کاوشگری بر مدار امید

آشنایی با انواع ماهواره ها و ساختار آنها

بارها در مورد فضا و فضانوردی مطالبی شنیده ایم، اما به راستی فضا کجاست و مرز زمین و فضا چیست؟ فضا به منطقه یی خالی از جهان گفته می شود که بعد از لایه جو اجرام آسمانی قرار دارد و چگالی گازها در این ناحیه بسیار اندک است (ولی به رغم تصور بیشتر مردم تهی یا خلاء کامل نیست). در فضا گاز هیدروژن، یون ها، ذرات تشکیل دهنده اتم (الکترون و پروتون) و گاهی اوقات غبارهای فضایی یافت می شود، اما میزان این مواد در گستره فضا چنان کم است که می توان نسبت به جو سیاره آن را تهی در نظر گرفت.اما نکته یی که بسیار مهم است آنکه مرز مشخصی بین جو و فضا وجود ندارد. جو زمین با افزایش ارتفاع کم کم رقیق و به تدریج محو می شود. به همین دلیل با توجه به کاربردهای مختلف، مرزهای مجازی گوناگونی برای گذر از جو و رسیدن به فضا وجود دارد.طبق تعریف فدراسیون بین المللی هوانوردی، خط کارمن در ارتفاع صد کیلومتری از سطح دریا مرز بین جو و فضا است. این تعریف به این دلیل انتخاب شده است که بعد از این ارتفاع غلظت جو به قدری کاهش می یابد که می توان از نیروی پسای ناشی از برخورد مولکول های جو با جسم پرنده صرف نظر کرد. از طرف دیگر طبق تعریف رسمی ایالات متحده امریکا فردی که بتواند در ارتفاع بیش از ۸۰ کیلومتر از سطح زمین پرواز کند، فضانورد محسوب می شود. اما مهندسان هوافضا هنگام طرح فضاپیماها یا شبیه سازی بازگشت اجرام به جو زمین، گذر از ارتفاع ۱۲۰ کیلومتری را عبور از مرز جو و رسیدن به فضا می دانند. فضا نیز خود بخش های متفاوتی دارد.

بخشی از فضای بیرونی که در درون منظومه شمسی قرار دارد، فضای بین سیاره یی نامیده می شود. با گذر از مرز منظومه شمسی به قسمتی از فضا وارد می شویم که به آن فضای بین سیاره یی می گویند. با گذر از مرز کهکشان راه شیری به منطقه جدیدی می رسیم که به آن فضای بین کهکشانی می گویند. در فضا تراکم گازها کم است و همین کم بودن تراکم گازها مزیت ها و عیب هایی برای پژوهش های نجومی در فضا دارد. از آنجا که گاز بسیار کمی در جو وجود دارد، برای رصد کیهان در تمام گستره طول موج مناسب است. از همین جا بود که ایده ساخت تلسکوپ فضایی هابل شکل گرفت.با این همه اقامت در فضا دشواری های بسیاری نیز دارد که از جمله آنها می توان به نبود اکسیژن برای تنفس و همچنین نبود فشار اشاره کرد. بدن انسان برای زندگی در فشار هوای یک جو سازگار است و در صورتی که به وضعیت خلأ منتقل شود هرچند همانند فیلم های هالیوودی دچار ازهم پاشیدگی نمی شود، اما با مشکل مواجه می شود. برای مثال آب اندام های سطحی مانند چشم ها و پوست کم کم می جوشد و تبخیر می شود و مویرگ ها در اثر فشار داخلی پاره می شود و فرد با دردی جانکاه می میرد.

● آغاز عصر فضا و فضانوردی

اجرام آسمانی همیشه برای انسان عجیب، پررمز و راز و شگفت انگیز بوده اند، اما برای اولین بار یوهان کپلر ستاره شناس و ریاضیدان آلمانی در اوایل ۱۶۰۰ میلادی توانست قوانین حرکت سیاره ها را ارائه دهد و بدین ترتیب برای گردش اجرام در فضا توضیحی مبتنی بر ریاضی عرضه کرد.ایزاک نیوتن نیز برای نخستین بار قوانین حرکت را تشریح کرد. هر چند علم امروز نسبت به زمان نیوتن بسیار پیشرفت کرده، اما هنوز هم می توان از همان قوانین نیوتن برای پیش بینی حرکت سیاره ها و قمرها و ماهواره ها استفاده کرد.در سال های اولیه قرن هجدهم دانشمندان دریافتند هر چه به ارتفاع بالاتری می رویم هوا رقیق تر می شود. این یعنی بین زمین و سیاره های دیگر هوایی وجود ندارد. بنابراین نمی توان از روش آشنای بال زدن برای سفر به سیاره های دیگر استفاده کرد.در سال ۱۹۰۳ کنستانتین تسیولکوفسکی که یک معلم روس بود، در یک مقاله ایده استفاده از راکت ها برای سفرهای فضایی را کامل کرد. بعدها رابرت گودارد امریکایی و هرمن اوبرت آلمانی روی پروژه سفرهای فضایی متمرکز شدند. آنها مشکلات فنی پرتاب موشک و سفر به فضا را بررسی کردند.گودارد در سال ۱۹۱۹ در مقاله یی با عنوان «شیوه یی برای رسیدن به ارتفاع های بسیار زیاد» چگونگی کاوش در فضای بالای جو زمین را تشریح کرد. این مقاله پرواز یک موشک را نیز توضیح داد. اوبرت نیز در سال ۱۹۲۳ در کتابی به نام «موشکی به سوی فضا» مشکلات فنی پرواز به فضا را بررسی کرد. وی همچنین ساختار فضاپیماها را بررسی کرد. تسیولکوفسکی نیز در سال ۱۹۲۰ درباره جزییات موشک های چندمرحله یی پژوهش کرد. طی سال های ۱۹۳۰ کشورهای امریکا، آلمان و شوروی به شدت در مورد موشک ها پژوهش کردند. در سال ۱۹۲۶ گودارد به همراه گروهش سوختی مایع برای موشک ها ابداع کرد. کارشناسان ساخت موشک در آلمان در سال ۱۹۴۲ و در بحبوحه جنگ جهانی دوم با سرپرستی ورنر فون براون موشک وی دو (V-۲) را ساختند. پس از پایان جنگ امریکا توانست با کمک مهندسان مهاجر آلمانی موشک های پیشرفته یی بسازد. شوروی و انگلستان نیز به شدت به این گونه تحقیقات ادامه می دادند. اما خبری که در ۴ اکتبر ۱۹۵۷ منتشر شد توجه همه جهان را به خود جلب کرد. در این روز شوروی توانست با موفقیت نخستین ماهواره مصنوعی جهان را با عنوان اسپوتنیک به فضا پرتاب کند و بدین ترتیب عصر فضا آغاز شد. مردم تمام دنیا توانستند صدای بیب بیب اسپوتنیک را از رادیوهای خود بشنوند. پیشرفت های شوروی ادامه داشت و امریکا را پشت سر می گذاشت. شوروی یک ماه بعد اسپوتنیک دو را به فضا فرستاد سگی به نام لایکا سرنشین آن بود. این پرواز ثابت کرد حیوانات هم می توانند در فضا به زندگی ادامه دهند. (خوانندگان برای پیگیری دستاوردهای فضایی می توانند به ستون کنار همین صفحه با عنوان «دستاوردهای پنجاه سال فضانوردی» مراجعه کنند.)

● طرز کار موشک ها و راکت ها

یکی از مهم ترین دستاوردهای علمی انسان سفر به فضاست، زیرا سفر به فضا پیچیدگی ها و دشواری های بسیاری دارد. برای سفر به فضا باید بر مشکلاتی همچون وجود خلأ، گرما و حرارت در اثر سرعت زیاد، مشکل ورود دوباره به زمین، مکانیک مدارها، تابش های کیهانی و خورشیدی و... چیره شد. ولی بزرگ ترین مشکل ایجاد انرژی لازم برای بالا بردن فضاپیما از سطح زمین و رساندن آن به فضا است. هرچند بشر انواع مختلفی از موتورها (همانند موتورهای احتراق داخلی، موتور الکتریکی و موتور بخار) را اختراع کرده و سال ها از آن استفاده کرده است اما طرز کار موشک با آنها از اساس متفاوت است. موتور موشک ها موتور واکنشی است. اساس کار موتور موشک ها بر پایه قانون معروف نیوتن است که می گوید؛ «برای هر کنشی، واکنشی وجود دارد که مساوی آن و در خلاف جهت آن است.» موتور موشک نیز جرم را رو به پایین پرتاب می کند و واکنش این پرتاب، موشک را رو به بالا به حرکت درمی آورد.به عبارت دیگر موشک جرم را به صورت گازهای پرفشار پرتاب می کند تا از واکنش آن در جهت مخالف استفاده کند. این جرم از سوختی که در موتور موشک می سوزد، به دست می آید.

● ماهواره های مصنوعی

ماهواره مصنوعی شیئی است که توسط انسان ساخته شده است و پیوسته در مداری پیرامون زمین یا اجرام دیگر در فضا می گردد. هرچند ماهواره ها انواع بسیار دارند، اما می توان همه آنها را در شش دسته کلی ماهواره های علمی، هواشناسی، ارتباطی، ردیاب، مشاهده زمین و نظامی قرار داد که در زیر به شرح خلاصه هر کدام می پردازیم.

▪ ماهواره علمی؛

وظیفه این ماهواره ها جمع آوری اطلاعات برای بررسی ساختار، ترکیب و تاثیر فضای اطراف کره زمین، ثبت تغییرات در سطح و جو کره زمین و همچنین مشاهده سیارات، ستاره ها و اجرام آسمانی در فاصله های بسیار دور است.

▪ ماهواره هواشناسی؛

ماهواره های هواشناسی برای مطالعه نقشه های هواشناسی و پیش بینی وضعیت آب و هوا به کار می رود و می تواند وضعیت جو مناطق گسترده یی از زمین را مشاهده کند. این ماهواره ها می توانند مشخصات ابرها، دما، فشار هوا، بارندگی و ترکیبات شیمیایی اتمسفر را اندازه بگیرند.

▪ ماهواره ارتباطی؛

ماهواره های ارتباطی در واقع ایستگاه های تقویت کننده سیگنال است که امواج را از نقطه یی دریافت و به نقطه یی دیگر ارسال می کنند. یک ماهواره ارتباطی می تواند در آن واحد هزاران تماس تلفنی و چندین شبکه تلویزیونی را پوشش دهد. سازمان های تجاری مانند تلویزیون ها و شرکت های مخابراتی در کشورهای مختلف از کاربران دائمی این ماهواره ها هستند.

▪ ماهواره ردیاب؛

کلیه هواپیماها، کشتی ها و خودروهای زمین می توانند به کمک ماهواره های ردیاب، مکان خود را به دقت مشخص کنند. علاوه بر خودروها و وسایل نقلیه، افراد عادی نیز می توانند از شبکه های ماهواره یی ردیاب بهره مند شوند. سیگنال های این شبکه ها در هر نقطه یی از زمین دریافت می شود و دستگاه های دریافت کننده، سیگنال ها را حداقل از سه ماهواره فرستنده دریافت می کنند و پس از محاسبه کلیه سیگنال ها مکان دقیق را نشان می دهند.

▪ ماهواره های مشاهده زمین؛

این ماهواره ها برای رصد زمین و تهیه نقشه و بررسی کلیه منابع زمین و تغییرات ماهیتی آن و همچنین چرخه های حیاتی در آن طراحی و ساخته می شود. این ماهواره ها پیوسته از زمین در نور مرئی یا نور نامرئی عکسبرداری می کنند.

▪ ماهواره های نظامی؛

ماهواره های نظامی مشتمل بر انواع دیگر ماهواره هاست و برای مقاصد نظامی به کار می روند. برخی از این ماهواره ها که به ماهواره های جاسوسی نیز شهرت دارند، می توانند موشک ها، کشتی و هواپیماها را زیر نظر گرفته و جابه جایی تجهیزات نظامی در زمین را رصد کنند.

● ساختار ماهواره ها

هر ماهواره دارای تجهیزاتی است که برای انجام ماموریت به آنها نیاز دارد. برای مثال ماهواره یی که وظیفه بررسی کیهان را دارد، به یک تلسکوپ مجهز است. همه ماهواره ها علاوه بر تجهیزات تخصصی، دارای سیستم های اصلی برای کنترل تجهیزات خود و کارکرد ماهواره ها هستند، از جمله سیستم تامین انرژی، مخازن، سیستم تقسیم برق و... بخش داده ها و اطلاعات نیز به رایانه هایی مجهز است که می تواند اطلاعات به دست آمده را جمع آوری و پردازش و فرمان های ارسال شده از زمین را اجرا کند.بیشتر ماهواره ها را با موشک به فضا می فرستند. این موشک ها پس از اتمام سوخت شان به درون اقیانوس ها می افتند. بیشتر ماهواره ها در ابتدا با حداقل تنظیمات در مسیر خود در مدار قرار می گیرند و پس از قرار گرفتن در مدار، راکت های موجود در خود ماهواره، تنظیم های نهایی را انجام می دهند.کنترل بیشتر ماهواره ها در مرکزی روی زمین است. این مراکز دستورالعمل ها را به ماهواره ارسال و اطلاعات جمع آوری شده توسط ماهواره ها را دریافت می کنند. مرکز کنترل با امواج رادیویی با ماهواره در ارتباط است. ماهواره های موجود در ارتفاع زیاد (مدار ژئوسینکرونوس) در ارتباط همیشگی با زمین هستند. اما ماهواره های موجود در ارتفاع کم دوازده بار در روز با مرکز کنترل ارتباط برقرار می کنند. تبادل اطلاعات با مرکز تا زمانی که ماهواره از فراز ایستگاه عبور می کند ادامه دارد که معمولاً این مدت حدود ده دقیقه است.چنانچه قسمتی از ماهواره دچار نقص فنی شود اما ماهواره همچنان قادر به ادامه ماموریت باشد، به کارش ادامه می دهد و مرکز کنترل بخش آسیب دیده را تعمیر یا دوباره برنامه نویسی می کند. در موارد نادری نیز عملیات تعمیر ماهواره ها را شاتل ها در فضا انجام می دهند. اما چنانچه آسیب های وارد شده به ماهواره به اندازه یی باشد که ماهواره دیگر قادر به انجام ماموریت های خود نباشد، مرکز کنترل فرمان توقف ماهواره را صادر می کند.ماهواره در مدار خود باقی می ماند تا زمانی که شتاب آن کم شود. در چنین حالتی گرانش، ماهواره را به سمت پایین و به سمت اتمسفر می کشد.

● انواع مدار ماهواره ها

مدارهای ماهواره ها شکل های گوناگونی دارند؛ برخی دایره یی شکل و برخی به شکل بیضی هستند. مدارها از لحاظ ارتفاع نیز با یکدیگر تفاوت دارند. هر چه ارتفاع مدار بیشتر باشد، دوره گردش آن نیز طولانی تر است.

هر چند انواع گوناگونی از مدارها وجود دارد، اما اغلب ماهواره هایی که پیرامون زمین در گردشند، در یکی از چهار دسته زیر قرار می گیرند؛

۱) ارتفاع زیاد (ژئوسینکرونوس)؛

مدارهای ارتفاع بلند بر فراز استوا و در ارتفاع ۳۵۹۰۰ کیلومتر قرار دارند. ماهواره ها در این گونه مدارها حول محوری با سرعت و جهت برابر حرکت زمین حرکت می کنند. بنابراین هنگام رصد آنها از روی زمین همواره در نقطه یی ثابت به نظر می رسند.

۲) ارتفاع متوسط؛

ارتفاع یک مدار متوسط حدود بیست هزار کیلومتر و دوره گردش ماهواره های آن ۱۲ ساعت است. مدار خارج از جو زمین و کاملاً پایدار است. امواج رادیویی که از ماهواره های موجود در این مدارها ارسال می شود، در مناطق بسیاری از زمین دریافت می شود.

۳) مدار قطبی (سان سینکرونوس)؛

این مدارها ارتفاع نسبتاً کمی دارند و تقریباً از فراز هر دو قطب زمین عبور می کنند. ماهواره های این مدار از همه عرض های جغرافیایی زمین می گذرند و در نتیجه می توانند اطلاعات را از تمامی سطح زمین دریافت کنند. از این ماهواره ها معمولاً برای بررسی اثر چرخه های طبیعی و فعالیت های انسان روی آب و هوای کره زمین استفاده می شود. ارتفاع مدار این ماهواره ها ۷۰۵ کیلومتر و دوره گردش آن ۹۹ دقیقه است.

۴) مدار ارتفاع کم؛

ماهواره های این مدار درست بر فراز جو زمین قرار دارند و تقریباً هوایی وجود ندارد تا اصطکاکی ایجاد کند. ماهواره های پژوهشی که اطلاعات را از اعماق فضا دریافت می کنند، غالباً در این مدارها حرکت می کنند.

محمدرضا دستورانی