ماهواره چگونه کار می کند؟

در جهان امروز، فناوری فضایی یکی از مهم ترین زمینه های رقابتی در بین کشورها شناخته می شود به گونه ای که میزان دستیابی به اشکال گوناگون فناوری فضایی، مبنای دقیقی برای مقایسه کشورها از نظر توسعه اقتصادی و صنعتی محسوب می شود. بهره برداری از فضا با اهداف مختلفی صورت می گیرد که از آن جمله می توان به اکتشافات علمی، مخابرات، سنجش از راه دور، آموزش از دور، مکان یابی و ناوبری اشاره کرد. با توجه به ویژگی ها و کاربردهای منحصر به فرد فناوری های فضایی، دیگر نمی توان زندگی بشر را بدون استفاده از فضا تصور نمود. در این میان، یکی از کاربردهای مهم و حیاتی فضا برای انسان مخابرات است. امروزه، پیشرفت و تکامل جوامع بشری و افزایش روز افزون نیازهای ارتباطی، توسعه شیوه های نوین ارتباطی را ضروری کرده است. ماهواره های مخابراتی را می توان بهترین، کارآمدترین و گاهی تنها راه ایجاد ارتباط بین دو نقطه از کره زمین دانست.

مزایای بی شمار این فناوری، از جمله سرعت بالا، پوشش مناسب، امکان ارتباط با دورترین و غیر قابل دسترس ترین مناطق و به صرفه بودن، استفاده از ماهواره های مخابراتی را اجتناب ناپذیر کرده است. از جمله کاربردهای گوناگون این ماهواره ها، می توان به پخش انواع برنامه های تلویزیونی و رادیویی، شبکه های انتقال داده مانند اینترنت، آموزش از راه دور، سمینارهای صوتی تصویری آنلاین، ارسال اطلاعات، امداد و نجات و انواع مکالمات تلفنی ثابت و متحرک اشاره کرد. همچنین ماهواره های مخابراتی، گامی بزرگ در صنعت تجاری سازی فضا محسوب می شوند و بهره برداری تجاری از این ماهواره ها، بویژه پس از جنگ سرد در دهه 90 میلادی، راه را برای گسترش تجارت فناوری فضایی در تمام زمینه ها هموار کرد. به دلیل همین کاربردهای ارزشمند، دستیابی به فناوری ساخت، توسعه و پرتاب ماهواره های مخابراتی برای تمام کشورهای جهان حیاتی به نظر می رسد.

در این مقاله شما می توانید با ماهواره ها به عنوان یکی از اجرام آسمانی، آشنا شوید.

ماهواره چگونه در مدار زمین قرار می گیرد؟

فرض کنید روی قله کوهی، با یک توپ جنگی گلوله ای را پرتاب می کنید. بدون در نظر گرفتن مقاومت هوا، هرچه نیروی پرتاب کننده بیشتر باشد، سرعت گلوله هنگام خروج از لوله بیشتر و گلوله مسافت بیشتری را طی خواهد کرد تا بر اثر نیروی جاذبه زمین سقوط کند.

حال اگر سرعت پرتاب به 7.9 کیلومتر در ثانیه (2800 کیلومتر در ساعت) برسد، گلوله دیگر به زمین سقوط نخواهد کرد و تا ابد با همان سرعت در مداری دایره ای دور زمین خواهد چرخید. البته باید مراقب باشید که گلوله پرتاب شده از پشت سر به شما برخورد نکند!

در این حالت، گلوله به یک ماهواره تبدیل می شود و برای همیشه در مدار زمین باقی می ماند، ولی در عالم واقعیت به دلیل وجود اصطکاک هوا، این اتفاق نمی افتد و پس از مدتی سرعت گلوله کم و در نهایت سقوط خواهد کرد.

اگر سرعت پرتاب را افزایش دهیم، مدار حرکت گلوله در دور زمین، از حالت دایره به حالت بیضی شکل تغییر و با افزایش سرعت، مدار حرکت بیضی تر خواهد شد. برای اینکه جسمی بتواند از حوزه جاذبه زمین خارج شود، باید شتابی بیشتر از شتاب جاذبه زمین داشته باشد. به این ترتیب، اگر پرتاب کننده بتواند گلوله را با سرعت حداقل 11.2 کیلومتر در ثانیه پرتاب کند، گلوله از میدان گرانشی زمین خارج می شود و دیگر باز نخواهد گشت.

قرار دادن ماهواره در مدار زمین نیز شبیه این است که ما ابتدا ماهواره را به ارتفاع بسیار بالای سطح زمین ببریم و بعد آن را با سرعت زیاد در جهت افقی و موازی سطح زمین پرتاب کنیم. ماهواره ها اغلب توسط موشک ها و برخی مواقع توسط شاتل های فضایی در مدار زمین قرار می گیرند.

زمانی که موشک های حامل ماهواره به ارتفاع مناسب (حداقل 200 کیلومتری سطح زمین) رسیدند، مسیر خود را کج می کنند تا به صورت افقی (موازی سطح زمین) قرار گیرند. در این زمان، ماهواره از موشک در حال حرکت جدا می شود تا با همان سرعت اولیه موشک، در فضای بدون مقاومت هوا دور زمین گردش کند. برای قرار دادن ماهواره در مدار بالا اغلب از موشک های چند مرحله ای استفاده می کنند.

ارتفاع ماهواره ها از سطح زمین

ماهواره های جاسوسی را اغلب در ارتفاعات کم، بین 480 تا 970 کیلومتری سطح زمین قرار می دهند. این ماهواره ها می توانند در کمتر از 2 ساعت، زمین را دور بزنند و عکس هایی دقیق از مراکز نظامی بگیرند. ماهواره های علمی در مدارات میانی با ارتفاعات 4800 تا 9700 کیلومتری قرار داده می شوند. از این ماهواره ها برای تحقیق مهاجرت حیوانات و بررسی فعالیت آتشفشان ها استفاده می شود. ماهواره های سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS)، در ارتفاع حدود 20 هزار کیلومتری قرار داده شده اند.

ماهواره های ارتباطی مثل ماهواره های تلویزیونی را در ارتفاع 35,786 کیلومتری قرار می دهند. زمان گردش ماهواره هایی که در این ارتفاع قرار می گیرند، با زمان چرخش زمین یکی است. به همین دلیل برای دریافت اطلاعات از این ماهواره ها، نیازی به جابجایی مکرر گیرنده زمینی (بشقاب ماهواره) نیست. این ماهواره ها در مدار زمین ثابت (GEO مخفف Geosynchronous orbits) قرار دارند. کره ماه نیز که یک ماهواره طبیعی برای زمین محسوب می شود، در ارتفاع 375 هزار کیلومتری از زمین با سرعتی حدود یک کیلومتر در ثانیه به دور زمین می گردد. با این فاصله و سرعت گردش، یک دور گردش ماه به دور زمین، حدوداً 28 روز طول می کشد که همان طول ماه قمری است.

ماهواره های زمین ثابت (ژئو یا GEO)

از دید ناظر زمینی، ماهواره ای که در مدار زمین ثابت باشد، در فضا معلق به نظر می آید. زیرا ماهواره زمین ثابت در هر روز تنها یکبار به دور زمین می چرخد. به بیان دیگر، سرعت ماهواره در چنین مداری برابر با سرعت گردش زمین به دور خود است. مدار زمین ثابت با ارتفاعی حدود 35,800 کیلومتر از سطح زمین، برای کاربردهای مخابراتی بسیار مناسب است زیرا آنتن های زمینی مستقیماً به سمت ماهواره نشانه می روند و دیگر نیازی به تجهیزات پُر هزینه ردیابی نیست. بخصوص برای مواردی مانند پخش مستقیم تلویزیونی که نیاز به تعداد زیادی آنتن زمینی است، صرفه جویی در هزینه تجهیزات ایستگاه زمینی (در مقابل هزینه های پرتاب ماهواره به مدار زمین) بسیار چشمگیر است.

ماهواره های واقع در مدارهای کم ارتفاع (لئو یا LEO مخفف Low-Earth orbits)

مدارهای کم ارتفاع زمینی، به مدارهایی واقع در ارتفاع 180 تا 2000 کیلومتری سطح زمین اطلاق می شود. سرعت گردش ماهواره ها به دور زمین با کاهش ارتفاع مداری افزایش می یابد. برای مثال، زمان یک دور گردش ماهواره ای که در مداری به ارتفاع 400 کیلومتر از سطح زمین قرار دارد، حدود 90 دقیقه است. این در حالی است که یک ماهواره واقع در مدار زمین ثابت به ارتفاع حدود 36,000 کیلومتری سطح زمین، به 24 ساعت زمان نیاز دارد تا یکبار به دور زمین بچرخد. از طرفی، ماهواره های واقع در مدارهای کم ارتفاع، تنها می توانند محدوده ای به شعاع حدود 1000 کیلومتر را بر سطح زمین پوشش دهند. بنابراین برای یک ارتباط بدون اختلال، حتی برای کاربردهای منطقه ای، تعداد زیادی از این نوع ماهواره ها لازم است. قرار دادن ماهواره در مدار کم ارتفاع زمینی، کم هزینه تر از پرتاب به مدار زمین ثابت بوده و به دلیل نزدیک بودن ماهواره به زمین، قدرت سیگنال کمتری مورد نیاز است. این ماهواره ها بیشتر در امور جاسوسی و عکس برداری استفاده می شود.

ساختمان ماهواره

ماهواره از دو بخش تجهیزات مخابراتی و غیر مخابراتی تشکیل شده است. در بخش مخابراتی دستگاهی وجود دارد که وظیفه ارسال و دریافت امواج رادیویی را بر عهده دارد. این زیرسامانه، سیگنال های فرستاده شده از زمین را دریافت و پس از تقویت و تغییر فرکانس آنها را به زمین می فرستد. بخش غیر مخابراتی نیز که در واقع قسمت پشتیبانی فنی آن است شامل سیستم کنترل حرارتی، سیستم کنترل موقعیت و مدار، ساختمان مکانیکی، سیستم منبع تغذیه و موتور است.

در ماهواره های مخابراتی زمین ثابت، موتور اصلی دارای یک راکت سوخت جامد یا سوخت مایعی است که تنها یکبار پس از پرتاب کار می کند. موتور اصلی ماهواره، امکان تغییر مدار ماهواره را از مدار انتقال بیضوی استوایی به مدار عملیاتی زمین ثابت فراهم می سازد. این موتور با وجود نصب روی ماهواره، معمولاً یک زیر سامانه برای ماهواره محسوب نمی شود، زیرا عملیات آن تنها در حدود یک دقیقه طول می کشد.

با تمام مزایایی که ماهواره ها برای بشر دارند، اما با افزایش حجم ارسال آنها به فضا، مشکلی به نام زباله های فضایی به وجود آمده است که هر روز نیز جدی تر می شود. در این ارتباط مطالعه مقاله اختصاصی «خطر زباله های فضایی چیست؟» را به شما توصیه می کنیم.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «ماهواره چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.

بیشتر بدانید…