ماهواره ها

از اواسط قرن بیستم، هزاران قمر مصنوعی در اطراف سیاره‌ی ما یا در مدارهای بیضی شکل بزرگ‌تری به گردش در آمده‌اند. قمرهای بزرگ‌تر را که روی مداری نزدیک به زمین در ارتفاع 200 تا 500 کیلومتری حرکت می‌کنند، پیش از طلوع آفتاب یا هنگام غروب خورشید با چشم غیرمسلح می‌توان دید. در چنین مواقعی، که ما روی زمین هنوز در تاریکی هستیم یا به سوی تاریکی می‌رویم نور خورشید به آنها می‌تابد و مشاهده آنها را ممکن می‌سازد. پرتاب اولین قمر مصنوعی به فضا تحول بزرگی در جهان به وجود آورد. ارسال آن ماهواره‌ی کوچک، اولین گام انسان در جهت دستیابی به فضا بوده است.

واژه‌ی انگلیسی «Satellite» از کلمه‌ی لاتین Satelles به معنی همراه، دنباله‌رو یا محافظ شخصی گرفته شده است و در حقیقت ریشه‌ای اتروریایی دارد. بر اساس آثار تاریخی به جا مانده، «تارکینیوس سوپربوس» (510-534 پیش از میلاد) آخرین امپراطور روم، که اصلیت «اتروریایی» داشت همیشه با محافظی شخصی همراه بود. این مفهوم از قرن هفدهم میلادی در علم کیهان‌شناسی کاربرد داشته است.

ماهواره محفظه‌ای فلزی به شکل کره، استوا یا مخروط است. پوشش فلزی ماهواره‌ها باید بسیار مقاوم باشد، زیرا این وسیله نوسانات حرارتی شدیدی را باید تحمل کند. اگر ماهواره در سایه‌ی زمین قرار گیرد، چنان سرد می‌شود که قطعاتش به صدا در می‌آیند و بر عکس در برابر خورشید بدنه‌ی فلزی آن به شدت گرم می‌شود. بنابر این همیشه این خطر وجود دارد که ابزارهای موجود در ماهواره بیش از حد گرم یا چنان سرد شوند که از کار بیفتند.

چون در فضا هوا وجود ندارد، تنظم دما به شیوه‌ی تبادل حرارتی با محیط ممکن نیست، اما به شیوه‌ی تابشی می‌توان مقدار دما را تغییر داد. به همین دلیل ماهواره‌ها را با موادی می‌پوشانند که عایق حرارتی باشند و پرتوهای رسیده را منعکس کنند. هر چه ارتفاع مدار حرکت ماهواره از زمین بیش‌تر باشد، ماهواره تا مدت طولانی‌تری در مدار باقی می‌ماند. اما عوامل گوناگونی سبب می‌شوند که ماهواره به تدریج متوقف شود و در نهایت بر اثر عبور از لایه‌های ضخیم‌تر جو و اصطکاک با آنها کاملاً بسوزد و از میان برود.

برای آنکه بتوان ماهواره را در مدار ثابتی نگه داشت و در صورت لزوم، محل آن را تغییر داد تجهیزاتی ویژه‌ی اصلاح جهت و مکان‌یابی ماهواره‌ها ساخته شده است. به علاوه، در ماهواره‌های جدید یک دستگاه تأمین‌کننده‌ی انرژی وجود دارد که به وسیله‌ی یک فرستنده‌ی رادیویی از روی زمین هدایت می‌شود و همیشه فعال است.

قسمت اعظم این دستگاه از باتری‌ها و مولدهای خورشیدی تشکیل شده است که انرژی لازم را از نور خورشید می‌گیرند. سلول‌های خورشیدی روی بال‌هایی قرار می‌گیرند که در طرفین ماهواره نصب شده‌اند. به این بال‌ها،

سرعت حرکت ماهواره‌ها به فاصله‌ی آنها از زمین بستگی دارد. هر چه ارتفاع مداری که ماهواره بر آن حرکت می‌کند بیشتر باشد، سرعت آن نیز بیشتر است. سریع‌ترین ماهواره تقریباً هر 90 دقیقه یک بار زمین را دور می‌زند. سرعت این ماهواره حدود 9/7 کیلومتر بر ثانیه است. این نمونه‌ی فوق‌العاده روی مداری در ارتفاع 36000 کیلومتری و بر فراز استوا حرکت می‌کند. همچنین ما به ماهواره‌هایی نیاز داریم که هر 24 ساعت یک بار زمین را دور بزنند. یعنی همان زمانی که زمین نیز یک بار دور خود می‌گردد. کسی که از زمین به آسمان نگاه می‌کند، این گونه ماهواره‌ها را همیشه در جای ثابتی می‌بیند.

 ماهواره‌ها را بر اساس کارآیی آنها می‌توان به سه گروه تقسیم کرد :

• گروه نخست تعداد زیادی از ماهواره‌های کاربردی و خدماتی، مثل ماهواره‌های ویژه‌ی راهبری و هدایت کشتی‌ها و هواپیماها، ماهواره‌های هواشناسی، ماهواره‌های نقشه‌برداری (دیده‌بانی) و مهم‌تر از همه ماهواره‌های مخابراتی را در بر می‌گیرد. این ماهواره‌ها برای مثال مکان‌یابی دقیق کشتی‌ها در دریاها را به طور مستقیم انجام می‌دهند. در پیش‌بینی زود هنگام هوای نامساعد و توفانی کمک می‌کنند. اطلاعات مربوط به بلایای طبیعی و فجایع در شُرف وقوع یا جاری را به سراسر جهان انتقال می‌دهند و این امکان را برای ما فراهم می‌کنند که بتوانیم با شخصی در قاره‌ای دیگر مکالمه‌ی تلفنی داشته باشیم. داده‌های اینترنتی را دریافت کنیم. یا برنامه‌های تلویزیونی آن سوی جهان را ببینیم.
• تعداد ماهواره‌های علمی ـ پژوهشی که نقش مهمی در راه شناخت کره‌ی زمین و همه‌ی جهان ایفا می‌کنند کم‌تر از ماهواره‌های گروه نخست نیست. در این گروه ماهواره‌های اندازه‌گیری و تحقیقاتی قرار دارند که برای بررسی جو زمین (اتمسفر) و یون ـ کره (یونسفر) در نظر گرفته شده‌اند. این ماهوراه‌ها میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی اطراف زمین و پرتوهایی را بررسی می‌کنند که از خورشید یا دیگر اجرام آسمانی دوردست سرچشمه می‌گیرند. بسیاری از ماهواره‌های علمی نیز با آزمایش‌هایی که در فضای خارج از زمین انجام می‌دهند سهم مهمی در پیشرفت علوم پزشکی و زیست‌شناسی ایفا می‌کنند.
• گروه سوم، ماهواره‌های نظامی یا به عبارتی ماهواره‌های امنیتی و جاسوسی را در بر می‌گیرد. بسیاری از کشورها با استفاده از اطلاعات این گونه ماهواره‌ها از تحرکات نظامی کشورهای دیگر آگاه می‌شوند و خود را برای مقابله آماده می‌سازند.

برای اینکه جسمی از حوزه‌ی جاذبه‌ی زمین خارج و به فضا پرتاب شود، باید شتابی بیش‌تر از شتاب جاذبه‌ی زمین داشته باشد و برای رسیدن به چنین شتابی باید انرژی مصرف کرد. در حرکت اجسام پرتابی، قانون کنش و واکنش نیوتن صادق است. طبق این قانون هر عملی یک عکس‌العمل دارد، که اندازه‌ی آن با اندازه‌ی عمل برابر است و جهت آن مخالف جهت عمل می‌باشد. یک توپ جنگی که گلوله‌ای را پرتاب می‌کند خودش به جهت مقابل یعنی به عقب رانده می‌شود. اگر بادکنکی را پر از باد کنید و آن را رها سازید، چون فشار داخل بادکنک بیش از فشار محیط است، هوا به سرعت از آن خارج می‌‌شود و بادکنک نیز در جهت مخالف خروج هوا به حرکت در می‌آید. در محفظه‌ی احتراق موشک نیز همین اتفاق رخ می‌دهد. البته در آنجا عملیات به وسیله‌ی یک خروجی گاز و تجهیزات دیگر کنترل و تنظیم می‌شود. بادکنک رها شده، بی‌هدف و به این سو و آن سو می‌رود. اما شکل لوله‌ی خروجی گاز در موشک به گونه‌ای است که شدت رانش و فوران گاز را تقویت می‌کند و سبب پیشروی موشک در جهتی معین می‌شود. هر چه فشار خروجی (مقدار گازی که در هر ثانیه از خروجی موشک به بیرون فوران می‌کند) و سرعت خروج گاز بیش‌تر باشد نیروی پیشبرنده‌ی موشک بزرگ‌تر خواهد بود.

موشک ‌های باربری که ماهواره ‌ها را به فضا می‌ برند، باید شتاب گریز از جاذبه‌ی بالایی داشته باشند. در  واقع با سرعت 7/9 کیلومتر بر ثانیه می‌توان زمین را ترک کرد. برای رسیدن به چنین شتابی انرژی فوق‌العاده زیادی صرف می‌شود. اما با اجرای عملیات پرتاب در نقاط جغرافیایی خاص می‌توان مقدار این انرژی را کاهش داد. زیرا وقتی که موشک روی زمین است، به علت حرکت چرخشی زمین، تاحدی تمایل دارد که در جهت غربی ـ شرقی حرکت کند. در ضمن سرعت گردش زمین در نزدیکی خط استوا بیش‌تر از نقاط دیگر است. بنابر این وقتی که موشک را در جهت غربی ـ شرقی به فضا پرتاب می‌کنند، هر چه محل پرتاب به خط استوا نزدیک‌تر باشد، استفاده از نیروی محرکه‌ی کوچک‌تری ضرورت می‌یابد و انرژی کم‌تری صرف می‌شود.

ماهواره‌ها در بالاترین قسمت موشک‌های باربری قرار می‌گیرند و سفرشان را به سوی مدار مورد نظر آغاز می‌کنند. اغلب این موشک‌ها از مرحله‌ها یا طبقاتی تشکیل می‌شوند که هر کدام دارای یک موتور پیشبرنده‌اند. وقتی سوخت یک مرحله به پایان می‌رسد محفظه‌ی خالی از موشک جدا می‌شوند و کار مرحله‌ی بعدی آغاز می‌گردد. به طوری که سر انجام موشک در سطحی موازی با لایه‌های فوقانی جو زمین پیش می‌رود. قبل از آنکه آخرین مخزن سوخت موشک از ماهواره جدا شود، ماهواره باید به سرعت مناسب برای حرکت در مدار مورد نظر رسیده باشد.

بعضی از موشک‌ها ماهواره را مستقیماً به مدار مورد نظر می‌رسانند. بعضی از آنها نیز ماهواره‌ها را ابتدا به مداری می‌برند که به منزله‌ی توقف‌گاه یا محل پرتاب نهایی ماهواره است. ماهواره‌هایی که در این مدارهای موسوم به «مدارهای انتقالی» قرار می‌گیرند به کمک سیستم پیشبرنده‌ای که ویژه‌ی خود آنهاست به سوی مدار واسطه‌ای دیگر و سرانجام به سوی مدار نهایی بالا می‌روند تا وظایف‌شان را در آنجا انجام دهند. به جابه‌جایی‌های ماهواره‌ها از یک مدار به مداری دیگر در فضا «انتقال مداری» می‌گویند. این انتقال به طور معمول در نقطه‌ای موسوم به «گذرگاه هوهمان» انجام می‌گیرد. این گذرگاه که دو مدار را به یکدیگر مربوط می‌کند نخستین بار توسط «والتر هوهمان» مهندس آلمانی شناسایی شد. برای جابه‌جایی ماهواره‌ها از یک مدار به مدار بالاتر دو نیروی محرک به آن اعمال می‌شود. محرک اول زمانی که ماهواره در نزدیک‌ترین نقطه‌ی مدار نسبت به زمین قرار داد. و محرک دوم زمانی که ماهواره در دورترین نقطه‌ی مدار نسبت به زمین قرار دارد، دریافت می‌گردد.

 ماهواره‌ باید به سرعتی معین و متناسب با ارتفاع خود برسد تا از مدار خارج نشود و به سوی زمین سقوط نکند. این سرعت به گونه‌ای است که بین نیروی جاذبه‌ی زمین و کششی که می‌تواند ماهواره را از مداردور زمین خارج سازد (نیروی گریز از مرکز) توازن برقرار می‌کند. به همین ترتیب ماهواره باید راستای حرکت یا مکان مشخصی در فضا داشته باشد تا برای مثال بتواند اخبار ارسالی از آنتن‌های زمین را دریافت کند. اما اغلب در جریان مأموریت‌های ماهواره‌ای لازم می‌شود که مدار حرکت ماهواره تغییر کند. راستای نیروی گریز از مرکز زمین به طرف خارج است. این نیرو ماهواره‌هایی را که روی مدارهای دور زمین حرکت می‌کنند نیز تحت تأثیر قرار می‌دهد. به گونه‌ای که گویی آنها را به خارج از مدار و نقاط دورتر از زمین می‌راند. (پرتاب می‌کند) نیروی جاذبه‌ی زمین در جهت مخالف نیروی گریز از مرکز عمل می‌کند و ماهواره‌ها را به سوی زمین می‌کشد. نیروی گریز از مرکز و نیروی جاذبه باید با یکدیگر تعادل داشته باشند به گونه‌ای که ماهواره‌ها به زمین سقوط نکند، یا برای همیشه در فضا ناپدید نشود. این شرایط در صورتی فراهم می‌شوند که مقدار نیروی گریز از مرکز با مقدار نیروی جاذبه تناسب داشته باشد.

تجهیزات ویژه‌ای برای ماهواره‌ها طراحی شده است که به کمک حسگر‌ها و هدایت کننده‌هایی خاص جهت حرکت و محل استقرار آنها را روی مدار شناسایی و تنظیم می‌کنند. به همین ترتیب یک دستگاه هدایت سه محوره و هدایت چرخشی نیز به ماهواره‌ها کمک می‌کند تا بتواند در نقطه‌ی ثابتی در فضا باقی بماند. با استفاده از تنظیمات چرخشی همین دستگاه، ماهواره حول محور مرکزی خود به چرخش در می‌آید. هم چنین تثبیت ماهواره نسبت به سه محور اصلی سبب می‌شود که دستگاه‌های تأمین انرژی و تجهیزات مربوط به تنظیم سرعت ماهواره نیز موقعیت ثابتی داشته باشند. ماهواره‌هایی که باید همیشه در نقطه‌ی ثابتی از مدار (نقطه‌ی ثابتی نسبت به زمین) قرار داشته باشند، قبل از هر چیز به موتورهایی احتیاج دارند که بتوانند آنها را به مدار مقصد در ارتفاع 36000 کیلومتری زمین برسانند.

ماهواره‌ها روی مدارهای مشخصی دور زمین می‌گردند. بعضی از این مدارها دایره‌ای شکل و بعضی از آنها بیضی شکل‌اند. ارتفاع آنها از زمین نیز متفاوت است. تفاوت دیگر این مدارها در شیب زاویه‌ای است که هر یک از آنها با خط استوا تشکیل می‌دهند. این تفاوت نشان می‌دهد که ماهواره تحت چه زاویه‌ای نسبت به استوا از فراز این خط فرضی می‌گذرد. انتخاب مدار حرکت برای هر ماهواره به نوع وظایفی بستگی دارد که به آن ماهواره واگذار شده است.

در عکس زیر سه ماهواره‌ را در سه مدار مختلف مشاهده می‌کنید. ماهواره‌ی قرمز رنگ بر مدار GEO قرار دارد و اگر توجه کنید می‌بینید که همیشه بر فراز نقطه‌ای ثابت از زمین قرار دارد.

7 ـ چه کسی نخستین بار ماهواره را به فضا پرتاب کرد؟

در روز چهارم اکتبر 1957 ساعت 14 به وقت مسکو، تاس ـ خبرگزاری شوری ـ خبر پرتاب نخستین ماهواره را به سراسر جهان مخابره کرد. خبر فوق‌العاده میهج بود. این ماهواره را اسپوتنیک 1 (Sputnik 1) نامیدند. بعد از 21 روز باتری‌های ماهواره تخلیه شدند و بعد از 92 روز اسپوتنیک 1 با لایه‌های ضخیم جو برخورد کرد و به طور کامل سوخت.

در سوم نوامبر 1957 یعنی کم‌تر از یک ماه بعد از پرتاب اسپوتنیک 1 روس‌ها با پرتاب اسپوتنیک 2 به فضا آمریکایی‌ها را به حیرت واداشتند. همراه با این فضاپیما سگی به نام «لایکا» نیز به مدار فرستاده شد. لایکا نخستین موجود زنده‌ای است که به فضا راه یافته است. این سگ هفت روز درون اتاقک در بسته و غیرقابل نفوذ خود دور زمین چرخید. در این مدت همه‌ی واکنش‌ها و اعمال حیاتی بدن حیوان ارزیابی می‌شد و نتایج آنها به زمین مخابره می‌گردید. سپس اکسیژن ذخیره شده در اتاقک به پایان رسید و لایکا به علت فقدان اکسیژن مرد. روس‌ها موفق نشدند که آن اتاقک و سرنشینش را همان طور که در نظر داشتند از فضا بیرون آورند و به زمین بازگردانند.

پرتاب اسپوتنیک 1 بیش از همه آمریکایی‌ها را غافگیر کرد که در همان زمان خود را برای پرتاب ماهواره‌ای اختصاصی به فضا آماده می‌کردند. در سال 1955 رئیش جمهور وقت آمریکا دستور ساخت یک موشک باربری با نام «ونگارد» (Vangurd) را صادر کرده بود. اما با پرتاب اسپوتنیک ادامه‌ی این برنامه‌ی در حال اجرا متوقف گردید. بدین ترتیب نخستین ماهواره‌ی آمریکایی یعنی Explorer 1 در 31 ژانویه‌ی 1958 به فضا پرتاب شد.

9ـ نخستین ماهواره‌های آمریکایی

10ـ رصد کردن ماهواره‌ها در آسمان شب

بهترین موقع برای مشاهده ی یک ماهواره با چشم، هنگام بامداد یا شامگاه است. در این مواقع خورشید زیر افق است، ناظر در ناحیه ی تاریکی جای دارد ولی ماهواره که چند صد کیلومتر ارتفاع دارد، نور خورشید را دریافت و منعکس می‌کند. دوستانی که تلسکوپ در اختیار دارند می‌توانند به راحتی ماهواره‌ها و ایستگاههای فضایی را وقتی در آسمان محل سکونت آنها قرار دارند رصد کنند. برای اینکه ببینید چه زمانی ماهواره یا ایستگاه فضایی در آسمان محل سکونتتان وجود دارد می‌توانید به سایت زیر مراجعه کنید و محل سکونت خود را انتخاب کنید و مشاهده کنید که چه اجرامی در آسمان آن محل برای رصد وجود دارند.http://www.heavens-above.com/countries.asp

11ـ تلسکوپ فضایی هابل

تلسکوپ فضایی هابل را می‌توان یک ماهواره‌ی عملی ـ پژوهشی دانست که با ارسال اطلاعات مفیدی از جهان کمک بسیار بزرگی به منجمان و دانشمندان کرده است. نام این تلسکوپ از نام دکتر ادوین هابل (1889-1953) گرفته شده است. این تلسکوپ در تاریخ 24 آوریل 1990 از space shuttle Discovery (STS-31) به فضا پرتاب شد.

در تاریخ 25 آوریل 1990 پس از پرتاب این تلسکوپ را در فضا آماده استفاده کردند. این تلسکوپ در ماموریت‌های مختلفی که برای بازسازی آن صورت گرفته، تعمیر شده است که این ماموریت‌ها در تاریخ‌های دسامبر 1993، فوریه 1997، دسامبر 1999و فوریه 2002 انجام شده‌اند و امیدواریم که باز هم این ماموریت‌ها ادامه داشته باشد و بتوانیم سال‌های سال از اطلاعاتی که این تلسکوپ برای ما ارسال می‌کند استفاده کنیم.

طول هابل برابر 2/13 متر (5/43 فوت) و وزن آن برابر 11110 کیلوگرم است و بیشترین قطر آن 2/4 متر (14 فوت) می‌باشد. اندازه‌ی تلسکوپ فضایی هابل تقریبا برابر یک اتوبوس بزرگ است ولی این تلسکوپ می‌تواند در قسمت بار یک شاتل فضایی جا شود.

هزینه‌ی پرتاب تلسکوپ فضایی هابل به فضا برابر 5/1 بیلیون دلار است. مداری که این تلسکوپ بر روی آن دور زمین می‌چرخد در ارتفاع 569 کیلومتری سطح زمین است و زاویه‌ای که این مدار با خط استوای زمین می‌سازد برابر 5/28 درجه است. این تلسکوپ در مدت زمان 97 دقیقه یک بار این مدار را طی می‌کند. سرعت تلسکوپ فضایی هابل برابر 28000 کیلومتر در ساعت است.

این تلسکوپ قادر به مشاهده و رصد خورشید و عطارد و هر چیزی که بسیار نزدیک به خورشید باشد نیست. حساسیت به نور این تلسکوپ از طیف فرابنفش تا مادون قرمز و هر طول موجی که بین این دو باشد هست. (115-2500 نانومتر)

اولین تصویر توسط این تلسکوپ در تاریخ 20 می‌1990 گرفته شده است. که این عکس متعلق به Star Cluster NGC 3532 است.

هابل در طی هر هفته تقریبا 120 گیگابایت اطلاعات علمی به زمین مخابره می‌کند. که این حجم از اطلاعات برابر 1097 متر کتاب است که در کنار هم در قفسه‌ای چیده شده باشند. این اطلاعات به سرعت بر روی سی دها ها ذخیره می‌شود.

انرژی هابل از خورشید تامین می‌شود. که این انرژی بوسیله‌ی دو سلول خورشیدی که هر کدام 62/7 متری هستند تامین می‌شود. این انرژی برابر 2800 وات می‌باشد. در مدار متوسط هابل انرژی‌ای برابر 28 لامپ 10 وات مصرف می‌کند.

هابل می‌تواند از اشیایی که در فواصل دور هست و نیز اشیا بسیار کم نور تصویری تهیه بکند. و وقتی که به هدف خود نگاه می‌کند میزان انحراف آن 1000/7 arcsecond است. که این مقدار انحراف برابر عرض تصویری است که انسان می‌تواند از فاصله‌ی 1 مایلی ببیند.

دو آیینه با مشخصات زیر در این تلسکوپ استفاده می‌شوند :

آیینه‌ای اول : قطر 4/2 متر وزن 828 کیلوگرم

آیینه‌ی دوم : قطر 3/0 متر وزن 3/12 کیلوگرم

منبع ذخیره‌ی انرژی هابل 6 باطری نیکل _ هیدروژن (NiH) است که گنجایش ذخیره سازی انرژی این باطری‌ها برابر 20 باطری ماشین می‌باشد.

برای کسب اطاعات بیشتر و مشاهده‌ی اطلاعات و عکس‌هایی که توسط این تلسکوپ ارسال شده است می‌توانید به سایت رسمی تلسکوپ فضای هابل به آدرس http://www.hubblesite.org مراجعه کنید.

 بازی زیر هم می‌تواند به شما نشان بدهد که اگر سرعت و ارتفاع مناسب برای پرتاب یک ماهواره نداشته باشیم ممکن است چه بلاهایی سر ماهواره بیاید. از منوی سمت چپ یکی از اعداد 1 تا 5 را انتخاب کنید و سپس دکمه‌ی سبز رنگ fire را برای شروع پرتاب فشار دهید.