مشاهده کنند. تصاوير اين ماهواره ها مسير حرکت ابرها و تغييرات آنها را نشان مي دهد. آنها همينطور تصاوير مادون قرمز نيز تهيه مي کنند که گرماي زمين و ابرها را نشان مي دهد.

ماهواره هاي ارتباطي در واقع ايستگاه هاي تقويت کننده سيگنال ها هستند، از نقطه اي امواج را دريافت و به نقطه اي ديگر ارسال مي کنند. يک ماهواره ارتباطي مي تواند در آن واحد هزاران تماس تلفني و چندين برنامه شبکه تلويزيوني را تحت پوشش قرار دهد. اين ماهواره ها اغلب در ارتفاع هاي بلند، مدار ژئوسينکرنوس و بر فراز يک ايستگاه در زمين قرار داده مي شوند.

يک ايستگاه در زمين مجهز به آنتني بسيار بزرگ براي دريافت و ارسال سيگنال ها مي باشد. گاهي چندين ماهواره که دريک شبکه و در مدارهاي کوتاه تر قرار گرفته اند، امواج را دريافت و با انتقال دادن سيگنال ها به يکديگر آنها را به کاربران روي زمين در اقصي نقاط آن مي رسانند. سازمانهاي تجاري مانند تلويزيون ها و شرکت هاي مخابراتي در کشورهاي مختلف از کاربران دائمي اين نوع ماهواره ها هستند.

به کمک ماهواره هاي ردياب، کليه هواپيماها، کشتي ها و خودروها بر روي زمين قادربه مکان يابي با دقت بسيار زياد خواهند بود. علاوه بر خودروها و وسايل نقليه اشخاص عادي نيز ميتوانند از شبکه ماهواره هاي ردياب بهره مند شوند.در واقع سيگنال هاي اين شبکه ها در هر نقطه اي از زمين قابل دريافتند.

دستگاه هاي دريافت کننده، سيگنال ها را حداقل از سه ماهواره فرستنده دريافت و پس از محاسبه کليه سيگنال ها، مکان دقيق را نشان مي دهند

ماهواره هاي مخصوص مشاهده زمين به منظور تهيه نقشه و بررسي کليه منابع سياره زمين و تغييرات ماهيتي چرخه هاي حياتي در آن، طراحي و ساخته مي شوند. آنها در مدارهاي سان سينکرنوس قطبي در حرکتند. اين ماهواره ها دائما در شرايط تحت تابش نور خورشيد مشغول عکس برداري از زمين با نور مرئي و پرتو هاي نا مرئي هستند.

رايانه ها در زمين اطلاعات به دست آمده را بررسي و مطالعه مي کنند. دانشمندان به کمک اين ماهواره معادن و مراکز منابع در زمين را مکان يابي و ظرفيت آنها را مشخص مي کنند.همينطور مي توانند به مطالعه بر روي منابع آبهاي آزاد و يا مراکز ايجاد آلودگي و تاثيرات آنها و يا آسيب هاي جنگل ها و مراتع بپردازند.

ماهواره هاي تاسيسات نظامي مشتمل از ماهواره هاي هواشناسي، ارتباطي، ردياب و مشاهده زمين مي باشند که براي مقاصد نظامي به کار مي روند.برخي از اين ماهواره ها که به ماهواره هاي جاسوسي نيز شهرت دارند قادر به تشخيص دقيق پرتاب موشک ها، حرکت کشتي ها در مسير هاي دريايي و جابجايي تجهيزات نظامي در روي زمين مي باشند.

زندگي و مرگ ماهواره ها

ساخت يک ماهواره

هر ماهواره حامل تجهيزاتي است که براي انجام ماموريت خود به آن ها نياز دارد. براي مثال ماهواره اي که مامور مطالعه کائنات است مجهز به تلسکوپ و ماهواره مامور پيش بيني وضع هوا مجهز به دوربين مخصوص براي ثبت حرکات ابرها است.

علاوه بر تجهيزات تخصصي، همه ماهواره ها داراي سيستمهاي اصلي براي کنترل تجهيزات خود و عملکرد ماهواره مي باشند. از جمله سيستم تامين انرژي، مخازن، سيستم تقسيم برق و ... . در هر يک از اين بخش ها ممکن است از سلول هاي خورشيدي براي جذب انرژي مورد نياز استفاده شود. بخش داده ها و اطلاعات نيز مجهز به رايانه هايي به منظور جمع آوري و پردازش اطلاعات به دست آمده از طريق تجهيزات و اجراي فرامين ارسال شده از زمين مي باشد.

هريک از تجهيزات جانبي و بخشهاي اصلي يک ماهواره به طور جداگانه طراحي، ساخته و آزمايش مي شوند. متخصصان بخشهاي مختلف را کنار هم گذاشته و متصل مي کنند تا زمانيکه ماهواره کامل شود و سپس ماهواره در شرايطي نظير شرايطي که هنگام ارسال از سطح زمين و هنگام استقرار در مدار خود خواهد داشت آزمايش مي شود. اگر ماهواره همه آزمايش ها را به خوبي گذراند آماده پرتاب مي شود.

پرتاب ماهواره

برخي ماهواره ها توسط شاتل ها در فضا حمل مي شوند ولي اغلب ماهواره ها توسط راکت هايي به فضا فرستاده مي شوند که پس از اتمام سوخت شان به درون اقيانوس ها مي افتند.بيشتر ماهواره ها در ابتدا با حداقل تنظيمات در مسير مدار خود قرار داده مي شوند. تنظيمات کامل را راکت هايي انجام مي دهند که داخل ماهواره کار گذاشته مي شوند. زمانيکه ماهواره در يک مسير پايدار در مدار خود قرار گرفت مي تواند مدت هاي درازي در همان مدار بدون نياز به تنظيمات مجدد باقي بماند.

انجام ماموريت

کنترل بيشتر ماهواره ها در مرکزي بر روي زمين است. رايانه ها و افراد متخصص در مرکز کنترل وضعيت ماهواره را تحت نظر دارند. آنها دستورالعمل ها را به ماهواره ارسال مي کنند و اطلاعات جمع آوري شده توسط ماهواره را دريافت مي نمايند. مرکز کنترل از طريق امواج راديويي با ماهواره در ارتباط است. ايستگاه هايي بر روي زمين اين امواج را از ماهواره دريافت و يا به آن ارسال مي کنند.

ماهواره ها معمولا به طور دائم از مرکز کنترل دستورالعمل دريافت نمي کنند. آنها در واقع مثل روبات هاي چرخان هستند.روباتي که سلول هاي خورشيدي خود را براي دريافت انرژي کافي تنظيم و کنترل مي کند و آنتن هاي خود را براي دريافت دستورات خاص از زمين آماده نگه مي دارد. تجهيزات ماهواره به صورت مستقل و اتوماتيک وظايف خود را انجام مي دهند و اطلاعات را جمع آوري مي کنند.

ماهواره ها ي موجود در ارتفاعات بلند مدار ژئوسينکرنوس در ارتباط هميشگي و دائم با زمين مي باشند. ايستگاه ها ي زمين مي تواند دوازده بار در روز با ماهواره هاي موجود در ارتفاع کوتاه ارتباط برقرار نمايند. در طول هر تماس ماهواره اطلاعات خود را ارسال و دستورالعمل ها را زا ايستگاه دريافت مي کند. تبادل اطلاعات تا زمانيکه ماهواره از فراز ايستگاه عبور مي کند مي تواند ادامه داشته باشد که معمولا زماني حدود 10 دقيقه است.

چنانچه قسمتي از ماهواره دچار نقص فني شود اما ماهواره قادر به ادامه ماموريت هاي خود باشد، معمولا همچنان به کار خود ادامه مي دهد. در چنين شرايطي مرکز کنترل روي زمين بخش آسيب ديده را تعمير و يا مجددا برنامه نويسي مي کند. در موارد نادري نيز عمليات تعمير ماهواره را شاتل ها در فضا انجام مي دهند. و اما چنانچه آسيب هاي وارد آمده به ماهواره به اندازه اي باشد که ماهواره ديگر قادر به انجام ماموريت هاي خود نباشد مرکز کنترل فرمان توقف ماهواره را صادر مي کند.

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 سريعا به قدري فشرده و داغ مي شود که در اين هنگام بخشي و يا تمامي ماهواره مي سوزد.

تاريخچه

در سال 1955 اتحاد جماهير شوروي تحقيقات خود را براي پرتاب ماهواره مصنوعي به فضا آغاز کرد. در تاريخ چهارم اکتبر 1957 اين اتحاديه ماهواره اسپاتنيک 1 را به عنوان اولين ماهواره مصنوعي به فضا ارسال نمود. اين ماهواره در هر 96 دقيقه يک دور کامل به دور زمين مي چرخيد و اطلاعات به دست آورده خود را به شکل سيگنال هاي راديويي قابل دريافت به زمين ارسال مي کرد. در تاريخ 3 نوامبر 1957 اتحاد جماهير شوروي دومين ماهواره مصنوعي يعني اسپاتنيک 2 را به فضا فرستاد. اين ماهواره حامل اولين حيواني بود که به فضا سفر کرد. سگي به نام لايکا. پس از آن ايالات متحده ماهواره کاوشگر1 را در تاريخ 31 ژانويه 1958 و ونگارد 1 را در تاريخ 17 مارس همان سال به فضا فرستاد.

نخستين ماهواره ارتباطي اکو1 در ماه آگوست سال 1960 از ايالات متحده به فضا فرستاده شد. اين ماهواره امواج راديويي به زمين مي فرستاد. در آوريل 1960 نيز اولين ماهواره هواشناسي تيروس 1 که تصاوير ابرها را به زمين ارسال مي کرد فرستاده شد.

نيروي دريايي آمريکا سازنده اولين ماهواره ردياب، ترانزيت 1ب در آوريل سال 1960 بود. به اين ترتيب تا سال 1965 در هر سال بيش از 100 ماهواره به مدارهايي در فضا فرستاده شدند.

از سال 1970 دانشمندان به کمک رايانه و نانو تکنولوژي موفق به اختراع سازه ها و تجهيزات پيشرفته تري براي ماهواره شده اند. علاوه بر ساير کشور ها ديگر سازمانهاي تجاري نيز مبادرت به خريداري و ارسال ماهواره نموده اند. در سالهاي اخير بيشتر از 40 کشور و از جمله ايران، ماهواره در اختيار دارند و نزديک به 3000 ماهواره در مدارها به انجام ماموريت هاي خود مي پردازند.