MESTERSÉGES MŰHOLDAK: MIRE SZOLGÁLNAK, HOGYAN MŰKÖDNEK, TÍPUSUK, FONTOS - ARTE - 2025

A műholdak olyan járművek vagy eszközök, amelyeket kifejezetten úgy állítottak elő, hogy személyzet nélkül szabaduljanak fel az űrbe, hogy keringjenek a Föld vagy más égitest körül.

A műholdak felépítésével kapcsolatos első ötletek a tudományos fantasztikus íróktól származtak, például Jules Verne-től és Arthur C. Clark-tól. Ez utóbbi radartiszt volt a Királyi Légierőben, és a II. Világháború végén elgondolkodott azon a gondolaton, hogy három műholdat használnak a Föld körüli pályán egy távközlési hálózat fenntartására.

1. ábra: A Föld körül keringő műholdas műhold. Forrás: Wikimedia Commons.

Abban az időben még nem voltak eszközök műholdak pályájára történő elhelyezésére. További néhány évbe telt, amíg az Egyesült Államok katonasága elkészítette az első műholdas kommunikációt az 1950-es évek elején.

Az Egyesült Államok és a Szovjetunió közötti űrverseny fellendítette a műholdas iparot. Az első sikeresen pályára helyezett szovjet Sputnik műhold 1957-ben volt, és a jeleket a 20–40 MHz frekvenciatartományban bocsátotta ki.

Ezt követte az Echo I kommunikációs célokat szolgáló indítása az Egyesült Államokban. Azóta mindkét hatalom sikeresen hajtott végre számos pályát a pályára, és később számos ország csatlakozott az új technológiához.

Mire szolgál a műholdak?

-Távközlésben, rádió, televízió és mobiltelefon üzenetek továbbítására.

-Tudományos és meteorológiai kutatások, ideértve a térképészet és a csillagászati ​​megfigyeléseket is.

- katonai hírszerzési célokra.

- Navigációs és helymeghatározási célokra, mivel a GPS (globális helymeghatározó rendszer) az egyik legismertebb.

-A talajfelszín figyelésére.

Űrállomásokon, amelyeket a Földön kívüli élet megtapasztalására terveztek.

Hogyan működnek?

Principia-ban Isaac Newton (1643-1727) meghatározta a műholdak körüli pályára helyezéséhez szükséges intézkedéseket, bár műholdak helyett példaként ágyúgömböt használt a hegy tetejéről.

Egy bizonyos vízszintes sebességgel lőtve a golyó a szokásos parabolikus pályát követi. A sebesség növelésével a vízszintes elérés egyre nagyobb lesz, ami világos volt. De vajon egy bizonyos sebesség miatt-e a golyó pályája a Föld körül?

A Föld a felülethez érintõ vonaltól 8,9 km-enként 4,9 m sebességgel görbül. A nyugalomból kiszabadult tárgyak első másodperc alatt 4,9 m-re esnek. Ezért, amikor a golyót vízszintesen lőtt egy csúcsról 8 km / s sebességgel, az első másodperc alatt 4,9 m-re esik.

De a Föld ekkor is 4,9 méterre süllyed, mivel az ágyúgömb alatt görbül. Ez továbbra is vízszintesen halad, lefedve a 8 km-t, és abban a másodpercben ugyanolyan magasságban maradna a Földhöz képest.

Természetesen ugyanaz történik a következő másodperc után és minden egymást követő másodpercben, amikor a golyót műanyag műholdakká alakítják, további meghajtás nélkül, mindaddig, amíg nincs súrlódás.

A levegőellenállás által okozott súrlódás azonban elkerülhetetlen, ezért szükség van emlékeztető rakétra.

A rakéta nagy magasságba emeli a műholdat, ahol a vékonyabb légkör kevesebb ellenállást kínál, és biztosítja a szükséges vízszintes sebességet.

Ennek a sebességnek 8 km / s-nál nagyobbnak és 11 km / s-nál kevesebbnek kell lennie. Ez utóbbi a menekülési sebesség. Ennél a sebességgel vetítve a műhold elhagyja a Föld gravitációs hatását, és az űrbe megy.

Műholdas műholdas szerkezet

A műholdak különféle komplex mechanizmusokat tartalmaznak funkcióik ellátásához, amelyek magukban foglalják a különféle típusú jelek vételét, feldolgozását és küldését. Könnyűeknek és működésük autonómiájának is kell lenniük.

A fő struktúrák közös az összes műholdak számára, amelyeknek a célnak megfelelően több alrendszerük van. Fémből vagy más könnyű vegyületből készült házba vannak felszerelve, amely támasztékként szolgál és busznak nevezhető.

A buszon megtalálja:

- A központi vezérlőmodul, amely tartalmazza a számítógépet, amellyel az adatokat feldolgozzák.

- Antennák vétele és továbbítása kommunikációhoz és adatátvitelhez rádióhullámok, valamint távcsövek, kamerák és radarok segítségével.

- Napelemek rendszere a szárnyakon, a szükséges energia és újratölthető akkumulátorok előállításához, amikor a műholdas árnyékban van. A pályáról függően, a műholdaknak körülbelül 60 percnyi napfényre van szükségük az akkumulátorok újratöltéséhez, ha alacsony pályán vannak. A távolabbi műholdak sokkal több időt töltenek a napsugárzásnak.

Mivel a műholdak hosszú ideig kitöltik ezt a sugárzást, védőrendszerre van szükség a többi rendszer károsodásának elkerülésére.

A kitett részek nagyon felforrósodnak, miközben az árnyékban rendkívül alacsony hőmérsékletet érnek el, mert nincs elég légkör a változások szabályozására. Ezért radiátorok szükségesek a hő és az alumínium burkolatok eltávolításához, hogy szükség esetén hőt takarítsanak meg.

A műholdak típusai

A mű műholdak pályájától függően lehetnek ellipszis vagy kör alakúak. Természetesen mindegyik műholdnak van hozzárendelve egy pályája, amelyet általában azonos irányban mutat a Föld forgása, aszinkron pályára hívják. Ha valamilyen oknál fogva a műholdas út ellentétesen halad, akkor retrográd pályája van.

A gravitáció alatt az objektumok elliptikus úton mozognak Kepler törvényei szerint. A műholdak nem menekülnek innen, azonban néhány elliptikus pálya olyan kis excentritással rendelkezik, hogy körkörösnek tekinthető.

A keringési pályák a Föld egyenlõjéhez képest is ferde lehetnek. 0º dőlésszögben egyenlítői körüli pályák, 90 ° -on pedig poláris pályák.

A műholdas magassága szintén fontos paraméter, mivel 1500 - 3000 km magas az első Van Allen öv, amelyet a magas sugárzási sebesség miatt el kell kerülni.

2. ábra: A műholdak pályája, magassága és sebessége. A nem használt műholdak átjutnak a temető pályájára, bár minden pályán vannak maradványok. Forrás: Wikimedia Commons.

Műholdas pályák

A műholdas pályát úgy választják meg, hogy milyen feladatot lát el, mivel több vagy kevésbé kedvező magasságok vannak a különböző műveletekhez. E kritérium szerint a műholdakat a következők szerint osztályozzák:

- LEO (Low Earth Orbit), amelyek 500 és 900 km között vannak, és körkörös utat írnak le, körülbelül másfél órás időtartammal és 90º dőlésszöggel. Mobiltelefonokhoz, faxokhoz, személyes személyhívókhoz, járművekhez és hajókhoz használják.

- MEO (közepes földi pálya ), 5000–12000 km tengerszint feletti magasságban vannak, 50 ° dőlés és körülbelül 6 óra időtartamúak. Mobiltelefonokban is alkalmazzák.

- GEO (Geosynchronous Earth Orbit) vagy geostacionáris pálya, bár a két kifejezés között kicsi a különbség. Az előbbi változó dőlésű lehet, míg az utóbbi mindig 0 ° -on áll.

Mindenesetre nagy-magasságokban vannak -36 000 km-re. 1 napos periódusban körkörös pályákon haladnak. Nekik köszönhetően többek között a fax, a távolsági telefon és a műholdas televízió is elérhető.

3. ábra: A műholdak keringési pályáinak rajza. 1) Föld. 2) LEO. 3) MEO, 4) Geosynchronous pályák. Forrás: Wikimedia Commons.

Geostacionárius műholdak

Az elején a kommunikációs műholdak eltérő periódusokkal rendelkeztek, mint a Föld forgása, de ez megnehezítette az antennák pozícionálását, és a kommunikáció elveszett. A megoldás az volt, hogy a műholdat olyan magasságra helyezzük, hogy annak időszaka megegyezzen a Föld forgásának időtartamával.

Ilyen módon a műhold kering a Földdel, és úgy tűnik, hogy rögzítve van hozzá. A műholdas geoszinkron pályára történő elhelyezéséhez szükséges magasság 35786,04 km, és Clarke övként ismert.

A pálya magassága kiszámítható a periódus megállapításával, a következő kifejezés felhasználásával, amely Newton univerzális gravitációs törvényéből és Kepler törvényéből származik:

Ahol P az időszak, a az elliptikus pálya félig fő tengelyének hossza, G a gravitációs univerzális állandó, M pedig a Föld tömege.

Mivel ily módon a műholdas tájolása a Földhöz nem változik, garantálja, hogy mindig kapcsolatba kerül vele.

A Föld legfontosabb műholdai

Szputnyik

4. ábra. A Sputnik replikája, amely a történelem során első körüli pályán volt. Forrás: Wikimedia Commons.

Ez volt az emberiség történetében az első műholdas műhold, amelyet a volt Szovjetunió 1957 októberében bocsátott pályára. Ezt a műholdat a Sputnik program részeként további 3 követte.

Az első Sputnik meglehetősen kicsi és könnyű volt: főleg 83 kg alumínium. Képes volt 20–40 MHz frekvenciákat bocsátani ki, három héten pályára állt, majd a földre esett.

A Sputnik másolatai ma az Orosz Föderáció, Európa és még Amerika számos múzeumában láthatók.

Az űrrepülőgép

Egy másik jól ismert személyzettel ellátott küldetés volt az STS Űrkutató Rendszer vagy az Űrhajó, amely 1981 és 2011 között működött, és egyéb fontos missziók között részt vett a Hubble Űrtávcső és a Nemzetközi Űrállomás indításában, a egyéb műholdak javítása.

A Űrhajó aszinkron pályája volt és újrafelhasználható, mivel eljött és elment a Földre. Az öt komp közül kettőt véletlenül megsemmisítették legénységükkel együtt: a Challenger és a Columbia.

GPS műholdak

A Globális Helymeghatározó Rendszer széles körben ismert az emberek és tárgyak nagy pontosságú helymeghatározásáról a föld bármely pontján. A GPS-hálózat legalább 24 nagy magasságú műholdból áll, amelyek közül mindig 4 látható a Földről.

Keringő pályán vannak 20 000 km tengerszint feletti magasságban, és időtartamuk 12 óra. A GPS a háromszögeléshez hasonló matematikai módszert használ az objektumok helyzetének felmérésére, az úgynevezett trilaturációt.

A GPS nem korlátozódik az emberek vagy járművek helymeghatározására, hanem fontos térképészeti, földmérési, geodéziai, mentési és sportolási gyakorlatokhoz is használható, többek között fontos alkalmazások számára.

A Hubble űrtávcső

Ez egy műholdas műhold, amely összehasonlíthatatlan, soha nem látott képeket kínál a Naprendszerről, csillagokról, galaxisokról és a távoli világegyetemről, anélkül, hogy a Föld légköre vagy a fényszennyezés blokkolná vagy torzítaná a távoli fényt.

5. ábra: A Hubble űrteleszkóp képe. Forrás: a NASA a Wikimedia Commons segítségével.

Ezért az 1990-es bevezetése az utóbbi időben a csillagászat legjelentősebb előrelépése volt. A Hubble hatalmas, 11 tonnás hengere 340 mérföld (548 km) tengerszint feletti magasságban helyezkedik el, és körkörös mozgással kering a Föld körül, 96 perces időtartammal.

2020 és 2025 között várhatóan kikapcsolódik, helyébe James Webb űrteleszkóp kerül.

Nemzetközi Űrállomás

ISS (Nemzetközi Űrállomás) néven keringő kutatólaboratórium, amelyet világszerte öt űrügynökség működtet. Ez eddig a legnagyobb mesterséges műholdas létezés.

A többi műholdaktól eltérően az Űrállomáson emberek vannak a fedélzeten. Legalább két űrhajós állandó személyzete mellett az állomást turisták is meglátogatták.

Az állomás célja elsősorban tudományos. 4 laboratóriummal rendelkezik, ahol a nulla gravitáció hatásait vizsgálják, csillagászati, kozmológiai és éghajlati megfigyeléseket végeznek, valamint különféle biológiai, kémiai kísérleteket és a sugárzásnak a különféle rendszerekre gyakorolt ​​hatását.

Chandra

Ez a műholdas csillagvizsgáló egy röntgen sugarainak detektálására, amelyeket a Föld légköre abszorbeál, és ezért a felszínről nem vizsgálhatók. A NASA 1999-ben keringtette pályára a Columbia űrsiklóval.

Iridium kommunikációs műholdak

LEO típusú pályákon 66 műholdból álló hálózatot alkotnak 780 km magasságban, 100 perces időtartammal. A Motorola telefonos társaság úgy tervezte, hogy elérhetetlen helyeken biztosítsák a telefonos kommunikációt. Ez azonban nagyon költséges szolgáltatás.

Galileo műholdas rendszer

Ez az Európai Unió által kifejlesztett helymeghatározó rendszer, amely egyenértékű a GPS-vel és polgári használatra. Jelenleg 22 műhold működik, de még mindig fejlesztés alatt áll. Képes egy személy vagy tárgy megtalálására 1 méteres pontossággal a nyílt verzióban, és kölcsönösen átjárható a GPS rendszer műholdaival.

Landsat sorozat

Műholdak, amelyeket kifejezetten a Föld felszínének megfigyelésére terveztek. 1972-ben kezdték meg munkájukat. Egyebek között felelnek a terep feltérképezéséért, a jég pólusokon való mozgásáról és az erdők kiterjedéséről, valamint a bányászat kutatásáért.

Glonass rendszer

Ez az Orosz Föderáció földrajzi helymeghatározó rendszere, egyenértékű a GPS-sel és a Galileo hálózattal.

Mesterséges műholdak megfigyelése

A amatőrök mesterséges műholdakat láthatnak a Földről, mivel tükrözik a napfényt, és fénypontoknak tekinthetők, még ha a Nap le is állt.

Helymeghatározásukhoz tanácsos telepíteni a műholdas keresőalkalmazások egyikét a telefonra, vagy keresse fel a műholdakat követő internetes oldalakat.

Például a Hubble Űrtávcső szabad szemmel vagy még jobb, ha jó távcsővel látható, ha tudja, hol kell keresni.

A műholdak megfigyelésének előkészítése megegyezik a meteorzuhanyok megfigyelésének előkészítésével. A legjobb eredményeket nagyon sötét és tiszta éjszakákon, felhők nélkül és hold nélkül, vagy ha a hold alacsony a láthatáron. Minél távolabb van a fényszennyezéstől, annál jobb meleg ruhákat és forró italokat kell hoznia.

Irodalom

1. Európai Űrügynökség. Műholdak. Helyreállítva: esa.int.
2. Giancoli, D. 2006. Fizika: alapelvek alkalmazásokkal. 6.. Ed Prentice Hall.
3. Maran, S. A bábuk csillagászata.
4. EDÉNY. A Hubble Űrtávcsőről. Helyreállítva: nasa.gov.
5. Mik a műholdak és hogyan működnek? Helyreállítva: youbioit.com
6. Wikiversity. Mesterséges műholdak. Helyreállítva: es.wikiversity.org.