مدار (سیاره)

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
دو جسم از توده‌های مختلف در حال گردش بِدورِ نقطه کانونیِ مشترک (+ سرخ). اندازه نسبی و نوع مدار شبیه به سیستم پلوتون-شارون است.

مَدار، در فیزیک، به مسیر جسمی، که در اثر نیرویی مرکزگرا (مانند گرانش) به دور جسم یا نقطه‌ای دیگر در فضا می‌گردد، گفته می‌شود. برای مثال، مدار یک سیاره به دور مرکزِ یک سیستمِ ستاره‌ای، مانند سامانه‌خورشیدی. مدار سیارات معمولاً بیضویاند، اما بر خلاف بیضی، از یک آونگ یا یک جسمِ متصل به یک رشته پیروی می‌کند، مرکز خورشید در یکی از نقطات کانونی بیضی قرار دارد و نه در مرکز آن. درک کنونی از مکانیکِ حرکتِ مداری، که بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین پایه‌گذاری شده است می‌گوید: عامل گرانش، با توجه به انحنای فضا-زمان، با مدار ژئودزیکی که جسم از آن پیروی می‌کند، محاسبه می‌شود. برای سهولت در محاسبه، نسبیت معمولاً توسط نیرویِ مبتنی بر نظریه جهانیِ گرانش نیوتن، که براساس قوانینِ حرکت سیاراتِ کپلر پایه‌گذاری شده‌اند، محاسبه و تقریب زده می‌شوند.

مدار سیاره‌ها[ویرایش]

زاویه چرخش و مدار سیاره‌های سامانه خورشیدی
سامانهٔ خورشیدی دارای هشت سیاره است، تیر، ناهید، زمین، بهرام هرمز، کیوان، اورانوس و نپتون و پنج سیارهٔ کوتوله با نامهای سرس پلوتو، هائومیا، ماکی‌ماکی و اریس.

مطالعه ریاضی در مورد مدار سیاره‌ها را نخستین بار یوهانس کپلر انجام داد. نیوتن نشان داد که قوانین مداری کپلر با نظریه گرانش او توضیح‌پذیر است. نیوتن می‌گوید؛ هر جسمی یک میدان جاذبه دارد و بر اجسام دیگر کشش وارد می‌کند. همچنین این جاذبه باعث می‌شود که بعضی از اشیاء در مدار بیضوی حرکت کنند.

مثلاً اقمار بدور سیارات می‌گردند که خود نیز به دور خورشید می‌گردند، و خورشید خودش به دور مرکز کهکشان راه شیری می‌گردد. در واقع، بجای چرخیدن به دور جسم دارای جرم بیشتر، دو جسم به دور نقطه تعادل، معروف به مرکز مشترک (مرکز جرم مشترک)، می‌چرخند. کِپلر پس از چندین سال مطالعه در حرکت سیارات، در سال ۱۶۱۸ موفق به کشف قانون سوم خود شد. کپلر بر پایه آن یافته‌ها قوانین سه‌گانه زیر را دربارهٔ حرکت سیارات در مدار را بیان کرد:

  1. مدار حرکت سیارات به گِرد خورشید یک بیضی است که خورشید در یکی از دو کانون آن قرار دارد.
  2. خط وصل کننده هر سیاره به خورشید در زمانهای مساوی مساحات مساوی جاروب می‌کند.
  3. مکعب فاصله متوسط هر سیاره تا خورشید با مربع زمان یک دور کامل گردش سیاره تناسب مستقیم دارد.

قانون دوم کپلر می‌گوید: زمانی که سیاره در نقاط دور بیضی در حرکت است، فاصله تا خورشید زیادتر و سرعت حرکت کمتر است. به تدریج که سیاره به نقاط نزدیک بیضی می‌رسد فاصله تا خورشید کمتر و سرعت سیاره زیادتر می‌شود. این تغییر در سرعت سبب می‌شود که سیاره چه به خورشید نزدیک و چه از آن دور باشد، مساحت در نور دیده‌اش در فضا در فواصل زمانی ثابت، ثابت بمانَد. قانون سوم کپلر هم این گونه بیان می‌کند که، هرگاه فاصله متوسط هر سیاره تا خورشید به توان سه، و زمان کامل شدن یک دورِ سیاره به توان دو رسانیده، و نسبت اعداد حاصل تشکیل شود؛ این نسبت همواره ثابت و برای تمام سیارات یکی است.

تصویر A، مُدل توپ نیوتون

درک مدارها[ویرایش]


چند روش معمول درک مدار وجود دارد:

    • به عنوان جرم از کنار حرکت می‌کند،  هر چند، با سرعت به سمت مرکز جسم، یک مسیر منحنی را به دورِ آن تا سقوط کامل می‌پیماید.
    • نیرویی، مانند گرانش، نیش ترمزی بر جرم می‌زند و آنرا وارد یک مسیر منحنی کرده ولی در نهایت با تلاش، در یک خط مستقیم به پرواز در می‌آورد.
    • با این حال، به اندازه کافی سرعت مماسی دارد که از مدار شیء دور شود و به طور نامحدود به فرار خود ادامه دهد. این درک خصوصاً برای تجزیه و تحلیل ریاضی مفید است، چرا که حرکت جسم را می‌توان به عنوان مجموع سه مختصات یک بعدی نوسان در اطراف یک مرکز گرانشی توصیف کرد.

به عنوان یک تصویر از یک مدار اطراف سیاره، مدل توپ نیوتن ممکن است مفید باشد (تصویر A). این یک آزمایش ذهنی است، که در آن یک توپ در بالای یک کوه بلند، قادر به شلیک گلوله توپ به صورت افقی در هر سرعت انتخابی است. اثرات اصطکاک هوا در شلیک توپ نادیده گرفته می‌شوند (یا شاید کوه به اندازه کافی بالاست که توپ در بالای جو زمین قرار دارد).

حرکت مداری
نمودارِ حرکتِ مداریِ ماهواره به دور زمین؛ سرعتِ عمود و شتاب (نیرو) را نشان می‌دهد.
قوانین کپلر در واقع قوانین حاکم بر مداری است که توده‌های آسمانی تنها تحت تأثیر نیروی وزن همسایگان خود روی آن حرکت می‌کنند. پیچیده‌ترین محاسبات مداری به منظور تعیین و بهبود مسیر ماهواره‌ها به کمک همین قوانین به ظاهر ساده صورت می‌گیرد.

مَدار ماهواره‌ها[ویرایش]

ماهواره‌ها به دور زمین در یک مسیرِ بسته، که آن را مَدار می‌نامند درحال گردش هستند. ناظری که خارج از جو زمین قرار گرفته و به زمین می‌نگرد، مشاهده می‌کند که ماهواره‌ها در مسیرهایی به دور زمین در حال چرخشند. این مسیرها می‌توانند دایره‌ای یا بیضوی باشند؛ اما مرکز زمین در هر حالت در مرکز این مسیر یا در نقطه کانونی آن قرار می‌گیرد. ماهواره در صورتی که تحت تأثیر نیروهای جاذبه دیگری قرار نگیرد، همواره در صفحه‌ای به نام صفحه مداری به گردش خود به دور زمین ادامه می‌دهد. حرکت این صفحه مداری، به دوره مداری و زاویه صفحه، با مدار استوا بستگی دارد. اگر این زاویه صفر باشد، صفحه مداری منطبق بر صفحه استوایی زمین می‌شود.

عناصر مداری؛ عناصری ششگانه‌اند و به تقلید از یوهان کپلر و بر اساس قوانین حرکت سیاره‌ای‌اش (قوانین کپلر) نامگذاری شده‌اند. هر مدار، توسط این شش عنصر به طور کامل تعریف می‌شود و مقدارِ «مبدأ» زمانِ اعتبارِ پارامترها را مشخص می‌کند. برای این پارامترها، به دلیل تغییر جزئی مبناها، هر ۵۰ سال یک مبدأ جداگانه در نظر گرفته می‌شود تا تغییرات مبناها اصلاح گردد.

مدار واقعیِ (و عناصر مداری آن) اجرام، هنگامی که در معرض آشفتگی‌های گرانشی قرار می‌گیرند، تغییر می‌کند؛ بنابراین، مدارِ تعریف شده بوسیله عناصر مداری، فقط تَقریب ریاضیِ مداری در یک زمان خاص است، که مشخصه مبدا؛ بیان کننده آن است.

عموماً ماهواره‌ها به روی سه نوع مدار[۱] که بستگی به نوع کاربرد ماهواره دارد، قرار می‌گیرند:

ماهواره‌های مدار پایین زمین[ویرایش]


Retrogradeorbit.gif

به ماهواره‌هایی که در در فاصله نسبتاً کمی از سطح زمین قرار دارند، ماهواره‌های مدار پایین زمین گفته می‌شود. بیشترین ارتفاع این نوع ماهواره‌ها از سطح زمین بین ۳۲۰ تا ۸۰۰ کیلومتر است. مسیر حرکت این ماهواره‌ها از غرب به شرق و همجهت با دَوَران زمین به دور خودش است.

زمان یک دور چرخش به دور زمین در این مدارها، حدود ۹۰ دقیقه است. این مدارها در ارتفاع نسبتاً کمی قرار دارند، در نتیجه می‌توان اجسام نسبتاً سنگین را با یک سیستم پرتاب کننده ساده در آنها قرار داد. گفتنی است که بیشتر ماهواره‌هایی که در این مدارها قرار دارند، درصد زیادی (حدود ۵۰ درصد) از وقت خود را در سایه زمین می‌گذرانند و باید مجهز به باتریهایی باشند که بتوانند وسایل الکترونیکی را در این مدت تغذیه کنند. این مدارها معمولاً برای مشاهدات و فعالیتهای ماهواره‌های نظامی به کار برده می‌شوند.

به دلیل نزدیکی فاصله این نوع ماهواره‌ها از سطح زمین، سرعت حرکت این ماهواره‌ها خیلی بیشتر از سرعت دوران زمین بدور خودش است؛ سرعت این گونه ماهواره‌ها باید به حدی باشد تا به زمین سقوط نکنند. گاهی سرعت آنها به ۲۷٬۰۰۰ کیلومتر بر ساعت نیز می‌رسد.

برخی از ماهواره‌های هواشناسی، ماهواره‌های سنجش از دور و ماهواره‌های جاسوسی از این نوع اند.

مدار قطبی

ماهواره‌های مدار قطبی[ویرایش]

نوعی از ماهواره‌ها را می‌گویند که مسیر مدار حرکت آنها عمود بر خط استوا و مسیر دَوران آن از قطبهای شمال و جنوب می‌گذرد. مدار قطبی بی شباهت به مدارات ارتفاع پایین نیست و تنها فرق اساسی آنها در جهت دَوران ماهواره است، ماهواره‌های مدار قطبی از شمال به جنوب در گردشند؛ برخلاف ماهواره‌های دیگر که از شرق به غرب است.

ماهواره‌های مدارات قطبی جهت مشاهده سطح زمین مورد استفاده قرارمی‌گیرند. وقتی که یک ماهواره مدار قطبی در حال دوران از شمال به جنوب بدور زمین است و چون زمین نیز خود از شرق به غرب در حال گردِش به دور خود است، این نکته باعث جاروب تمام نقاط موجود بر روی سطح زمین می‌گردد. این کار شبیه پوست کندن یک پرتقال است؛ قسمت به قسمت و در نهایت یک شکلِ تصویرِ کروی از سطح زمین. چون اکثر ماهواره‌های مخابراتی در مدار زمین‌ایست قرار گرفته‌اند، این ماهواره‌ها هیچ پوششی بر روی قطب‌های شمال و جنوب ندارند. به همین دلیل و جهت پوشش قطب‌ها از ماهواره‌های مدار قطبی استفاده می‌شود. در واقع این نوع از ماهواره‌ها شمالی‌ترین و جنوبی‌ترین قسمت نیمکره‌ها را پوشش می‌دهند. بعضی از ماهواره‌های هواشناسی، ماهواره‌های سنجش از دور و ماهواره‌های جاسوسی از این نوع اند.

ماهواره‌های مدار زمین‌ایست[ویرایش]

مَدار زمین‌ایست

این نوع ماهواره‌ها در حالت کلی به روی مدار زمین‌ایست و بر بالای خط استوا، در فاصله ۳۵۷۸۶ کیلومتری از سطح زمین قرار داند.

مدارهای زمین‌ایست دوره گردِشی، درست برابر گردش زمین دارند. این مدار، مدار۲۴ ساعته نیز خوانده می‌شود. این ماهواره‌ها با سرعتی حدود سه کیلومتر درثانیه در مدار زمین‌ایست حرکت می‌کنند. برای ردیابی ماهواره احتیاج به سیستم پیچیده‌ای نیست ماهواره‌ها در مدارثابت زمینی، با تعداد کم، امکان ایجاد پوشش زیادی را در روی زمین دارند. به عنوان مثال سه ماهواره در روی این مدار برای پوشش بیشتر سطح زمین (به جز قطبها) کافی هستند.

ماهواره نسبت به زاویه‌ای که ایستگاه زمینی آن را می‌بیند، ثابت است، در نتیجه احتیاجی به تغییر جهت آنتن نیست ولی تنظیم آن ضروری است تعداد زیادی از ایستگاه‌های زمینی می‌توانند تحت پوشش یک ماهواره در این مدار قرار گیرند به طوری که آنتن هر ماهواره می‌تواند حداکثر ۴۲/۴ درصد سطح کره زمین را بپوشاند. این نوع ماهواره‌های در فضا در مکانی ثابت قرار دارند و همراه با دوران زمین بدور خود، می‌گردند و به دلیل همین ثبات دارای سایه‌ای ثابت (معروف به «جای‌پا») بر زمین هستند. به مدار ژئوسَنکرون (به انگلیسی: Geosynchronous) مدار زمین‌ایست و یا مدار کلارک نیز گفته می‌شود. تمام ماهواره‌های مخابراتی و تلویزیونی از این نوع هستند.

مدارِ زمین‌ایست، یک مدارِ دایره‌ای با شعاع ۴۲۱۶۴ کیلومتر است. همه مدارهای زمین، چه مدور و یا بیضوی، دارای محورِ نیم‌قطر بزرگ یا اوج یکسان هستند. در واقع، مدارهایی با دوره گردشِ مشابه، همیشه اوج مشابه‌ای دارند. در موارد خاص از یک مدار زمین‌ایست، رَدگیری مسیر اینگونه ماهواره‌ها بر روی زمین، تنها یک نقطه در خط استواست. در حالت کلی یک مدار زمین‌ایست با تمایل غیر صفر یا خروج از مرکز و مدار، در صورت تغییر جای نقطه آن بر روی زمین،  معمولاً  قبل از پایان روز نجومی به همان مکان  باز می‌گردد. P دوره مداری است، و μ ثابتِ گرانشِ زمینی است، و مساوی می‌شود با ۳۹۸۶۰۰٫۴۴۱۸ کیلومتر مکعب (Km3/S2).a=\sqrt[3]{\mu\left(\frac{P}{2\pi}\right)^2}

مدار بیضوی

ماهواره‌های مدار بیضوی[ویرایش]

این ماهواره‌ها دارای مداری بیضوی هستند. دو نقطه مهم از مدار این ماهواره‌ها نقطه اوج و نقطه حضیض آنها است. قسمتی که به سطح زمین نزدیک می‌شود با نام نقطه حضیض و قسمتی که از سطح زمین دور می‌شود به نام نقطه اوج نامیده می‌شود. مسیر حرکت و دوران این نوع ماهواره مانند ماهواره‌های قطبی از سمت شمال به جنوب است.

انواع پوشش‌های ماهواره‌ای[ویرایش]

پوشش ماهواره‌ای یا Footprint

برای اینکه بتوان هر نوع متقاضی را زیر پوشش قرار داد و تسهیلات لازم جهت ارائه سرویس‌های مورد نیاز را فراهم کرد، بر روی ماهواره آنتن‌های گوناگونی برای پوششهای مختلف در نظر گرفته می‌شود.

  • پوشش نقطه‌ای یا Spot برای ناحیه‌ای کوچک از زمین
  • پوشش منطقه‌ای یا Zone
  • پوشش نیمکره‌ای یا Hemisphere

از نظر نواحی و کشورهای زیر پوشش می‌توان ماهواره‌های مخابراتی را در سطح جهان به سه گروه تقسیم کرد:

  • ماهواره‌های بین‌المللی هستند که با استفاده از یک سری ماهواره تعبیه شده در فواصل مشخصی از یکدیگر و در مدار زمین‌ایست، کلیه نقاط کره زمین را زیر پوشش قرار می‌دهند و به هم متصل می‌سازند. از این نوع ماهواره‌های بین‌المللی، (Intelsat) ماهواره‌های جهانی می‌توان ماهواره‌های بین‌المللی مخابراتی اینتلست را نام برد (Intersputnik) و ماهواره‌های مخابراتی بلوک شرق، اینتراسپوتنیک (Inmarsat)اینمارست.
  • ماهواره‌های منطقه‌ای هستند که برای پوشش دادن یک منطقه خاص طراحی شده و آنتنهای آنها به طریقی ساخته شده‌اند که حداکثر قدرت تشعشعی را درپرتو اصلی خود برروی منطقه مورد نظر متمرکز کنند. از این نوع می‌توان ماهواره‌های عربست را نام برد.
  • ماهواره‌های محلی هستند که برای پوشش یک کشور ساخته شده‌اند. ازاین نوع ماهواره‌ها می‌توان در اندونزی پالاپا(Palapa) ایتالیا، ایتالست (Italsat)، آست (Asat) هند، (Insat) ماهواره اینست استرالیا رانام برد.

دستگاه‌های ارتباطی ماهواره‌ها در باند مایکروویو عمل می‌کنند در واقع ماهواره‌ها صرفاً ایستگاه مایکروویو غول پیکری است در مدار زمین که با کمک پایگاه زمینی بازپخش می‌شود. این مدار تقریباً دایره شکل در ارتفاع ۳۶۸۰۰ کیلومتری بالای خط استوا قرار دارد و در این فاصله سرعت ماهواره با سرعت زمین برابر است و نیروی خود را به وسیله سلولهای خورشیدی از خورشید می‌گیرد. نیروی جاذبه زمین شتاب زاویه شیء قرار گرفته در مدار را دقیقاً بی اثر می‌سازد. در این فاصله دور چرخش ماهواره‌ها با حرکت دورانی زمین کاملاً هم‌زمان و برابر است و باعث می‌شود ماهواره نسبت به نقطه مفروض روی زمین ثابت بماند.

200x200pxایستگاه

زمینی در کشور اطلاعات را با فرکانس ۶ گیگاهرتز ارسال می‌کند. این فرکانس فرکانس UPLINK نامیده می‌شود. سپس ماهواره امواج تابیده شده را گرفته و با ارسال آن به نقطه دیگر که بر روی فرکانس حامل متفاوت DownLink برابر ۴ گیگا هرتز است عمل انتقال اطلاعات از فرستنده به گیرنده را انجام می‌دهد. در واقع ماهواره اطلاعات گرفته شده را به سمت مقصد تقویت و رله می‌کند. آنتن ماهواره ترانسپوندر نام دارد. از مدار هم‌زمان با زمین هر نقطه از زمین بجز قطبین در Line of sight است؛ و هر ماهواره می‌تواند تقریباً ۴۰ ٪ از سطح زمین را بپوشاند. آنتن ماهواره‌ها را طوری می‌شود طراحی کرد که علائم پیام رسانی ضعیف تر به تمام این ناحیه فرستاده شود و یا علائم قویتر را در نواحی کوچکتری متمرکز کند. بر حسب مورد این امکان وجود دارد که از ایستگاه زمینی در کشوری فرضی به چندین ایستگاه زمینی دیگر واقع در کشورهای گوناگون علائم ارسال کرد. به طور مثال: وقتی برنامه‌ای تلویزیونی در تمام شهرها و دهکده‌های یک یا چند کشور پخش شود در این حالت ماهواره ماهواره پخش برنامه‌است ولی وقتی علائم ارسال ماهواره در سطح گسترده‌ای از زمین انتشار یابد ایستگاه‌های زمینی باید آنتنهای بسیار بزرگ و پیچیده‌ای داشته باشند. هنگامی که علائم ارسالی ماهواره در محدوده کوچکترین متمرکز می‌شوند و به حد کافی قوی هستند می‌توان از ایستگاه‌های زمینی کوچکتر ساده‌تر و ارزانتر استفاده کرد.

از آنجاییکه ماهواره‌ها برای جلوگیری از تداخل امواج رادیویی باید جدا از هم باشند لذا شماره مکان‌های مداری در مدار هم‌زمان با زمین که امکان استفاده آن برای ارتباطات وجود دارد محدود است. از این رو جای شگفتی نیست که وظیفه مدیریت در امور دستیابی به مدار و استفاده از فرکانس‌ها برای انواع روزافزون و متنوع کاربردهای زمینی و ماهواره‌ای بوسیله شمار روزافزونی از کشورها بی‌نهایت دشوار شده‌است. از سویی استفاده از ماهواره‌ها در کش. رهای متمدن و پیشرفته به عملکرد دقیق و عملیات روز به روز دقیق تر نه تنها از نظر به کارگیری شیوه خودشان بلکه از نظر همسایگانشان در مدار هم‌زمان با زمین نیاز می‌باشد. برخی از ماهواره‌ها نیز در مدار ناهم‌زمان با چرخش زمین non- geosynchronous قرار داده می‌شوند. در ماهواره‌های ناهم‌زمان با مدار زمین ماهواره دیگر در دید ایستگاه زمینی نیست زیرا که سطح افق زمین را پشت سر می‌گذارد و از دسترس خارج می‌شود در نتیجه برای اینکه ارسال ماهواره ادامه یابد به چندین ماهواره از این نوع نیاز است و چون نگهداری و ادامه کار چنین شیوه ارتباطی بسیار پیچیده و گران است لذا کاربران و متخصصان طراحی ماهواره‌ها بیشتر جذب ماهواره هم‌زمان با زمین می‌شود.

Communications satellite (PSF).png

تکنولوژیِ ماهواره‌ها، ارتباطات و صدا و سیما[ویرایش]

ایده استفاده از ماهواره‌های ساخت دست بشر، برای اولین بار در پایان جنگ جهانی دوم بر سر زبان‌ها افتاد. دانشمند، ریاضی‌دان و نویسنده مشهور انگلیسی آرتور سی کلارک Arthur C Clarke یکی از بزرگ‌ترین خالقان داستان‌های تخیلی، برای اولین بار پیشنهاد قرار دادن یک ماهواره ارتباطی را در مدار ژیوسنکرون زمین Geostationary Orbit یا مدار کلارک که در فاصله تقریباً ۳۶۰۰۰ کیلومتری سطح زمین و بالای خط استوا (جایی که قابلیت دسترسی به تقریباً ۴۰٪ سطح زمین در آن مکان وجود دارد) قراردارد، را جهت پوشش سیگنال‌های رادیو یی و تلویزیونی را داد.

ماهواره‌ای که در مدار ژیوسنکرون زمین و در بالای خط استوا و هماهنگ با سرعت زمین و با زاویه‌ای ثابت، حرکت می‌کند، قسمت مشخصی از سطح زمین را بطور ثابت پوشش می‌دهد. از یک ایستگاه زمینی نیز بصورت یک نقطه ثابت، قابل رویت است. ماه، خورشید، و دیگر ستارگان و سیارات منظومه شمسی باعث تا ثیر گذاری بروی ماهواره در مدار خود می‌شود که احتمال جابخایی از مکان خود را دارد. برای جلوگیری از این مسیله، موتورهای مخصوصی که بوسیله ایستگاه‌های زمینی کنترل می‌شوند، کمک می‌کنند که ماهواره‌ها در مکان خود ثابت باقی بمانند.

جهت برقراری ارتباط از یک ایستگاه زمینی، معمولاً احتیاج به یک دیش بزرگ که بنام Uplink Antenna معروف است، می‌باشد و باعث تمرکز اطلاعات ارسالی به ماهواره می‌شود. در ارتباط بین ماهواره و ایستگاه زمینی معمولاً از دو نوع موج و فرکانس متفاوت استفاده می‌شود. یکی برای Uplink و دیگری برای Downlink. دیش نصب شده بروی ماهواره، سیگنال ارسالی ازایستگاه زمینی را دریافت کرده و به یک دستگاه گیرنده می‌رساند و پس از یک سری پردازش، به فرستنده ماهواره انتقال می‌دهد و از طریق آنتن فرستنده ماهواره، مجدداً به سمت زمین باز تابش داده می‌شود.

سیگنال ارسالی به سطح زمین، بوسیله دیش‌های معمولی، دریافت و جمع‌آوری شده و به دستگاه گیرنده ماهواره، از طریق LNB انتقال پیدا می‌کند. قدرت سیگنال دریافتی بر روی زمین، نسبت به فاصله و زاویه و... ماهواره و نقطه گیرندگی، متفاوت بوده و بصورت یک الگوی خاص به نام سایه ماهواره یا footprint معرفی می‌شود.

همیشه قدرت سیگنال ماهواره در مرکز سایه، بیشترین مقدار را دارا می‌باشد و در گوشه‌ها، از کمترین مقدار، برخوردار است. توجه به این نکته لازم است که دریافت سیگنال در خارج است سایه، احتیاج به دیش‌های بزرگ‌تر، دارد. امواج سانتی‌متری، جهت ارسال سیگنال ماهواره به زمین، مورد استفاده قرار می‌گیرد که محدوده فرکانسی آنها بین ۳–۳۰ MHz می‌باشد.

دلیل اصلی استفاده از این امواج رادیویی کوتاه، انتشار راحت امواج و تأثیرات کم نویز و مزاحمت‌های فرکانسی است. البته فرکانسهای بالاتر از ۱۵ Ghz، بصورت وحشتناکی بوسیله اکسیژن هواوبخار آب تضعیف می‌گردند. ماهواره‌ها سیگنالهای ارسالی خود را بصورت قطبی و با دو حالت افقی و عمودی ارسال می‌کنندو گاهی اوقات نیز بصورت دورانی، چپ گرد و راست گرد. در سیستمهای دیجیتال، امکان ارسال DATA و چندین شبکه تلویزیونی و رادیویی بروی یک فرکانس وجود دارد.

لغت ماهواره طبق تعریف، به سفینه‌ای گفته می‌شود که درمداری به دوریک سیاره معمولاً زمین درحال گردش باشد. در عصری که ما در آن زندگی می‌کنیم، ماهواره وتکنولوژی وابسته به آن آنچنان درتاروپود جوامع بشری نفوذکرده وبه پیش می‌تازدکه نقش تعیین کننده آن درسیرتحولات تمدن بشری، قابل توجه‌است. بخشی ازتحقیقات وپژوهشهای علمی -تخصصی که درآزمایشگاه‌های مسقتر در فضا انجام می‌شود، هرگز نمی‌توانست روی کره زمین جنبه عملی به خود گیرد. این تحقیقات که بسیارمتعدد ومتنوع است، درتخصصهای پزشکی، داروسازی، مهندسی مواد، مهندسی ژنتیک ودهها مورددیگر، تا به حال دستاوردهای بسیار ارزنده‌ای را به جوامع بشری عرضه کرده‌است. ماهواره‌ها که در فضا درحال گردشند، می‌توانند اطلاعات باارزشی در اختیارانسان قرار دهند که منجربه تحولات شگرفی در زمینه‌های گوناگون شود. ماهواره‌های کشف منابع زمینی هواشناسی، مخابراتی، پژوهشی ونظامی ازاین نوعند.

ساختمان ماهواره[ویرایش]

ماهواره از دوبخش تجهیزات مخابراتی وغیرمخابراتی تشکیل شده‌است. زیرسیستمهای مخابراتی، آنتنها و تکرارکننده‌ها هستند. در بخش مخابراتی، دستگاهی وجود دارد که وظیفه تکرارکننده‌های رله رادیویی را. انجام می‌دهد و (ترانسپاندر) نام دارد

ترانسپاندرها سیگنالهای فرستاده شده از زمین را دریافت وپس ازتقویت وتغییرفرکانس آنها را به زمین می‌فرستند. آنتنهای مربوط به این ترانسپاندرها طوری طراحی شده‌اند که فقط قسمت‌هایی ازسطح زمین را که. درون شبکه ماهواره‌ای قرار دارند، پوشش می‌دهد یک ماهواره معمولاً آنتنی همه جهته دارد که برای دریافت سیگنالهای فرمان صادره از زمین به کار می‌رود زیرا آنتنهای دیگر ماهواره احتمال دارد به سوی زمین نباشند. آنتن همه جهته همچنین برای کنترل سیستمهای فرعی در زمان پرتاب ماهواره و تعیین موقعیت آن به کارمی رود. بخش غیرمخابراتی ماهواره که در واقع قسمت پشتیبانی فنی آن است شامل سیستم کنترل حرارتی، سیستم کنترل موقعیت ومدار، ساختمان مکانیکی، سیستم منبع تغذیه وموتور. اوج است

Erdfunkstelle Raisting 2.jpg

ایستگاه‌های زمینی[ویرایش]

ایستگاه‌های زمینی سیستمهای ماهواره‌ای مخابرات براساس نوع استفاده ازآنهاعبارت اند از: ایستگاه‌های ثابت، ایستگاه‌های سیار. ایستگاههی زمینی ماهواره معمولاً ازچند قسمت تشکیل شده‌اند. آنتن، فرستنده، گیرنده، سیستمهای کنترل برقراری ارتباط ومنابع تغذیه مورد لزوم ایستگاه هر یک ازاجزای فوق شامل قسمت‌های مختلفی اند که متناسب با نوع ایستگاه زمینی، حجم وتجهیزات. آنها متفاوت خواهدبود

آنتن ایستگاه‌های زمینی[ویرایش]

به طور کل آنتن فرستنده، انرژی الکتریکی حاصل از یک منبع را در فضا به صورت امواج الکترومغناطیسی پخش می‌کند. سپس آنتن گیرنده این امواج رامی گیردوبه انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در هر سیستم مخابرات رادیویی، آنتن نقش حساس و مهمی دارد، زیرا با انتخاب آنتنهای مناسب ونصب وتنظیم صحیح آنهامی توان تاحدزیادی بازدهی سیستم رابالا برد. علایم و سیگنالهای فرستاده شده از ماهواره توسط آنتن‌های بزرگ یا کوچک دریافت می‌شودوسپس به دستگاه تقویت کننده انتقال می‌یابد. ایستگاه‌های زمینی دارای دو نوع آنتن فرستنده و گیرنده به صورت بشقابی در اندازه‌های مختلف هستند. این آنتنها اطلاعات را به صورت امواج رادیویی به فضا می‌فرستند یا از فضا دریافت می‌کنند. آنتن ایستگاه‌های زمینی در ابعاد بزرگ و ساختمان مکانیکی معینی ساخته می‌شوند که قطرنوع قدیمی آنها به بیش از ۳۰۰ تن می‌رسد. از آنجا که فرکانس مورد نظر برای سرویس ثابت ماهواره درمحدوده فرکانس‌های مگاهرتز و گیگاهرتزاست، آنتنهای مورداستفاده. ماهواره تقریباهمه از نوع آنتن‌های منعکس کننده هستند

سیستم‌های کنترل وردیابی فضایی[ویرایش]

این سیستمهابه طورکلی چهارعمل راانجام می‌دهند

فرمان از راه دور:

عبارت است ازفرستادن سیگنال جهت انجام کارهایی که ماهواره برای آن تنظیم شده‌است، مثلاً برای راه‌اندازی یک قسمت خاص یا فرمان برای تغییر مسیر یا پرتاب یک موشک

اندازه‌گیری از راه دور:

عبارت است ازسیستمی که اطلاعات دریافت شده ازماهواره یاسفینه‌های فضایی رابه صورت علامتهایی مخصوص و قابل درک برای تجهیزات زمینی در می‌آورد واز این طریق، اندازه‌گیری ازمسافتهای خیلی دورانجام می‌شود

ردیابی:

بااین کارموقعیت مداری وسرعت ماهواره ومشخصه‌های دیگرآن گزارش می‌شود

کنترل:

عبارت است ازهدایت وسایل وبالارودنده‌های فضایی وماهواره هادرمدار، به وسیله شبکه ایستگاه‌های زمینی بخصوصی که کنترل، یکی از کارهای آنهاست ماهواره‌ها دقیقاً در موقعیت خودنسبت به زمین ثابت نیستند و برای اینکه بتوان آنها را در موقعیت فضایی ازپیش تعیین شده خود ثابت نگه داشت، باید از ایستگاه‌های زمینی به طور مرتب تنظیمهایی بروی موقعیت آنهاانجام گیردتابتوان ازانحراف مسیرماهواره جلوگیری کرد

عوامل موثردرهزینه تجهیزات ایستگاه زمینی[ویرایش]

قطرآنتن مهم‌ترین عاملی است که هزینه آنتن راتعیین می‌کند، چون بابزرگ بودن قطر، وزن آنتن سنگین ترمی شود و احتیاج به نگهدارنده‌هایی قویتر پیدامی کند وهمچنان که شعاع کم می‌شود تجهیزات ردیاب پیچیده‌تر می‌شود. برای آنتنهای بزرگ مثلاً ۱۱متری و ۱۳ متری سیستمهای. دریاب کامپیوتری موردنیازوسیستم هدایت امواج آنتن، بزرگ‌تروپیچیده تر می‌شود در سیستم ارسال، قدرت لازم برای تقویت کننده‌های سیگنال، یک عامل تعیین کننده در قیمت فرستنده‌است. نه تنها قیمت این تقویت کننده‌های سیگنال گران است، تأمین قدرت موردنیاز آن نیز در مناطق دورافتاده باید در نظر گرفته شود، زیرا بیشترین قدرت مصرفی در سیستم، صرف تغذیه تقویت کننده‌های سیگنال می‌شود. پس عوامل عمده‌ای که درهزینه تجهیزات یک ایستگاه زمینی موثرندعبارت‌انداز: قطرآنتن، مقدارقدرت تقویت کننده‌های سیگنال، سیستمهای جایگزین. تجهیزات اصلی وقطعات یدکی.

پرتاب ماهوارهٔ Titan IVb

پرتاب ماهواره[ویرایش]

ماهواره شیء ای است که بر مدار تقریباً بیضی شکل به دور زمین می‌گردد. نخستین ماهواره در ۴ اکتبر ۱۹۵۷ توسط اتحادیهٔ جماهیر شوروی به فضا پرتاب شد. این ماهواره، اسپوتنیک ۱ نام داشت. این ماهواره کره‌ای به وزن ۶/۸۳ کیلوگرم. به قطر ۵۸ سانتیمتر بود که زمین را بر مداری بیضوی با حضیض زمینی ۲۵۰ کیلومتر و اوج زمینی ۹۳۴ کیلومتر دور می‌زد و هر بار گردش آن به دور زمین ۹۶ دقیقه طول می‌کشید. اسپونتیک ۱ در طول عمر خود راهی برابر با ۵۹۰ کیلومتر را پیمود. برای پرتاب ماهواره، باید: ۱- آن را به ارتفاع لازم از سطح زمین رساند. ۲- آن را در امتداد درست قرار داد. ۳- تندی مناسب را به آن داد. ماهواره را باید به ارتفاع چند صد کیلومتر برد تا اثر اصطکاک جوی بر حرکت مداریش حداقل شود. اگر بخواهیم ماهواره در مداری دایره‌ای شکل قرار گیرد باید سرعتی عمود بر شعاع زمین به آن داده شود و اگر بخواهیم مدار ماهواره بیضی شکل باشد، سرعتی که به آن می‌دهیم باید اندکی از خط عمود انحراف داشته باشد. برای اینکه از سرعتی که حرکت وضعی زمین به ماهواره می‌دهد بیشترین استفاده ممکن به عمل آید باید ماهواره در استوا و به جانب مشرق پرتاب شود، زیرا در این صورت سرعت موجود حداکثر و حدود ۱۶۰۰ کیلومتر در ساعت خواهد بود. هر شیء ای که در استوا باشد، اگر فرض کنیم که یک بار در ۲۴ ساعت به دور زمین بچرخد دارای چنین سرعتی نسبت به فضا است. (پیرامون زمین ۴۰۰۰۰ کیلومتر است) چنین ماهواره‌ای را تنها ناظرانی می‌توانند ببینند که در استوا یا در نزدیکی آن هستند. این ماهواره فقط اطلاعاتی دربارهٔ عرض جغرافیایی صفر درجه به ما خواهد داد. برای آنکه ماهواره‌ای را همهٔ ناظران زمینی ببینند، باید ماهواره در امتداد شمال – جنوب حرکت کند، ولی این وضعیت امکان استفاده از سرعت «موجود» را منتفی می‌کند. سرعت افقی مناسب بین ۳۰۰۰۰ و ۴۰۰۰۰ کیلومتر در ساعت یا بین ۲/۸ تا ۲/۱۱ کیلومتر در ثانیه‌است. ۸ کیلومتر در ثانیه برای مدارهای کوچک و ۱۱ کیلومتر در ثانیه مناسب مدارهای بسیار بزرگ است. اگر سرعت افقی از ۸ کیلومتر در ثانیه کمتر باشد، ماهواره در مدار قرار نخواهد گرفت و بر سطح زمین سقوط خواهد کرد. اگر این سرعت از ۲/۱۱ کیلومتر در ثانیه بیشتر باشد باز هم در مدار گردش به دور زمین قرار نخواهد گرفت؛ ولی این بار از میدان گرانش زمین خواهد گریخت. معمولاً سه کاری را که برای پرتاب ماهواره باید انجام داد با هم ترکیب می‌کنند. ماهواره را معمولاً به کمک موشکی چند مرحله‌ای در مدار قرار می‌دهند. غرض اصلی از مرحلهٔ نخست این است که ماهواره از کوتاهترین مسیر ممکن (یعنی به خط مستقیم) از بخش غلیظ جو خارج شود و به مناسب‌ترین سرعت دست یابد این کار اثر اصطکاک را به حداقل می‌رساند. مرحله‌های دیگر ماهواره را به حالت افقی در می‌آورد و سرعت مورد نظر را به آن می‌دهند.

قبل از پرتاب، هر مرحلهٔ موشک با مقدار سوخت لازم پر می‌شود. هر قسمت پس از آنکه وظیفه اش را انجام داد از بقیهٔ موشک جدا می‌شود. یک موشک نمونه برای پرتاب ماهواره، ممکن است شامل سه قسمت و یک دماغهٔ مخروطی باشد. ماهواره وقتی بر مدار قرار گرفت، الی الابد در آن خواهد ماند، زیرا نیروهایی که بر ماهواره وارد می‌آیند، یکدیگر را خنثی می‌کنند، و نیروی کل صفر می‌شود. در ارتفاع‌های زیاد از سطح زمین، تنها دو نیرو بر ماهواره وارد می‌شود:

۱- نیروی گرانش زمین. ۲- نیروی گریز از مرکز.

این دو نیرو، در یک سرعت و یک ارتفاع معین، از نظر اندازه با یکدیگر برابر و از نظر جهت، مخالف یکدیگر هستند؛ بنابراین یکدیگر را خنثی می‌کنند. از این رو ماهواره‌ای که سرعت و ارتفاع مناسب را داشته باشد همچنان بر مدارش حرکت می‌کند، زیرا نیرویی وجود ندارد تا آن را از مسیر منحرف سازد.
در داخل جو زمین، اصطکاک میان جو و ماهواره تعادل نیروی گرانشی و گریز از مرکز را به هم می‌زند. نیروی اصطکاک از سرعت ماهواره می‌کاهد و زنجیرهٔ رویدادهای زیر را موجب می‌شود:

۱- کاهش تندی، سبب کاهش نیروی گریز از مرکز می‌شود.
۲- نیروی گرانشی که بزرگ‌تر از نیروی گریز از مرکز شده‌است، موجب می‌شود که ماهواره در حالی که به سطح زمین نزدیکتر می‌شود مسیری مارپیچی را بپیماید.
۳- نیروی اصطکاک ممکن است به اندازه‌ای حرارت ایجاد کند که ماهواره پیش از رسیدن به زمین بسوزد.

منابع و پانویس[ویرایش]

  1. وبسایت ناسا، رصدخانه زمین، NASA | Orbits Catalog | http://earthobservatory.nasa.gov/

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «Orbits»، ویکی‌پدیای انگلیسی، دانشنامهٔ آزاد (بازیابی در ۹ آوریل ۲۰۱۵).