اجزاء ماهواره

ماهواره ای که به مدار زمین فرستاده می شود تا انجام وظیفه کند از قسمت های مختلفی تشکیل شده است . بررسی کامل تمام این قسمت ها بسیار پیچیده بوده و از حوصله این مقاله خارج می باشد. دراین مقاله مهمترین قسمت های یک ماهواره را بررسی می کنیم .
ولی قبل از آن توضیح مختصری در مورد گرانش و همچنین در مورد ماهواره (مقاله های مختلف فصل ماهواره ) داده و در انتها هم خلاصه بخش های مختلف مقاله را می آوریم .  

۱- مختصری از گرانش

قبل از توضیح در موردحرکات مداری بهتر است در مورد گرانش و قانون جاذبه عمومی توضیحات مختصری بدهیم برای توضیحات کاملتر به لینک مقاله هائی که گذاشتیم(با رنگ آبی)مراجعه کنید.بخصوص مقاله “ قانون جاذبه عمومی نیوتن“ را حتما مطالعه کنید.

۱) تاریخچه گرانش قبل از نیوتن

از دوران باستان برای بشر همواره سوال بود که چرا همه اشیا روی زمین سقوط می کنند ولی ماه و خورشید و ستارگان روی زمین سقوط نمی کنند؟ همچنین حرگت هماهنگ همه ستارگان از شرق به غرب برای آنها یک معما بود . براین اساس بطلمیوس دانشمندیونانی (۹۰–۱۶۸ میلادی) نجوم بطلمیوسی را پایه گذاری کرد که بر اساس آن تمام ستارگان به کره ای به نام کره آسمان چسبیده اندو این کره (که مرکز آن زمین است)گرد زمین می چرخد. ۱۵۰۰سال طول کشیدتا کپرنیک منجم لهستانی(۱۴۷۳تا ۱۵۴۳) توانست بطلان آن را نشان دهد که کره آسمان وجود ندارد و طلوع و غروب و حرکت اجرام آسمانی نتیجه چرخش زمین است و همه سیارات  ازجمله زمین به دورخورشید می چرخند. برای مطالعه کامل به مقاله “تاریخچه گرانش “مراجعه کنید .

۲) زندگینامه نیوتن

سِرایزاک نیوتن در۲۵دسامبر۱۶۴۲ انگلیس بدنیا آمد.در ۱۸سالگی یعنی در سال۱۶۶۱وارد کالج ترینیتی شد و مراحل ترقی را یکی پس ازدیگری طی کرد.نیوتن نتیجه کشفیات خودش را (در مورد قوانین حرکت و قانون جاذبه عمومی)در سال۱۶۸۷در کتابی به نام “ اصول ریاضی فلسفه طبیعت “منتشر کرد و نام خود را جاودانه کرد . برای توضیح کامل زندگینامه نیوتن به مقاله “ زندگینامه نیوتن “ مراجعه کنید . 

۳) نیوتن و گرانش

در مقاله “نیوتن و گرانش“داستان کشف و فرمول بندی نیروی گرانش جهانی را توسط نیوتن شرح می دهیم.  از داستان اقتادن سیب شروع کرده تا مقایسه نیروی جاذبه زمین در مدار ماه و…همچنین داستان چرخش سطل های آب و…که منجر به کشف گرانش شد.

۴) قانون جاذبه عمومی نیوتن

در مقاله “قانون جاذبه عمومی نیوتن“ ابتدا فرمول قانون گرانش جهانی را شرح داده و بسیاری از پدیده های مربوط به آن را توضیح داده و بعد از محاسبه ثابت گرانش جرم زمین و خورشید را محاسبه می کنیم .

 ۲- مختصری از ماهواره

یکی از بزرگترین اکتشافات بشر در عرصه علم و تکنولوژی ماهواره می باشد.ماهواره ها انقلابی بزرگ در عرصه های مختلف دانش و تکنولوژی ایجاد کرده اندو مسیرتحولات و پیشرفت تمدن ما را سرعت بخشیدند. از این رو ما در مقاله های نجومی یک فصل را به ماهواره اختصاص داده و سعی کردیم همه مطالب مرتبط با ماهواره را در این فصل بگنجانیم . مقاله حاضر ششمین مقاله از این فصل است در این بخش فقط به معرفی مقاله های فصل ماهواره می پردازیم .

۱) مکانیک مداری و قوانین کپلر (۱)

مکانیک مداری یا اخترپویاشناسی ( astrodynamics) شاخه‌ای از علم مکانیک است که به حرکت اجرام آسمانی (کهکشان ها تا ستارگان و سیارات و قمرها و…) و مدارهائی که بر اثر گرانش متقابل یکدیگر تشکیل می دهند می پردازد . حرکت اجرام سماوی بر اساس قانون جاذبه عمومی نیوتن و همچنین قوانین کپلر(که بر گرفته از همان قانون گرانش جهانی است)می باشد.مکانیک مداری علاوه برتوجیه مدارهای اجرام سماوی کاربرد گسترده ای هم درعلم فضانوردی دارد.برای فرستادن فضاپیماها (با سرنشین و بدون سرنشین)به اعماق فضا همچنین در مدار قرار دادن ماهواره ها نیازمند این علم هستیم .
از این رو ما در فصل ماهواره ها قبل از شروع بحث ماهواره دو مقاله در مورد مکانیک مداری نوشتیم . در مقاله “مکانیک مداری و قوانین کپلر (۱) “در مورد مکانیک مداری و قوانین کپلر توضیح داده و قوانین کپلر را ثابت کردیم.

۲) مکانیک مداری و قوانین کپلر (۲)

در مقاله “مکانیک مداری و قوانین کپلر (۲) “در مورد کاربرد قوانین کپلر(بخصوص قانون سوم کپلر)و انواع مدارهای کپلری توضیح می دهیم .قانون سوم کپلر استفاده گسترده ای در بسیاری از محاسبات نجومی مربوط به منظومه شمسی و… همچنین ماهواره ها دارد برای مثال میتوان به این موارد اشاره کرد : محاسبه جرم خورشید با داشتن فاصله زمین ازخورشید و طول یک سال نجومی،محاسبه فاصله سیارات از خورشید با داشتن جرم خورشید و دوره تناوب سیاره ،اندازه گیری جرم یک سیاره با داشتن فاصله یک قمر ازسیاره و دوره تناوب آن و…دوره تناوب ماهواره ها همچنین در این مقاله حالت های مختلف مدارهای کپلری دو جسم را بررسی کرده و چگونگی مدارها را در حالت های مختلف ( حالتی که یکی از اجسام بسیار بسیار سنگین تر است ، یکی از اجسام بسیار سنگین تر است ، یکی از اجسام مقداری سنگین تر است و جرم دو جسم برابر است)

۳) ماهواره

امروزه همه ما به اهمیت ماهواره و نقش آن در تکنولوژی و تمدن کنونی ما وخدماتی که این ابزارها به طور مستقیم و غیر مستقیم به ما ارائه می دهند واقف هستیم .در مقاله ماهواره ابتدا توضیح کوتاهی در مورد تعریف ماهواره داده (هر دستگاهی که توسط بشر ساخته شده و به فضا فرستاده شود و در مداری به دور زمین و بچرخد ماهواره نامیده می شود.) و بعد در مورد ماهواره ، تاریخچه ماهواره ، کشورهای دارای فناوری ماهواره و … به تفصیل توضیح خواهیم داد.برای مطالعه به مقاله “ ماهواره “ مراجعه کنید .

۴) تقسیم بندی ماهواره ها

ماهواره ها را به روش های مختلف طبقه بندی می کنند( این طبقه بندی ها به این صورت است : طبقه بندی ماهواره ها بر حسب وظیفه ، طبقه بندی بر حسب نوع و ارتفاع مدار و … طبقه بندی بر اساس جرم و اندازه ماهواره ) مقاله “ انواع ماهواره “ به این طبقه بندی ها خواهیم پرداخت .

۵) مدارهای ماهواره ای

در مقاله “ مدارهای ماهواره ای “در مورد : چگونگی قرار دادن ماهواره در مدار ، نیروی پیشران ماهواره ها  ،قوانین حاکم بر حرکت ماهواره ها ، انواع مدارهای ماهواره ،در مورد نوع و ارتفاع مدارها توضیح می دهیم .

۳- اجزاء اصلی ماهواره

ماهواره ای که به مدار زمین فرستاده شده تا انجام وظیفه کند از قسمت های مختلفی تشکیل می شود و بسته به نوع و کاربرد آن دستگاه های مختلفی درون آن قرار داده می شود بنابر این بحث در مورد اجزاء و دستگاه های کار گذاشته شده در ماهواره ها بحث بسیار مفصلی می باشد که در این مقاله نمی گنجد ولی اجزائی هستند که تقریبا در تمام ماهواره ها (مخابراتی،سنجش از دور،نظامی و…) کار گذاشته می شوند و وجود آنها برای همه ماهواره ها الزامی می باشد. در این بخش فقط در مورد اجزاء اصلی و مشترک ماهواره ها توضیح کلی می دهیم .

۱) تقسیم بندی اولیه

در ابتدا اجزاء ماهواره را میتوان به دوقسمت تقسیم بندی کرد و هرقسمت خود به چندقسمت تقسیم میشود.
۱-۱) محموله : قسمت اصلی هرماهواره که منحصرا برای ماموریت آن ماهواره ساخته شده و درون ماهواره قرار داده شده را محموله ماهواره می گویند.محموله هر ماهواره بنابر وظیفه و کاربردی که دارد تعیین میشود بنابراین محموله هر نوع ماهواره با ماهواره نوع دیگر(ماهواره های ستاره شناسی ، هواشناسی ، مخابراتی و… )تفاوت داشته و مانند هم نمی باشد (ابزارها و دستگاه ها با هم تفاوت دارد )
۱-۲) اجزاء پشتیبان(اجزاء اصلی): با وجودی که قسمت های اصلی هر ماهواره با ماهواره دیگر متفاوت است تقریبا در همه ماهواره ها اجزائی قرار دارند که قسمت اصلی هر ماهواره را تشکیل می دهند و در همه نوع ماهواره مشترک میباشند(ماهواره های ستاره شناسی ، هواشناسی ، مخابراتی و… )این قسمت ها را « اجزای پشتیبان» می گویند و در قسمت های دیگر این بخش فقط در مورد این اجزا توضیح می دهیم .

شکل شماره ۱ – ماهواره و اجزای اصلی آن

نمودار شماره ۱ – تقسیم بندی اجزاء ماهواره

۲) سازه یا بدنه(structure)

بدنه یک ماهواره در واقع ساده ترین و مهمترین قسمت یک ماهواره می باشد . در واقع کلیه اجزاء اصلی و فرعی ماهواره باید بر روی بدنه ماهواره نصب و سوار شوند . هر ماهواره بستگی به شکل و وظیفه خود بدنه متفاوتی از ماهواره های دیگر دارد این بدنه می تواند: استوانه ای ، مکعبی ، چند وجهی و… باشد . همچنین حجم و اندازه بدنه ماهواره را وزن و مقدار اجزاء فرعی و اصلی ماهواره تعیین می کند. نکته مهم در طراحی بدنه ماهواره این است که اولا بدنه ماهواره باید استقامت کافی داشته باشد و ثانیا حجم و فضای کافی برای قرار دادن اجراء دیگرِ ماهواره (اجزاء اصلی و فرعی)در آن پیش بینی شده باشد.

۳) سیستم کنترل وضعیت(attitude determination and orbital control)

 یکی از موارد بسیار مهم در کارکرد ماهواره وضعیت تعادل ماهواره و وضعیت ماهواره نسبت به زمین و خورشید و… می باشد بر ماهواره ای که در مدار قرار داده می شود بجز نیروی جاذبه زمین و نیروی گریز از مرکز که ماهواره را در مدار قرار می دهد نیروهای مختلف دیگری نیز وارد می شود این نیروها می تواند گشتاورهای مختلفی به ماهواره وارد کرده و  ماهواره را به چرخش وادار کرده و از حالت اصلی خارج کند . برای پایداری ماهواره در سه محور اصلی در فضا از ژیروسکوپ استفاده می کنند ولی گاهی اوقات نیاز پیدا می شود که ماهواره گردش کند و به سمتی که مدنظر کاربران و صاحبان ماهواره است تغییر جهت بدهد در این حالت هم با استفاده از موتورهائی که درون ماهواره کار گذاشته شده این کار براحتی امکان پذیر می باشد .

۴) تأمین توان(سیستم تهیه انرژی) (electric power supply)

یک ماهواره مانند هر سیستم دیگر برای انجام عملیات و وظائف خود به انرژی الکتریکی نیاز دارد بنابر این تامین انرژی الکتریکی در ماهواره یکی از مهمترین نیازهای ماهواره می باشد . یکی از مهمترین پارامترها در تعیین عمر ماهواره ها سیستم توان ماهواره می باشد.که خود ازبخش های مختلفی تشکیل شده است دربخش های ۴ تا ۷ به تفصیل دراین باره قسمت های مختلف سیستم تامین توان توضیح میدهیم.

۵) سیستم کنترل مرکزی

بجز ایستگاه های فضائی ، ماهواره هائی دیگر که به دور زمین می چرخند سرنشین ندارند و کسی در درون ماهواره نیست که به صورت دستی سیستم های مختلف یک ماهواره را کنترل و بر آنها نظارت کند. نظارت بر عملکرد بخش های مختلف یک ماهواره هم امری حیاتی می باشد و بدون این نظارت ماهواره نمی تواند به درستی کار کند بنابر این هر ماهواره (همچنین فضاپیما)سیستمی را می خواهد که بر بخش های مختلف ماهواره نظارت کند و چون ماهواره سرنشین ندارد این نظارت باید به صورت اتوماتیک باشد از این رو در هر ماهواره و فضاپیما سیستمی وجود دارد که «سیستم کنترل مرکزی » نامیده می شود و در واقع مرکز فرماندهی ماهواره می باشد و بر عملکرد همه دستگاه های ماهواره نظارت کرده و دستورات لازم را صادر می کند. حتی در ایستگاه های فضائی و سفینه های سرنشین دار این سیستم فعال بوده و بر عملکرد ماهواره یا فضاپیما نظارت می کند دربخش هشتم( ۸- سیستم کنترل مرکزی ماهواره ) در این مورد توضیح می دهیم .

۶)کنترل حرارت (temperature control)

ماهواره ها در فضای خارج از جو درحال گردش به دور زمین هستند بخاطر نبودن هوا حرارت در روز تا ۱۵۰درجه سلسیوس و در شب به۱۰۰درجه زیر صفرمی رسد(شبیه کره ماه)و این می تواند به ابزارهای حساس ماهواره صدمه بزند از این رو لازم است تا درماهواره ها سیستمی نصب شود که حرارت را کنترل کرده و در حداستاندارد نگه دارد(در صورت گرم شدن خنک و در صورت خنک شدن گرم شود)و مانع ازصدمه رسیدن به دستگاه ها و سیستم های حساس ماهواره شود.

۷) سیستم ردیابی و کنترل دور سنج (Tracking Telemetry and Control) یا TT&C

وقتی ماهواره یا فضاپیما به فضا فرستاده می شود لازم است با زمین (یا مرکز کنترل در هرجائی از زمین) ارتباط دائم داشته باشد از طرفی باید دستورات را از زمین گرفته و اطلاعات بدست آمده (عکس و فیلم و … اطلاعات و سیگنال ها) را به زمین مخابره کند سیستم ردیابی و کنترل دور سنج در واقع ابزارها و روش هائی هستند که ماهواره را به زمین و گبرنده های زمینی و کاربران متصل می کند. دربخش های نهم( ۹- تعیین موقعیت ماهواه از درون ماهواره) و دهم(۱۰- ردیابی ماهواره ها و سایر اشیا از روی زمین)دراین مورد بیشتر توصیح می دهیم.

۸) پیشران ماهواره (propulsion equipment)

ماهواره های اولیه که در ابتدای عصر ماهواره ها ساخته شده و در مدار قرار داده شدند همچنین ماهواره های آزمایشی و ارزان قیمت که توسط کشورهائی که تازه به فن آوری ماهواره دسترسی پیدا کردند فاقد پیشرانش فضائی هستند و باید تنها با اتکا به سرعت اولیه خود ماه ها و سال ها در مدار باقی بمانند ولی ماهواره های گران قیمت و کاربردی حتما باید نیروی پیشران داشته باشند و گرنه بخاطر نیروهای مختلفی ازمدارخارج شده و سقوط کرده و یا به اعماق فضارها می شوند.در بخش یازدهم (۱۱- ماهواره و پیش رانش  فضائی )در این مورد بیشتر توضیح می دهیم .

شکل شماره ۲ – نیروی پیشران یک ماهواره کوچک

۴- زیر سامانه تامین توان

یکی از مهمترین نیازهای هر ماهواره که به دور مدار زمین می چرخد نیاز به انرژی الکتریکی می باشد بدیهی است که ماهواره نمی تواند برق خود را با سوزاندن سوخت های فسیلی و…تهیه کند پس ساده ترین روش تهیه برق ماهواره از خورشید می باشد و بعد هم مسئله ذخیره برق و مدیریت آن میباشدکه همه این ها «زیر سامانه تامین توان ماهواره » نامیده می شود .در این بخش در مورد این موضوع توضیح می دهیم .

۱) زيرسامانه تامين توان ماهواره(electric power supply)

زیر سامانه تامین توان در ماهواره ها سیستمی است که انرژی الکتریکی مورد نیاز ماهواره را تهیه کرده ، ذخیره می کند و همچنین مدیریت می کند. تامبن توان در ماهواره ها یکی از حساس ترین و مهمترین قسمت های یک ماهواره می باشد که یکی از فاکتورهای تامین طول عمر مفیدیک ماهواره می باشد در واقع با ازکار افتادن سیستم های الکتریکی،ماهواره به یک جسم بدون استفاده و درواقع زباله فضائی تبدیل می شود. مسئله تامین توان در ماهواره ها بقدری مهم می باشد که امروزه در ماهواره های کوچک بین ۲۰ تا ۳۰درصد و در ماهواره های بزرگ ۱۰تا ۱۵درصدکل هزینه ساخت ماهواره فقط به سیستم تامین توان مربوط می شود .

۲) بخش های مختلف زيرسامانه تامين توان

 این زیر سامانه به چهار بخش تقسیم می شود :
۲-۱) بخش تولید انرژی : در این بخش انرژی الکتریکی تولید می شود .
۲-۲) بخش ذخیره انرژی :دراین قسمت انرژی الکتریکی تولیدشده برای استفاده های بعدی ذخیره می شود.
۲-۳) کنترل و تنظیم توان : در این بخش انرژی مورد نیاز هر دستگاه به اندازه مورد نیاز تقسیم می شود .
۲۴-۴) مدیریت توضیع توان : در این بخش برق تولید شده و ذخیره شده برای استفاده بهینه مدیریت می شود.

۳) بخش تولید انرژی

یکی ازمهمترین نیازهای یک ماهواره نیاز به انرژی الکتریکی(یا برق)برای دستگاه ها و سیستم های ماهواره می باشد.در این قسمت برق ماهواره تولید می شود.برای تولید برق ماهواره ها و فضاپیماها عمدتا ازسلول های خورشیدی استفاده می شود دربخش بعدی به صورت مفصل به این موضوع خواهیم پرداخت.

۴) بخش ذخیره انرژی

ماهواره ای که به دور زمین می چرخد مقداری از مسیر خود را در سایه زمین(شب اصطلاحا در کسوف می گویند) طی می کند و پس نمی تواند از سلول های خورشیدی برای تولید برق استفاده کند بنابر این ماهواره باید بتواند برق اضافی را در موقع روز ذخیره و در شب استفاده کند این وظیفه به عهده بخش ذخیره انرژی می باشد که در بخش هفتم (۷- باتری های ماهواره)در مورد آن توضیح کامل خواهیم داد .

۵) کنترل و تنظیم توان

انرژی تولید شده در سلول های خورشیدی دارای ویژگی می باشند که « تولید انرژی غیر خطی » نامیده می شوند این به این معنی می باشد که با تغییر مصرف برق آنها ولتاژ خروجی اشان هم تغییر می کند و این می تواند به دستگاه های ماهواره آسیب برساند . همچنین باتری های شارژی هم با پر و خالی شدن مداوم کارائی خود را از دست می دهند بنابر این لازم است سیستمی وجود داشته باشد که هم به تولید و مصرف برق سلول های خورشیدی نظارت داشته باشد و هم به پر و خالی شدن باتری ها ، سیستم کنترل و تنظیم توان به این موارد کنترل و نظارت می کند(در بخش های بعدی در این مورد مفصل توضیح می دهیم)

۶) مدیریت توضیع توان

باتری های ماهواره (مانند بیشتر باتری های شارژی) با پر و خالی شدن مداوم کارائی خود را از دست می دهند بنابر این لازم است این کار به حداقل برسد برای استفاده بهینه از برق تولید شده و ذخیره شده ماهواره باید سیستمی وجود داشته باشد که بر مصرف برق مدیریت و نظارت داشته باشد و حداکثر صرفه جوئی را در مصرف برق داشته باشد این کار به عهده سیستم مدیریت توان می باشد .

۵- تولید انرژی الکتریکی در ماهواره ها

یکی از مهمترین نیازهای هر ماهواره و یا فضاپیما (با سرنشین یا بدون سرنشین)نیاز به انرژی الکتریکی می باشد بدیهی است که ماهواره ها و فضاپیماها نمی تواند برق خود را با سوزاندن سوخت های فسیلی و…و یا استفاده از باتری های معمولی غیر شارژی تهیه کنند در این بخش در مورد روش های تولید برق ماهواره ها به اختصار توضیح می دهیم .

۱) روش های تولید برق در ماهواره ها

روش های مختلفی برای تولید برق در ماهواره ها و فضاپیماها وجود دارد. این روش ها به صورت کلی به دو قسمت تبدیل می شوند یا به صورت استاتیکی یا دینامیکی که در ادامه در مورد آن ها توضیح می دهیم .
۱-۱) روش استاتیکی : در این روش ها انرژی گرمايی به‌ طور مستقيم به انرژی الكتريكی تبدیل می شود این انرژی گرمائی می تواند مستقیما از خورشید ارسال شود (که توسط سلول های خورشیدی مستقیما به برق تبدیل می شود) و یا از واپاشی هسته های رادیو اکتیو که گرما تولید می کند( که توسط باتری های اتمی مستقیما به برق تبدیل می شود)
۱-۲)روش دینامیکی: در این روش ها انرژی گرمائی و شیمیائی و…ابتدا به انرژی جنبشی تبدیل شده و بعد انرژی جنبشی با به کار انداختن ژنراتور برق تولید می کند.درست همانند زمین با این تفاوت که در فضا سوخت و اکسید کننده به مقدار نامحدود وجود ندارد و در عوض باید از روش هائی مانند: موتور استرلینگ ، موتور رانکین وچرخه برایتون استفاده کرد زیرا در این موتورها هیچ احتراقی درموتور رخ نمی دهد،هیچ ماده ای سوزانده نمی شودو هیچ سوخت و اکسیدکننده ای مصرف نمی شود . 

۲) سلول های خورشیدی

تامین برق ماهواره ها به طریق مختلف صورت می گیرد که یکی از مهمترین آنها استفاده از سلول ها و پنل های خورشیدی می باشد . فضای خارج از جو امکانات بسیار خوبی برای استفاده از انرژی خورشیدی می باشد در این فضا ابرها دیگر مانع به حساب نمی آیند و سلول ها و پنل های خورشیدی راندمان بسیار بالاتری دارند در بخش بعدی در این مورد بیشتر توضیح می دهیم .

۳) باتری اتمی (Atomic battery)

باتری اتمی یا پیل هسته ای دستگاهی است که انرژی حاصل از واپاشی هسته اتم های رادیو اکتیو را مستقیما به جریان برق تبدیل می کند . این باتری ها شارژی نبوده و یکبار مصرف می باشند ولی بر خلاف باتری های معمولی که زود خالی شده و کارائی کمی دارند این باتری ها عمر بسیار طولانی (با توجه به مصرف برق در فضاپیماها و ماهواره ها حدود ده ها سال تا حتی۱۰۰سال) و همچنین چگالی انرژی بالایی دارند در این باتری ها از دی اکسید اورانیوم UO2 به عنوان کاتد و لیتیم به عنوان آند استفاده می کنند .
با توجه به قیمت بسیاربالای این باتری ها استفاده عمومی ازآنها در دستگاه های و ماشین هائی که می توانند ازمنابع دیگر برق استفاده کنند مقرون به صرفه نیست ولی برای دستگاه ها و وسائلی که دسترسی به آنها غیرممکن و یا بسیار سخت می باشد(ضربان‌سازهای قلب، سیستم‌های زیر آب ،ایستگاه‌های علمی خودکار و… )بهترین گزینه همان باتری اتمی می باشد در ادامه توضیح میدهیم که چرا فضاپیماها و بعضی ماهواره ها نیاز به باتری های اتمی دارند .

۴)چرا فضاپیماها نیاز به باتری اتمی دارند؟

برای سفینه های فضائی که به مقصد مشتری و سیاره های بیرونی و دور دست منظومه شمسی و یا به خارج از منظومه شمسی می روند  مقدار انرژی دریافتی از خورشید به صورت تصاعدی(با عکس مجذور فاصله)کم می شود(در محل مشتری ۳۰ بار کمتر از زمین) بنابر این استفاده از انرژی خورشیدی در نقاط دور از خورشید کارائی ندارد بنابر این فضاپیماها و مدارگردها باید راهی دیگر برای تولید برق مصرفی خود پیدا کنند بدیهی است که این ماهواره ها نمی توانند از باتری های معمولی با عمر کوتاه استفاده کنند بنابر این یکی از این راه ها استفاده از باتری های اتمی می باشد.
همچنین بسیاری از ماهواره های گران قیمت در کنار پنل های خورشیدی برای بسیاری از فعالیت های خود از باتری های اتمی استفاده می کنند .

شکل شماره ۳ -باتری اتمی

۵) موتور استرلینگ

بجز باتری ها و پنل های خورشیدی یکی دیگر از راه های تولید برق در فضاپیماها و مدارگرد(و احیانا بعضی ماهواره ها)استفاده از روش های دینامیکی می باشد.دراین روش ها انرژی شیمیائی و یا گرمائی ابتدا به انرژی جنبشی تبدیل شده وبعد با بگردش در آوردن یک ژنراتور به تولید برق بپردازد درست همانند روش هائی که در روی زمین با مصرف سوخت های فسیلی تولیدگرما و بعد برق می کنیم( بدیهی است که در فضا نمی توان سوخت فراوانی به این منظور همراه سفینه کرد) با این تفاوت که در موتور استرلینگ برخلاف موتورهای بنزینی و گاروئیلی گاز استفاده شده هیچگاه موتور را ترک نمی کند ، هیچ دریچه خروج دوده و اگزوز ندارد ، هیچ سوختی مصرف نمی کند . این موتورها برای اولین بار درسال ۱۸۱۶ توسط دکتر رابرت استیرلینگ اختراع شد.
اساس کار این موتورها این است که گرما را از یک منبع گرم گرفته و به یک منبع سرد منتقل می کند و در این میان ایجاد حرکت (انرژی جنبشی)می کند که انرژی جنبشی به برق یا انواع دیگر انرژی تبدیل می شود . در شکل شماره ۴ روش کار این موتورها نشان داده شده است. انرژی گرمائی که موتور را به کار می اندازد می تواند از هر منبع گرمائی (گرمای خورشید،گرمای مواد رادیو اکتیو ، گرمای حاصل از سوزاندن سوخت و… )گرفته شود در فضاپیماها و ماهواره ها این گرما یا مستقیما از خورشید گرفته می شود و یا درنقاط دور ازخورشید از گرمای حاصل از واپاشی مواد رادیو اکتیو گرفته می شود. یکی از مهمترین مزیت های این موتورها نسبت به موتورهای بنزینی و گازوئیلی بی صدا بودن آنها می باشد. با وجودی که کارائی این موتورها از موتورهای بنزینی بیشتر است ولی به صورت محدود در : زیردریایی‌ها ، ژنراتورهای کمکی در قایق‌ها و… فضاپیماها استفاده می شود .

شکل شماره ۴ – طرز کار موتور استرلینگ

شکل شماره ۵ – نمونه آموزشی موتور استرلینگ

  

شکل های متحرک ۱ و ۲ – طرز کار  موتور استرلینگ

۶) موتورهای رانکین

اساس کار موتور رانکین هم شبیه موتور استرلینگ است با این تفاوت که در موتور رانکین از تبدیل مایع به گاز و گاز به مایع استفاده می شود.در این نوع موتور هم گاز استفاده شده هیچگاه موتور را ترک نمی کند ، هیچ دریچه خروج دوده و اگزوز ندارد و… )

 

۶ ـ صفحات خورشیدی در ماهواره ها  و فضاپیماها

ماهواره ها در فضا و در مداری به دور زمین در حال حرکت هستند در فضای خارج از جو امکانات بسیار خوبی برای استفاده از انرژی خورشیدی موجود می باشد در این فضا ابرها دیگر مانع به حساب نمی آیند همچنین میزان انرژی خورشیدی حدود ۱۵درصد بیشتر از روی زمین است(زیرا جو زمین ۱۵٪ از انرژی خورشیدی را جذب می کند) بنابراین راندمان این سلول ها بسیاربیشتر از روی زمین است.ساده ترین راه استفاده ازانرژی خورشیدی درماهواره ها (همینطور فضاپیماهائی که دورتر از مدار مشتری نباشند) استفاده از سلول ها و پنل های خورشیدی می باشد . سلول ها و پنل ها و آرایه های خورشیدی یکی از مهمترین و گران ترین قسمت های ماهواره ها می باشند و در ساخت آنها از مرغوب ترین مواد استفاده می شود زیرا طول عمر ماهواره به این پنل ها بستگی دارد .
در این بخش در مورد صفحات خورشیدی ماهواره ها و فضاپیماها توضیح می دهیم و توضیحات کامل و فنی در مورد سلول های خورشیدی و چگونگی کارکرد آنها را در مقاله “ انرژی خورشیدی “ می دهیم .

۱) تاریخچه استفاده از سلول های خورشیدی در ماهواره ها

در ابتدای عصر ماهواره یعنی موقعی که ماهواره های “اسپوتینگ یک” و “اکسپلور یک” را روانه فضا کردند بزرگترین معضل همین تامین برق این ماهواره ها بود در آن زمان هنوز سلول های خورشیدی عمومیت پیدا نکرده بود و از این رو در این ماهواره ها از همان باتری های معمولی(البته نوع درجه یک آن) استفاده کردند . به زودی با خالی شده باتری ها،این ماهواره ها هم غیر قابل استفاده شد . در واقع اولین ماهواره که از سلول های خورشدی استفاده کرد ماهواره روسی اسپوتنيك-۳) Sputnik 3 بود که در۱۵مه۱۹۵۸درمدار قرارداده شد . با آن که بازده سلول های خورشیدی در آن زمان فقط۱۰درصد بود و بسیار گران تمام می شد همین هم یک مزیت بزرگ بود.بعد از شوروی آمریکائی ها هم تصمیم به استفاده از سلول های خورشیدی برای تامین برق ماهواره های خود کردند و بزودی سرمایه گزاری های عظیمی روی  سلول های خورشیدی انجام شد و تا امروز بازده این سلول ها به زحمت۴۰ ٪ هم رسیده است .

شکل شماره ۶ – ماهواره اسپوتنیک ۳

۲) تامین برق ماهواره توسط سلول های خورشیدی

تامین برق ماهواره ها به طریق مختلف صورت می گیرد که یکی از مهمترین آنها استفاده از سلول های خورشیدی است . فضای خارج از جو امکانات بسیار خوبی برای استفاده از انرژی خورشیدی می باشد و راندمان این سلول ها بسیار بیشتر از روی زمین است.
چون هزینه ساخت و در مدار قرار دادن ماهواره بسیار زیاد می باشد و از طرف دیگر یکی از مهمترین عوامل طول عمر ماهواره همان توان تولید برق می باشد تکنولوژی تولید و افزایش سلول های خورشیدی روز به روزدرحال گسترش می باشددر ادامه مهمترین نکات را در رابطه با تولید برق از سلول ها وپنل های خورشیدی می دهیم.

۳) سلول خورشیدی چگونه کار می کند؟ 

در این قسمت به طور خیلی خلاصه در مورد روش تولید برق از سلول های خورشیدی توضیح داده و توضیح کاملتر را در مقاله” انرژی خورشیدی “ می دهیم .
یک سلول خورشیدی براثر پدیده ای به نام اثرفتوولتائیک کار می کند دراین پدیده بعضی ازنیمه رساناها (موادی بین رسانای کامل و عایق الکتریسیته)وجود دارند که بر اثر تابش نور جریان الکتریسیته تولید می کنند . برای ایجاد جریان برق در هر سلول دو لایه وجود دارد لایه N و لایه P ، بر اثر برخورد نور خورشید به سلول خورشیدی در لایه N الکترون های اضافی جمع شده و در لایه P حفره های خالی ایجاد می شوند(بار مثبت می گیرد ) حال اگر لایه N را به P با یک مدار الکتریکی به هم متصل کنیم جریان برق از مدار می گذرد(شکل شماره ۷و ۸)

   

 شکل های شماره ۷و ۸ – اساس کار سلول خورشیدی

۴) سلول ، پنل و آرائه خورشیدی

در اینجا درمورد سلول،پنل و آرایه های خورشیدی توضیح کوتاهی داده وتفاوت آنها را بیان میکنیم (شکل شماره ۸ )
۴-۱) سلول خورشیدی(Solar cell) : سلول خورشیدی یا سلول فتوولتائیک یک قطعه الکترونیکی است که به کمک اثر فوتوولتاییک، انرژی نورخورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می‌کند.
۴-۲) پانل خورشیدی(Solar panel) : مقدار برقی که ازیک سلول خورشیدی گرفته می شود بسیار کم می باشد(حدود ۵/ولت) ازاین رو با بهم پیوستن چند سلول خورشیدی صفحه ای ساخته شده که پنل خورشیدی نامیده می شود. که معادل فارسی آن «صفحه خورشیدی » می باشد .( نام دیگر آن ماژول خورشیدی می باشد)
۴-۳) آرایه خورشیدی(solar array ) : برای بسیاری از موارد(مانند نیروگاه های خورشیدی، مصارف صنعتی و…حتی خانگی)یک صفحه خورشیدی کافی نمی باشد ازطرفی نمی توان تعداد زیادی سلول های خورشیدی را دریک صفحه قرار داد(برای سادگی جابجا شدن ابعاد ماژول هاحداکثر۹۰×۱۵۰سانتیمتر می باشد) ازاین رو با متصل کردن برق خروجی صفحه ها به یکدیگر مجموعه ای می سازند که آرایه خورشیدی نام دارند .( شکل شماره ۹)

شکل شماره ۹- سلول ، پنل و آرایه خورشیدی

۵) مواد به کار رفته در سلول های خورشیدی ماهواره ها و فضاپیماها

مواد به کار رفته در ساخت سلول های خورشیدی به این صورت می باشد .
۵-۱)سیلیکون بلورین(Crystalline silicon):سیلیکون های بلورین مجموعه ای از کریستال های کوچک از جنس سیلیسیم(Si) می باشند.تا قبل ازسال۱۹۹۰برای ساخت سلول های خورشیدی از سیلیکون بلورین استفاده می شد از این رو این سلول های خورشیدی سیلیکونی را سلول های نسل اول می نامند .
۵-۲) گالیم آرسنید(Gallium arsenide): ترکیبی از عناصر آرسنیک (Ar) و گالیم (Ga) می باشد که فرمول شیمیائی آن GaAs است این ماده یک نیمه هادی است که از سال۱۹۹۰ازآن درساختن سلول های خورشیدی که نسبت به سلول های سیلیکون بلورین(همچنین مواد دیگر) کارائی بسیار بهتری دارند استفاده شد.
۵-۳)گالیم فسفید(Gallium phosphide) : با فرمولGaP هم یکی از موادی است که برای ساخت سلول های خورشیدی استفاده می کنند.درحال حاظر درتعداد محدودی از ماهواره ها از این ماده استفاده می کنند.

۶) چگونگی قرار گیری آرایه ها و پنل ها در ماهواره ها

پنل های خورشیدی ماهواره ها را به سه صورت می بندند . که هر کدام معایب و مزایای خودش را دارد .
۶-۱)مکانیزم چرخشی : مکانیزمی که پانل را به آرایه خورشیدی نگه داشته قابلیت این را داشته که چرخیده و درجهتی قرارگیرد که بیشترین بهره را ازنور خورشید ببرد .
۶-۲) مکانیزم غیر قابل چرخش : در این روش پنل ها ثابت بوده و قابلیت چرخش را ندارند .
۶-۳) مکانیزم تاشو و سخت : از آنجائی که پنل ها و آرایه های خورشیدی در ماهواره ها حجم زیادی را اشغال می کنند وقتی موشک ماهواره بر، ماهواره را از روی زمین بلند می کند همه اجزاء ماهواره باید جمع شده تا کمترین فضا را اشغال کننداز این رو این پنل ها بایدقابلیت این را داشته باشند تا در ابتدا جمع و کوچک شده تا ماهواره بربتواند آنها را درمحفظه کوچکی جای داده و درمدار قرار دهدو بعد ازقرار گیری در مدار باز شده و شروع به کار کنند.به عنوان مثال آرایه ها و پنل های ایستگاه بین المللی فضائی با آن همه ابعاد عظیمش را می شود در محفظه ای با طول ۴متر و عرض ۱/۹۲مترو ضخامت ۱۹سانتیمتر جای داد .(شکل شماره  ۱۰)

شکل شماره ۱۰-آرایه های خورشیدی ایستگاه فضائی بین المللی

۶-۴)پنل های کرکره ای:یک نوع پنل خورشیدی وجود داردکه موقع جمع شدن شبیه کرکره عمل می کند.

۷) نحوه افزایش راندمان پنل های خورشیدی

یکی از مهمترین مسائل در استفاده از پنل های خورشیدی(چه در فضا و چه در روی زمین) افزایش راندمان این پنل ها می باشد.بنابر این بعضی از آرایه های خورشیدی به گونه ای طراحی شده اند که همراه چرخش ماهواره به دور زمین مرتب چرخیده به صورتی که پنل ها همواره عمود بر نورخورشید قرار بگیرند که تا ۱۰۰ درصد از نور خورشید استفاده کنند ولی این امر مشکلات مربوط به خودش را دارد.در ماهواره ای که درمدار زمین قرار دارد و دسترسی و سرویس دائمی آن امکان پذیر نمی باشد(یا در صورت امکان پذیر بودن بسیار سخت و پر هزینه می باشد)چرخش دائمی پنل ها سبب استهلاک سیستم های چرخشی می شود و بعد از مدتی این سیستم ها از کار می افتد(ماهواره های اطراف زمین در هر شبانه روزحدود ۱۵بار به دور زمین می چرخند یعنی هر سال حدود ۵۰۰۰چرخش) بنابراین بعضی ماهواره ها صفحات ثابت و غیرچرخشی دارند و راندمان این پنل ها۳۰درصد می باشدبا این حال نیازهای ماهواره را برطرف می کنند.همچنین بسیاری از موارد که باتری ها کاملا شارژ شده اند برای افزایش عمرشان ، پنل ها به گونه ای طراحی شده اند تابرق کمتری تولید کنند.

۸) خطراتی که پنل ها را تهدید می کند

در فضاتابش های مختلفی وجود دارد که می تواند به پنل ها آسیب جدی وارد کند و آنها را از کار بندازد.( در روی زمین بخاطر جو زمین و کمربند والن آلن این تابش ها به زمین نمی رسد.)همچنین زباله های فضائی می توانند به سلول ها آسیب برسانند تنها را ه مقابله ، استفاده ماهواره از فناوری های پیشرفته می باشد 
۸-۱) تابش های الکترومغناطیس : تابش های پر انرژی الکترومغناطیس ( اشعه گاما ، ایکس ، فرابنفش)
۸-۲) تابش های یونیزاسیون : ذرات بسیار پر انرژی که از باد خورشیدی به سمت زمین گسیل می شوند در کمربندوالن آلن گیر می افتندو عبور ماهواره ها ازدرون این ذرات می تواند سلول های خورشیدی را ازکار بندازد.
۸-۳)زباله های فضائی :یکی از بزرگترین خطراتی که هم پنل های خورشیدی هم خود ماهواره هارا تهدید می کنند زباله های فضائی میباشد(در مقاله “زباله های فضائی” در این باره بیشتر توضیح می دهیم)

۹) آینده سلول ها و پنل های خورشیدی در ماهواره ها و فضا پیماها

در ماموریت های آینده کاهش جرم ماهواره ها و فضاپیماها اهمیت بسیار زیادی دارد بنابر این دانشمندان در جستجوی راه هائی هستند تا بدون کاهش راندمان تولید برق خورشیدی از وزن و ابعاد پنل ها کم کنند . یکی از این راه ها افزایش بیشتر بهره دهی سلول های خورشیدی می باشد.یکی دیگر از این روش ها که“ عدسی فرنل” یا  ” “Fresnel lens این است که نورخورشید تنها روی ناحیه کوچک و مهم هر سلول متمرکز شود .( این تکنولوژی هم اکنون در فانوس های دریائی استفاده می شود )

شکل شماره ۱۱-عدسی فرنل Fersnel Lens

۷- باتری های ماهواره

برقی که از پنل های خورشیدی به ماهواره می رسدبایددرمواقی که ماهواره درسایه زمین قرار می گیرد (در اصطلاحا کسوف می گویند)باید ذخیره شود تا سیستم های ماهواره دچار خاموشی نشوند. این برق باید در باتری های شارژی ذخیره شود(البته باتری های غیر شارژی نیز در ماهواره ها کاربرد دارند)در این بخش در مورد باتری های شارژی ماهواره ها و اهمیت آنها توضیح می دهیم .

۱) اهمیت باتری های شارژی

اهمیت باتری ها بخصوص باتری های شارژی در ماهواره ها و فضاپیماها بسیار زیاد می باشد در واقع با از کار افتادن باتری ها به پایان عمر ماهواره ای که میلون ها دلار خرج ساخت و پرتاب آن شده نزدیک می شویم . از این رو سازندگان ماهواره سعی می کنند بهترین تکنولوژی روز را برای باتری ها به کار بگیرند .حدود ۱۰درصد وزن ماهواره و تا ۳۰درصد هزینه ماهواره به باتری های ماهواره مربوط می شود. با این وجود ظرفیت باتری ها و نوع باتری ها به نوع ، اندازه ، قیمت و مدار ماهواره بستگی دارد .

۲) باتری های شارژی و ارتفاع ماهواره

وقتی یک باتری قابل شارژ ، شارژ می شود هرچه با عمق کمتری شارژ شده و در دفعات بیشتری شارژ شود عمر باتری کمتر میشود و این به نوع باتری هم بستگی دارد که در قسمت های بعدی هم توضیح می دهیم .
در مدارهای پائینی (مدار لئو)به طور متوسط یک ماهواره درهرشبانه روز ۱۵الی۱۶باردر شب(کسوف) قرارمیگیرد (حدود هر۱/۵ساعت )این به این معنی است که سالانه حدود ۵۰۰۰بارباتری ها بایدشارژ وخالی بشونددر حالی که ماهواره ای که در مدار زمین ثابت (ژئو) وجود دارد در هر ۲۴ ساعت فقط یک بار در کسوف قرار می گیرد بنابر این تعداد دفعات شارژ و خالی شدن(د شارژ) کمتربوده و باتری ها عمر بیشتری می کنند بنابراین هرچه ارتفاع ماهواره بیشتر باشد دوره تناوب بیشتر بوده ، تعداد دفعات «شارژ و د شارژ» بیشتر بوده و باتری ماهواره عمر کمتری دارد.(برای پی بردن به رابطه دوره تناوب وارتفاع ماهواره به مقاله“مدارهای ماهواره ای“ مراجعه کنید.
نکته: البته مکانیزم هائی وجود دارد که تا نیاز به شارژ باتری نباشد شارژ انجام نشود و در هربارقرار گرفتن در کسوف هم باتری ها کامل تخلیه نمی شود همچنین با دقت درانتخاب نوع باتری میتوان این مشکل راحل کرد.   

۳) انواع باتری های به کار رفته

درهرماهواره انواع باتری ها به کار میرود ازباتری های شارژی تا باتری های غیرقابل شارژو پیل های سوختی
۳-۱) باتری های غیر قابل شارژ: این باتری ها بیشتر در هنگام جداشدن ماهواره از موشک ماهواره بر ودرمراحل قرار گیری ماهواره درمدار و تنظیمات مربوط به آن همچنین بعضی دستگا ه های خاص کاربرد دارد .
۳-۲) باتری های شارژی ماهواره:بعداز قرار گیری ماهواره در مدار و بازشدن پنل های خورشیدی  برق ماهواره باید از باتری های شارژی تامین شود که در قسمت های بعد توضیح می دهیم .
۳-۳) پیل های سوختی Fuel cell : پیل های سوختی دستگاهی است که به جای سوزاندن  سوخت هائی مانند هیدروژن مستقیما هیدروژن را با اکسیژن ترکیب کرده و ایجاد برق می کند در ماهواره هائی مانند ایستگاه فضائی بین المللی علاوه برپنل های خورشیدی از پیل های سوختی هم استفاده زیادی می شود. 

۴) انواع باتری های شارژی ماهواره ها و تفاوت آنها

باتری های قابل شارژ شدن ماهواره ها انواع گوناگونی دارند که بر حسب ارتفاع و دوره تناوب ماهواره یکی از باتری ها را انتخاب میکنند.همچنان که گفته شدتعداد دوره های شارژو دشارژ هم به دوره تناوب بستگی دارد.
۴-۱) باتری نیکل کادمیم : گونه‌ای از باتری‌های قابل شارژ است که در آن از اکسید نیکل و کادمیوم فلزی استفاده می‌شود. این باتری ها می توانند با بهره وری ۸۵ درصدتا ۰۰۰ر۲۰ چرخه شارژ و دشارژ را اداره کنند(بعد از ۰۰۰ر۲۰بارخالی و پرشدن ظرفیت باتری تا ۸۵درصد می ماند) این گونه باتری ها بیشتر مورد استفاده ماهواره های مدار پائین که چرخه شارژ و دشارژ کوتاهتری را دارند می خورد .
۴-۲)باتری های یون لیتیم:این باتری ها چرخه شارژ و دشارژ کمتری دارند(حدود۵۰۰ چرخه) ولی مزیت این باتری ها نسبت به باتری های نیکل کادمیم دراین است که مقدار انرژی ذخیره شده در آنها بیش ازدوبرابر باتری های نیکل کادمیم است.بنابراین بیشتر به درد ماهواره های مدار بالا (مانند مدار ژئو ) می خورد . در ضمن باتری های یون لیتیم قیمت بالاتری هم دارند .

۸- سیستم کنترل مرکزی ماهواره

سیستم کنترل مرکزی ماهواره در واقع محل فرماندهی ماهواره می باشد سیستمی است که بر عملکرد ماهواره نظارت می کند.دراین بخش درمورد سیستم کنترل مرکزی ماهواره توضیح می دهیم .

۱)سیستم کنترل مرکزی ماهواره Satellite system control system

سیستم کنترل مرکزی ماهواره( Satellite system control system ) سیستمی است که بر همه بخش های مختلف ماهواره نظارت کرده و در واقع مرکز فرماندهی ماهواره می باشد این امر امروزه توسط  کامپیوتر مرکزی ماهواره انجام می شود . در هر ماهواره بخش های مختلفی وجود دارد موقعی که ماهواره در مدار قرا گرفته و مشغول انجام وظیفه می شود هر بخش وظیفه خاصی را باید انجام دهد و باید بین این بخش ها هماهنگی برقرار شود وظیفه هماهنگی بین بخش های مختلف ماهواره برعهده سیستم کنترل مرکزی ماهواره می باشد .

۲) وظائف سیستم کنترل مرکزی ماهواره

وظائف سیستم کنترل مرکزی ماهواره را به این صورت می توان خلاصه کرد .
۲-۱)کنترل و نظارت بر بخش های مختلف : این مهمترین وظیفه سیستم کنترل ماهواره می باشد .
۲-۲)جمع آوری اطلاعات از سنسورها : یکی دیگر از وظائف سیستم کنترل مرکزی ماهواره جمع آوری اطلاعات از وضعیت ماهواره ازنظر موقعیت در فضا و جهت قراگیری می باشد.اطلاعات مربوط به وضعیت مداری و قرارگیری ماهواره توسط سنسورها اندازه گیری شده و به سیستم کنترل مرکزی و کامپیوتر آن ارسال می شود.
۲-۳) جمع آوری اطلاعات از زمین : علاوه بر سنسورهای ماهواره ایستگاه های پشتیبان زمینی هم وضعیت ماهواره را مرتب برسی کرده و این اطلاعات را به ماهواره ارسال می کنند این اطلاعات توسط آنتن های گیرنده به سیستم مرکزی فرستاده و بعد ازجمع آوری،رمز گشائی و پردازش برای صدور دستورات و فرامین ذخیره می شود(در مورد آنتن های گیرنده و فرستنده در قسمت بعد توضیح کوتاهی می دهیم )
۲-۴) ارسال وضعیت ماهواره به زمین : سیستم کنترل مرکزی هرلحظه وضعیت ماهواره(جهت قرار گیری نسبت به زمین و مختصات مداری و…)را ازسنسورها گرفته وعلاوه برذخیره و پردازش ، این اطلاعات را توسط آنتن های فرستنده به ایستگاه مرکزی در زمین ارسال می کند) 
۲-۵) صدور فرامین به بخش های مختلف : در راستای نظارت بر بخش های مختلف ماهواره سیستم کنترل مرکزی ماهواره با استفاده از اطلاعاتی که در کامپیوتر خود دارد هرجا لازم ببیند فرامین لازم را به بخش های مختلف برای اجرا صادر می کند. این فرامین به بخش پیشران(برای کنترل ماهواره در مدار و مانورهای مداری و…)بخش تنظیم حرارت،بخش تنظیم توان(سیستم برق ماهواره و باطری ها)و… بخش های دیگر صادرمی شود .

۳) آنتن ها

هر ماهواره علاوه بر سیستم کنترل مرکزی که از داخل ماهواره را به صورت خودکار کنترل هدایت می کند از روی زمین هم توسط سیستم کنترل زمینی هدایت می شود . این سیستم ایستگاهی است که یا به صورت تماما خودکار و یا توسط اپراتورهای زمینی بر کار و عملکرد ماهواره نظارت می کنند.بنابر این ماهواره همیشه بایدبا زمین درارتباط باشد این ارتباط بایددو طرفه باشد بنابر این درهر ماهواره دو نوع آنتن وجود دارد.آنتن های گیرنده(که برای گرفتن دستورات اززمین به کار می رود)و آنتن های فرستنده(که اطلاعات رابه زمین می فرستد)
در مورد آنتن های ماهواره در مقاله “کاربرد ماهواره(۱)”بخش ماهواره های مخابراتی توضیحات کاملتر می دهیم.

۴) سنسورها

یکی ازوظائف سیستم کنترل مرکزی جمع آوری اطلاعات ازوضعیت و موقعیت ماهواره درمدار همچنین وضعیت فضای اطراف ماهواره(دما وتابش ها و…)میباشد این اطلاعات توسط سنسورهای مختلف جمع آوری می شود . این حسگرها بر اساس خاصیت پیزو الکتریک کار می کنند(درمورد سنسورها در بخش های بعد توضیح می دهیم)
نکته مهم: هر آنچه در مورد ماهواره در این بخش و بخش های بعدی گفته میشود با کمی تفاوت درموردفضا پیماها نیزصادق است یعنی فضاپیماها نیز سیستم کنترل مرکزی داشته و چه ازدرون فضاپیما و چه ازبیرون باید کنترل شوند و… با این حال چون مقاله فوق در مورد ماهواره است از بحث در مورد فضاپیماها خود داری کردیم .

 

نمودار شماره ۲ – سیستم کنترل مرکزی ماهواره و وظائف آن

۹-تعیین موقعیت ماهواه از درون ماهواره

همانطور که در بخش قبل خواندید (بخش ۸) سیستم کنترل مرکزی ماهواره وظیفه هدایت و نظارت بر بخش های مختلف ماهواره را برعهده دارد برای این که این سیستم بتواند وظیفه خود را به درستی انجام دهدنیازمند کسب اطلاعات از درون و بیرون ماهواره می باشد.کسب اطلاعات ازبیرون ماهواره به دو روش بدست می آید یا ماهواره بایدخودش این اطلاعات(موقعیت مداری،موقعیت چرخشی ،دما،تابش های کیهانی و…)را بدست بیاورد یا ایستگاه های زمینی این اطلاعات را بدست آورده و دردسترس ماهواره قرار دهند.بنابر این تعیین موقعیت ماهواره از دو طریق انجام می شود(از درون ماهواره ، از طریق ایستگاه های زمینی)در این بخش در مورد روش های تعیین موقعیت ماهواره ازدرون ماهواره و در بخش بعد از طریق ایستگاه های زمینی توضیح می دهیم .
نکته : هر آنچه در مورد تعیین موقعیت ماهواره گفته می شود در مورد فضاپیماها هم صادق است .

۱) چرا جهت و مدار ماهواره تغییر می کند؟

امروزه ثابت شده که نیروهای گرانشی ماه وخورشید(مقدار بسیار کمی هم سیارها و اجرام دیگر) مسیر ماهواره را عوض کرده و ماهواره را از مدارخارج می کنند همچنین ماهواره هائی که در ارتفاع مداری کم قرار دارند (مانند ایستگاه های فضائی)هنوز در داخل جو بالائی(ترموسفر و اگزوزفر) قرار داشته و براثر برخورد با مقدار بسیار کم هوای باقیمانده از سرعت آنها کاسته شده و ماهواره را در خطرسقوط و متلاشی شدن قرار می دهد (برای مطالعه در مورد طبقات جو به مقاله “هوا و جو “ مراجعه کنید) همچنین این نیروها ایجاد گشتاور کرده و ماهواره را به چرخش درمی آورند.برای این که ماهواره از مسیرخارج نشود لازم است درهر زمان موقعیت ومختصات ماهواره و همینطور جهت ماهواره نسبت به زمین اندازه گیری شده و در صورتی که در مدار ماهواره  تغییری ایجاد شده باشد سیستم کنترل مرکزی بتواند با صدور فرامین به موشک های پیشران ماهواره را در مدار و مسیر درست قرار دهد(در مورد نیروی پیشران در بخش یازدهم به تفصیل توضیح می دهیم )
نکته : متغیر بودن میدان گرانشی زمین (که ناشی از کروی نبودن کامل زمین و تفاوت جرم حجمی زمین در نقاط مختلف می باشد باعث چرخش و اختلالات مداری ماهواره می شود ژیروسکوپ های ماهواره این اختلالات را بر طرف کرده و مانع از چرخش های بیجا و خارج شدن ماهواره از مدارش می شود .)

شکل شماره  ۱۲- طبقات مختلف جو

شکل شماره ۱۳ – نیروهای وارد شده به ماهواره

۲) سنسور (حسگر) و کاربرد آن در ماهواره

سنسور یا حس‌گر(Sensor)ابزاری است که به یک محرک فیزیکی خاص واکنش نشان می‌دهد و یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه‌گیری تولید می‌کند. سنسورها می‌توانند مکانیکی، الکتریکی، مغناطیسی یا نوری باشند. سنسورها در بسیاری از دستگاه های اتوماتیک و نیمه اتوماتیک کاربرد دارند.در ماهواره ها تعیین موقعیت به وسیله سنسورهای پیزوالکتریک(که بر اساس پدیده پیزوالکتریک  کار کرده  و دقت بالائی دارند)صورت می گیرد.

۳) عملگرهای در ماهواره

سنسورها اطلاعات را اندازه گیری کرده و به سیستم کنترل مرکزی ماهواره ارسال می کنند ولی عملگرها به صورت اتوماتیک وضعیت ماهواره را بدون دستور گرفتن ازسیستم کنترل مرکزی به صورت اتوماتیک اصلاح کرده ، ماهواره را به سمت و سوی ایده آل هدایت کرده و مانع از چرخش های نابجا و خروج ماهواره ازمدار می شوند. ازجمله عملگرها،عملگر مغناطیسی می باشد که بر پایه میدان مغناطیسی زمین عمل کرده و جهت چرخشی ماهواره را تنظیم می کنند . همچنین از ژیروسکوپ های ماهواره هم باید نام برد که در همین راستا ساخته شده اند .

۴) انواع حسگرهای به کار رفته در ماهواره

وضعیت یک ماهواره توسط حسگرهائی که روی بدنه ماهواره تعبیه شده است مشخص می شود انواع مختلف حسگرها وجود دارد.که با توجه به وظیفه و ماموریت،دقتی که ماهواره لازم داردو…یک یا چند نوع ازاین حسگرها (همچنین عملگرها) استفاده می شود در اینجا سه نوع حسگر را شرح می دهیم .
۴-۱) حسگرهای زمینی : حسگرهای زمینی یا حسگرهای افق زمین با استفاده از تشعشعات دریافتی از زمین و فضا زوایای پیچشی و ارتفاع و چرخش ماهواره را اندازه گیری می کند .
۴-۲) حسگرهای خورشیدی : این حسگرها به وسیله خورشید موقعیت ماهواره را تعیین می کنند .
۴-۳) حسگرهای ستاره یاب : حسگرهای ستاره یاب جدیدترین و پیشرفته ترین حسگرها می باشند که موقعیت ماهواره (همینطور سفینه های فضائی)را با استفاده از نقشه ستارگان آسمان تعیین می کند. 

۵) حسگرهای زمینی

برای ماهواره ای که به دور زمین می چرخد طبیعتا اولین مهمترین روش های تعیین موقعیت با استفاده از زمین می باشد بنابر این بر روی تمام ماهواره ها این حسگر وجود دارد که با دقتی در حدود یک دهم درجه وضعیت ماهواره را مشخص می کند که خود به ۲ دسته تقسیم می شوند .
۵-۱)حسگرهای استاتیک : جهت خاصی از زمین را بررسی کرده و بر اساس آن جهت یابی می کنند .
۵-۲)حسگرهای اسکنیک: این حسگرها با جاروب کردن نقاطی از زمین با یک آشکارساز با میدان دیدلحظه ای کوچک تشعشعات را بررسی می کند .

۶) حسگرخورشید

یکی از پرکاربرد ترین حسگرها برای تعیین وضعیت ماهواره حسگرهای خورشیدی می باشد در صورتی که خورشید در میدان دید حسگر باشد با استفاده از موقعیت خورشید موقعیت ماهواره را مشخص می کند .

۷) حسگرهای ستاره یاب

برای سفینه های فضائی و مدارگردها که از زمین دور می شوند دیگر نمی توان از حسگرهای زمینی استفاده کرد همچنین بسیاری از اوقات خورشید نیز در دسترس ماهواره یا سفینه فضائی نمی باشد بنابر این یکی از بهترین و پیشرفته ترین روش های جهت یابی با استفاده از حسگرهای ستاره یاب می باشد . اصول کلی این حسگرها بر این اساس می باشد که حسگر از منطقه ای از آسمان عکس گرفته و موقعیت ستارگان را بر روی آن (با استفاده از بانک اطلاعات ثبت شده روی حسگر) مشخص می کند (نظیر بعد و مایل ) و بعد موقعیت ماهواره را می تواند دقیقا حساب کند با توجه به دقت بسیار بالای این حسگر امروزه از این حسگر به طور گسترده ای در انواع ماهواره ها و سفینه ای فضائی و مدارگردهاوی که دور کرات دیگری غیر از زمین می چرخند استفاده می شود .
نکته : در روی حسگرهای ستاره یاب وسیله ای به نام بافل وجود دارد . این وسیله کلیه نورهای اضافه ( زمین و خورشید و ماه و… حتی خود ماهواره)راحذف کرده تا دقیقترین تصویر را از زمینه ستارگان بدست بیاورد .

شکل شماره  ۱۴ – طرز کار یک حسگر ستاره یاب

شکل شماره ۱۵ – یک حسگر ستاره یاب

۱۰ – ردیابی ماهواره ها و سایر اشیا از روی زمین

در بخش قبل (۹- تعیین موقعیت ماهواه از درون ماهواره )به لزوم تعیین موقعیت ماهواره جهت و مختصات ماهواره اشاره کردیم همچنین توضیح دادیم که چگونه و با چه روش هائی موقعیت ماهواره تعیین و اطلاعات بدست آمده به سیستم کنترل مرکزی ماهواره و به زمین ارسال می شود .
علاوه بر آن لازم است موقعیت ماهواره از روی زمین و توسط ایستگاه های زمینی نیز کنترل شوند در این بخش در مورد روش های کنترل ماهواره از روی زمین توضیح می دهیم .

۱) لزوم تعیین موقعیت اشیاء اطراف زمین

امروزه تعیین موقعیت مداری و مختصات و سایر خصوصیات اشیاء اطراف زمین از اشیاء طبیعی(شهاب سنگ ها و سیارک ها و… )تا اشیاء مصنوعی(ماهواره ها ، فضاپیماها  و زباله های فضائی) از اهمیت بسیاری برخوردار است از هدایت و کنترل ماهواره ها و فضاپیماهای خودی ، کنترل و ردیابی ماهواره ها و سفینه های غیرخودی ( مانند ماهواره های جاسوسی دشمن و…) ، کنترل و شناسائی سیارک ها و اشیاء دیگر پیرامون زمین(که می توانند خطرات زیادی برای زمین داشته باشند و باید تحت نظر باشند) تا شناسائی و ردیابی اشیاء دیگر اطراف زمین ، بنابر این سازمان های فضائی بزرگی همچون ناسا موسساتی دارند که کارشان شناسائی و رهگیری و کنترل همه اشیا (ماهواره،فضاپیما ،سیارک و…)می باشد همچنین مالکان ماهواره ها و فضاپیماها هم ایستگاه های زمینی به همین منظور ساخته تا ماهواره وفضاپیمای خود را زیر نظر بگیرند . 

۲) روش های شناسائی اشیاء اطراف زمین

در اولین طبقه بندی این روش ها را می توان به دو دسته تقسیم کرد .
۲-۱)روش های فعال:دراین روش ها جسم رصدشده خودش درتعیین مختصات مداری مشارکت می کند این روش در مورد فضاپیماها و ماهواره های خودی کاربرد دارند.در این گونه موارد خود ماهواره با جمع آوری اطلاعات از درون ماهواره(بخش ۹)و ارسال آن به ایستگاه شناسائی و رهگیری به آنها کمک می کند تا موقعیت ماهواره را بهتر شناسائی  کنند .
۲-۲)روش های غیرفعال: همچنان که گفته شناسائی و رهگیری و تعیین موقعیت مداری اشیاء اطراف زمین(چه طبیعی و چه مصنوعی) ازبسیاری از جهات(مخصوصا از نظر امنیتی) لازم است.روش شناسائی وتعیین موقعیت مداری یک شی بدون کمک خودش (فضاپیما و ماهواره) را روش های غیر فعال می نامند.

۳) انواع روش های شناسائی فعال یا غیر فعال

روش های مختلفی برای شناسائی و تعیین مختصات مداری وجود دارد که در این مقاله سه روش مهم را که امروزه کاربرد زیادی دارد معرفی می کنیم. و درقسمت های بعد هر کدام را جداگانه شرح می دهیم .
۳-۱) روش مشاهده و رصد مستقیم:حتی امروزه هم با وجود دستگاه های پیشرفته،مشاهده مستقیم توسط تلسکوپ های قدرتمندیکی از اولین ومهمترین روش های رصد می باشد .  
۳-۲)روش ردیابی راداری : در این روش به کمک امواج رادار(شبیه همان رادارهائی که هواپیماها را مشخص می کند) شی را پیدا کرده و خصوصیات مداری آن را تعیین می کنیم .
۳-۳) ردیابی لیزری : در روش ردیابی لیزری به کمک اشعه لیزر فاصله و سرعت و… ماهواره (یا هر جسم فضائی دیگر) را می توانیم پیدا کنیم .

۴) سیستم ردیابی راداری

امروزه با استفاده از رادار نه تنها می توان هواپیماها و اشیاء پرنده موجود در هوا را تشخیص و ردیابی کرد بلکه می توان ماهواره ها و اشیاء فضائی را هم شناسائی کرد با این تفاوت که چون اشیاء فضائی در ماوراء جو و در فاصله های زیاد (نسبت به اشیائ زمینی و هوائی) قرار دارند و ازطرفی دیگر لایه بون سپهر جو جلو خروج امواج رادیوئی با موج بلند(بلندتر از ده متر)را میگیرد ، هم قدرت فرستنده امواج راداری که برای شناسائی ماهواره ها به کار می رود باید بیشتر باشد هم نوع امواج باید تفاوت داشته باشد.(در این رادارها از امواج تلویزیونی VHF به جای امواج ماکرو که در رادارهای زمینی استفاده می شود استفاده می کنند )
بنابراین شناسائی و رهگیری و تعیین موقعیت مداری ماهواره هابا استفاده ازرادار براساس اندازه گیری مسافت بین ایستگاه و هدف میباشد(مانند استفاده از رادار در زمین و هوا)درشکل ۱۶روش کارنشان داده شده است.
ازجمله مراکزی که با رادار اقدام به شناسائی و رهگیری ماهواره ها و اشیاء فضائی می کنند . سیستم نظارت فضائی اروپا GRAVES واقع درفرانسه و رادار تصویربرداری و ردیابی FGAN آلمان نام برد.توان ردیابی این رادارها بقدری قوی می باشد که یک شی۲ سانتی متری را درفاصله ۱۰۰۰کیلومتری تشخیص می دهد .

 

شکل شماره ۱۶ – رادار تصویر برداری آلمان FGAN

 شکل شماره ۱۷ – شناسائی و رهگیری ماهواره با رادار

 ۵) ردیابی لیزری

یکی دیگر از روش های ردیابی و تعیین مختصات ماهواره ها و دیگر  اشیاء فضائی اطراف زمین ردیابی لیزری یا طول یابی لیزری(SLR)می باشد در این روش باریکه ای از لیزربسیار قدرتمند از زمین به سمت ماهواره شلیک می شود(مسیر و زمان گذر ماهواره با استفاده از روش های دیگر قبلا مشخص شده است) و بعد از انعکاس اشعه ازسطح ماهواره با اندازه گیری زمان رفت و برگشت باریکه لیزر و تغییر خصوصیات اشعه ازجمله طول موج و قدرت اشعه(مقایسه قدرت اشعه قبل از شلیک و بعد از شلیک) ارتفاع و سرعت و مدار و…ماهواره را محاسبه می کنند.با استفاده از این سیستم می توان موقعیت یک جسم را درفاصله ۹۰۰کیلومتری محاسبه وتشخیص داد.ازجمله مراکزی که با این روش موقعیت ماهواره ها را اندازه گیری می کنند می توان به رصدخانه زیمروالدیگ(Zimmerwald) درنزدیکی شهر برن سوئیس و همچنین رصدخانه شانگهای چین اشاره کرد .

شکل شماره ۱۸ – رصدخانه زیمروالد Zimmerwald

شکل شماره ۱۹ – شناسائی و رهگیری ماهواره با لیزر

۶) رهگیری اپتیکی

یکی از راه های شناسائی اشیاء فضائی مشاهده مستقیم توسط تلسکوپ های پر قدرت می باشد این در صورتی امکان پذیر است که مکان و زمان رویت آن با روش های دیگر مشخص شده باشد در این صورت با عکسبرداری توسط تلسکوپ های پرقدرت از قسمتی از آسمان که ماهواره در آن قرار دارد می توان حرکت و سرعت و در نتیجه موقعیت مداری و ارتفاع ماهواره را مشخص کرد.تلسکوپ هائی که برای این کار استفاده می شوند علاوه بر قدرت نمائی بالا باید دارای یک دوربین آشکار ساز CCD و یک زمان سنج برای ثبت دقیق زمان عکسبرداری و یک بازوی رباتیک باشد . از جمله مهمترین رصدخانه هائی که این کار را انجام می دهند می توان به رصدخانه نیروی هوائی آمریکا (USAF) و رصدخانه(CASTOR) کانادا اشاره کرد .

شکل شماره ۲۰ – رصدخانه نیروی هوائی آمریکا(USAF)

شکل شماره ۲۱ – شناسائی و رهگیری ماهواره به روش اپتیکی

۱۱- ماهواره و پیش رانش فضائی

یکی از نیاز های اساسی ماهواره ها که در واقع بر عمر ماهواره ها تاثیر می گذارد نیروی پیشران و سوخت پیشران می باشد . در این بخش در مورد نیاز ماهواره ها به سوخت و نیروی پیشران ، انواع موتورها و روش های پیشرانش ماهواره ها و همچنین امکان سوخت رسانی در فضا توضیح می دهیم.

۱) پیشرانش فضائی چیست؟

هر روشی که برای شتاب دادن فضاپیماها و ماهواره‌ها استفاده شود. پیشرانش فضائی(pacecraft ropulsion ) نامیده می شود.برای این کار ماهواره(یا فضاپیما) نیاز به موتورهای پیشران و سوخت کافی دارد .
امروزه نه تنها سفینه های فضائی که به نقاط دور دست منظومه شمسی می روند نیاز به سوخت و نیروی پیشران دارند بلکه به دلائلی که در ادامه توضیح می دهیم ماهواره ها هم نیاز به سوخت و نیروی پیشران دارند در واقع یکی از فاکتورهای موثردر عمر مفید ماهواره ها سوخت ون یروی پیشران ماهواره ها می باشد .

۲) نیازماهواره ها به پیشرانش فضائی

بجز نیروی جاذبه زمین و نیروی گریز از مرکز که ماهواره را در مدار نگه می دارند نیروهای دیگری هم بر ماهواره وارد میشود که تعادل ماهواره را بر هم زده و ماهواره را از مدارخارج می کنند یکی از این نیروها نیروهای جاذبه ماه وخورشید(و مقدار کمی هم سیارات دیگر) می باشد( همین مقاله بخش نهم قسمت اول – همچنین شکل شماره ۱۳) همچنین نیروی مقامت هوای اندکی که در مسیر ماهواره های مدار پائین وجود داشته ماهواره را از مسیرخارج کرده و سرعت ماهواره را کاهش می دهند از طرفی دیگر در بسیاری از موارد ماهواره نیاز به جابجائی و مانورهای مداری (همچنین چرخش به دو خود) دارد که آن هم نیاز به موتور و سوخت پیشران نیاز دارد .

۳) دلائل نیاز به نیروی پیشران

نیازماهواره را به نیروی پیشران به این ترتیب می توان خلاصه کرد :
۳-۱) قرار گرفتن در مدار و جبران خطای ماهواره بر: درصورتی که به هر دلیل ماهواره بر نتواند ماموریت خودرا بدرستی انجام داده وماهواره را درجای درستی قرار دهدماهواره خودش بایدخطای ماهواره بررا جبران کند.
۳-۲)تغییر مدار ماهواره : بسیاری از اوقات نیاز است که مدار ماهواره اصلاح شود (به ارتفاع بالاتری برود ، شکل بیضی یا دایره ای مدار عوض شود ، صفحه حرکت ماهواره تغییر کند و…)
۳-۳) جبران انرژی از دست رفته : ماهواره هائی که در مدار پائین حرکت می کنند هنوز درون جو قرار دارند و مقدار بسیار اندک هوای باقیمانده سرعت و انرژی جنبشی ماهواره را کم کرده تا ماهواره به درون جو سقوط کند.برای جلوگیری از این حادثه خطرناک باید نیروی پیشران ماهواره انرژی از دست رفته را جبران کند .
۳-۴) خروج از مداردرپایان عمر کاری: وقتی یک ماهواره به پایان عمرخود برسد برای جلوگیری ازتبدیل شدن به زباله فضائی بایدازمدارخارج شده و در اتمسفر سقوط کندو یا به قبرستان ماهواره ها منتقل شود.

۴) چه نوع سوخت و موتور

همچنان که دیدیم برای ادامه کار و فعالیت ماهواره ها نیاز به نیروی پیشران دارند ولی باید توجه کرد حجم و جرم ماهواره ها اجازه نمی دهد که مقدار عظیمی سوخت همراه خود داشته باشند و از طرف دیگر در فضا امکان سوخت رسانی هم وجود ندارد(و یا بسیار سخت و پر هزینه می باشد)پس مهمترین مسئله که می ماند باید در ماهواره ها از سوخت ها و موتورهای پیشرانی استفاده کرد که کمترین حجم و جرم و بیشترین بازده را داشته باشد تا بتوان سوخت با ارزش ماهواره را حفظ کرده و بر عمر ماهواره افزود . امروزه کارشناسان ماهواره روی همین موضوع متمرکز شده اند .

۵) نقطه مشترک موتورها و سوخت های پیشران

برای پیشرانش ماهواره ها و فضاپیماها روش های مختلفی وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند ولی آنچه در بین بیشتر این موتورها مشترک است این است در همه این موتورها ماده ای باسرعت بسیار بالا از دهانه خروجی راکت (نازل راکت)خارج شده و نیروی عکس العمل (طبق قانون سوم نیوتن)ناشی ازخروج ماده،راکت و درنتیجه فضاپیما و ماهواره را به جلو می راند(برای مطالعه بیشتر به مقاله “ موشک چیست و چگونه حرکت می کند؟ “ مراجعه کنید)حال هرچه ماده خروجی بیشتر بوده وسرعت بیشتری داشته باشد نیروی پیشران هم بیشتر می باشد .
نکته : در بسیاری از موتورهای پیشران به جای خروج ماده از فضاپیما نیروی وارد شده از منابع دیگری ( همچون بادهای خورشیدی و یا لبزرهای زمینی تامین می شود )

۶) انواع موتورها و سوخت پیشران

در اولین تقسیم بندی موتورهای پیشران را به سه گروه اصلی تقسیم بندی کرد .
۶-۱)شیمیائی : موتورهائی که ازسوختن یک ماده(واکنش شیمیائی با اکسیژن و یا یک اکسیدکننده) گازهای داغی ایجاد شده که خروج این گازها با سرعت بالا از نازل راکت شتاب لازم را می دهد .
۶-۲) الکتریکی : در این موتورها به جای سوختن معمولی یک ماده با استفاده از انرژی الکتریکی درجه حرارت ماده (سوخت) را بالابرده و خروج این گازهای داغ با سرعت بالا شتاب لازم را به راکت می دهد .
۶-۳) هسته ای : در این روش با استفاده از روش هائی مانند همجوشی هسته ای ، شکافت هسته ای و یا استفاده از پادماده سرعت خروجی سوخت را بشدت افزایش داده و نیروی پیشران عظیمی ایجاد می کنند.
۶-۴)روش های هیدرودینامیک:ازجمله این روش ها بادبان های خورشیدی و لیزری را می توان نام برد .  

۷) روش های شیمیائی

با وجود پیشرفت های صورت گرفته در روش های مدرن تر پیشرانه ها ،هنوز هم بیشتر ماهواره ها و فضا پیماها از سوخت های شیمیائی برای ایجاد نیروی پیش رانش استفاده می کنند.که هم بسیار پر هزینه بوده و هم نمیتوانددر دراز مدت شتاب زیادی را ایجاد کند این سوخت ها خود به ۳دسته(مایع،جامدو مختلط)تقسیم می شوند.

۸) انواع موتورهای الکتریکی

در این موتورها(پیشران ها) ماده ای که ازنازل(دهانه موشک)خارج می شودبه جای این توسط واکنش با اکسیژن و یا یک اکسید کننده و توسط یک واکنش شیمیائی سوخته و شتاب بگیرد تنها به کمک روش های الکتریکی گرم شده و یا توسط میدان های الکتریکی و مغناطیسی شتاب لازم را برای خروج از دهانه راکت بدست می آورد.با استفاده از این روش ها ممکن است ماهواره و فضاپیما دیرتر به شتاب لازم برسد ولی صرفه جوئی عظیمی درحجم و هزینه سوخت حاصل می شود نکته ای که در این میان بسیار مهم می باشد این است که انرژی لازم برای شتاب دادن به ذرات خروجی از انرژی بی پایان خورشیدی که توسط سلول های خورشیدی و باطری های اتمی تامین می شوند بدست می آید این پیشرانه ها به ۳ قسمت تقسیم می شوند .
۸-۱) پیشرانه های الکتروترمال : دراین پیشرانه ها ابتدا یک گاز توسط قوس الکتریکی داغ شده و با سرعت زیادی ازدهانه نازل خارج شده و شتاب لازم را به فضاپیما و یا ماهواره می دهد.
۸-۲)پیشرانه های الکترواستاتیک : دراین پیشرانه ها ابتدا سوخت(ماده ای که از دهانه نازل خارج می شود) یونیزه شده و دریک میدان الکتریکی قرار می گیرد یون های ایجاد شده غالبا یون مثبت زنون)به طرف قطب مخالف شتاب می گیردیک مبدان مغناطیسی عمود برجهت حرکت یون ها قرارگرفته و مسیر یون ها به سمت یک مسیر مارپیچی می کشاند تا سرعت یون ها هرچه بیشتر شود سرانجام با خروج یون های پر سرعت ازخروجی نازل راکت به شتاب لازم می رسد.این پیشرانه ها که پیشرانه های یونی نام دارند صرف جوئی عظیمی را در جرم و حجم سوخت مصرفی انجام داده و هم اکنون در بسیاری از ماهواره ها و فضاپیماها استفاده می شود.

شکل شماره ۲۲ -ماهواره ای با سوخت یونی

۸-۳) رانشگرهای الکترومغناطیس : این موتورها انرژی الکتریکی بسیار زیادی لازم دارند که نمی تواند توسط سلول های خورشیدی و باطری های اتمی و…تامین شود از این رو فغلا استفاده نمی شود .

۹) بادبان های خورشیدی و لیزری

یکی از راه های ایجاد نیروی پیشران ساخت بادبان های بسیار یزرگ و حجیم از آینه می باشد که در این روش بادهای خورشیدی به سطح بادبان برخورد کرده و سفینه فضائی را به پیش می راند. در روش دیگر که خیلی مهم می باشد از روی زمین توسط اشعه لیزر به بادبان ها نیرو وارد کرده و بادبان و فضا پیمای بسته شده به آن را پیش خواهد برد. ازجمله این ماهواره ها می توان فضاپیمای Ats-6 رانام برد. (شکل شماره ۲۳)

شکل شماره ۲۳ – فضاپیمای Ats-6 با بادبان خورشیدی

۱۰) سوختگیری در فضا

عمرماهواره ها و مدت زمان ماندن ماهواره ها درمدار تا حدود زیادی به سوخت ماهواره بستگی دارددر صورت اتمام سوخت ماهواره مستعمل شده و به زباله فضائی تبدیل می شود.بنابر این سوخت رسانی به ماهواره ها درفضا هر روز اهمیت بیشتری مییابد.خوشبختانه امروزه امکان این پیدا شده که بسیاری ازماهواره ها (بخصوص ماهواره های گران قیمت و بسیار مهم) را در فضا و توسط ماهواره های سوخت رسان،سوختگیری کرد . دراین روش ماهواره سوخت رسان ماهواره ای را که قراراست سوخت تحویل بگیردبا بازوهای رباتیک نگه داشته و سوخت کافی را به آن خواهد رساند .(شکل شماره ۲۴)

 

شکل شماره ۲۴ – سوخت رسانی به ماهواره ها در فضا

۱۲- خلاصه مطلب

ماهواره ای که به مدار زمین فرستاده می شود تا انجام وظیفه کند از قسمت های مختلفی تشکیل شده است . بررسی کامل تمام این قسمت ها بسیار پیچیده بوده و از حوصله این مقاله خارج می باشد. دراین مقاله مهمترین قسمت های یک ماهواره را بررسی می کنیم .
ولی قبل از آن توضیح مختصری در مورد گرانش و همچنین در مورد ماهواره (مقاله های مختلف فصل ماهواره ) داده و در انتها هم خلاصه بخش های مختلف مقاله را می آوریم . 

۱)اجزاء اصلی ماهواره

ماهواره ای که به مدار زمین فرستاده شده تا انجام وظیفه کند از قسمت های مختلفی تشکیل می شود و بسته به نوع و کاربرد آن دستگاه های مختلفی درون آن قرار داده می شود بنابر این بحث در مورد اجزاء و دستگاه های کار گذاشته شده در ماهواره ها بحث بسیار مفصلی می باشد که در این مقاله نمی گنجد ولی اجزائی هستند که تقریبا در تمام ماهواره ها (مخابراتی،سنجش از دور،نظامی و…) کار گذاشته می شوند و وجود آنها برای همه ماهواره ها الزامی می باشد. در این بخش فقط در مورد اجزاء اصلی و مشترک ماهواره ها توضیح کلی می دهیم .

۲) زیر سامانه تامین توان

یکی از مهمترین نیازهای هر ماهواره که به دور مدار زمین می چرخد نیاز به انرژی الکتریکی می باشد بدیهی است که ماهواره نمی تواند برق خود را با سوزاندن سوخت های فسیلی و…تهیه کند پس ساده ترین روش تهیه برق ماهواره از خورشید می باشد و بعد هم مسئله ذخیره برق و مدیریت آن میباشدکه همه این ها «زیر سامانه تامین توان ماهواره » نامیده می شود .در این بخش در مورد این موضوع توضیح می دهیم .

۳)تولید انرژی الکتریکی در ماهواره ها

یکی از مهمترین نیازهای هر ماهواره و یا فضاپیما (با سرنشین یا بدون سرنشین)نیاز به انرژی الکتریکی می باشد بدیهی است که ماهواره ها و فضاپیماها نمی تواند برق خود را با سوزاندن سوخت های فسیلی و…و یا استفاده از باتری های معمولی غیر شارژی تهیه کنند در این بخش در مورد روش های تولید برق ماهواره ها به اختصار توضیح می دهیم .

۴)صفحات خورشیدی در ماهواره ها و فضاپیماها

ماهواره ها در فضا و در مداری به دور زمین در حال حرکت هستند در فضای خارج از جو امکانات بسیار خوبی برای استفاده از انرژی خورشیدی موجود می باشد در این فضا ابرها دیگر مانع به حساب نمی آیند و راندمان این سلول ها بسیاربیشتر از روی زمین است.ساده ترین راه استفاده ازانرژی خورشیدی درماهواره ها (همینطور فضاپیماهائی که دورتر از مدار مشتری نباشند) استفاده از سلول ها و پنل های خورشیدی می باشد. سلول ها و پنل ها و آرایه های خورشیدی یکی از مهمترین و گران ترین قسمت های ماهواره ها می باشند و در ساخت آنها از مرغوب ترین مواد استفاده می شود زیرا طول عمر ماهواره به این پنل ها بستگی دارد.

 ۵)باتری های ماهواره

برقی که از پنل های خورشیدی به ماهواره می رسد باید در مواقی که ماهواره درسایه زمین قرار می گیرد (در اصطلاحا کسوف می گویند) باید ذخیره شود تا سیستم های ماهواره دچار خاموشی نشوند. این برق باید در باتری های شارژی ذخیره شود(البته باتری های غیر شارژی نیز در ماهواره ها کاربرددارند)در این بخش در مورد باتری های شارژی ماهواره ها و اهمیت آنها توضیح می دهیم.

۶)سیستم کنترل مرکزی ماهواره

سیستم کنترل مرکزی ماهواره در واقع محل فرماندهی ماهواره می باشد سیستمی است که بر عملکرد ماهواره نظارت می کند.دراین بخش درمورد سیستم کنترل مرکزی ماهواره توضیح می دهیم.

۷)تعیین موقعیت ماهواه از درون ماهواره

سیستم کنترل مرکزی ماهواره وظیفه هدایت و نظارت بر بخش های مختلف ماهواره را برعهده دارد برای این که این سیستم بتواند وظیفه خود را به درستی انجام دهدنیازمند کسب اطلاعات از درون و بیرون ماهواره می باشد.کسب اطلاعات ازبیرون ماهواره به دو روش بدست می آید یا ماهواره بایدخودش این اطلاعات (موقعیت مداری،موقعیت چرخشی ،دما،تابش های کیهانی و…)را بدست بیاورد یا ایستگاه های زمینی این اطلاعات را بدست آورده و در دسترس ماهواره قرار دهند.بنابر این تعیین موقعیت ماهواره از دو طریق انجام می شود( از درون ماهواره،از طریق ایستگاه های زمینی)

۸) ردیابی ماهواره ها و سایر اشیا از روی زمین

امروزه تعیین موقعیت مداری و مختصات و سایر خصوصیات اشیاء اطراف زمین از اشیاء طبیعی(شهاب سنگ ها و سیارک ها و…)تا اشیاء مصنوعی(ماهواره ها ، فضاپیماها  و زباله های فضائی) از اهمیت بسیاری برخوردار است از هدایت و کنترل ماهواره ها و فضاپیماهای خودی ، کنترل و ردیابی ماهواره ها و سفینه های غیرخودی ( مانند ماهواره های جاسوسی دشمن و…) ، کنترل و شناسائی سیارک ها و اشیاء دیگر پیرامون زمین(که می توانند خطرات زیادی برای زمین داشته باشندو باید تحت نظر باشند) تا شناسائی و ردیابی اشیاء دیگر اطراف زمین ، بنابر این سازمان های فضائی بزرگی همچون ناسا موسساتی دارند که کارشان شناسائی و رهگیری و کنترل همه اشیا (ماهواره،فضاپیما،سیارک و…) می باشد همچنین مالکان ماهواره ها و فضاپیماها هم ایستگاه های زمینی به همین منظور ساخته تا ماهواره وفضاپیمای خود را زیر نظربگیرند . 

۹) ماهواره و پیش رانش فضائی

یکی از نیاز های اساسی ماهواره ها که در واقع بر عمر ماهواره ها تاثیر می گذارد نیروی پیشران و سوخت پیشران می باشد . در این بخش در مورد نیاز ماهواره ها به سوخت و نیروی پیشران ، انواع موتورها و روش های پیشرانش ماهواره ها و همچنین امکان سوخت رسانی در فضا توضیح می دهیم.

  

برای مطالعه سایر مقاله های نجومی روی شکل زیر کلیک کنید.

برای مطالعه مقاله های روانشناسی اینجا را کلیک کنید .

عکس های طبیعت, طبیعت خوانسار , شکوفه های بهاری  , گلستان کوه ,دانلود آلبوم های کامل بهترین و زیباترین عکس ها ,آلبوم هائی با صدها عکس کیفیت بالا ,  در هیچ کجای اینترنت این عکسها را پیدا نمیکنید , عکس هابدون استفاده از تکنیک های فتوشاپ تهیه شده , کاملا طبیعی 

برای آموزش کامل و حرفه ای گوگل مپ روی شکل زیر کلیک کنید

همه جیز در مورد گوگل مپ

۱) هر گونه اظهار نظر را در فرم اظهار نظر کاربران وارد کنید .
۲) نظرات بعد از تایید مدیریت نشان داده می شود .
۳) با انتقادات و پیشنهادات سازنده خود ما را هرچه بیشتر  همراهی کنید . مدیریت از انتقادات و پیشنهادات سازنده شما استقبال میکند .
۴) نوشته های قرمز پر رنگ ارجاع به لینک هستند که هنوز لینک آنها قرار داده نشده است ( هنوز صفحه آنها منتشر نشده است )
۵) نوشته های آبی پر رنگ ارجاع به لینک هستند که لینک آنها قرار داده شده است ( صفحه آنها منتشر شده است )
۶) هرگونه بهره برداری : کپی تمام و یا قسمتی از مطالب این سایت بدون ارجاع منبع آن ممنوع می باشد .
۷) تکثیر فایل های Pdf با ذکر منبع آزاد ولی فروش آن تحت هر عنوان و با ذکر منبع هم ممنوع می باشد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *