ماهواره ها

ماهواره ها برای مطالعه کائنات، ایستگاه های هواشناسی، انتقال تماس های تلفنی از فراز اقیانوس ها، ردیابی و تعیین مسیر کشتی ها، هواپیماها و همینطور امور نظامی بکار می روند.




قمر مصنوعی( شی ) ایست که توسط انسان ساخته شده و بطور مداوم در حال حرکت در مداری حول زمین یا اجرام دیگری در فضا می باشد. بیشتر ماهواره های ساخته شده تاکنون حول کره زمین در حرکت هستند و در مواردی چون مطالعه کائنات، ایستگاه های هواشناسی، انتقال تماس های تلفنی از فراز اقیانوس ها، ردیابی و تعیین مسیر کشتی ها، هواپیماها و همینطور امور نظامی بکار می روند. ماهواره هایی نیز وجود دارند که دور ماه، خورشید، اجزام نزدیک به زمین و سیاراتی نظیر زهره، مریخ و مشتری در حال گردش می باشند.
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، اشیای در حال گردش دیگری نیز در فضا وجود دارند از جمله: فضاپیماها، کپسول های فضایی و ایستگاه های فضایی که به آنها نیز ماهواره می گوییم. همچنین اجرام دیگری نیز به نام زباله های فضایی شامل بالابرنده های مستهلک راکت ها، تانک های خالی سوخت و... که به زمین سقوط نکرده اند نیز در فضا وجود دارند. در سال ۱۹۵۵ شوروی تحقیقات خود را برای پرتاب ماهواره مصنوعی به فضا آغاز کرد. در چهارم اکتبر ۱۹۵۷ این اتحادیه ماهواره اسپاتنیک۱ را به عنوان اولین ماهواره مصنوعی به فضا ارسال نمود.
در تاریخ ۳ نوامبر۱۹۵۷ اتحادیه جماهیر شوروی دومین ماهواره مصنوعی یعنی اسپاتنیک۲ 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 کاوشگر۱ را در تاریخ ۳۱ ژانویه ۱۹۵۸ و آونگارد۱ را در تاریخ ۱۷ مارس همان سال به فضا فرستاد. نخستین ماهواره ارتباطی اکو۱ در ماه اگست سال۱۹۶۰ از ایالات متحده به فضا فرستاده شد. این ماهواره امواج رادیویی به زمین می فرستاد. در آوریل ۱۹۶۰ نیز اولین ماهواره هواشناسی تیروس۱ که تصاویر ابرها را به زمین ارسال می کرد فرستاده شد. نیروی دریایی آمریکا سازنده اولین ماهواره ردیاب، ترانزیت۱ب در آ.ریل سال۱۹۶۰ بود. به این ترتیب تا سال ۱۹۶۵ در هر سال بیش از ۱۰۰ ماهواره به مدارهایی در فضا فرستاده شدند. از سال ۱۹۷۰ دانشمندان به کمک رایانه و نانوتکنولوژی موفق به اختراع سازه ها تجهیزات پیشرفته تری برای ماهواره شده اند. به علاوه کشور های دیگر همینطور سازمان های تجاری مبادرت به خریداری و ارسال ماهواره نموده اند. در سال های اخیر بیشتر از ۴۰ کشور ماهواره در اختیار دارند و نزدیک به ۳۰۰۰ 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 نیز با یکدیگر تفاوت دارند. برای مثال بعضی از ماهواره ها در مداری دایره شکل حول زمین خارج از اتمسفر در ارتفاع ۲۵۰ کیلومتر در حرکت اند و برخی در مداری حرکت می کنند که بیش از ۳۲۲۰۰ کیلومتر از زمین فاصله دارد. ارتفاع بیشتر مدار برابر است با دوره گردش(مدت زمانیکه ماهواره یک دور کامل در مدار خود حرکت می کند) طولانی تر. 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 شی» بتواند به چرخش خود ادامه دهد. ضمنا وزن شی و طناب می توانند نشانگر رابطه بین ارتفاع ماهواره و دوره گردش آن باشد. طناب بلند مانند ارتفاع بلند است، هرچه طناب بلندتر باشد زمان بیشتری نیاز است تا شی» متصل به آن یک دور کامل بچرخد. طناب کوتاه مانند ارتفاع کوتاه است و در زمان کمتری شی» 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 چهارگونه مدار حرکت می کنند:
۱) ارتفاع بلند، ژئوسینکرنوس.
۲)ارتفاع متوسط.
۳)سان سینکرنوس، قطبی.
۴)ارتفاع کوتاه.(شکل اغلب این گونه مدارها دایره است)
● انواع ماهواره ها
ماهواره های مصنوعی بر اساس ماموریت هایشان طبقه بندی می شوند. شش نوع اصلی ماهواره وجود دارند:
۱)تحقیقات علمی:
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.
▪ جمع آوری اطلاعات مربوط به ساختار، ترکیب و تاثیرات فضای اطراف کره زمین.
▪ ثبت تغییرات در سطح و جو کره زمین.
▪ مشاهده سیارات، ستاره ها و اجرام آسمانی در فواصل بسیار دور.
۲)هواشناسی:
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 برعهده گیرند. آنها تجهیزات مربوط به شناسایی سیگنال های اعلام خطر در همه هواپیماها و کشتی های خصوصی و غیرخصوصی را دارا هستند. بقیه ماهواره های هواشناسی در ارتفاع های بلندتر 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.
۳)ارتباطی:
ماهواره های ارتباطی در واقع ایستگاه های تقویت کننده سیگنال ها هستند، از نقطه ای امواج را دریافت و به نقطه ای دیگر ارسال می کنند. 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 و درمدارهای کوتاه تر قرار 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. سازمان های تجاری مانند تلویزیون ها و شرکت های مخابراتی در کشورهای مختلف از کاربران دائمی این نوع ماهواره ها هستند.
۴)ردیاب:
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 نیز می توانند از شبکه 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 را نشان می دهند.
۵)مشاهده زمین:
ماهواره های مخصوص مشاهده زمین به منظور تهیه نقشه و بررسی کلیه منابع سیاره زمین و تغییرات ماهیتی چرخه های حیاتی در آن، طراحی و ساخته می شوند. آنها در مدارهای سان سینکرنوس قطبی در حرکت اند. این ماهواره ها دائما در شرایط تحت تابش نور خورشید مشغول عکسبرداری از زمین با نور مرئی و پرتوهای نامرئی 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 را مکان یابی و ظرفیت آنها را مشخص می کنند. همینطور می توانند به مطالعه بر روی منابع آب های آزاد و یا مراکز ایجاد آلودگی و تاثیرات آن ها و یا آسیب های جنگل ها و مراتع بپردازند.
۶)تاسیسات نظامی:
ماهواره های تاسیسات نظامی مشتمل از ماهواره های هواشناسی، ارتباطی، ردیاب و مشاهده زمین می باشند که برای مقاصد نظامی بکار می روند. برخی از این ماهواره ها که به ماهواره های جاسوسی نیز شهرت دارند قادر به تشخیص دقیق پرتاب موشک ها، حرکت کشتی ها در مسیر های دریایی و جابجایی تجهیزات نظامی در روی زمین می باشند.
● زندگی و مرگ ماهواره ها
هر ماهواره حامل تجهیزاتی است 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 سیستم های 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 بخش ها 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 بخش های اصلی یک ماهواره بطور جداگانه طراحی، ساخته و آزمایش می شوند. متخصصان بخش های 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 اقیانوس ها می افنتد. 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 روبات های 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 های موجود در ارتفاع های بلند مدار ژئوسینکرنوس در ارتباط همیشگی و دائم با زمین می باشند. ایستگاه های زمین می تواند 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 زا ایستگاه دریافت می کند. تبادل اطلاعات تا زمانیکه ماهواره از فراز ایستگاه عبور می کند می تواند ادامه داشته باشد که معمولا زمانی حدود ۱۰دقیقه 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 نیز عملیات تعمیر ماهواره 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.