ماهواره های مصنوعی

ماهواره ی مصنوعی شی ایست كه توسط انسان ساخته شده و به طور مداوم در حال حركت در مداری حول زمین یا اجرام دیگری در فضا می باشد. بیشتر ماهواره های ساخته شده تاكنون حول كره زمین در حركتند و در مواردی چون مطالعه كائنات، ایستگاه های هوا شناسی، انتقال تماس های تلفنی از فراز اقیانوس ها، ردیابی و تعیین مسیر كشتی ها و هواپیماها و همینطور امور نظامی به كار می روند...... ماهواره هایی نیز وجود دارند كه دور ماه، خورشید، اجزام نزدیك به زمین و سیاراتی نظیر زهره، مریخ و مشتری در حال گردش می باشند. این ماهواره ها اغلب اطلاعات مربوط به جرم آسمانی كه حول آن در گردشند را جمع آوری می كنند.
به جز ماهواره های مصنوعی مذكور اشیای در حال گردش دیگری نیز در فضا وجود دارند از جمله فضا پیما ها، كپسول های فضایی و ایستگاه های فضایی كه به آنها نیز ماهواره می گوییم. البته اجرام دیگری نیز در فضا وجود دارند به نام زباله های فضایی شامل بالابرنده های مستهلك راكت ها، تانك های خالی سوخت و ... كه به زمین سقوط نكرده اند و در فضا در حركتند. در این مقاله به این اجرام نمی پردازیم.
اتحادیه سویت پرتاب كننده اولین ماهواره مصنوعی، اسپاتنیك ۱، در سال ۱۹۵۷ بود. از آن زمان ایالات متحده و حدود ۴۰ كشور دیگر سازنده و پرتاب كننده ماهواره به فضا بوده اند. امروزه قریب به ۳۰۰۰ ماهواره فعال و ۶۰۰۰ زباله فضایی در حال گردش به دور زمینند.
●انواع مدارها
مدارهای ماهواره ها اشكال گوناگونی دارند. برخی دایره شكل و برخی به شكل بیضی می باشند. مدارها از لحاظ ارتفاع (فاصله از جرمی كه ماهواره حول آن در گردش است) نیز با یكدیگر تفاوت دارند. برای مثال بعضی از ماهواره در مداری دایره شكل حول زمین خارج از اتمسفر در ارتفاع ۲۵۰ كیلومتر(۱۵۵ مایل) در حركتند و برخی در مداری حركت می كنند كه بیش از ۳۲۲۰۰ كیلومتر (۲۰۰۰۰ مایل) از زمین فاصله دارد. ارتفاع بیشتر مدار برابر است با دوره گردش ( مدت زمانیكه ماهواره یك دور كامل در مدار خود حركت می كند) طولانی تر. یك ماهواره زمانی در مدار خود باقی می ماند كه بین شتاب ماهواره ( سرعتی كه ماهواره می تواند در طی یك مسیر مستقیم داشته باشد ) و نیروی گرانش ناشی از جرم آسمانی كه 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 یك مسیر مستقیم از زمین دور می شود و چنانچه این شتاب كمتر باشد ماهواره به سمت زمین برخواهد گشت.
برای درك بهتر تعادل بین گرانش و شتاب، جسم كوچكی را در نظر بگیرید كه به انتهای یك رشته طناب متصل و در حال چرخش است. اگر طناب پاره شود جسم متصل به آن در یك مسیر صاف به زمین می افتد. طناب در واقع كار گرانش را انجام می دهد تا شی بتواند به چرخش خود ادامه دهد. ضمنا وزن شی 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 شی متصل به آن یك دور كامل بچرخد. طناب كوتاه مانند ارتفاع كوتاه است و در زمان كمتری شی مذكور یك دور كامل در مدار خود گردش خواهد كرد. انواع گوناگونی از مدارها وجود دارند اما اغلب ماهواره هایی كه حول زمین در گردشند در یكی از این چهار گونه مدار حركت میكنند. (۱) ارتفاع بلند،ژئوسینكرنوس. (۲) ارتفاع متوسط. (۳) سان سینكرنوس، قطبی. (۴) ارتفاع كوتاه . شكل اغلب این گونه مدارها دایره ایست.
مدارهای ارتفاع بلند، ئوسینكرنوس بر فراز استوا و در ارتفاع ۳۵۹۰۰ كیلومتر(۲۲۳۰۰ مایل) قرار دارند. ماهواره های اینگونه مدارها حول محور عمودی زمین با سرعت و جهت برابر حركت زمین حركت می كنند. بنابراین هنگام رصد آنها از روی زمین همواره در نقطه ای ثابت به نظر می رسند. برای پرتاب و ارسال این ماهواره ها انرژی بسیار فراوانی لازم است.
ارتفاع یك مدار متوسط حدود ۲۰۰۰۰ كیلومتر (۱۲۴۰۰ مایل) و دوره گردش ماهواره های آن ۱۲ ساعت است . مدار خارج از اتمسفر زمین و كاملا پایدار است. امواج رادیویی كه از ماهواره های موجود در این مدارها ارسال می گردد در مناطق بسیارزیادی از زمین قابل دریافت است. پایداری و وسعت مناطق تحت پوشش این گونه مدارها آنها را برای ماهواره های ردیاب مناسب می نماید.
مدارهای سان سینكرنوس، قطبی، ارتفاع نسبتا كوتاهی دارند. آنها تقریبا از فراز هر دو قطب زمین عبور می كنند.مكان این مدارها متناسب با حركت زمین به دور خورشید در حركت است به گونه ایكه ماهواره ی این مدار خمواره در یك ساعت محلی ثابت از استوا عبور می كند. از آنجاییكه این ماهواره ها از همه عرض های جغرافی زمین می گذرند قادرند كه اطلاعات را از تمامی سطح زمین دریافت نمایند. در اینجا می توان ماهواره TERRA را به عنوان مثال نام برد. وظیفه این ماهواره مطالعه اثرات چرخه ها ی طبیعی و فعالیت های انسان بر روی آب و هوای كره زمین است. ارتفاع مدار این ماهواره ۷۰۵ كیلومتر (۴۳۸ مایل) و دوره گردش آن ۹۹ دقیقه است. زمانیكه این ماهواره از استوا عبور می كند ساعت محلی همیشه ۱۰:۳۰ صبح و یا ۱۰:۳۰ شب است.
یك مدار ارتفاع كوتاه درست بر فراز جو زمین قرار دارد جاییكه تقریبا هوایی برای ایجاد تماس و اصطكاك وجود ندارد. برای ارسال ماهواره به این نوع مدارها انرژی كمتری نسبت به سه نوع مدار مذكور دیگر لازم است. ماهواره ها ی مطالعاتی كه مسئول دریافت اطلاعات از اعماق فضا می باشند غالبا در این مدارها در حركتند. برای مثال تلسكوپ هابل كه در ارتفاع ۶۱۰ كیلومتر(۳۸۰ مایل) با دوره گردش ۹۷ دقیقه در حركت 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،
۵) مشاهده زمین،
۶) تاسیسات نظامی.
ماهواره های تحقیقات علمی اطلاعات را به منظور بررسی های كارشناسی جمع آوری می كنند. این ماهواره ها اغلب به منظور انجام یكی از سه ماموریت زیر طراحی و ساخته می شوند.
۱) جمع آوری اطلاعات مربوط به ساختار، تركیب و تاثیرات فضای اطراف كره زمین.
۲) ثبت تغییرات در سطح و جو كره زمین. این ماهواره ها اغلب در مدارهای قطبی در حركتند.
۳) مشاهده سیارات، ستاره ها و اجرام آسمانی در فواصل بسیار دور. بیشتر این ماهواره ها در ارتفاع كوتاه در حركتند. ماهواره های مخصوص تحقیقات علمی حول سیارات دیگر، ماه و خورشید نیز حضور دارند.
ماهواره های هواشناسی به دانشمندان برای مطالعه بر روی نقشه های هواشناسی و پیش بینی وضعیت آب و هوا كمك می كنند. این ماهواره ها قادر به مشاهده وضعیت اتمسفر مناطق گسترده ای از زمین می باشند. بعضی از ماهواره های هواشناسی در مدارهای سان سینكرنوس، قطبی، در حركتند كه توانایی مشاهده بسیار دقیق تغییرات در كل سطح كره زمین را دارند. آنها می توانند مشخصات ابرها، دما، فشار هوا، بارندگی و تركیبات شیمیایی اتمسفر را اندازه گیری نمایند. از آنجا كه این ماهواره ها همواره هر نقطه از زمین را در یك ساعت مشخص محلی مشاهده می كنند .دانشمندان با اطلاعات به دست آمده قادر به مقایسه دقیق تر آب و هوای مناطق مختلفند. ضمنا شبكه جهانی ماهواره های هواشناسی كه در این مدارها در حركتند می توانند نقش یك سیستم جستجو و نجا ت را بر عهده گیرند. آنها تجهیزات مربوط به شناسایی سیگنال های اعلام خطر در همه هواپیما ها و كشتی های خصوصی و غیر خصوصی را دارا هستند. بقیه ماهواره های هواشناسی در ارتفاع های بلند تر در مدارهای ژئوسینكرنوس قرار دارند. از این مدارها، آنها می توانند تقریبا نصف كره زمین و تغییرات آب و هوایی آن را در هر زمان مشاهده كنند. تصاویر این ماهواره ها مسیر حركت ابرها و تغییرات آنها را نشان می دهد. آنها همینطور تصاویر مادون قرمز نیز تهیه می كنند كه گرمای زمین و ابرها را نشان می دهد.
ماهواره های ارتباطی در واقع ایستگاه های تقویت كننده سیگنال ها هستند، از نقطه ای امواج را دریافت و به نقطه ای دیگر ارسال می كنند. یك ماهواره ارتباطی می تواند در آن واحد هزاران تماس تلفنی و جندین برنامه شبكه تلوزیونی را تحت پوشش قرار دهد. این ماهواره ها اغلب در ارتفاع های بلند، مدار &#۶۴۳۹۵;ئوسینكرنوس و بر فراز یك ایستگاه در زمین قرار داده می شوند. یك ایستگاه در زمین مجهز به آنتنی بسیار بزرگ برای دریافت و ارسال سیگنال ها می باشد. گاهی چندین ماهواره كه دریك شبكه و درمدارهای كوتاهترقرار گرفته اند، امواج را دریافت و با انتقال دادن سیگنال ها به یكدیگر آنها را به كاربران روی زمین در اقصی نقاط آن می رسانند. سازمانهای تجاری مانند تلوزیون ها و شركت های مخابراتی در كشورهای مختلف از كاربران دائمی این نوع ماهواره ها هستند.
به كمك ماهواره های ردیاب، كلیه هواپیماها، كشتی ها و خودروها بر روی زمین قادربه مكان یابی با دقت بسیار زیاد خواهند بود. علاوه بر خودروها و وسایل نقلیه اشخاص عادی نیز میتوانند از شبكه ماهواره های ردیاب بهره مند شوند.در واقع سیگنال های این شبكه ها در هر نقطه ای از زمین قابل دریافتند.دستگاه های دریافت كننده، سیگنال ها را حداقل از سه ماهواره فرستنده دریافت و پس از محاسبه كلیه سیگنال ها، مكان دقیق را نشان می دهند. ماهواره های مخصوص مشاهده زمین به منظور تهیه نقشه و بررسی كلیه منابع سیاره زمین و تغییرات ماهیتی چرخه های حیاتی در آن، طراحی و ساخته می شوند. آنها در مدارهای سان سینكرنوس قطبی در حركتند. این ماهواره ها دائما در شرایط تحت تابش نور خورشید مشغول عكس برداری از زمین با نور مرئی و پرتوهای نا مرئی هستند. رایانه ها در زمین اطلاعات به دست آمده را بررسی و مطالعه می كنند. دانشمندان به كمك این ماهواره معادن و مراكز منابع در زمین را مكان یابی وظرفیت آنها را مشخص می كنند.همینطور می توانند به مطالعه بر روی منابع آبهای آزاد و یا مراكز ایجاد آلودگی و تاثیرات آنها و یا آسیب های جنگل ها و مراتع بپردازند. ماهواره های تاسیسات نظامی مشتمل از ماهواره های هواشناسی، ارتباطی، ردیاب و مشاهده زمین می باشند كه برای مقاصد نظامی به كار می روند.برخی از این ماهواره ها كه به ماهواره های جاسوسی نیز شهرت دارند قادر به تشخیص دقیق پرتاب موشكها، حركت كشتی ها در مسیر های دریایی و جابجایی تجهیزات نظامی در روی زمین می باشند.
●زندگی و مرگ ماهواره ها
ساخت یك ماهواره هر ماهواره حامل تجهیزاتیست كه برای انجام ماموریت خود به آن ها نیاز دارد. برای مثال ماهواره ای كه مامور مطالعه كائنات است مجهز به تلسكوپ و ماهواره مامور پیش بینی وضع هوا مجهز به دوربین مخصوص برای ثبت حركات ابرها است. علاوه بر تجهیزات تخصصی، همه ماهواره ها دارای سیستمهای اصلی برای كنترل تجهیزات خود و عملكرد ماهواره می باشند. از جمله سیستم تامین انرژی، مخازن، سیستم تقسیم برق و ...
در هر یك از این بخشها ممكن 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. هریك از تجهیزات جانبی و بخشهای اصلی یك ماهواره به طور جداگانه طراحی، ساخته و آزمایش می شوند. متخصصان بخشهای مختلف را كنارهم گذاشته و متصل می كنند تا زمانیكه ماهواره كامل شود و سپس ماهواره در شرایطی نظیر شرایطی كه 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 راكت هایی به فضا فرستاده می شوند كه پس از اتمام سوختشان به درون اقیانوسها می افنتد.بیشتر ماهواره ها در ابتدا با حداقل تنظیمات در مسیر مدار خود قرار داده می شوند. تنظیمات كامل را راكت هایی انجام می دهند كه داخل ماهواره كار گذاشته می شوند. زمانیكه ماهواره در یك مسیر پایدار در مدار خودقرار گرفت می تواند مدت های درازی در همان مدار بدون نیاز به تنظیمات مجدد باقی بماند. انجام ماموریت .
كنترل بیشتر ماهواره ها در مركزی بر روی زمین است. رایانه ها و افراد متخصص در مركز كنترل وضعیت ماهواره را تحت نظر دارند. آنها دستورالعمل ها را به ماهواره ارسال می كنند و اطلاعات جمع آوری شده توسط ماهواره را دریافت می نمایند. مركز كنترل 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 كنند. ماهواره ها معمولا به طور دائم از مركز كنترل دستورالعمل دریافت نمی كنند. آنها در واقع مثل روباتهای چرخان هستند.روباتی كه سلول های خورشیدی خود را برای دریافت انرژی كافی تنظیم و كنترل می كند و آنتن های خود را برای دریافت دستورات خاص از زمین آماده نگه می دارد. تجهیزات ماهواره به صورت مستقل و اتوماتیك وظایف خود را انجام می دهند و اطلاعات را جمع آوری می كنند. ماهواره ها ی موجود در ارتفاع عای بلند مدار ژئوسینكرنوس در ارتباط همیشگی و دائم با زمین می باشند. ایستگاه ها ی زمین می تواند دوازده بار در روز با ماهواره های موجود در ارتفاع كوتاه ارتباط برقرار نمایند. در طول هر تماس ماهواره اطلاعات خود را ارسال و دستورالعمل ها را زا ایستگاه دریافت می كند. تبادل اطلاعات تا زمانیكه ماهواره از فراز ایستگاه عبور می كند می تواند ادامه داشته باشد كه معمولا زمانی حدود ۱۰ دقیقه است. چنانچه قسمتی از ماهواره دچار نقص فنی شود اما ماهواره قادر به ادامه ماموریت های خود باشد، معمولا همچنان به كار خود ادامه می دهد. در چنین شرایطی مركز كنترل روی زمین بخش آسیب دیده را تعمیر و یا مجددا برنامه نویسی می كند.
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 كه ماهواره دیگر قادر به انجام ماموریت های خود نباشد مركز كنترل فرمان توقف ماهواره را صادر می كند. سقوط از مدار یك ماهواره در مدار خود باقی می ماند تا زمانیكه شتاب آن كم شود و در چنین حالتی نیروی گرانش ماهواره را به سمت پایین و به سمت اتمسفر می كشاند. سرعت ماهواره هنگام برخورد با مولكول های خارجی ترین لایه اتمسفر كم می شود. هنگامی كه نیروی گرانش ماهواره را به سمت لایه های داخلی اتمسفر می كشاند هوایی كه در جلوی ماهواره قرار می گیرد سریعا به قدری فشرده و داغ می شود كه در این هنگام بخشی و یا تمامی ماهواره می سوزد. تاریخچه در سال ۱۹۵۵ اتحادیه سویت درایالات متحده آمریكا تحقیقات خود را برای پرتاب ماهواره مصنوعی به فضا آغاز كرد.
در تاریخ چهارم اكتبر ۱۹۵۷ این اتحادیه ماهواره اسپاتنیك ۱ را به عنوان اولین ماهواره مصنوعی به فضا ارسال نمود. این ماهواره در هر ۹۶ دقیقه یك دور كامل به دور زمین می چرخید و اطلاعات به دست آورده خود را به شكل سیگنال های رادیویی قابل دریافت به زمین ارسال می كرد. در تاریخ ۳ نوامبر ۱۹۵۷ اتحادیه سویت دومین ماهواره مصنوعی یعنی اسپاتنیك ۲ را به فضا فرستاد. این ماهواره حامل اولین حیوانی بود كه به فضا سفر كرد. سگی به نام لایكا. پس از آن ایالات متحده ماهواره كاوشگر۱ را در تاریخ ۳۱ ژانویه ۱۹۵۸ و ونگارد ۱ را در تاریخ ۱۷ مارس همان سال به فضا فرستاد.
نخستین ماهواره ارتباطی اكو۱ در ماه اگست سال ۱۹۶۰ از ایالات متحده به فضا فرستاده شد. این ماهواره امواج رادیویی به زمین می فرستاد. در آپریل ۱۹۶۰ نیز اولین ماهواره هواشناسی تیروس ۱ كه تصاویر ابرها را به زمین ارسال می كرد فرستاده شد.
نیروی دریایی آمریكا سازنده اولین ماهواره ردیاب، ترانزیت ۱ب درآپریل سال ۱۹۶۰ 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 كمك رایانه و نانو تكنولوژی موفق به اختراع سازه ها تجهیزات پیشرفته تری برای ماهواره شده اند. به علاوه كشور های دیگر همینطور سازمانهای تجاری مبادرت به خریداری و ارسال ماهواره نموده اند. در سالهای اخیر بیشتر از ۴۰ كشور ماهواره در اختیار دارند و نزدیك به ۳۰۰۰ ماهواره در مدارها به انجام ماموریت های خود می پردازند.

نویسنده و مترجم : لنا سجادی فر
منبع: Oberright, John E. "Satellite, Artificial." World Book Online Reference Center. ۲۰۰۴. World Book, Inc.

منبع : شبکه فیزیکی هوپا