ماهواره ها چه طور در فضا می مانند؟

امروزه هزاران ماهواره با ماموریت‌های مختلف مانند ناوبری، پیش‌بینی وضع آب‌وهوا، رصد زمین و ارسال سیگنال‌های تلویزیونی در حال چرخش به دور زمین هستند. اما این ماهواره‌ها چگونه به ارتفاع‌های بالا می‌رسند و چه‌طور در آنجا باقی می‌مانند؟

ماهواره‌ها چگونه دور زمین میچرخند؟

فرض کنید یک گلوله توپ به‌صورت افقی از بالای یک کوه شلیک شود. گلوله توپ، مدتی به‌طور موازی با سطح زمین پرواز می‌کند تا اینکه در اثر نیروی جاذبه به زمین می‌افتد. حال فرض کنید قدرت توپ را بیشتر و بیشتر کنیم. گلوله توپ پس از شلیک فاصله بیشتر و بیشتری را طی می کند.

با افزایش سرعت شلیک، مسیر حرکت گلوله توپ برای مدتی با انحنای زمین یکسان است و سپس گلوله به دلیل وجود جاذبه و اصطکاک هوا به زمین می‌افتد. حال فرض کنید که هوا وجود نداشته باشد. مثلا فرض کنید که این توپ روی کره ماه نصب شده. می‌دانیم که اطراف کره ماه هیچ هوایی وجود ندارد که سرعت گلوله را کم کند.

در همین رابطه بخوانید: نقشه کره زمین آنلاین

اگر قدرت توپ را به‌مقدار لازم تنظیم کنیم، مسیر حرکت گلوله کاملا منطبق بر انحنای سطح کره ماه خواهد شد و گلوله پس از یک دور چرخش به دور ماه، از پشت به توپ برخورد خواهد کرد! در واقع در حین این چرخش، گلوله دائما در حال افتادن است، ولی به‌دلیل انحنای سطح کره ماه، هرگز به سطح ماه برخورد نمی‌کند! عجیب است، نه؟ این فکر که اولین بار توسط نیوتن مطرح شد، اولین قدم برای دستیابی به توانایی ارسال ماهواره به مدار زمین بود.

روی کره ماه واقعا می‌توانیم ماهواره‌هایی در ارتفاع بسیار پایین داشته باشیم که به دور قمر زمین بچرخند و حتی می‌توانیم از یک توپ جنگی برای پرتاب آن‌ها استفاده کنیم! ولی در مورد زمین، کار به این سادگی نیست، چون ابتدا باید ماهواره‌ها به ارتفاع بالایی برسند تا از جو زمین خارج شده و سپس بتوانند در فضا به دور زمین بچرخند. ارتفاع لازم برای چرخش ماهواره‌ها به دور زمین حدود ۳۲۰ کیلومتر است.

دانلود دوره جامع آموزش صنعت فضا که در آن به مباحث مختلف صنعت فضا از جمله ماهواره‌ها، ماهواره‌برها و عملیات‌های پرتاب فضایی پرداخته می‌شود، از لینک زیر:

دانلود دوره جامع آموزش صنعت فضا

برای این منظور ماهواره‌ها روی ماهواره‌بر سوار می‌شوند. این ماهواره‌برها ابتدا برای مدت کوتاهی به طور عمودی به‌سمت بالا پرواز می‌کنند و سپس به‌آرامی مسیر حرکتشان انحنا می‌یابد و موازی سطح زمین می‌شود. پس از رسیدن به ارتفاع لازم، جاذبه زمین ماهواره را به‌سمت پایین می‌کشد و سرعت ماهواره آن را به‌جلو می‌راند.

بسته به ارتفاع مدار مورد نظر، یافتن حد تعادل بین سرعت ماهواره و قدرت جاذبه زمین حیاتی است. اگر سرعت ماهواره خیلی زیاد باشد، ماهواره بر جاذبه زمین غلبه کرده و به‌سمت فضای بی‌نهایت پرواز می‌کند. اگر سرعت ماهواره کم باشد، به سمت زمین کشیده می‌شود و هنگام بازگشت به زمین با برخورد با جو از بین می‌رود. هرچه ماهواره به زمین نزدیک‌تر باشد، باید سریع‌تر حرکت کند تا بتواند اثر جاذبه زمین را خنثی نماید.

در همین رابطه بخوانید: دانلود تصاویر ماهواره ای به روز

ماهواره‌ها در چه ارتفاعی هستند؟

بیشتر ماهواره‌ها در مدار کم ارتفاع (‌لئو) در ارتفاعی بین ۲۰۰۰-۱۵۰ کیلومتری زمین حرکت می‌کنند. بعد از مدار لئو از ارتفاع ۲ هزار کیلومتری تا مدار ژئو را مدار مئو می‌نامند که ماهواره‌های ناوبری عمدتا در این مدار قرار گرفته‌اند. مدار ژئو نیز ارتفاع حدود ۳۶ هزار کیلومتری است که ماهواره‌های تلویزیونی به این مدار فرستاده می‌شوند.

سرعت ماهواره در مدار زمین چقدر است؟

ماهواره‌هایی که در ارتفاع ۳۰۰ کیلومتری پرواز می‌کنند، برای باقی ماندن در این ارتفاع باید با سرعت حدود ۲۸ هزار کیلومتر بر ساعت به دور زمین بچرخند. در‌حالی‌که ماهواره‌های حاضر در ارتفاع هزار کیلومتری باید با سرعت ۲۵ هزار کیلومتر بر ساعت حرکت کنند.

مشکل پسای اتمسفر برای ماهواره‌ها در فضا

ماهواره‌ها با مشکل دیگری به‌نام پسای اتمسفری هم روبرو هستند که طی آن در اثر برخورد ماهواره با مولکول‌های گاز درون فضا ارتفاع آن‌ها کاهش می‌یابد. به‌عنوان مثال، ایستگاه فضایی بین‌المللی که در ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری به دور زمین می‌چرخد، روزانه حدود ۹۰ متر از ارتفاعش کاسته می‌شود. البته با روشن کردن موتور پیشران در مواقع خاص، این کاهش ارتفاع جبران می‌گردد.

در ارتفاع‌های پایین‌تر، این مشکل جدی‌تر است. در ارتفاع پایین چگالی اتمسفر بیشتر بوده (تعداد مولکول های گازی در فضا بیشتر است) و باعث کاهش ارتفاع ماهواره‌ها می‌گردد. با کاهش ارتفاع، چگالی باز هم افزایش می‌یابد و ارتفاع ماهواره بیشتر کاهش می‌یابد. این پدیده باعث پایین آمدن «اسکای لب Skylab» (اولین ایستگاه فضایی ناسا در دهه ۱۹۷۰) شد.

در همین رابطه بخوانید: دیدن کره زمین از ماه

در نهایت همه ماهواره‌ها به همین سرنوشت دچار خواهند شد. گاهی در نزدیکی زمان پایان عمر یک ماهواره، با کمک موتور مخصوصی ماهواره به‌سمت زمین سرعت می‌گیرد و پس از ورود به جو زمین، از بین می‌رود. ولی معمولا ماهواره‌ها با پایان عمر مفید خود، توسط موتور پیشران به ارتفاع بالاتری هدایت می‌شوند و در مداری به نام قبرستان ماهواره‌ها قرار می‌گیرند تا در مسیر حرکت ماهواره‌های دیگر مزاحمتی ایجاد نکنند. این مدار حدود ۳۰۰ کیلومتر بالاتر از دورترین ماهواره‌های فعال قرار دارد.

البته باتوجه‌به اینکه همه این ماهواره‌ها هم تحت تاثیر جو زمین هستند، در آینده دور با کاهش ارتفاع به زمین باز خواهند گشت. ماهواره‌های موجود در مدارهای پایین پس از یک یا دو سال به جو زمین وارد می‌شوند، ولی ماهواره‌هایی که در ارتفاع‌های بالاتر پرواز می‌کنند، ممکن است ده‌ها یا صدها سال طول بکشد تا به جو زمین برسند. بیشتر ماهواره‌های کوچک به‌دلیل داشتن سرعت بسیار بالا، پس از ورود به جو در مواجهه با اصطکاک هوا داغ شده و می‌سوزند، و در مورد ماهواره‌های بزرگ‌تر فقط می‌توانیم بگوییم همه‌اش تقصیر نیوتن بود!!