الأقمار الصناعية: ما الغرض منها ، وكيف تعمل ، وأنواعها ، وأهميتها - آرتي - 2025

و الأقمار الصناعية والمركبات أو الأجهزة التي بنيت خصيصا ليتم الافراج الفضاء دون طاقم، وذلك للدوران حول الأرض أو غيرها من جرم سماوي.

جاءت الأفكار الأولى حول بناء أقمار صناعية من مؤلفي الخيال العلمي ، على سبيل المثال Jules Verne و Arthur C. Clark. كان الأخير ضابط رادار في سلاح الجو الملكي ، وفي نهاية الحرب العالمية الثانية ، تصور فكرة استخدام ثلاثة أقمار صناعية في مدار حول الأرض للحفاظ على شبكة اتصالات.

الشكل 1. قمر ​​صناعي يدور حول الأرض. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

في ذلك الوقت ، لم تكن الوسائل متاحة بعد لوضع قمر صناعي في المدار. استغرق جيش الولايات المتحدة بضع سنوات أخرى لإنتاج أول اتصالات عبر الأقمار الصناعية في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي.

عزز سباق الفضاء بين الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي صناعة الأقمار الصناعية الاصطناعية. كان أول القمر الصناعي السوفيتي سبوتنيك الذي تم وضعه بنجاح في عام 1957 وأصدر إشارات في نطاق 20-40 ميجاهرتز.

تبع ذلك إطلاق الولايات المتحدة Echo I لأغراض الاتصال. منذ ذلك الحين ، نجحت القوتان في إطلاق العديد من عمليات الإطلاق إلى المدار ، وبالتالي انضمت العديد من الدول إلى التكنولوجيا الجديدة.

ما هي الاقمار الصناعية ل؟

- في مجال الاتصالات ، لإعادة إرسال رسائل الراديو والتلفزيون والهاتف الخليوي.

- في البحث العلمي والأرصاد الجوية ، بما في ذلك رسم الخرائط والأرصاد الفلكية.

- لأغراض المخابرات العسكرية.

-للملاحة واستخدامات الموقع ، يعد نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أحد أشهرها.

- مراقبة سطح الأرض.

- في المحطات الفضائية ، مصممة لتجربة الحياة خارج الأرض.

كيف يعملون؟

في كتابه Principia ، أسس إسحاق نيوتن (1643-1727) ما هو ضروري لوضع قمر صناعي في المدار ، على الرغم من أنه بدلاً من قمر صناعي ، استخدم كمثال قذيفة مدفعية أطلقت من قمة تل.

يتم إطلاق الرصاصة بسرعة أفقية معينة ، وتتبع مسار القطع المكافئ المعتاد. زيادة السرعة ، يصبح الوصول الأفقي أكبر وأكبر ، وهو أمر واضح. لكن هل ستتسبب سرعة معينة في أن تدخل الرصاصة في مدار حول الأرض؟

تنحني الأرض من خط مماس للسطح بمعدل 4.9 متر لكل 8 كيلومترات. أي جسم يتحرر من السكون سوف يسقط 4.9 م خلال الثانية الأولى. لذلك ، عند إطلاق الرصاصة أفقيًا من ذروة بسرعة 8 كم / ثانية ، ستنخفض 4.9 مترًا خلال الثانية الأولى.

لكن الأرض أيضًا ستكون قد هبطت 4.9 مترًا في ذلك الوقت ، حيث تنحني تحت قذيفة المدفع. يستمر هذا في التحرك أفقيًا ، ويغطي 8 كيلومترات ويبقى على نفس الارتفاع فيما يتعلق بالأرض خلال تلك الثانية.

وبطبيعة الحال ، يحدث الشيء نفسه بعد الثانية التالية وفي كل الثواني المتتالية ، وتحول الرصاصة إلى قمر صناعي ، دون أي دفع إضافي ، طالما لا يوجد احتكاك.

ومع ذلك ، فإن الاحتكاك الناجم عن مقاومة الهواء أمر لا مفر منه ، وهذا هو سبب ضرورة الصاروخ المعزز.

يرفع الصاروخ القمر الصناعي إلى ارتفاع كبير ، حيث يوفر الغلاف الجوي الرقيق مقاومة أقل ويزوده بالسرعة الأفقية اللازمة.

يجب أن تكون هذه السرعة أكبر من 8 كم / ثانية وأقل من 11 كم / ثانية. هذا الأخير هو سرعة الهروب. عند توقعه بهذه السرعة ، سيتخلى القمر الصناعي عن تأثير جاذبية الأرض ، متجهًا إلى الفضاء.

هيكل الأقمار الصناعية الاصطناعي

تحتوي الأقمار الصناعية على آليات معقدة مختلفة لأداء وظائفها ، والتي تشمل استقبال ومعالجة وإرسال أنواع مختلفة من الإشارات. يجب أن تكون أيضًا خفيفة وتتمتع باستقلالية في التشغيل.

الهياكل الرئيسية مشتركة بين جميع الأقمار الصناعية ، والتي بدورها لها عدة أنظمة فرعية وفقًا للغرض. يتم تثبيتها في مبيت مصنوع من المعدن أو مركبات خفيفة الوزن أخرى ، والتي تعمل كدعم وتسمى الحافلة.

يمكنك أن تجد في الحافلة:

- وحدة التحكم المركزية التي تحتوي على الحاسب الآلي الذي يتم من خلاله معالجة البيانات.

- هوائيات الاستقبال والبث للاتصالات ونقل البيانات عن طريق موجات الراديو والتلسكوبات والكاميرات والرادارات.

- نظام الألواح الشمسية على الأجنحة للحصول على الطاقة اللازمة والبطاريات القابلة لإعادة الشحن عندما يكون القمر الصناعي في الظل. اعتمادًا على المدار ، تحتاج الأقمار الصناعية إلى حوالي 60 دقيقة من ضوء الشمس لإعادة شحن بطارياتها ، إذا كانت في مدار منخفض. تقضي الأقمار الصناعية البعيدة وقتًا أطول بكثير في التعرض للإشعاع الشمسي.

نظرًا لأن الأقمار الصناعية تقضي وقتًا طويلاً في التعرض لهذا الإشعاع ، يلزم وجود نظام حماية لتجنب إتلاف الأنظمة الأخرى.

تصبح الأجزاء المكشوفة شديدة السخونة ، بينما في الظل تصل إلى درجات حرارة منخفضة للغاية ، لعدم وجود جو كافٍ لتنظيم التغيرات. لهذا السبب ، يلزم وجود مشعات للتخلص من الحرارة وأغطية الألمنيوم للحفاظ على الحرارة عند الضرورة.

أنواع الأقمار الصناعية

اعتمادًا على مسارها ، يمكن أن تكون الأقمار الصناعية الاصطناعية بيضاوية الشكل أو دائرية. بالطبع ، لكل قمر صناعي مدار محدد ، والذي يكون عمومًا في نفس الاتجاه الذي تدور فيه الأرض ، ويسمى المدار غير المتزامن. إذا سافر القمر الصناعي لسبب ما في الاتجاه المعاكس ، فسيكون له مدارًا رجعيًا.

تحت الجاذبية ، تتحرك الأجسام في مسارات بيضاوية وفقًا لقوانين كبلر. لا تفلت الأقمار الصناعية من هذا ، ومع ذلك ، فإن بعض المدارات الإهليلجية لديها مثل هذا الانحراف الصغير بحيث يمكن اعتبارها دائرية.

يمكن أيضًا أن تميل المدارات فيما يتعلق بخط استواء الأرض. عند ميل 0º فهي مدارات استوائية ، إذا كانت 90 درجة فهي مدارات قطبية.

يعد ارتفاع القمر الصناعي أيضًا معلمة مهمة ، نظرًا لأن ارتفاعه بين 1500 و 3000 كيلومتر هو أول حزام Van Allen ، وهي منطقة يجب تجنبها بسبب معدل الإشعاع العالي فيها.

الشكل 2. مدارات ، ارتفاعات وسرعات الأقمار الصناعية. تمر الأقمار الصناعية المهجورة إلى مدار المقبرة ، على الرغم من وجود بقايا في جميع المدارات. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

مدارات الأقمار الصناعية

يتم اختيار مدار القمر الصناعي وفقًا للمهمة الموكلة إليه ، نظرًا لوجود ارتفاعات أكثر أو أقل ملاءمة للعمليات المختلفة. وفقًا لهذا المعيار ، تصنف الأقمار الصناعية على أنها:

- LEO (مدار أرضي منخفض) ، يتراوح ارتفاعها بين 500 و 900 كيلومتر وتصف مسيرًا دائريًا بفترات تقارب الساعة ونصف الساعة وميل 90 درجة. يتم استخدامها للهواتف المحمولة والفاكسات وأجهزة الاستدعاء الشخصية والمركبات والقوارب.

- MEO (مدار أرضي متوسط) ، تقع على ارتفاع يتراوح بين 5000 و 12000 كم وميل 50 درجة مئوية وفترة 6 ساعات تقريبًا. هم أيضا يعملون في الهواتف المحمولة.

- المدار الأرضي المتزامن مع الأرض (GEO) ، أو المدار الثابت بالنسبة للأرض ، على الرغم من وجود اختلاف بسيط بين المصطلحين. يمكن أن يكون الأول ذو ميل متغير ، بينما يكون الأخير دائمًا عند 0 درجة.

على أي حال ، هم على ارتفاع عالٍ - 36000 كم أكثر أو أقل -. يسافرون في مدارات دائرية في فترات من يوم واحد. بفضلهم ، يتوفر الفاكس والمهاتفة البعيدة والتلفزيون الفضائي ، من بين خدمات أخرى.

الشكل 3. رسم تخطيطي لمدارات الأقمار الصناعية. 1) الأرض. 2) المدار الأرضي المنخفض. 3) MEO ، 4) المدارات المتزامنة مع الأرض. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة إلى الأرض

في البداية ، كان لأقمار الاتصالات فترات مختلفة عن دوران الأرض ، لكن هذا جعل من الصعب وضع الهوائيات وفقد الاتصال. كان الحل هو وضع القمر الصناعي على ارتفاع بحيث تتزامن فترته مع فترة دوران الأرض.

بهذه الطريقة ، يدور القمر الصناعي مع الأرض ويبدو أنه ثابت بالنسبة لها. الارتفاع المطلوب لوضع قمر صناعي في مدار متزامن مع الأرض هو 35786.04 كيلومترًا ويُعرف باسم حزام كلارك.

يمكن حساب ارتفاع المدار عن طريق تحديد الفترة ، باستخدام التعبير التالي ، المشتق من قانون نيوتن للجاذبية العالمية وقوانين كبلر:

حيث P هي الفترة ، و a هي طول المحور شبه الرئيسي للمدار الإهليلجي ، و G هي الثابت العالمي للجاذبية و M هي كتلة الأرض.

نظرًا لأنه بهذه الطريقة لا يتغير اتجاه القمر الصناعي فيما يتعلق بالأرض ، فإنه يضمن أنه سيكون دائمًا على اتصال به.

أهم الأقمار الصناعية للأرض

سبوتنيك

الشكل 4. نسخة طبق الأصل من سبوتنيك ، أول قمر صناعي في مدار في التاريخ. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

كان أول قمر صناعي في تاريخ البشرية ، وضعه الاتحاد السوفيتي السابق في مداره في أكتوبر 1957. وتبع هذا القمر الصناعي 3 قمر صناعي آخر ، كجزء من برنامج سبوتنيك.

كان أول سبوتنيك صغيرًا وخفيفًا جدًا: 83 كجم من الألمنيوم بشكل أساسي. وكانت قادرة على بث ترددات بين 20 و 40 ميغا هرتز ، وظل في المدار لمدة ثلاثة أسابيع ، وبعد ذلك سقط على الأرض.

يمكن رؤية النسخ المقلدة من سبوتنيك اليوم في العديد من المتاحف في الاتحاد الروسي وأوروبا وحتى أمريكا.

مركبة فضائية

مهمة مأهولة أخرى معروفة هي نظام النقل الفضائي STS أو مكوك الفضاء ، الذي كان يعمل من 1981 إلى 2011 وشارك ، من بين مهام مهمة أخرى ، في إطلاق تلسكوب هابل الفضائي ومحطة الفضاء الدولية ، بالإضافة إلى بعثات من إصلاح الأقمار الصناعية الأخرى.

كان لمكوك الفضاء مدار غير متزامن ويمكن إعادة استخدامه ، لأنه يمكن أن يأتي ويذهب إلى الأرض. من بين العبارات الخمس ، تم تدمير اثنتين عن طريق الخطأ مع طاقمها: تشالنجر وكولومبيا.

أقمار GPS الصناعية

يُعرف نظام تحديد المواقع العالمي على نطاق واسع بقدرته على تحديد الأشخاص والأشياء بدقة في أي مكان في العالم. تتكون شبكة GPS من 24 قمرًا صناعيًا على الأقل على ارتفاعات عالية ، منها دائمًا 4 أقمار صناعية يمكن رؤيتها من الأرض.

هم في المدار على ارتفاع 20000 كم ومدتهما 12 ساعة. يستخدم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أسلوبًا رياضيًا مشابهًا للتثليث لتقييم موضع الكائنات ، يُسمى التثليث.

لا يقتصر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على تحديد الأشخاص أو المركبات ، فهو مفيد أيضًا لرسم الخرائط والمسح والجيوديسيا وعمليات الإنقاذ والممارسات الرياضية ، من بين تطبيقات مهمة أخرى.

تلسكوب هابل الفضائي

إنه قمر صناعي يوفر صورًا لا مثيل لها لم يسبق لها مثيل للنظام الشمسي والنجوم والمجرات والكون البعيد ، دون الغلاف الجوي للأرض أو التلوث الضوئي الذي يحجب أو يشوه الضوء البعيد.

الشكل 5. منظر لتلسكوب هابل الفضائي. المصدر: ناسا عبر ويكيميديا ​​كومنز.

ومن ثم ، فإن إطلاقه في عام 1990 كان أبرز تقدم في علم الفلك في الآونة الأخيرة. تقع أسطوانة هابل الضخمة التي يبلغ وزنها 11 طنًا على ارتفاع 340 ميلاً (548 كم) وتدور حول الأرض في حركة دائرية ، لمدة 96 دقيقة.

من المتوقع أن يتم إلغاء تنشيطه بين عامي 2020 و 2025 ، ليحل محله تلسكوب جيمس ويب الفضائي.

محطة الفضاء الدولية

يُعرف باسم ISS (محطة الفضاء الدولية) ، وهو مختبر أبحاث يدور حول العالم ، تديره خمس وكالات فضائية حول العالم. حتى الآن هو أكبر قمر صناعي موجود.

على عكس بقية الأقمار الصناعية ، يوجد في محطة الفضاء بشر على متنها. بالإضافة إلى الطاقم الثابت المكون من اثنين على الأقل من رواد الفضاء ، فقد زار السياح المحطة.

الغرض من المحطة علمي في المقام الأول. لديها 4 مختبرات يتم فيها التحقيق في آثار انعدام الجاذبية ويتم إجراء الملاحظات الفلكية والكونية والمناخية ، بالإضافة إلى تجارب مختلفة في علم الأحياء والكيمياء وتأثير الإشعاع على الأنظمة المختلفة.

شاندرا

هذا القمر الصناعي عبارة عن مرصد للكشف عن الأشعة السينية التي يمتصها الغلاف الجوي للأرض وبالتالي لا يمكن دراستها من السطح. وضعته وكالة ناسا في المدار في عام 1999 عبر مكوك الفضاء كولومبيا.

أقمار الاتصالات إيريديوم

تشكل شبكة من 66 قمرا صناعيا على ارتفاع 780 كم في مدارات من نوع المدار الأرضي المنخفض ، لمدة 100 دقيقة. تم تصميمها بواسطة شركة الهاتف Motorola لتوفير الاتصالات الهاتفية في الأماكن التي يتعذر الوصول إليها. ومع ذلك ، فهي خدمة عالية التكلفة للغاية.

نظام الأقمار الصناعية جاليليو

إنه نظام تحديد المواقع الذي طوره الاتحاد الأوروبي ، وهو يعادل GPS وللاستخدام المدني. لديها حاليا 22 قمرا صناعيا تعمل ، لكنها لا تزال تحت الإنشاء. إنه قادر على تحديد موقع شخص أو كائن بدقة 1 متر في الإصدار المفتوح وهو قابل للتشغيل البيني مع الأقمار الصناعية لنظام GPS.

سلسلة لاندسات

إنها أقمار صناعية مصممة خصيصًا لمراقبة سطح الأرض. بدأوا عملهم في عام 1972. من بين أمور أخرى ، هم مسؤولون عن رسم خرائط التضاريس ، وتسجيل المعلومات حول حركة الجليد في القطبين ومساحة الغابات ، وكذلك التنقيب عن التعدين.

نظام جلوناس

إنه نظام تحديد الموقع الجغرافي للاتحاد الروسي ، وهو ما يعادل GPS وشبكة Galileo.

مراقبة الأقمار الصناعية

يمكن للهواة رؤية الأقمار الصناعية الاصطناعية من الأرض لأنها تعكس ضوء الشمس ويمكن رؤيتها كنقاط ضوء ، حتى لو كانت الشمس قد غربت.

لتحديد موقعهم ، يُنصح بتثبيت أحد تطبيقات البحث عبر الأقمار الصناعية على الهاتف أو الرجوع إلى مواقع الإنترنت التي تتعقب الأقمار الصناعية.

على سبيل المثال ، يمكن أن يكون تلسكوب هابل الفضائي مرئيًا بالعين المجردة ، أو الأفضل من ذلك ، باستخدام مناظير جيدة ، إذا كنت تعرف أين تبحث.

الاستعدادات لرصد الأقمار الصناعية هي نفسها لرصد زخات الشهب. يتم الحصول على أفضل النتائج في الليالي المظلمة والصافية للغاية ، بدون غيوم وبدون قمر ، أو مع انخفاض القمر في الأفق. كلما ابتعدت عن التلوث الضوئي كلما كان ذلك أفضل ، عليك أيضًا إحضار ملابس دافئة ومشروبات ساخنة.

المراجع

1. وكالة الفضاء الأوروبية. الأقمار الصناعية. تم الاسترجاع من: esa.int.
2. جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. السادس. إد برنتيس هول.
3. ماران ، س. علم الفلك للدمى.
4. وعاء. حول تلسكوب هابل الفضائي. تم الاسترجاع من: nasa.gov.
5. ما هي الأقمار الصناعية وكيف تعمل؟ تم الاسترجاع من: youbioit.com
6. ويكي الجامعة. الأقمار الصناعية. تم الاسترجاع من: es.wikiversity.org.