گردشگرانی روی مدارهای فرضی

واژه انگلیسی Satellite از کلمه لاتین Satelles به معنی همراه, دنباله رو یا محافظ شخصی گرفته شده است و در حقیقت ریشه ای اترویایی دارد بر اساس آثار تاریخی به جا مانده, تارکینیوس سوپربوس ۵۱۰ ۵۳۴ پیش از میلاد آخرین امپراتور روم که اصلیت اتروریایی داشت همیشه با محافظی شخصی همراه بود این مفهوم از قرن هفدهم میلادی در علم کیهان شناسی کاربرد داشته است

واژه انگلیسی Satellite از کلمه لاتین Satelles به معنی همراه، دنباله‌رو یا محافظ شخصی گرفته شده است و در حقیقت ریشه‌ای اترویایی دارد. بر اساس آثار تاریخی به جا مانده، تارکینیوس سوپربوس (۵۱۰-۵۳۴ پیش از میلاد) آخرین امپراتور 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، استوانه یا مخروطی است. پوشش فلزی ماهواره‌ها باید بسیار مقاوم باشد، زیرا این وسیله نوسانات حرارتی شدیدی را باید تحمل کند. اگر ماهواره در سایه زمین قرار گیرد، چنان سرد می‌شود که قطعاتش به صدا در می‌آیند و بر عکس در برابر خورشید، بدنه فلزی آن به شدت گرم می‌شود. بنابراین 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 و تنظیم دما به شیوه تبادل حرارتی با محیط ممکن نیست، اما به شیوه 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 ویژه اصلاح جهت و مکان‌یابی ماهواره‌ها ساخته شده است. به علاوه در ماهواره‌های جدید یک دستگاه تأمین‌کننده انرژی وجود دارد که به وسیله یک فرستنده 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 پانل‌های خورشیدی می‌گویند. هر چه این پانل‌ها بزرگ‌تر باشند انرژی الکتریکی بیشتری فراهم می‌شود. برای بعضی از مأموریت‌های دراز مدت که محل انجام آنها از زمین بسیار دور است باتری‌های کوچک اتمی نیز در نظر گرفته می‌شود.

سرعت حرکت ماهواره‌ها به فاصله 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 ۹۰ دقیقه یک بار زمین را دور می‌زند. سرعت این ماهواره حدود ۸ کیلومتر بر ثانیه است و روی مداری در ارتفاع ۳۶ هزار کیلومتری و بر فراز استوا حرکت می‌کند. ما به ماهواره‌هایی نیز نیاز داریم که هر ۲۴ ساعت یک بار زمین را دور بزنند. یعنی همان زمانی که زمین نیز یک بار دور خود می‌چرخد. کسی که از زمین به آسمان نگاه می‌کند این ماهواره‌ها را همیشه در جای ثابتی می‌بیند.

● ماهواره‌ها چه وظایفی دارند؟

ماهواره‌ها را بر اساس کارآیی آنها می‌توان به سه گروه تقسیم کرد؛ گروه نخست تعداد زیادی از ماهواره‌های کاربردی و خدماتی، مثل ماهواره‌های ویژه راهبری و هدایت کشتی‌ها و هواپیماها، ماهواره‌های هواشناسی، ماهواره‌های نقشه‌برداری و 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 شرف وقوع یا جاری را به سراسر جهان انتقال می‌دهند و این امکان را برای ما فراهم می‌کنند که بتوانیم با شخصی در قاره‌ای دیگر مکالمه 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 شناخت کره زمین و همه 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 (ونسفر) در نظر گرفته شده‌اند. این ماهواره‌ها میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی اطراف زمین و پرتوهایی را بررسی می‌کنند که از خورشید یا دیگر اجرام آسمانی دور دست سرچشمه می‌گیرند و به زمین می‌رسند. 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 برمی‌گیرد. بسیاری از کشورها با استفاده از اطلاعات اینگونه ماهواره‌ها از تحرکات نظامی کشورهای دیگر آگاه می‌شوند و خود را برای مقابله آماده می‌سازند.

● ماهواره‌ها چگونه به فضا می‌روند؟

برای اینکه جسمی از حوزه جاذبه زمین خارج و به فضا پرتاب شود باید شتابی بیشتر از شتاب جاذبه 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 نیرو یک نیروی عکس‌العمل دارد که اندازه آن با اندازه نیروی اول برابر است و جهت آن مخالف جهت نیروی اول است. 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 محفظه احتراق موشک نیز همین اتفاق رخ می‌دهد. البته در آنجا عملیات به وسیله یک خروجی گاز و تجهیزات دیگر کنترل و تنظیم می‌شود. بادکنک رها شده بی‌هدف به این سو و آن سو می‌رود. اما شکل لوله 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 پیش برنده موشک بزرگ‌تر خواهد بود. موشک‌های باربری که ماهواره‌ها را به فضا می‌برند باید شتاب گریز از جاذبه بالایی داشته باشند. در واقع با سرعت ۷/۹ کیلومتر بر ثانیه می‌توان زمین را ترک کرد. برای رسیدن به چنین شتابی باید انرژی فوق‌العاده زیادی صرف کرد. 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. بنابراین 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 محرکه کوچک‌تری ضرورت می‌یابد و انرژی کمتری صرف می‌شود.

● ماهواره‌ها چگونه به مدار خود می‌رسند؟

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 پیش‌برنده هستند. وقتی سوخت یک مرحله به پایان می‌رسد، محفظه خالی از موشک جدا شده و کار مرحله بعدی آغاز می‌شود، به طوری که سرانجام 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 مستقیم به مدار مورد نظر می‌رسانند. بعضی از آنها نیز ماهواره‌ها را ابتدا به مداری می‌برند که به منزله توقفگاه‌های محل پرتاب نهایی ماهواره است. ماهواره‌هایی که در این مدارهای موسوم به «مدارهای انتقالی» قرار می‌گیرند به کمک سیستم پیشبرنده‌ای که ویژه 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 نخستین‌بار 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 نقطه مدار نسبت به زمین و محرک دوم زمانی که ماهواره در دورترین نقطه مدار نسبت به زمین قرار دارد، دریافت می‌شود.

● ماهواره‌ها چگونه بر مدار خود باقی می‌مانند؟

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 جاذبه زمین و کششی که می‌تواند ماهواره را از مدار دور 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. نیروی جاذبه 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 نکنند یا برای همیشه در فضا ناپدید نشوند. این شرایط در صورتی فراهم می‌شود 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 سه‌محوره و هدایت چرخشی نیز به ماهواره‌ها کمک می‌کند تا بتوانند در نقطه ثابتی در فضا باقی بمانند. با استفاده از تنظیمات چرخشی همین دستگاه، ماهواره حول محور مرکزی خود به چرخش درمی‌آید. همچنین 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 نقطه ثابتی از مدار (نقطه ثابتی نسبت به زمین) قرار داشته باشند، قبل از هر چیز به موتورهایی احتیاج دارند که بتوانند آنها را به مدار مقصد در ارتفاع ۳۶ هزار کیلومتری زمین برسانند.

● برای حرکت ماهواره‌ها چه مدارهایی وجود دارد؟

ماهواره‌ها روی مدارهای مشخصی دور زمین می‌گردند. بعضی از این مدارها دایره‌ای‌شکل و بعضی از آنها بیضی‌شکل‌اند. 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.

● پرتاب نخستین ماهواره به فضا

روز چهارم اکتبر ۱۹۵۷ ساعت ۱۴ به وقت مسکو، تاس، خبرگزاری شوروی، خبر پرتاب نخستین ماهواره را به سراسر جهان مخابره کرد. خبر فوق‌العاده مهیج بود. این ماهواره را «اسپوتنیک - ۱» نامیدند. بعد از ۲۱ روز باتری‌های ماهواره تخلیه شدند و بعد از ۹۲ روز اسپوتنیک - ۱ با لایه‌های ضخیم جو برخورد کرد و به طور کامل سوخت. سوم نوامبر ۱۹۵۷ یعنی کمتر از یک ماه بعد از پرتاب اسپوتنیک -۱‌، روس‌ها با پرتاب اسپوتنیک- ۲ 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 همه واکنش‌ها و اعمال حیاتی بدن حیوان ارزیابی و نتایج آنها به زمین مخابره می‌شد، 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 به زمین بازگردانند.

پرتاب اسپوتنیک - ۱ بیش از همه آمریکایی‌ها را غافلگیر کرد که در همان زمان خود را برای پرتاب ماهواره‌ای اختصاصی به فضا آماده می‌کردند. در سال ۱۹۵۵ رئیس جمهور وقت آمریکا دستور ساخت یک موشک باربری با نام «ونگارد» (Vangurd) را صادر کرده بود اما با پرتاب اسپوتنیک ادامه این برنامه در حال اجرا متوقف شد. بدین ترتیب نخستین ماهواره آمریکایی یعنی «اکسپلورر- ۱ » در ۳۰ ژانویه ۱۹۵۸ به فضا پرتاب شد.

● رصد کردن ماهواره‌ها در شب

بهترین موقع برای مشاهده یک ماهواره با چشم غیرمسلح، هنگام بامداد یا شامگاه است. در این مواقع خورشید زیر افق است، ناظر در ناحیه تاریکی جای دارد ولی ماهواره که چند صد کیلومتر ارتفاع دارد، نور خورشید را دریافت و منعکس می‌کند.

کسانی 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 ماهواره‌ها یا ایستگاه فضایی در آسمان محل سکونت‌تان وجود دارد، می‌توانید به سایت زیر مراجعه، محل سکونت خود را انتخاب و مشاهده کنید که چه اجرامی در آسمان آن محل برای رصد وجود دارند.

http://www.heavens-above.com

● تلسکوپ فضایی هابل

تلسکوپ فضایی هابل نمونه‌ای عالی از یک ماهواره عملی ـ پژوهشی است که با ارسال اطلاعات مفیدی از جهان کمک بسیار بزرگی به منجمان و دانشمندان کرده است.

نام این تلسکوپ از نام «ادوین هابل» (۱۹۵۳-۱۸۸۹) گرفته شده است. طول هابل برابر ۲/۱۳ متر و قطر آن۴/۲ متر و وزن آن برابر۱۱ هزار و ۱۱۰ کیلوگرم است. اندازه تلسکوپ فضایی هابل تقریبا برابر یک اتوبوس بزرگ است و در قسمت بار یک شاتل فضایی جا می‌شود.

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، است (۱۱۵-۲۵۰۰ نانومتر).

هابل هر هفته تقریبا ۱۲۰ گیگابایت اطلاعات علمی به زمین مخابره می‌کند. این حجم از اطلاعات برابر ۱۰۹۷ متر کتاب است که در کنار هم در قفسه‌ چیده شده باشند. انرژی مورد نیاز هابل از خورشید تامین می‌شود. این انرژی به وسیله دو سلول خورشیدی که هر کدام ۶۲/۷متری هستند تامین می‌شود. این انرژی برابر ۲۸۰۰ وات است یعنی برابر ۲۸ لامپ ۱۰۰ وات.

هابل می‌تواند از اشیایی در فواصل خیلی دور و نیز اشیای بسیار کم‌نور تصویر بگیرد و وقتی که به هدف خود نگاه می‌کند میزان انحراف آن هفت هزارم ثانیه قوسی است. دو آینه، یکی با قطر ۴/۲ متر و دیگری با قطر ۳۰ سانتیمتر در این تلسکوپ استفاده می‌شود. منبع ذخیره انرژی هابل ۶ باتری نیکل- هیدروژن (NiH) است که گنجایش ذخیره سازی انرژی این باتری‌ها برابر ۲۰ باتری اتومبیل است. برای کسب اطلاعات بیشتر و مشاهده اطلاعات و عکس‌هایی که توسط این تلسکوپ ارسال شده است، می‌توانید به سایت رسمی تلسکوپ فضایی هابل به آدرس http://www.hubblesite.org مراجعه کنید. این تلسکوپ در تاریخ ۲۴ آوریل ۱۹۹۰ به وسیله شاتل فضایی دیسکاوری به مدار منتقل شد. یک روز بعد از پرتاب، این تلسکوپ را در فضا آماده استفاده کردند اما اشکالی در یکی از آینه‌های آن وجود داشت که باعث می‌شد تصاویر آن وضوح و کیفیت لازم را نداشته باشند، بنابراین تلسکوپ در ماموریت‌های مختلفی که برای بازسازی آن صورت گرفته، تعمیر شد. در سال گذشته هم هابل مدت کوتاهی از کار افتاد و چند ماموریت شاتل فضایی برای تعمیر آن انجام شد. در حال حاضر هابل همچنان به تصویربرداری از فضا و ارسال اطلاعات ادامه می‌دهد.