مدارهای ماهواره ای

امروزه همه ما به اهمیت ماهواره و نقش آن در تکنولوژی و تمدن کنونی ما و خدماتی که این ابزارها به طور مستقیم و غیر مستقیم به ما ارائه می دهند واقف هستیم .
در این مفاله در مورد ماهواره ،چگونگی قرار دادن آن در مدار ، قوانین حاکم بر حرکت ماهواره ها ، انواع مدارهای ماهواره ،… نکات مختلف دیگر در این رابطه می پردازیم . و درمقاله های بعدی فصل دهم(ماهواره )ماهواره  مطالب مختلفی درمورد انواع ماهواره و کاربرد های ماهواره ها توضیح می دهیم . ولی قبل ازآن خلاصه ای از مقالاتی که در فصل گرانش (۱)درموردگرانش گفته شدمی پردازیم و درآخر هم خلاصه ای ازبخش های مختلف این مقاله را می آوریم.در صورتی که حوصله خواندن همه بخش های مقاله را ندارید می توانید مستقیما به بخش آخر مراجعه کنید .

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

سِر ایزاک نیوتن در ۲۵دسامبر۱۶۴۲ 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- قوانین کپلر و حرکت مداری

ماهواره ها اجسامی هستند که در مداری به دور زمین می چرخند و بنابراین همانند همه اجسام کوچکی که دور اجسام عظیم می چرخند از قوانین مداری کپلر پیروی می کنند. از این رو قبل از شروع بحث اصلی که در مورد ماهواره می باشد توضیح بسیار کوتاهی در مورد مکانیک مداری و قوانین کپلر می دهیم . آنچه در این بخش مورد بررسی قرار می گیرد خلاصه ای از مقاله های “ مکانیک مداری و قوانین کپلر(۱) ” و “مکانیک مداری و قوانین کپلر(۲) ” می باشد .

۱) مکانیک مداری چیست ؟

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.

۲) کپلر چگونه موفق به کشف قوانین سه گانه خود شد ؟ 

بعد از این که کپرنیک نظریه خورشید مرکزی خود را ارائه داد ستاره شناسانی که نظریه کپرنیک را قبول داشتند گمان می کردند مدار حرکت سیارات دایره کامل است زیرا دایره شکلی بی نقص و کامل شمرده می شد .
کپلر ستاره شناس با استناد به نوشته ها و دستاورد های تیکو براهه (رصدگر معروف دانمارکی که مجموعه ای بی نظیر از رصدهای خود گرد آوری کرده یود)در توجیه مدارهای سیارات (بخصوص مریخ )و مقایرت آن با رصدهای تیکو براهه دچار مشکل شد و هرچه کرد نتوانست با مدار دایره ای رصدها را توجیه کند و وقتی مدارها را بیضی گرفت مسئله حل شد. بنابراین نتیجه گرفت مدار حرکت سیارات بجای دایره بیضی می باشد. کپلر در سال ۱۶۰۶ کتابی به نام “نجوم جدید” منتشر کرد که در آن قید شده بود همه سیارات در مداری بیضی شکل که خورشید در یکی ازکانون های آن قرار دارد به دور خورشید می چرخند و همچنین او تاکید کرد که هرچه سیاره به خورشید نزدیک تر باشد سرعت بیشتری هم دارد و بر این اساس قانون دوم خود را هم نتیجه گیری کرد که خط واصل بین خورشید و سیارات در زمان های مساوی مساحت های مساوی راجاروب می کند.  کپلر در سال ۱۶۱۸موفق به کشف قانون سوم خود هم شد .

۳) قوانین سه گانه کپلر

کپلر با مطالعه و ادامه رصدهای تیکوبراهه توانست سه قانون خود را نتیجه گیری کند
۳-۱) قانون اول کپلر(قانون بیضوی ها ) : مدارحرکت سیارات به گرد خورشید یک بیضی است که خورشید در یکی از دو کانون آن قرار دارد.
۳-۲) قانون دوم کپلر(مسطح معادل) : خط وصل‌کننده هر سیاره به خورشید در زمان‌های مساوی مساحت های مساوی جاروب می‌کند.
۳-۳) قانون سوم کپلر(قانون هارمونیک) : نسبت مکعب فاصله متوسط هر سیاره تا خورشید با مربع زمان یک دور کامل گردش سیاره تناسب مستقیم دارد.

۴) مرکز جرم و حرکت مداری

آنچه عوام معمولا از حرکت مداری درک می کنند این است که همیشه یک جسم کوچک به دور مرکز یک جسم بزرگتر می چرخد در حالی که این تعریف از اساس ایراد دارد در واقع در حرکت مداری دو جسم (هر دو جسم بدون توجه به اندازه آنها ) به دور مرکز جرم مشترکشان می چرخند ولی اگر یکی از اجسام در مقابل جسم دیگر بسیار بسیار عظیم باشد مرکز جرم بر مرکز جسم بزرگتر منطبق می شود (مانند ماهواره ها)بنابر این چنین حرکتی فقط حالت خاصی از حرکت مداری می باشد.برای توضیح بیشتر در مورد حرکت مداری به مقاله “مکانیک مداری و قوانین کپلر(۲) ” مراجعه کنید.

۵) مقاطع مخروطی و حرکت مداری

اگر در فضا دو جسم داشته باشیم که جرم و سرعت مشخصی داشته باشند(منظور سرعت نسبت به یکدیگر است)برای این که دو جسم به یکدیگر برخورد نکنند لاجرم باید یک حرکت مداری را داشته باشند که این مدار می تواند یکی از مقاطع مخروطی(دایره ،بیضی و سهمی و هذولی)باشد ولی اگر مدارها باز باشند(مدارهای باز شامل سهمی و هذولی می باشد)دو جسم برای همیشه از یکدیگر دور شده و هیچگاه به نقطه شروع خود بر نمی گردند.بنابر این در حرکت مداری ، مدارها را بسته (دایره یا بیضی)درنظر می گیرند که اگر دایره را هم حالت خاصی از بیضی در نظر بگیریم مدارها بیضی می شود که همان قانون اول کپلر می باشد از این رو مطالعه مقاطع مخروطی درمکانیک مداری اهمیت بسیار زیادی دارد.(برای مطالعه در مورد مقاطع مخروطی به مقاله “ مقاطع مخروطی “ مراجعه کنید .
نکته: درنسبیت عام ثابت می شود که این حرکت مداری به جای بیضی گلبرگی می باشد.یعنی نقطه حضیض مدارجسم کوچک(نزدیکترین نقطه به جسم عظیم بزرگتر)دریک مسیر دایره ای(که حرکت تقدیمی اوج و حضیض نامیده می شود) برگرد مرکز جرم می چرخد . برای مطالعه بیشتر در این مورد به مقاله“ نتایج نسبیت عام“ مراجعه کنید.

۶) نقاط اوج و حضیض

در مدارهای بیضوی قمر در لحظه ای به نزدیکترین فاصله تا سیاره مادر می رسد که آن نقطه را “ نقطه حضیض” نامیده و نقطه ای که قمر به دورترین فاصله از سیاره مادر می رسد را “ نقطه اوج “ می نامند.

۷) دوره تناوب و سرعت

در حرکت مداری که یک جسم ریز(در اینجا آن را قمر می نامیم) برگرد یک جسم عظیم مرکزی (سیاره مادر) می چرخد مدت زمانی را که طول می کشدتا قمر یک دور کامل بر گرد سیاره مادر بچرخد را دوره تناوب قمر می نامند.دوره تناوب و سرعت متوسط قمر (درمدارهای دایره ای سرعت ثابت است) را به کمک قانون سوم کپلر به این صورت می توان محاسبه کرد.

که در این فرمول r فاصله مرکز قمر از مرکز سیاره مادر ، M جرم سیاره مادر ، T دوره تناوب و V سرعت متوسط قمر می باشد .
نکته : در مدارهای بیضی r نیم قطر بزرگ بیضی می باشد .

۳- ماهواره

امروزه همه ما به اهمیت ماهواره و نقش آن در تکنولوژی و تمدن کنونی ما و خدماتی که این ابزارها به طور مستقیم و غیر مستقیم به ما ارائه می دهند واقف هستیم .در مقاله “ ماهواره “ ابتدا تعریف ماهواره را کرده و بعد به تاریخچه ماهواره و کشورهای پیشرو در صنعت ماهواره پرداخته و …در آخر زباله های فضائی را مورد بررسی قرار داده و در انتها چگونگی رصد ماهواره را شرح می دهیم آنچه در این بخش می آید در واقع خلاصه ای از مقاله “ ماهواره “  می باشد .

۱) ماهواره( Satellite )چیست؟ 

هر دستگاهی که توسط بشر ساخته شده و به فضا فرستاده شود و در مداری(دایره ای یا بیضی) به دور زمین می چرخند ماهواره (شبیه ماه) و یا قمر مصنوعی نامیده می شود. نکته ای که بسیار مهم است و باید به آن توجه شود تنها وسائل مصنوعی ساخت بشر که در مدار زمین قرار داده شده و مورد استفاده واقع می شوند را ماهواره می نامند .بنابر این اشیائی که ساخته دست بشر بوده و به طور ناخواسته در مدار زمین قرار داده شده و یا ماهواره هائی که مستعمل و غیر قابل استفاده شده و بی جهت در مدار زمین می چرخند دیگر ماهواره نبوده و باید آن ها را زباله فضائی نامید که امروزه به معضل بزرگی،بخصوص درمدارهای پائین زمین(مدار لئو)تبدیل شده اند که در ادامه شرح میدهم. همچنین اشیاء ساخت بشر را که برای انجام ماموریت فضائی در مدار سایر کرات آسمانی (سیارات و اقمار و…) قرار می دهند را مدارگرد می نامند .

۲) تاریخچه ماهواره

نخستین بار در سال ۱۸۶۹ ادوارت اورت هیل در داستان “ماه آجری “ از ماهواره حامل انسان نام برده که گرد مدار زمین می چرخید همچنین ژول ورن گلوله توپی را نام می برد که به طور ناخواسته در مدار زمین قرار داده شد. کنستانتین تسیولکوفسکی(دانشمند بزرگ روسی)هم ایده ساخت ایستگاه های مداری را مطرح کرد و آرتورسی کلارک(۱۹۴۵)هم این ایده را مطرح کرد که می توان برای پوشش سیگنال‌های رادیوئی و تلویزیونی از ماهواره زمین ثابت استفاده کرد از این رو بعد از درگذشت کلارک این مدار به نام مدار کلارک نامگذاری شد .

۳)کشورهای پیشرو در صنعت ماهواره

صنعت ساخت ماهواره با پرتاب اولین ماهواره به نام “اسپوتینگ یک” توسط شوروی شروع شد و کمتر از یکسال بعد آمریکا هم توانست اولین ماهواره خود (دومین ماهواره جهان) را به نام “اکسپلور یک” درمدار زمین قرار دهد. بعد از شوروی به ترتیب فرانسه و ژاپن و چین و…ماهواره های خود را در مدار قرار دادند و در ۱۵بهمن بهمن ماه ۱۳۸۷(۳ فوریه ۲۰۰۹)ایران هم با قرار دادن ماهواره امید توانست نام خود را به عنوان نهمین کشوردارای توانائی ساخت و در مدارقرار دادن ماهواره ثبت کند.

۴)زباله فضائی Space Debris

زباله های فضائی اشیاء ساخت بشرهستند که در مدار زمین درحال گردش هستند ولی دیگر به درد سازندگان آن نمی خورند بعضی از این اشیا همان ماهواره های مستعمل و از کار افتاده بوده که به حال خود رها شده اند وبعضی دیگر اشیائی هستند که از برخورد ماهواره هاو قطعه قطعه شدن آنها حاصل آمده وبعضی دیگر اشیائی هستند که بر اثر بی مسئولیتی در فضا رها شده اند و….با توجه به سرعت بسیار زیاد این زباله ها (حدود ۸ کیلومتر در ثانیه)آنها خطرات بسیار زیادی برای ماهواره ها و فضاپیماها داشته و می توانند آنها را منهدم کنند هر سال هم به تعداد آنها اضافه میشود درحالی که هیچ راهی برای از مدارخارج کردن آنها به طورکلی وجود ندارد.

۵) رصد ماهواره ها

یکی از مسائلی که برای خیلی از منجمان حرفه ای و آماتور و حتی بسیاری از مردم عادی جالب و هیجان انگیز می باشد این است که چگونه ماهواره ها را با چشم غیر مسلح ببینیم؟ آیا می توانیم ماهواره ها را در زمینه ستارگان آسمان دیده و به تفاوت آنها با اجسام دیگر سماوی پی ببریم؟ پاسخ مثبت است اگر دریک شب صاف و بدون ابر و به دور از آلودگی نوری و آلودگی فضا به آسمان نگاه کنیم حرکت جسمی را می بینیم که در زمینه ستارگان آسمان شب ظاهر شده و مانند یک ستاره با سرعت بسیار زیادی درآسمان صبحگاهی و یا عصر گاهی (وقتی هوا تازه تاریک شده و یا تازه می خواهد روز شود ) بدون چشمک زدن حرکت می کند این جسم به طور حتم یک ماهواره می باشد . برای دیدن ماهواره های مشخص(مثلا ایستگاه مداری) می توانید به سایت های بخصوصی مراجعه و سمت و جهت ماهواره را مشخص کنید .

۴- قرار دادن ماهواره در مدار

شروع ماموریت ماهواره ها با پرتاب ماهواره توسط موشک های بزرگ ماهواره بر شروع میشود. بعد از این که ماهواره به ارتفاع موردنظر رسید آن را در مدار موردنظر قرار میدهند. دراین بخش به صورت خلاصه در مورد قرار دادن ماهواره در مدار و نکات مربوط به آن توضیح می دهیم .

۱) موشک های ماهواره بر

ماهواره بعد از این که در روی زمین ساخته شده و برای انجام وظیفه آماده شدبرای اجرای ماموریت باید به ارتفاع مورد نظر فرستاده و در مدار از پیش تعیین شده قرار بگیرد.این کار توسط موشک های ماهواره بر انجام می پذیرد .نظر به این که خروج ازجاذبه و جو زمین نیاز به انرژی وسوخت بسیار زیادی دارد (برای مطالعه در مورد مشکلات خروج ازجاذبه و جو زمین مقاله “صعود“ را مطالعه کنید) موشک های ماهواره بر موشک های بسیار قدرتمندی هستند و سوخت بسیار زیادی مصرف می کنند . هر چه ماهواره به ارتفاع بالاتر برده شود موشک ها باید قوی تر و سوخت بیشتری هم مصرف کنند از این رو کشورهائی که تازه قدم در این راه گذاشته اند نمی توانند ماهواره ها را به مدار بالا رسانده و فقط در مدار پائین قرار می دهند .

۲) تاریخچه موشک های ماهواره بر

اولین ماهواره جهان (ماهواره روسی)به نام “ اسپوتینک یک “ توسط موشک ماهواره بر(Sputnik 8K71PS) و اولین ماهواره آمریکائی اکسپلورریک(Explorer 1)توسط موشک ماهواره بر( Juno I RS-29 )به فضاپرتاب شد. بعد از آن تکنولوژی موشک های ماهواره بر بسرعت پیشرفت کرد موشک های اولیه بسیار بزرگ و پرهزینه بوده و ماهواره را در سه مرحله به فضا می بردند درحال حاظر موشک ها دردو مرحله ماهواره را به مدار می برند. همچنین نسل جدید این موشک ها(موشک های فالکون ۹و فالکون هوی شرکت اسپیس‌اکس ) راکت ها و محفظه سوخت قابلیت بازگشت مجدد به زمین را داشته و یکبار مصرف نمی باشد این مسئله هزینه های فرستادن ماهواره و فضاپیما را به فضا کمتر از نصف میکند.همچنین روش های نوینی برای پرتاب ماهواره و فضاپیما درحال بررسی است تاسفر به فضارا بسیار ساده ترکند در این باره در مقاله های “ ماهواره “ ( ۸-کشورهای دارای فناوری ماهواره) و “ سفر به فضا “ توضیحات کاملتری میدهیم.

۳) شاتل

موشک های سه مرحله ای که برای بردن ماهواره ها درمدار زمین مورد استفاده قرار میگیرندد علاوه بر آن که سوخت زیادی مصرف میکنند بدنه و قسمت های مختلف آنها هم بعد ازقرار دادن ماهواره در مدار از بین میرود این مسئله علاوه بر بالابردن هزینه پرتاب ماهواره به محیط زیست هم صدمه می زند از این رو برای بردن ماهواره ها از «شاتل فضائی » استفاده کردند(در مقاله “شاتل فضائی “ در مورد شاتل های فضائی توضیح کافی خواهیم داد) بعدها به علت هزینه های زیاد شاتل ها کنار گذاشته شدند .

شکل شماره ۱ – شاتل فضائی

۴)چگونه ماهواره را در مدار قرار می دهند؟

امروزه از موشک های دو مرحله ای برای قرار دادن ماهواره ها در مدارهای بالائی استفاده می شود شیوه کار به این صورت می باشد که وقتی موشک ازجو غلیط پائینی خارج شد و هنوز ارتفاع کمی دارد به جای مسیر عمودی مسیر خود را کج کرده تا در مدار بیضی شکل زمین قرار بگیرد در این لحظه مرحله اول از موشک جدا شده و مرحله دوم به کار می افتد تا موشک در مدار بیضی شکل قرار بگیرد بعد از این که موشک در مدار بیضی شکل قرار گرفت موتور مرحله دوم مجددا خاموش می شود تا ماهواره به نقطه اوج برسد.درنقطه اوج موتور مرحله دوم مجددا روشن شده تا ماهواره را در مداردایره ای قرار دهد و وقتی کار درمدار قراردادن ماهواره کامل شدموتور مرحله دوم هم ازماهواره جدا میشود و ماهواره تنها با تکیه بر سرعت خودش در مدار باقی می ماند.

  

 شکل شماره ۲ – چگونه ماهواره را در مدار قرار می دهند؟

۵- ماهواره و پیش رانش فضائی

بعد از این که ماهواره در مدار قرار داده شد باید بتواند تنها با اتکا به سرعت اولیه خود ماه ها وسال ها در مدار باقی مانده و به انجام وظیفه بپردازد در واقع ماهواره های ساده و ارزان قیمت هم به همین ترتیب عمل می کنند ولی به دلائلی که در این بخش توضیح می دهیم نیروهای مختلف ماهواره را از مدار خارج می کنند همچنین بعضی از ماهواره ها باید بتوانند مانور مداری ( تغییر مدار و… )انجام دهند بنابراین  بسیاری از ماهواره ها (بخصوص ماهواره های گران قیمت)نیاز به سوخت و موتور پیشران دارند .

۱) پیشرانش فضائی چیست؟

هر روشی است که برای شتاب دادن فضاپیماها و ماهواره‌ها استفاده شود. پیشرانش فضائی (pacecraft propulsion ) نامیده می شود.برای این کارفضاپیما (یا ماهواره) نیاز به موتورهای پیشران و سوخت کافی دارد .
وقتی ماهواره ای در مدار قرار می گیرد امکان سوخت رسانی درفضا را ندارد و باید با تکیه به سرعت اولیه ای که کسب کرده ماه ها و سال هادر مدارباقی بماند. درابتدای صنعت ساخت ماهواه واقعا چنین بود و بعد ازقرار دادن ماهواره درمدار ، امکان دسترسی به ماهواره و تغییر مدار ماهواره وجود نداشت ولی با پیشرفت صنایع فضائی امکان قراردادن موتورهای پیشران و سوخت کافی جهت این موتورها مهیاشده امروزه نه تنها سفینه های فضائی که به نقاط مختلف منظومه شمسی می روند نیاز به موتورهای پیشران و سوخت کافی دارند بلکه ماهواره ها هم برای مانورهای مداری نیاز به سوخت و موتورهای پیشران دارند که نوع این موتورها و سوخت مورد نیاز و این موضوع که چرا ماهواره ها نیاز به نیروی پیشران دارند در ادامه توضیح خواهیم داد . 

۲) چرا ماهواره ها به موتورهای پیشران نیاز دارند؟

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 میکنند 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 بسیاری از ماهواره ها لازم می شود که از مداری به مدار دیگر انتقال یابند . مجموعه این عوامل سبب می شود که در درون ماهواره ها راکت های پیشران با مقداری سوخت قرار داده تا بتوانند مدار ماهواره را تنظیم کرده و دوباره به جای اولش برگردانند و مانع از دست رفتن ماهواره شوند.( همچنین فضاپیماهائی هم که مدار زمین را ترک کرده و رهسپار اعماق فضا شده و در مدار سیارات دیگر قرار می گیرند باز هم به سوخت و موتورهای پیشران نیاز دارند )

شکل شماره ۳ – طبقات مختلف جو

شکل شماره ۴ – نیروهای گرانشی ماه و خورشید ماهواره را از مدار خارج می کنند

۳) سوخت و نیروی پیشران ماهواره ها

اگر چه در درون ماهواره (یا فضاپیما ) می توان موتور پیشران و سوخت قرار داد ولی باید توجه کرد مقدار این سوخت به اندازه ای نیست که بتوان بی رویه از آن استفاده کرد زیرا در فضا امکان سوخت رسانی وجود ندارد و یا درصورت نیازبسیار سخت و پرهزینه میباشد.پس باید نهایت صرفه جوئی رادر مصرف این سوخت ارزشمند به عمل آورد تا بتوان عمر ماهواره گران قیمت را افزایش داد بنابر این از انواع سوخت های پر بازده و روش های نوین استفاده می شود که درادامه به شرح آن خواهیم پرداخت.

۴) انواع موتورهای پیشران

با وجودی که هنوز برای موتور پیشران ماهواره ها ازموشک هائی با سوخت شیمیائی استفاده می کنند ولی نظربه اهمیت سوخت همراه ماهواره باید روش های جایگزینی به کارگرفته شود تا با حداقل سوخت(از نظرحجم و جرم)بهترین نتیجه گرفته شود.امروزه ازروش های جایگزینی چون :موتورهای یونی(با گاز زنون)، موتورهای هوا تنفسی، بادبان های خورشیدی و…وجود دارد که بعضی به کار گرفته و بعضی دیگر در آینده به کار گرفته خواهد شد.در مقاله “ سفر به فضا “درمورد انواع موتورهای پیشران توضیح خواهیم داد . همچنین در مقاله “صعود “ بخش هفتم )۷-روش های مدرن سفربه فضا) درباره روش های نوین سفر به فضا و موتورهای و  پیشرانه های مدرن فضاپیماها بیشتر توضیح دادیم . 

۶- مدارها و دوره تناوب ماهواره

وقتی ماهواره به ارتفاع مورد ظر رسید باید در مدار قرار داده شود( مدار دایره یا بیضی)برای درمدار قرار دادن ماهواره باید سرعت اولیه و جهت لازم را به ماهواره بدهند بنابراین قبل از این که ماهواره را در مدار قرار دهند باید سرعت اولیه و جهت لازم را بدقت محاسبه کنند در این بخش ابتدا تفاوت ماهواره را با هواپیما شرح داده و بعد سرعت و دوره تناوب ماهواره را با توجه به ارتفاع ماهواره از سطح زمین(سطح دریا)محاسبه می کنیم.

۱) ماهواره و هواپیما

وقتی ماهواره در مدار قرار داده شد و شروع به گردش به دور زمین کرد باید بتواند تنها با استفاده ازسرعت اولیه خود ماه ها و سال ها در مدار زمین گردش کرده و خدمت رسانی کند چون در فضا هیچ ایستگاه سوخت رسانی وجود ندارد پس باید بدون سوختگیری بتواند : اولا سرعت اولیه را برای چرخش به دور زمین کسب کند و ثانیا این سرعت را حفظ کند. در غیر این صورت مانند یک شهاب سنگ بر روی زمین سقوط می کند .
هواپیمائی که در هوا پرواز می کند برای ادامه پرواز خود نیازمند سوخت می باشد و بعد از هر پرواز دوباره مخازن خود را پرازسوخت می کند درحالی که ماهواره چنین امکانی را ندارد.نیروئی که هواپیما را درهوا نگه می دارد ناشی از شکل بال ها و حرکت هواپیما در هوا می باشد(شکل شماره ۴)
از این رو هواپیما درجائی که هوا رقیق و یا هوا وجود ندارد نمی تواند پرواز کند درحالی که ماهواره برعکس درجائی که هوا وجود دارد نمی تواند پرواز کند زیرا حتی مقداربسیار کمی ازهوا می تواند نیروی مقاومتی ایجاد کرده سرعت ماهواره را کاهش داده و موجب سقوط ماهواره بشود.(برای مطالعه در مورد حرکت هواپیما به مقاله  “داستان پرواز“ بخش « ۴- هواپیما » مراجعه کنید)
نکته :همانطور که در بخش ۵ (۵- ماهواره و پیش رانش فضائی)اشاره کردیم امروزه ماهواره ها برای جبران انرژی از دست رفته و مانورهای مداری موتورهای پیشران دارند ولی اولا همه ماهواره ها(بخصوص ماهواره های ارزان قیمت ) این امکانات را ندارند و ثانیا برای بقیه ماهواره ها هم مقدار سوخت محدود می باشد .

شکل شماره ۵ – نیروهای وارد شده به هواپیما

۲) چرا ماهواره سقوط نمی کند؟

وقتی که یک جسم کوچک (قمر) به دور جسم عظیم مرکزی (سیاره مادر) می چرخد دو نیرو  به آن وارد می شود نیروی گرانش که باعث سقوط قمر بر روی سیاره مادر می شود و دیگر نیروی گریز از مرکزی که نیروی گرانش را خنثی می کند. این دو نیرو قمر را در مدار خود نگه می دارند بنابر این ماهواره به همان دلائلی که کره ماه روی زمین سقوط نمی کند و یا زمین و سیارات منظومه شمسی و…(کلا همه سیستم های مداری)روی خورشید سقوط نمی کنند و در مدار خود باقی می ماننددر مدار خود به دور زمین باقی مانده و سقوط نمیکند.

شکل شماره ۶ – چرا ماهواره سقوط نمی کند؟

 ۵) دوره تناوب و سرعت متوسط ماهواره

ماهواره ها هم مانند هر شی کوچک که به دور شی بزرگ می چرخد ازقانون جاذبه عمومی نیوتن و قوانین کپلر(که خود بر گرفته ازقانون جاذبه عمومی نیوتن می باشد)پیروی می کند بنابراین با استفاده از فرمولی که برای دوره تناوب و سرعت حرکت مداری بدست آوردیم دوره تناوب وسرعت ماهواره را هم بدست می آوریم. در مقاله “مکانیک مداری و قوانین کپلر(۲)”  بخش هفتم(۷- ماهواره) این فرمول ها را محاسبه کردیم از این رو در اینجا فقط فرمول ها را می نویسیم .

شکل شماره ۷ – دوره تناوب و سرعت ماهواره

که در آن Re شعاع زمین ، Me جرم زمین ، ٖG ثابت گرانش H ارتفاع ماهواره ،Tدوره تناوب و V سرعت متوسط ماهواره می باشد . (در مدارهای بیضی به جای Re+H نیم قطر بزرگ بیضی را قرار می دهیم) 

۶) ماهواره تا چه ارتفاعی بالا می رود ؟

ماهواره ها وقتی در مدار زمین قرار می گیرند باید بتوانند ماه ها و سال ها بدون مصرف سوخت مدارشان را حفظ کرده و به چرخش ادامه دهند لازمه کار این است که هیچگونه برخوردی با جو نداشته باشند و یا این برخورد به حداقل ممکن برسد.جو زمین در طبقات پائین بالاترین غلظت را دارد و هیچ ماهواره ای را نمی توان در مدار قرار داد ولی هرچه از زمین بالاتر برویم ازغلظت هوا به صورت تصاعدی کاسته می شود به گونه ای که در ارتفاع ۵ کیلومتری فشار هوا نصف در ۱۰کیلومتری یک چهارم و… در ۱۰۰کیلومتری یک ده میلونیم فشار هوا در سطح زمین می باشد (برای مطالعه در مورد فشار هوا و لایه های جو به مقاله های “ فشار هوا “ و “هوا و جو “ مراجعه کنید) ولی هنوز این مقدار زیاد است و مقاومت هوا بقدری زیاد میباشد که بعد از چند روز ماهواره را ساقط می کند .کمترین ارتفاعی که یک ماهواره می تواند چندین سال دوام بیاورد ۳۲۰کیلومتری می باشد .
نکته : تعیین انتهای جو خیلی مشکل است ولی آخرین لایه جو در ارتفاع ۱۰۰۰۰ کیلومتری پایان می پذیرد ولی فشار هوا در ارتفاع بیش از ۱۰۰۰ کیلومتر بقدری کم است که عملا هیچ تفاوتی با خلا کامل ندارد.(در شکل شماره ۳طبقات جو نشان داده شده است )

۷) انحراف مداری چیست ؟

انحراف مداری (Orbital inclination) فاصلهٔ زاویه بین صفحهٔ مداری و یک صفحهٔ دیگر، به عنوان صفحهٔ مرجع (معمولا صفحهٔ دایره البروج یا صفحهٔ استوای سماوی) است. در منظومه شمسی و سیارات چون دور خورشید می چرخند این صفحه همان صفحه استوای خورشید می باشد .
در مورد ماهواره ها این صفحه را صفحه استوای زمین در نظر می گیرند بنابر این اگر ماهواره ای دقیقا در امتداد استوای زمین بچرخد( مدار دایره یا بیضی) انحراف مداری آن صفر و اگر مدار قطبی باشد انحراف مداری آن ۹۰ درجه می باشد.ماهواره های زمین آهنگ انحراف مداری آنها دقیقا صفروماهواره های قطبی حدود ۹۰میباشد و بقیه ماهواره ها بین صفر تا ۹۰ می باشد.(شکل شماره ۸) 

شکل شماره ۸- انحراف مداری چیست؟

۸) تقسیم بندی ماهواره ها بر اساس ارتفاع ماهواره

هر ماهواره بر اساس وظیفه ای که دارد در ارتفاع و مداری مشخص قرار می گیرد از نظر ارتفاع ماهواره ها را به سه دسته تقسیم می کنند( در بخش های ۷تا ۱۱درمورد هر کدام به طور کاملتر توضیح میدهیم)که عبارتند از:
۸-۱)ماهواره های مدار پائین(لئو Leo):ارتفاع این ماهواره ها بین۳۲۰تا۸۰۰ کیلومتر میباشد(در یک تقسیم بندی تا ۲۰۰۰کیلومتر را هم شامل می شود) دوره تناوب آنها بین ۹۰ تا۱۰۰دقیقه و سرعت متوسط حدود ۷/۹ کیلومتر درثانیه میباشد.از جمله معروفترین آنها ایستگاه فضایی بین‌المللی در ارتفاع حدود ۳۲۰کیلوتری میباشد.
۸-۲)مدار میانی (مئو Meo) : دریک تقسیم بندی ارتفاع این مدار بین ۲۰۰۰ کیلومتر تا ۱۹۰۰۰ کیلومتر و در تقسیم بندی دیگر ارتفاع از دو هزار تا ۳۵،۷۸۶ کیلومتر(مدار زمین ثابت) می باشد. دوره تناوب هم بین ۲ ساعت تا ۲۴ ساعت می باشد . از جمله ماهواره های موجود در این مکان ماهواره های GPSمی باشد .
۸-۳)مدارزمین آهنگ(ژئو Geo):مدارزمین ثابت با ارتفاع دقیقا۳۵،۷۸۶کیلومتر وجوددارد که مهمترین مدار ماهواره ای میباشد مهمترین ویژگی این مدار این است که دوره تناوب آن دقیقا برابر یک شبانه روز نجومی(۲۳ ساعت و۵۶دقیقه و۴ثانیه- ۲۳:۵۶:۰۴)میباشد.بنابراین اگردرصفحه استوا قرارگیردهمیشه درجای خودثابت میماند
۸-۴)مداربسیاربالا(Heo):ارتفاع این مدار بالاتر از مدار زمین ثابت می باشد . تعداد بسیار اندکی از ماهواره ها (آن هم ماهواره های با مدار بیضی کشیده ) در این مدار قرار می گیرند .
نکته : به دلیل این که زمین کره کامل نیست همچنین چگالی زمین در قسمت های مختلف یکسان نیست حتی در مدارهای کاملا دایره ای ارتفاع ماهواره از زمین تا حداکثر ۳۰ کیلومتر تغییر می کند .

 

شکل شماره ۹ – انواع مدارهای ماهواره

جدول شماره یک – دوره تناوب و سرعت ماهواره ها در مدارهای مختلف

در بخش های بعد به صورت کامل این مدارها و ماهواره هائی که در این مدارها قرار می گیرد را توضیح می دهیم .

۹) مدارهای بیضی و قطبی

هر ماهواره برای کار خاصی ساخته شده و وظیفه بخصوصی بر عهده دارد مدار هر ماهواره را وظیفه ماهواره تعیین می کند با وجودی که مدار اکثر ماهواره ها(صرف نظر از ارتفاع آنها)دایره ای می باشد و از غرب به شرق دور زمین می چرخند. ولی مدار بعضی دیگر به صورت بیضی می باشدهمچنین مدار بعضی ماهواره ها(دایره یا بیضی)به جای غربی به شرقی شمالی جنوبی میباشد یعنی از قطب شمال به جنوب میچرخند.دراین قسمت انواع مدارهای بیضی و قطبی را معرفی کرده و در بخش های بعد به طور کاملتر در مورد آنها توضیح میدهیم .
۹-۱)مدار قطبی :مدارهای قطبی بر خلاف مدارهای دیگر در یک مسیری( دایره و بیضی) به گرد زمین می چرخند که از دوقطب شمال و جنوب بگذرد .این مسئله فوائد بسیاری دارد که در بخش هشتم توضیح میدهیم.
۹-۲)ماهواره های مولینا و توندرا : برای پخش سیگنال های مخابراتی از مدارهای زمین ثابت استفاده می کنند ولی ماهواره ای که در این مدار قرار دارد به درد مناطق قطبی( عرض جغرافیائی بالای ۸۰ درجه) نمیخورد در عوض در این مناطق از ماهواره های مدار مولینا و توندرا استفاده می کنند که در بخش  هشتم در مورد آن توضیح میدهیم
۹-۳)مدار خورشید ثابت:یکی از مدارهای مهم مدار خورشید آهنگ است در بخش یازدهم در این مورد به طور کامل توضیح می دهیم .  

۷- مدار لئو و مئو

مدار نزدیک زمین یا مدار پائینی Low Earth Orbit یا به صورت مخفف Leo میباشد این مدار جایگاه ماهواره هائی میباشدکه به ماهواره های مدارپائین معروفند. بعد ازمدار لئو مدار مئو Meo) )قرار دارد در این مدار ماهواره هائی  قرار دارند که از مدار پائینی بلندتر هستند این مدار هم ماهواره های مخصوص به خودش را دارد دراین بخش در مورد ماهواره های مدار پائین (لئو ) و مدار میانی (مئو) توضیح می دهیم .

۱) سرعت و دوره تناوب مدارلئو (Leo) 

مداربین ۳۲۰تا ۲۰۰۰کیلومتری مدار پائین یا لئو نام دارد.اگر سرعت و دوره تناوب این ماهواره ها را حساب کنیم می بینیم که دوره تناوب از۱/۵ساعت تا دوساعت و هفت دقیقه میباشد(متوسط ۱ ساعت و۴۵دقیقه)و سرعت از ۷/۷کیلومتر در ثانیه تا ۶/۹کیلومتر درثانیه متغیر می باشد(متوسط آن حدود ۷/۳ میباشد) جدول شماره یک

۲) معایب مدار لئو

اگر چه ماهواره ها باید در جائی باشند که هوا وجود نداشته باشد ولی واقعیت این است که جو زمین تا ارتفاع ۱۰ هزار کیلومتری ادامه دارد ولی در ارتفاعات بالای جو فشار هوا و مقدار جو به قدری پائین است که عملا هیچ تفاوتی با خلا کامل ندارد ولی ماهواره های مدار پائین در لایه “ ترموسفر “ جو قرار دارند(برای مطالعه جو و لایه های آن به مقاله “هوا و جو “مراجعه کنیدهمچنین درشکل شماره سه لایه های جو نشان داده شده است)در این لایه بخصوص لایه زیرین آن هنوزمقدار قابل ملاحظه ای هوا وجود دارد و همین هوای اندک می تواند مقاومت قابل توجهی ایجاد کرده و سرعت ماهواره را کاهش داده و باعث سقوط ماهواره بشود.

۳) فوائد مدار لئو

با وجودی که قرار دادن ماهواره در مدار لئو معایبی دارد که مهمترین آنها اصطکاک با جو باقیمانده می باشد ولی مزیت های فراوانی نیزدارد همین مسئله باعث شده بیشتر ماهواره ها در مدارلئو(بخصوص قسمت های پائینی آن) باشند.به طورخلاصه فوائد قرار گرفتن ماهواره درمدار لئو عبارتند از :
۳-۱) هزینه پائین قراردادن درمدار: یکی ازهزینه های سنگین قرار دادن ماهواره در مدار سوخت و انرژی زیادی است که برای در مدارقرار دادن ماهواره لازم می باشد به گونه ای که کشورهائی که تازه به فن آوری پرتاب ماهواره دست پیدا کرده اند و نمی توانند ماهواره های خود را در مدار بالا قرار دهند از مدار پائین(حتی کمتر از ۳۰۰ کیلومتر) شروع کرده تا به مدارهای بالاتری برسند .
۳-۲)خدمات رسانی به ماهواره ها:بسیاری از ماهواره ها بعد از قرار گرفتن دیگر نیازی به دسترسی مجدد و تعمیر و… خدمات رسانی ندارند ولی بسیاری دیگر همچون ایستگاه های فضائی به طور مرتب از زمین سرویس دهی می شوند بنابر این لازم است بین ماهواره و زمین رفت و آمد انجام شود از این رو برای سادگی رفت و آمدو کاهش هزینه ها این قبیل ماهواره ها باید در مدار پائین قرار بگیرند . 
۳-۳) تهیه فیلم و عکس های با کیفیت : یکی از مزیت های مدار های پائین این است که به سطح زمین نزدیکتر بوده و بنابر این می توان عکس ها و فیلم های باکیفیت و دارای بیشترین جزئیات را از سطح زمین تهیه کرد از این رو ماهواره هائی که برای عکس و فیلم گرفتن از سطح زمین ساخته می شوند همه در مدار لئو قرار می گیرند از جمله این ماهواره ها می توان به ماهواره های جاسوسی اشاره کرد .
۳-۴) پهنای باند : در مدارهای نزدیکتر به زمین برای مخابرات می توان از پهنای باند کمتری بهره گرفت.

۴) معروفترین ماهواره های مدار لئو

ماهواره های مختلفی در مدار لئو قرار دارند که در مقاله “ کاربرد ماهواره “  در مورد جزئیات آنها توضیح خواهیم داد . تقریبا بیشتر ماهواره های ستاره شناسی هم در این مدار قرار می گیرند . معروفترین آنها عبارتند از: ایستگاه فضائی بین المللی(ارتفاع ۳۲۰کیلومتر) ، تلسکوپ هابل ۵۴۰Km ، تلسکوپ کپلر ماهواره های رصد زمینی ۷۷۰Km، ماهواره های ایریدیوم ۷۸۰Km و….

۵) مدار لئو و زباله های فضائی

ماهواره ها عمر محدودی دارند نظر به این که بسیاری از ماهواره های مدار پائینی بعد از اصطکاک با لایه های بسیار رقیق جو سرعت خود را از دست می دهند سرنوشت آنها سقوط در روی زمین و نابودی می باشد ولی بسیاری از ماهواره ها هم هستند که با سپری شدن عمر آنها همچنان بدون مصرف در مدار می مانند همچنین انهدام ماهواره ها(عمدی یا سهوی – مانند برخورد ماهواره ها به یکدیگر ) باعث ایجاد ذرات بسیار زیادی درفضا شده است که امروزه به یک معضل بزرگ تبدیل شده اند که “زباله های فضائی” نامیده میشوند (در موردزباله های فضائی درمقاله “ کاربردماهواره “توضیح میدهیم )

۶) مدار میانی یا مئو ( MEO: Medium Earth orbit )

مدارمتوسط یا مدار میانی(مئو Meo)که گاهی اوقات مدار دایره ای متوسط هم می گویند(ICO) بین مدارکوتاه Leo و مدار زمین آهنگ Geo قراردارد. ارتفاع این مدار بین۲۰۰۰ کیلومتر تا ۲۰۲۰۰کیلومتر ،دوره تناوب بین دو ساعت و هشت دقیقه تا ۱۲ساعت و سرعت متوسط آن بین ۶/۹ تا ۳/۹کیلومتر درثانیه می باشد.
نکته مهم : اگر چه در این تقسیم بندی ارتفاع مدار مئو را بین ۲۰۰۰ تا ۳۶۰۰۰کیلومتر در نظر می گیرند ولی باید توجه داشت در ارتفاع بین ۶۰۰۰تا ۱۳۰۰۰کیلومتر بخاطر وجود لایه پائینی کمربند والن آلن پروتون های بسیار پر انرژی قرار داشته که برای ماهواره ها بسیار خطرناکند (به دستگاه های حساس ماهواره ها آسیب می زنند) ازاین رو دراین فاصله هیچ ماهواره ای قرار نمی دهند.

۷) ماهواره های مدار Meo

در این مدار ماهواره های ناوبری ارتباطات و ژئودزیک بعضی ماهواره های هواشناسی (ماهواره هائی که برای پیش بینی دراز مدت به کار می روند) و… قرار می گیرند مهمترین ماهواره مدار مئو ، ماهواره های جهت یابی یا Gps می باشند. نظر به این که در این مکان ماهواره ها تقریبا با مقاومت قابل توجهی از جو روبرو نمی شوند عمر ماهواره هائی که در این مدار قرار میگیرند طولانی می باشد و در ارتفاع بالای ۱۰هزارکیلومتر دیگر هیچگونه مقاومت هوائی وجودندارد و این ماهواره ها می توانند تا ابدبه دور زمین بچرخند.نظر به این که تعداد کمی از ماهواره ها را دراین مدار قرار می دهند این منطقه خلوت ترین منطقه مداری می باشد .

۸) مهمترین ماهواره های مدار مئو

ماهواره های مدار مئو بیشتر میزبان ماهواره هائی هستند که کار آنها ناوبری و تعیین مختصات جغرافیائی می باشند این ماهواره ها به صورت سیستم صورت فلکی (صورت فلکی دسته ای از ماهواره ها می باشند که به صورت هماهنگ کار می کنند در مقاله “ماهواره های صورت فلکی” در این باره بیشتر توضیح می دهیم)کار کرده و به کمک آنها می توان طول و عرض جغرافیائی هر نقطه از زمین را بدست آورد . از میان ماهواره های سیستم های موقعیت یابی می توان به ماهواره های (جی پی اس، گلوناس ، گالیله و…) اشاره کرد .
همچنین به ماهواره هائی قطبی(که از فراز قطب های شمال و جنوب جغرافیائی گذر می کنند)می توان اشاره کرد که هر ۱۲ساعت به دور زمین می چرخند (دقیقا نصف شبانه روز خورشیدی)و بنابر این در هر شبانه روز سر ساعت بخصوصی از یک نقطه مشخص عبور می کنند .

 

۸- مدارهای قطبی و بیضی

بین مدار لئو (یا مدار پائینی) و مدار ژئو (زمین ثابت ) ، مدارمیانی یا مئو وجود دارد که جایگاه تعدای از ماهواره ها می باشد که در بخش قبل شرح دادیم . بجز این مدارهای بالاتر از مدارزمین ثابت یا هئو (EO: Highly Elliptical Orbit) نیز وجود دارد همچنین مدارهای بیضوی نیز داریم که هر کدام از این مدارها جایگاه ماهواره های ویژه ای است که به ماموریت خود مشغول هستند.هر ماهواره ای بسته به ماموریت خود در یکی از این مدارها قرار می گیرد در این بخش در مورد این مدارها توضیح می دهیم. 

۱) مدارهای قطبی و بیضی

ماهواره هائی که درمدارهای لئو و مئو همچنین مدارزمین ثابت به دورزمین میچرخندجهت چرخش آنها از غرب به شرق می باشد(همه غربی به شرقی می باشند) همچنین همه آنها در مدارهای دایره ای می چرخند . ولی مدارهای قطبی به جای چرخش در جهت غرب به شرق در جهت شمال به جنوب می چرخند همچنین تعدادی از آنها درمدارهای دایره ای و تعداد دیگری هم درمدارهای بیضی می چرخند.

۲) مزیت های مدار قطبی

 ابتدا ماهواره را در مدار شمالی به جنوبی موازی با صفحه یک نصف النهار در مدار قرار می دهند اگر زمین حرکت چرخشی نداشت ماهواره ضمن عبور از دو قطب شمال و جنوب تمام یک نصف النهار را پوشش می داد و از تمام مناطق نصف النهار می توانست عکس و فیلم تهیه کند ولی با چرخش زمین از غرب به شرق این ماهواره عملا تمام سطح زمین(۱۰۰درصد سطح زمین)را تحت پوشش قرارمی دهد به این صورت که ماهواره ضمن کامل کردن یک دور مداری خود بخاطر چرخش زمین روی نصف النهار دیگری قرار می گیرد و بعد از طی دور بعد روی نصف النهار دیگر و… و عملا در طی چند دور چرخش خود همه جای زمین را تحت پوشش قرار می دهد . کاری که ماهواره های غربی به شرقی نمی توانند انجام دهند(شکل شماره ۱۰)

شکل شماره ۱۰ – مدار های قطبی و مزیت آن

۳) چه ماهواره هائی از مدار قطبی استفاده می کنند ؟

مدار یک ماهواره را ماموریت ماهواره تعیین می کند حال با توجه به ماموریت ماهواره ها می توانیم توضیح دهیم ، چرا و چه نوع ماهواره هائی در مدار قطبی قرار داده می شوند .
۳-۱) تکمیل ماموریت ماهواره های دیگر : ماهواره هائی که در مدارهای غربی و شرقی به خدمت رسانی مشغول هستند نمی توانند قطب های زمین را تحت پوشش قرار دهند از این رو برای تکمیل ماموریت آنها لازم است از ماهواره های قطبی استفاده کرده  تا بتوانند قطب های زمین را هم پوشش بدهند .
۳-۲) عکس برداری از همه جای زمین : ماهواره هائی که(به منظور علمی یا جاسوسی و…) لازم است از همه جای زمین عکس و فیلم و…اطلاعات جمع آوری کنند حتما باید در مدار قطبی قرار بگیرند . برای نمونه می توان به تعدادی از ماهواره های جاسوسی و هواشناسی و…اشاره کرد .

۴) ماهواره های مدار بیضوی بالا یا هئو  ( HEO: Highly Elliptical Orbit )

ماهواره های مدار بیضوی بالا(ماهواره هائی با بیضی کشیده) را دراصطلاح مدار هئو (Heo) می نامند. (شماره ۱۴) این ماهواره ها در مدار بیضی به دور زمین می چرخند که طبق قانون اول کپلر زمین در یکی از این کانون های بیضی قراردارد ، همانند همه حرکت های مداری بیضی شکل مدار حرکت چنین ماهواره ای یک نقطه حضیض دارد که به زمین نزدیک بوده و سرعت ماهواره در آن نقطه کمتر میباشد و یک نقطه اوج دارد که از زمین دورتر بوده و سرعت ماهواره هم کمتر می باشد این خاصیت باعث می شود ماهواره هنگام عبور از نقطه اوج زمان زیادی را صرف کند و مقدار بیشتری را در آسمان منطقه باقی بماند این ویژگی سبب می شود کاربردهای گسترده ای در مخابرات و…داشته باشد از نمونه این مدارها می توان به مدار مولینا و توندرا اشاره کرد .

۵) چرا ماهواره های زمین ثابت بدرد مناطق قطبی نمی خورد ؟

ماهواره های زمین ثابت (در مورد ماهواره های زمین ثابت در بخش بعدی توضیح می دهیم)در یک نقطه از آسمان مانده و بهترین گزینه برای ارائه خدمات برای عرض های جغرافیائی استوائی و میانه هستند در مناطق استوائی در سمت الراس و یا نزدیک آن قرار دارند و هرچه به سمت عرض های جغرافیائی بالاتر برویم به افق نزدیکتر می شوند ( ارتفاع آنها کمتر می شود – منظور از ارتفاع زاویه ای است که یک جسم سماوی باسطح افق می سازد – شکل شماره ۱۱) هر چه ارتفاع ماهواره ها کمتر شود ارتباط سخت تر و ضعیف تر شده و موانع زمینی(کوه ها و درخت و ساختمان ها)بیشتر مانع می شوند سرانجام در عرض جغرافیائی ۸۰ درجه به بالا ارتفاع ماهواره بقدری کم می شود و ماهواره به قدری به افق نزدیک می شود که عملا غیر قابل استفاده می شود . ( شکل شماره ۱۲ )

شکل شماره ۱۱ – تعریف سمت و ارتفاع

شکل شماره ۱۲ – چرا در مناطق قطبی ماهواره زمین ثابت کاربرد ندارد ؟

۶) ماهواره های مخابراتی مولنیا

مدارهای مولینا مدارهائی هستند که به جای مدارهای استوائی زاویه ۶۳/۴درجه با دایره استوا داشته و به جای مدار دایره ای مدار بیضی بسیار کشیده دارند.طبق قانون اول کپلر درمدارهای بیضی مثل مدارهای ماهواره مولینا زمین در یکی از کانون های بیضی قراردارد ینابر این درقسمتی ازمدار که“نقطه حضیض” نامیده میشود ( با ارتفاع ۹۰۰۰ کیلومتر) ماهواره نزدیکترین فاصله و در نقطه ای که“ نقطه اوج “(با ارتفاع ۳۹۰۰۰ کیلومتر) نامبده میشود دورترین فاصله را از زمین دارد و طبق قانون دوم کپلر سرعت ماهواره در نقطه اوج کمترین مقدار و در نقطه حضیض بیشترین مقدار می باشد.چون مدار ماهواره بیضی بسیار کشیده می باشد زمان بسیار زیادی (در مقایسه با گذرازنقطه حضیض) طول می کشد تا ماهواره از نقطه اوج عبور کند. با توجه به این که دوره تناوب ماهواره مولینا ۱۲ساعت می باشد۸ساعت از این دوازده ساعت را در نقطه اوج (که بر فراز قطب شمال می باشد) می گذراند و طی این ۸ ساعت موقعیت آن نسبت به ناظر کمابیش ثابت می ماند بنابر این با سه ماهواره مولینا یه علاوه یک ماهواره یدک می توان در تمام مدت ۲۴ساعت شبانه روز پوشش دائمی روی منطقه ایجاد کرد . درکشور پهناور روسیه که بیشتر مناطق آن در عرض های جغرافیای بالا قرار دارد تنها با استفاده از ماهواره مولینا می توان پوشش ماهواره ای کامل را برای پخش برنامه های تلویزیونی و مخابرات ایجاد کرد.روسیه (در آن زمان شوروی) اولین ماهواره را با این مشخصات به نام مولینا روانه فضا کرد و از آن به بعد این ماهواره ها به نام ماهواره های مولینا نامیده شدند.(شکل شماره ۱۳)
بجز ماهواره های مولینا سری ماهواره هائی به نام توندرا با کمی تفاوت همین کار را انجام می دهند.     

شکل شماره ۱۳ – ماهواره های مولینا

۹- مدار زمین ثابت و کاربردهای آن  

مدار زمین ثابت یا ژئو (Geo)مداری است که در امتداد صفحه استوای زمین قرار داشته و ارتفاع آن ازسطح دریا ۳۵۷۸۶کیلومتر می باشد .بیشتر ماهواره های مخابراتی و ماهواره هائی که برنامه های تلویزیونی را پخش می کنند ( که آنها هم به نوعی ماهواره مخابراتی حساب می شوند)در این مدار قرار می گیرند در این بخش در مورد مدار پر اهمیت ژئو و کاربرد آن توضیح می دهیم.

۱) مدار ماهواره های مخابراتی چگونه باید باشد؟

برای این که گیرنده زمینی بتواند امواج ارسالی از ماهواره را دریافت کند و نیازی به چرخاندن و جابجائی آنتن نباشد بایدجایگاه ماهواره درآسمان ثابت باشد. این کاردر صورتی قابل انجام است که دوره تناوب ماهواره برابر دوره تناوب حرکت وضعی زمین یعنی یک شبانه روز نجومی(۲۳:۵۶:۰۴)باشد.(شکل شماره۱۳)دراین شرایط اگر ناظر زمینی بتواند ماهواره را مشاهده کند می بیند درحالی که ماه و خورشید و …اجرام سماوی در کره آسمان حرکت می کنند(حرکت عمومی از شرق به غرب) ماهواره سر جای خود ثابت بوده و حرکت نمی کند(شکل شماره ۱۴)بنابر این مدار ماهواره باید به این صورت باشد :
۱-۱) مدار دایره باشد : سرعت زاویه ای چرخش ماهواره باید ثابت بوده و دقیقا برابر سرعت گردش زمین به دور خودش باشد (یک شبانه روز نجومی) بنابر این مدار باید دایره باشد .
۱-۲) صفحه مداری : حرکت وضعی زمین در امتداد محورهای شمال و جنوب جغرافیائی می باشد ماهواره زمین ثابت هم باید همین محور را داشته باشدبنابر این مدار آن باید در صفحه استوای زمین باشد . 
۱-۳) ارتفاع ماهواره : دوره تناوب حرکت وضعی ماهواره باید دقیقا برابر یک شبانه روز نجومی باشد با توجه به فرمول زیر می توان ارتفاع را محاسبه کرد برای این کار باید مقدار T را برابر یک شبانه روز نجومی بر حسب ثانیه قرار داده (۸۶۱۶۴ ثانیه )و با تشکیل معادله ارتفاع را بدست آورد.

در این فرمول :  Re شعاع زمین ، Me جرم زمین و G ثابت گرانشمی باشد ( لطفا محاسبات را انجام دهید.) ارتفاعی که محاسبه می شود دقیقا « ۳۵۷۸۶کیلومتر » می شود .این مشخصات مدار زمین ثابت یا مدار ژئو می باشد .
(در مورد ماهواره های مخابراتی در مقاله “ کاربرد ماهواره “ بخش چهارم «ماهواره های مخابراتی» بیشتر توضیح می دهیم.)

شکل شماره ۱۴ – مدار زمین ثابت از دید ناظر خارج از زمین

شکل شماره ۱۵ – مدار زمین ثابت از دید ناظر روی زمین

همچنین شکل های متحرک شماره ۱ و ۲ نشان می دهد ماهواره زمین مرکز چگونه کار می کند .

شکل متحرک شماره یک – ماهواره زمین ثابت از دید ناظر بالای قطب شمال

شکل متحرک شماره ۲ – ماهواره زمین ثابت از دید ناظر واقع در نقطه دور دست در صفحه استوای زمین 

۲) مدار ژئو (GEO:Geostationary orbit)

مدار زمین‌ثابت یا زمین ایستا(ژئو GEO) که به آن مدار کلارک نیز می گویند(زیرا همانطور که در بخش دوم « تاریخچه ماهواره » توضیح دادیم اولین بار آرتور سی کلارک پیشنهاد قرار دادن ماهواره ها را در مدار زمین ثابت بدهیم )مداری در اطراف دایره استوای زمین می باشد(صفحه مدار همان صفحه استوای زمین می باشد)که به ارتفاع ۳۵۷۸۶کیلومتربالاتر از سطح ‌دریا قرار دارد دوره تناوب ماهواره هائی که در روی این مدار قرار دارند دقیقا برابر یک شبانه روز نجومی(۲۳:۵۶:۰۴)می باشد (۲۳ساعت و ۵۶ دقیقه و ۴ثانیه) مدار زمین ثابت یکی از شلوغ ترین و پرتقاضا ترین مدار می باشد.

۳) اهمیت مدار ژئو

مدار ژئو جایگاه ماهواره های مخابراتی (ماهواره هائی که سیگنال های صوتی و تصویری و…را ارسال می کنند- ماهواره هائی که برنامه های تلویزیونی را پخش می کنند هم در این دسته جای می گیرند) و بسیاری از ماهواره های دیگر می باشد سیگنال های ارسالی از ایستگاه های زمینی به ماهواره فرستاده می شود و ماهواره بعد از تقویت به ایستگاه های زمینی می فرستد .

۴)خروج ماهواره از مدار

اگر چه در مدار ژئو نیروی مقاومت هوا وجود ندارد ولی نیروی گرانش ماه و خورشید ماهواره را از مدار خود جابجا می کند بنابر این برای جلوگیری از خروج ماهواره از مدار موتورهای موشکی با سوخت کافی در ماهواره تعبیه شده که از روی زمین کنترل می شود با روشن شدن موتورهای موشکی می توان ماهواره ها را دوباره در مدار قرار داد . معمولا در هر ۵۵ سال مدار ماهواره ها بین صفر تا حداکثر ۱۵درجه جابجا می شود .

 ۱۰ – موقعیت مداری چیست ؟

مدارهای مختلف دارای ارتفاع های مختلف و مسیرهای مختلفی می باشند بنابر این عملا محدودیتی وجود ندارد ولی مدارزمین ثابت تنها یک ناحیه بسیار کوچک یعنی حلقه ای باریک به شعاع ۴۲۱۵۴کیلومتردر صفحه استوای زمین می باشد( فاصله تا مرکز زمین) طول این حلقه حدود ۲۶۴۰۰۰کیلومتر می باشدکه با وجودی که در نگاه اول بسیار بزرگ می باشد ولی باید توجه کرد که ماهواره ها برای جلوگیری از برخورد با یکدیگر همینطور تداخل سیگنال ها باید یک حداقلی فاصله را از یکدیگر حفظ کنند.در این بخش در مورد محدودیت های مدار زمین ثابت و نقاط ویژه مداری ( که بخاطر همین محدودیت ها بوجود آمده است ) توضیح می دهیم .

۱) در مدار زمین ثابت چند ماهواره جای می گیرد ؟

ارتفاع مدار زمین ثابت از سطح دریا حدود ۳۶۰۰۰کیلومتر(دقیقا ۳۵۷۸۶کیلومتر) بوده و بنابر این شعاع این مدار حدود ۴۲۰۰۰کیلومتر می شود( فاصله تا مرکز زمین)اگر دایره حاوی این مدار را بدست بیاوریم ( این محاسبه را انجام دهید ) چیزی حدود ۲۶۴۰۰۰کیلومتر می شود که با آن که در نگاه اول بسیار زیاد می باشد ولی ماهواره هائی که در این مدار قرار می گیرند باید بقدری از یکدیگر فاصله داشته باشند که بهم دیگر برخورد نکرده و دیگر این که سیگنال های آنها اختلال در کار یکدیگر ایجاد نکند با این حساب هر ماهواره از ماهواره دیگر باید یک تا سه درجه فاصله داشته باشد با این حساب کل ماهواره هائی که قرار است در این مدارجای بگیرندحداکثر به ۱۸۰۰ماهواره می رسد درحال حاظر ۴۰۰ ماهواره فعال در مدار زمین آهنگ قرار دارند و هنوز۱۴۰۰نقطه باقیمانده وجود دارد. 

۲) سازمان ها و نهادهای بین المللی ناظر بر فضای خارج از جو   

در ابتدای عصر فضا فقط آمریکا و شوروی بودند که به فرستادن ماهواره به مدار زمین و همچنین به مدار ماه و روی سطح ماه پرداختند ولی بعد از مدتی که فوائد اکتشافات و برنامه های فضائی برهمگان روشن شد کشورهای مختلفی درصدد برآمدند تا اجسام مختلف (با سرنشین و یا بدون سرنشین)خود رابه فضابفرستند. اوضاع وقتی بغرنج تر شدکه رقابت کشورها(حتی سازمان های خصوصی)برای ساخت و در مدار قرار دادن ماهواره ها شدت گرفت برای ایجاد نظم و جلوگیری از هرج و مرج در این عرصه کمیته ای زیر نظر سازمان ملل به نام “ کمیته سازمان ملل در امور استفاده صلح‌آمیز ازفضا “ بوجود آمد همچنین سازمان ها و نهادهائی همچون “سازمان بین‌المللی ارتباطات ماهواره‌ای “ ، “دفتر امور فضایی ملل متحد “، “ اتحادیه بین‌المللی مخابرات یا آی تی یو (ITU)“ و…نهادهای دیگر کار قانون گذاری و نظارت بر فعالیت های فضانوردی و قرار دادن ماهواره در مدار زمین را بر عهده گرفتند و پیمان های مختلفی با شرکت کشورهای مختلف جهان وضع کردند که یکی از مهمترین این پیمان ها پیمان “فضای بیرون“ و “پیمان ماه“ میباشد.مطابق این پیمان ها فضای خارج ازجو اختصاص به هیچ کشوری نداردوهمچنین استفاده ازسلاح های کشتارجمعی درفضا ممنوع میباشد .
در مقاله “ قانون و فضا “ به این سازمان ها و پیمان ها به طور مشروح می پردازیم .

۳) اتحادیه بین المللی مخابرات ITU

اتحادیه بین المللی مخابرات یا آی تی یو  (ITU)یک سازمان بین‌المللی وابسته به سازمان ملل متحد است که مسئولیت کلیه امور مربوط به فناوری های اطلاعاتی و ارتباطی و وضع و اجرای قوانین مربوطه را بر عهده دارد. از جمله وظائف این سازمان : مدیریت فضای فرکانسی (فرکانس ارتباطات رادیوئی و تلویزیونی)، استانداردسازی مخابرات ، فناوری های بی سیم ، ناوبری هوانوردی و دریایی ، نجوم رادیویی ، هواشناسی مبتنی بر ماهواره ، و…می باشد.یکی از وظائف این سازمان نظارت برمدارهای ماهواره(بخصوص ماهواره های زمین ثابت)میباشد.

شکل شماره ۱۶ – دفتر اتحادیه بین المللی مخابراتIUT در شهر ژنو


 شکل شماره ۱۷ – لگوی اتحادیه بین المللی مخابرات

۴) نقاط ویژه مداری

مدار زمین ثابت یک مدار بسیار شلوغ می باشد که همه کشورهای جهان سعی دارند ماهواره های خود را در این مدار قرار دهند ولی همانطور که گفته شدظرفیت این مدار محدود می باشد (حداکثر ۱۸۰۰ ماهواره ) از این رو این مسئله می توانست باعث تنش های سیاسی و درگیری بین کشورها بشود . برای جلوگیری از هرج و مرج و درگیری بین کشورها همگی توافق گردند تا اتحادیه بین المللی مخابرات(ITU)وظیفه تقسیم این نقاط را به کشورها انجام دهد.بنابر اینITU کل فضای اشغال شده توسط این مدار را به صدها قطعه کوچک تقسیم بندی کرده که هرکدام یک “نقطه وپژه مداری” نامیده می شوندو هر ماهواره باید دریکی ازاین نقاط قرارگیرد.

شکل شماره ۱۸ – نقاط ویژه مداری و نامگذاری آن

۵) نام گذاری نقاط مداری چیست؟

با این حساب «نقطه وپژه مداری» در واقع جایگاه ماهواره های زمین ثابت می باشد(درست مانند پارکینگ های آپارتمان ها که جایگاه ماشین های افراد آپارتمان ها می باشد) نحوه نامگذاری به این صورت می باشد که از سمت مشرق مدار را نقطه صفر در نظر می گیرند و در جهت مخالف عقربه های ساعت به طرف مشرق حرکت کرده و فاصله زاویه ای از مبدا را در نظر گرفته و نامگذاری می کنند(مثلا نقطه مداری ۲۴۷ درجه ) و یا کل مدار را به چهار قسمت تقسیم کرده (شرقی ، غربی ، شمالی و جنوبی ) و هر قسمت را از صفر تا ۹۰ درجه (در جهت مخالف عقربه های ساعت)شماره گذاری می کنند.(شکل شماره ۱۵)  

۶) قرار دادن ماهواره در نقاط ویژه مداری

با این تقسیم بندی ها کشور( یا شرکتی ) که می خواهد ماهواره در مدار زمین ثابت قرار دهد باید آن را در یکی از نقاط مداری قرار دهد و برای جلوگیری از هرج و مرج باید از ITU مجوز بگیرد . بعد از این که کشوری توانست مجوز یکی از نقاط مداری را را بدست بیاورد تا ۹ سال باید ماهواره خود را در این نقاط قرار دهد و گرنه امتیاز آن از او گرفته خواهد شد و به دیگران واگذار می شود . همچنین کشوری که ماهواره در یکی از این نقاط مداری قرار می دهد به محض این که ماهواره مستعمل شده و از رده خارج شد وظیفه دارد آن را از مدار خارج کرده و به قبرستان ماهواره ها بفرستد تا این نقاط برای استفاده دیگران خالی بماند . بنابر این ثبت این نقاط به منزله مالکیت دائمی و بدون شرط و حد و مرز نمی باشد زیرا فضا طبق معاهده های بین المللی مایملک هیچ کشور و یا شرکت و اشخاص حقیقی و حقوقی نمی باشد و همه مردم جهان باید بتوانند از آن استفاده کنند .

۷) قبرستان ماهواره ها

برای استفاده بهینه از مدار شلوغ زمین ثابت و امکانات این مدار ITU مقرر داشته که برای جلوگیری از اشغال نقاط مداری توسط ماهواره های مستعمل و بدون استفاده مالکین ماهواره ها وظیفه دارند ماهواره های فوق را از مدارخارج کرده و برای جلوگیری از تبدیل این ماهواره ها به زباله های فضائی آن ها را به مداربالاتر که به نام “قبرستان ماهواره ها “می باشد انتقال دهند . بنابر این قبرستان ماهواره ها مدارهای بسیار دور از زمین و خارج از مدار زمین ثابت می باشد که ماهواره های مستعمل و بدون استفاده را به آن مدارها انتقال می دهند.

۸) نقاط مداری ایران

منطقه خاورمیانه یکی از مشکلترین مناطق برای گرفتن مجوز نقاط مداری میباشد زیرا کشورهای خاورمیانه تعداد زیادی از این نقاط مداری را رزرو کرده و در نوبت واگذاری قرار دارند. (امارات ۱۲۰ ، ترکیه ۷۰، اسرائیل ۵۰، مصر ۱۸، پاکستان ۱۵ و … قطر ۱۳) ایران هم در سال ۱۳۵۶برای در مدار قرار دادن ماهواره های خود اقدام به رزرو ۳ نقطه مداری(۲۶ ٬ ۳۴ و ۴۷درجه شرقی)کرد که به علت انقلاب و جنگ و تحریم ها نتوانست ماهواره خود را در آن نقاط قرار دهد بعد ۹سال( ۱۳۶۵) بار دیگر امتیاز را تمدید کرد ولی باز هم نتوانست ماهواره خود را قرار دهد و تا سال ۱۳۹۱ امتیاز دو نقطه ازدست رفت و به کشورهای دیگر واگذار شد . هم اکنون هم ۱۳ نقطه به نام ایران ثبت شده که اگر نتواند ماهواره خود را قرار دهد این نقاط هم از دست می رود .

۱۱- مدار خورشید آهنگ

یکی از مدارهای ماهواره ای مهم مدار خورشید آهنگ می باشد در این مدار ماهواره ای که از روی یک نقطه مشخص از فراز یک شهر می گذرد در روز بعد دقیقا در همان ساعت و دقیقه از فراز همان شهر می گذرد . حال این مسئله چه اهمیتی دارد در ادامه به آن خواهیم پرداخت ؟

۱)مدار خورشید آهنگ(Sun-synchronous orbit)

مدار خورشید آهنگ یا مدار “هلیوسنکرون  “مداری است که ماهواره سر هر ساعت مشخص از شبانه روز در بالای نقطه خاصی قرار می گیرد مدار این گونه ماهواره ها مدارهای قطبی و یا نزدیک قطبی می باشند و ارتفاع این ماهواره ها بین ۶۰۰ تا ۸۰۰کیلومتر می باشد برای روشن شدن مطلب یک مثال می زنیم :
فرض می کنیم چند شهر A و B و C و…را بر روی یک عرض جغرافیائی یکسان داریم . ماهواره سر ساعت ۳ بعداز ظهر به وقت محلی در بالای شهر A ظاهر می شود و بعد به حرکت خود در مدار ادامه می دهد(مدار شمالی جنوبی)و بعد از طی کردن مدار که مثلا ۹۶دقیقه طول می کشد دوباره به همان نقطه برمی گردد ولی در این مدت بخاطر حرکت وضعی زمین همینطور حرکت تقدیمی مدار ماهواره (که در ادامه توضیح می دهیم ) ماهواره روی شهر B قرار می گیرد ولی ساعت شهر B هم به وقت محلی همان ۳ بعد از ظهر است( اگر چه به وقت قانونی ممکن است فرق داشته باشد) و در دور سوم روی شهر C قرار می گیرد و آنجا هم همان ساعت ۳ بعداز ظهر می باشد و…به همین ترتیب بعد از ۱۵دور« ۱۵= ۹۶/(۶۰×۲۴) » در فردای آن روز دوباره راس ساعت ۳ بعد از ظهر بر فراز شهر A (به وقت محلی) و شهر B و… قرار گرفته و این چرخه هر روز تکرار می شود در شکل شماره ۱۹ این مطلب به خوبی نشان داده شده است .

شکل شماره ۱۹ – مدار خورشید آهنگ

۳) چگونه چنین چیزی ممکن می شود ؟

در صورتی که زمین کاملا کروی و همگون بود این کار امکان پذیر نبود ولی زمین کره کامل نیست «در مقاله “شتاب گرانشی زمین “فصل هفتم(۷-چرا زمین کره کامل نیست؟)در این باره توضیح می دهیم » در واقع قطر استوائی زمین حدود ۴۲ کیلومتر از قطر قطبی زمین بیشتر است . این ناهمگونی قطر زمین باعث می شود که انحرافاتی در مسیر ماهواره ها ( بخصوص ماهواره های کم ارتفاع ) بوجود بیاید و ماهواره ضمن گردش به دور زمین یک نوع حرکت تقدیمی را هم داشته باشد به این صورت که صفحه مداری ماهواره نوعی حرکت تقدیمی را حول محور قائم گذرنده از مرکز خود داشته باشد اگر زاویه انحراف مداری(زاویه ای که صفحه ماهواره با استوای زمین می سازد) کمی بیش از۹۰درجه(حدود ۹۶ تا ۹۸ درجه ) باشد این اثر تشدید می شود. بنابر این مهندسان ماهواره با تنظیم مدار ماهواره می توانند حرکت تقدیمی را به گونه ای تنظیم کنند که همراه با حرکت وضعی زمین بتوانند ماهواره را در یک ساعت بخصوص روی مناطق خاصی از زمین قرار داهند . 

۴) این کار چه فایده ای دارد؟

حال سوال اینجاست در صورتی که هدف ماهواره گرفتن عکس در طیف مرئی (همینطور سایر طیف ها ) ازنقاط مختلف باشد چه لزومی دارد که سر ساعت بخصوصی عکس را بگیرد چه اشکالی داردبگیرد برای  پاسخ به این پرسش ابتدا بایدببینیم چه نوع ماهواره هائی و به چه منظور این عکس ها را می گیرند.

۵) ماهواره های سنجش از راه دور Remote sensing

سنجش از راه دور فناوری و هنر دست آوردن اطلاعات قابل اطمینان(شامل عکس و فیلم و…درطیف مرئی و همینطور سایر طیف ها) بدون حضور فیزیکی می باشد که این داده ها توسط پهباد و یا ماهواره و… روش های دیگر جمع آوری می شود که در اینجا در مورد ماهواره توضیح می دهیم . با این تعریف ماهواره های سنجش از راه دور ماهواره هائی هستند که در حال تهیه عکس و فیلم و… سایر اطلاعات از زمین هستند ( در مقاله “ کاربردماهواره“ در این مورد بیشتر توضیح می دهیم.)
این ماهواره ها هر روز از نقاط مختلف عکس در طیف مرئی(به منظورهای مختلف علمی و یا حتی جاسوسی نظامی و…)می گیرند(همچنین از طیف های دیگر : مادون قرمز و فرا بنفش و…سایر امواج الکترومغناطیس ) و آنها را با هم مقایسه می کنند از مقایسه عکس ها می توانند تغییرات پیش آمده را در آن نقطه را هر روز ارزیابی کنند و از این راه اطلاعات گرانبهائی بدست بیاورند . حال چرا عکس ها حتما باید در یک ساعت از شبانه روز باشد ؟

۶) چرا برای مقایسه عکس ها حتما باید در یک ساعت خاصی از شبانه روز گرفته شوند ؟

عکسی که از یک نقطه زمین گرفته می شود تا حد زیادی به زاویه تابش خورشید بستگی دارد و زاویه تابش خورشید هم به ساعت شبانه روز بستگی دارد بنابر این برای مقایسه دو عکس که از یک نقطه گرفته شده و پیدا کردن تفاوت ها باید هر دو عکس در یک ساعت خاصی ازشبانه روز گرفته شود(مثلا هر روز ساعت ۲ بعد از ظهر)ولی اگر عکس ها دردو ساعت متفاوت(مثلا یکی اول صبح و دیگری غروب)گرفته شود پیدا کردن تغییرات انجام شده بسیار مشکلتر می شود . این عکس ها برای مقایسه ارزش بسیار کمتری دارند . 

شکل شماره ۲۰ – چرا مقایسه عکس هائی که در یک ساعت از شبانه روز گرفته نشوند بسیار مشکل می باشد ؟( شکل هنوز کامل نشده است )

۷) تقسیم بندی مدارهای خورشید آهنگ

در یک نوع تقسیم بندی مدارهای خورشید آهنگ بسته به این که مدار استوای زمین را در چه ساعتی از شبانه روز قطع می کنند به همان نام خوانده میشوند.مثلا اگر مدارصفحه استوا را درظهر و نیمه شب قطع کنندبه نام مدارهای «ظهر و نیمه شب »واگر در صبح وعصر قطع کنند به نام مدارهای «صبح و عصر» خوانده میشوند.

۸) نمونه ماهواره های خورشید آهنگ

گفتیم ماهواره هائی که در مدار خورشید آهنگ قرار داده می شوند ماهواره های سنجش از دور می باشند بسیاری از ماهواره های علمی و نظامی و… در این رده قرار می گیرند به عنوان نمونه می توان ازماهواره های لندست نام برد که یکی از عظیم ترین پروژه در این زمینه می باشد.در این پروژه که ازکه از۲۳ ژوئیه ۱۹۷۳ شروع شدو تا فوریه ۲۰۱۳ جمعا ۷ ماهواره به مدار فرستاده شد . از اطلاعات این ماهواره‌ها می‌توان در تعیین کاربری اراضی، اکتشافات زمین‌شناسی، کانی‌شناسی، مدیریت جنگل‌داری و کشاورزی و کارتوگرافی استفاده نمود.( در مقاله “ کاربرد ماهواره ” در این مورد بیشتر توضیح می دهیم )

 ۱۲- خلاصه مطلب

امروزه همه ما به اهمیت ماهواره و نقش آن در تکنولوژی و تمدن کنونی ما و خدماتی که این ابزارها به طور مستقیم و غیر مستقیم به ما ارائه می دهند واقف هستیم .
در این مفاله در مورد ماهواره ،چگونگی قرار دادن آن در مدار ، قوانین حاکم بر حرکت ماهواره ها ، انواع مدارهای ماهواره ،… نکات مختلف دیگر در این رابطه می پردازیم . و درمقاله “کاربرد ماهواره “درمورد انواع ماهواره و کاربرد ماهواره توضیح می دهیم .

۱)قرار دادن ماهواره در مدار

شروع ماموریت ماهواره ها با پرتاب ماهواره توسط موشک های بزرگ ماهواره بر شروع میشود. بعد از این که ماهواره به ارتفاع موردنظر رسید آن را در مدار موردنظر قرار میدهند. دراین بخش به صورت خلاصه در مورد قرار دادن ماهواره در مدار و نکات مربوط به آن توضیح می دهیم .

۲)ماهواره و پیش رانش فضائی

بعد از این که ماهواره در مدار قرار داده شد باید بتواند تنها با اتکا به سرعت اولیه خود ماه ها وسال ها در مدار باقی مانده و به انجام وظیفه بپردازد در واقع ماهواره های ساده و ارزان قیمت هم به همین ترتیب عمل می کنند ولی به دلائلی که در این بخش توضیح می دهیم نیروهای مختلف ماهواره را از مدار خارج می کنند همچنین بعضی از ماهواره ها باید بتوانند مانور مداری ( تغییر مدار و… )انجام دهند بنابراین  بسیاری از ماهواره ها (بخصوص ماهواره های گران قیمت)نیاز به سوخت و موتور پیشران دارند .

۳)مدارها و دوره تناوب ماهواره

وقتی ماهواره به ارتفاع مورد ظر رسید باید در مدار قرار داده شود( مدار دایره یا بیضی)برای درمدار قرار دادن ماهواره باید سرعت اولیه و جهت لازم را به ماهواره بدهند بنابراین قبل از این که ماهواره را در مدار قرار دهند باید سرعت اولیه و جهت لازم را بدقت محاسبه کنند در این بخش ابتدا تفاوت ماهواره را با هواپیما شرح داده و بعد سرعت و دوره تناوب ماهواره را با توجه به ارتفاع ماهواره از سطح زمین (سطح دریا)محاسبه می کنیم .

۴)مدار لئو و مئو

مدار نزدیک زمین یا مدار پائینی Low Earth Orbit یا به صورت مخفف Leo میباشد این مدار جایگاه ماهواره هائی میباشدکه به ماهواره های مدارپائین معروفند. بعد ازمدار لئو مدار مئو Meo) )قرار دارد در این مدار ماهواره هائی  قرار دارند که از مدار پائینی بلندتر هستند این مدار هم ماهواره های مخصوص به خودش را دارد دراین بخش در مورد ماهواره های مدار پائین (لئو ) و مدار میانی (مئو) توضیح می دهیم .

۵)مدارهای قطبی و بیضی

بین مدار لئو (یا مدار پائینی) و مدار ژئو (زمین ثابت ) ، مدارمیانی یا مئو وجود دارد که جایگاه تعدای از ماهواره ها می باشد که در بخش قبل شرح دادیم . بجز این مدارهای بالاتر از مدارزمین ثابت یا هئو (EO: Highly Elliptical Orbit) نیز وجود دارد همچنین مدارهای بیضوی نیز داریم که هر کدام از این مدارها جایگاه ماهواره های ویژه ای است که به ماموریت خود مشغول هستند.هر ماهواره ای بسته به ماموریت خود در یکی از این مدارها قرار می گیرد در این بخش در مورد این مدارها توضیح می دهیم. 

۶)مدار زمین ثابت و کاربردهای آن 

مدار زمین ثابت یا ژئو (Geo)مداری است که در امتداد صفحه استوای زمین قرار داشته و ارتفاع آن ازسطح دریا ۳۵۷۸۶کیلومتر می باشد .بیشتر ماهواره های مخابراتی و ماهواره هائی که برنامه های تلویزیونی را پخش می کنند ( که آنها هم به نوعی ماهواره مخابراتی حساب می شوند)در این مدار قرار می گیرند در این بخش در مورد مدار پر اهمیت ژئو و کاربرد آن توضیح می دهیم.

۷)موقعیت مداری چیست؟

مدارهای مختلف دارای ارتفاع های مختلف و مسیرهای مختلفی می باشند بنابر این عملا محدودیتی وجود ندارد ولی مدارزمین ثابت تنها یک ناحیه بسیار کوچک یعنی حلقه ای باریک به شعاع ۴۲۱۵۴کیلومتردر صفحه استوای زمین می باشد( فاصله تا مرکز زمین) طول این حلقه حدود ۲۶۴۰۰۰کیلومتر می باشدکه با وجودی که در نگاه اول بسیار بزرگ می باشد ولی باید توجه کرد که ماهواره ها برای جلوگیری از برخورد با یکدیگر همینطور تداخل سیگنال ها باید یک حداقلی فاصله را از یکدیگر حفظ کنند.در این بخش در مورد محدودیت های مدار زمین ثابت و نقاط ویژه مداری ( که بخاطر همین محدودیت ها بوجود آمده است) توضیح می دهیم .

۸) مدار خورشید آهنگ

یکی از مدارهای ماهواره ای مهم مدار خورشید آهنگ می باشد در این مدار ماهواره ای که از روی یک نقطه مشخص از فراز یک شهر می گذرد در روز بعد دقیقا در همان ساعت و دقیقه از فراز همان شهر می گذرد . حال این مسئله چه اهمیتی دارد در این بخش به آن خواهیم پرداخت ؟

 

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 *