لماذا، من أجل إرسال إشارة تلفزيونية، على سبيل المثال، من نيويورك إلى موسكو، هل من الضروري إطلاق نوع من الأجهزة بعيدًا في الفضاء؟ الجواب على هذا السؤال بسيط للغاية: الأرض كروية. تنتقل موجات الراديو، التي تحمل الصوت والصور وحتى بيانات الكمبيوتر كموجات كهرومغناطيسية، في خط مستقيم. لا يمكنهم الالتفاف حول الأرض ولا يمكنهم المرور عبر سمكها. بغض النظر عن المكان الذي نرسل فيه موجات الراديو على الأرض، فإنها ستختفي حتماً من كوكبنا إلى الفضاء. صحيح أن جزءًا من موجات الراديو ينعكس من طبقة الأيونوسفير - وهي طبقة خاصة تحيط بالأرض، كما لو كانت من مرآة. ينعكس ويسقط مرة أخرى على سطح الكوكب، على بعد مئات وآلاف الكيلومترات من جهاز الإرسال. يعتمد الاتصال اللاسلكي لمسافات طويلة على هذه الظاهرة. ولهذا السبب، بمساعدة جهاز استقبال عادي، يمكننا سماع البث الإذاعي من أمريكا أو الصين.

لكن المشكلة هي أنه بمساعدة مثل هذه الموجات (وتسمى قصيرة ومتوسطة وطويلة)، لا يمكن نقل صورة تلفزيونية ولا صوت عالي الجودة ولا كمية كبيرة من البيانات. لنقل إشارة تلفزيونية أو موسيقى عالية الجودة، هناك حاجة إلى موجات راديو خاصة ذات تردد تذبذب عالي. يطلق عليهم القصر الفائق. لا تنعكس الموجات الفائقة القصر من طبقة الأيونوسفير وتنتقل بحرية إلى الفضاء الخارجي. كيف يمكننا التأكد من إمكانية نقل الصور التلفزيونية على موجات فائقة القصر لمسافات طويلة؟ يمين! نحن بحاجة إلى التقاط الموجات في الفضاء وإعادة توجيهها إلى الأرض. إلى حيث يقع المتلقي. هذا هو الغرض من أقمار الاتصالات. وببساطة، فإن القمر الصناعي للاتصالات هو مرآة لموجات الراديو المعلقة في الفضاء. القمر الصناعي معلق عاليًا لدرجة أن المدن الواقعة بعيدًا عن بعضها البعض، على سبيل المثال، لندن واسطنبول، تكون "مرئية" في لمحة. ويمكن لموجات الراديو أن تنتقل بحرية إلى المدينتين من القمر الصناعي دون مواجهة أي عوائق. وتنتقل الموجات أيضًا بحرية إلى القمر الصناعي من هذه العواصم (ومن أماكن أخرى كثيرة على الأرض). يساعد القمر الصناعي إشارة الراديو على "القفز" عبر انحناء الكرة الأرضية.

في بعض النواحي، يشبه القمر الصناعي للاتصالات أبراج التلفزيون العالية. بعد كل شيء، كلما ارتفع البرج، كلما أمكن نقل إشارة الراديو. إذا كان الجزء العلوي من برج التلفزيون ضمن خط الرؤية، فيمكنك استقبال البرامج التلفزيونية منه على جهاز التلفزيون الخاص بك. ولكن بمجرد القيادة أبعد من ذلك، سيختفي البرج خلف الأفق (أي خلف منحنى الأرض). والآن لن تصل موجات الراديو إلى جهاز التلفزيون الخاص بك. القمر الصناعي أعلى بعشرات الآلاف من الكيلومترات من أطول برج. ولذلك، يمكنها أن تنقل موجاتها في وقت واحد إلى جزء كبير من الكرة الأرضية.

ومع ذلك، هناك فرق كبير بين القمر الصناعي والبرج. إذا كان برج التلفزيون يقف في مكان واحد، فيجب أن يطير القمر الصناعي بسرعة هائلة (أكثر من 8 كيلومترات في الثانية!) حول الأرض. وإلا فإنه سوف يسقط فقط. هذه هي قوانين الفيزياء. كيف يمكننا التأكد من أنه، مثل قمة برج التلفزيون، يكون دائمًا في نفس النقطة؟ لا تطير الأقمار الصناعية التي تراقب سطح الأرض أو المركبات الفضائية التي تدور حولها على ارتفاعات عالية جدًا - على ارتفاع يتراوح بين 200 و 300 كيلومتر تقريبًا. وفي ليلة صافية جيدة يمكن رؤيتها من الأرض. ظهرت نقطة مضيئة فوق الأفق، وحلقت عبر السماء وبعد بضع دقائق اختفت مرة أخرى خلف الأفق. وعلى الرغم من أن النقطة على الأرض التي يقف فيها الراصد، وكذلك القمر الصناعي، تدور حول محور الأرض، إلا أن المركبة الفضائية تتخطى سطح الأرض. إنه يطير أسرع من دوران الأرض.

ولكي يكون القمر الصناعي دائمًا في نفس النقطة في السماء، يجب إطلاقه على ارتفاع عالٍ جدًا. ثم سيكون المدار - المسار الذي سيصفه حول كوكبنا - طويلاً جدًا. سيصبح الوقت المداري للقمر الصناعي والوقت المداري لأي نقطة على سطح الأرض حول محور الكوكب هو نفسه. من الناحية العلمية، فإن السرعة الزاوية للقمر الصناعي وسطح الكوكب ستكون متساوية.

ويمكن فهم ذلك بمثال بسيط للغاية. إذا قمت، على سبيل المثال، بربط كرتين من البلاستيسين بعجلة دوارة - واحدة خارج العجلة، والأخرى بالداخل، أقرب إلى المحور، فستلاحظ أن الكرة بالقرب من الحافة تتحرك بسرعة عالية، و الذي في المركز بالكاد يتحرك. ومع ذلك، بالنسبة لبعضهم البعض، فإنهم بلا حراك وهم على نفس الخط. لديهم نفس السرعة الزاوية. الكرة عند المحور هي سطح الأرض. الكرة الموجودة على الجزء الخارجي من العجلة عبارة عن قمر صناعي للاتصالات يدور في مداره.

يسمى المدار الذي يسمح للقمر الصناعي بالتعليق بلا حراك فوق سطح الأرض بالمدار الثابت بالنسبة للأرض. وهو على شكل دائرة ويمر تقريباً فوق خط استواء الأرض - وهو الخط الذي يفصل بين نصف الكرة الشمالي والجنوبي. من هذا القمر الصناعي، الذي يقع على بعد 35 - 40 ألف كيلومتر، نستقبل برامج تلفزيونية على "الهوائيات" التي بدأت تنمو شيئًا فشيئًا في المنازل في بلدنا.

يشمل النظام النجمي لمجرة درب التبانة التي نعيش فيها الشمس و8 كواكب أخرى تدور حولها. بادئ ذي بدء، يهتم العلماء بدراسة الكواكب الأقرب إلى الأرض. ومع ذلك، فإن الأقمار الصناعية للكواكب هي أيضا مثيرة للاهتمام للغاية. ما هو القمر الصناعي؟ ما هي أنواعها؟ لماذا هم مثيرون للاهتمام للعلوم؟

ما هو القمر الصناعي؟

القمر الصناعي هو جسم صغير يدور حول كوكب تحت تأثير الجاذبية. حاليًا، نعرف 44 جرمًا سماويًا من هذا القبيل.

فقط أول كوكبين في نظامنا النجمي، الزهرة وعطارد، ليس لهما أقمار صناعية. للأرض قمر صناعي واحد (القمر). "الكوكب الأحمر" (المريخ) يرافقه جرمان سماويان - ديموس وفوبوس. أكبر كوكب في نظامنا النجمي، كوكب المشتري، لديه 16 قمرا صناعيا. زحل لديه 17، وأورانوس لديه 5، ونبتون لديه 2.

أنواع الأقمار الصناعية

تنقسم جميع الأقمار الصناعية إلى نوعين - طبيعية وصناعية.

اصطناعية - الأجرام السماوية التي أنشأها الناس، والتي تفتح الفرصة لمراقبة واستكشاف الكوكب، وكذلك الأجسام الفلكية الأخرى. وهي ضرورية لرسم الخرائط والتنبؤات الجوية والبث الإذاعي للإشارات. أكبر "رفيق مسافر" من صنع الإنسان على الأرض هو (ISS). لا توجد الأقمار الصناعية الاصطناعية على كوكبنا فقط. هناك أكثر من 10 أجرام سماوية تدور حول كوكب الزهرة والمريخ.

ما هو القمر الصناعي الطبيعي؟ لقد خلقتهم الطبيعة نفسها. لقد أثار أصلهم دائمًا اهتمامًا حقيقيًا بين العلماء. هناك عدة نظريات، لكننا سنركز على الإصدارات الرسمية.

يوجد بالقرب من كل كوكب تراكم للغبار والغازات الكونية. يجذب الكوكب الأجرام السماوية التي تطير بالقرب منه. ونتيجة لهذا التفاعل، يتم تشكيل الأقمار الصناعية. هناك أيضًا نظرية يتم بموجبها فصل الشظايا عن الأجسام الكونية التي تصطدم بكوكب، والتي تكتسب لاحقًا شكلًا كرويًا. وفقا لهذا الافتراض، هناك جزء من كوكبنا. وهذا ما يؤكده تشابه التركيبات الكيميائية الأرضية والقمرية.

مدارات الأقمار الصناعية

هناك 3 أنواع من المدارات.

يميل المستوى القطبي إلى المستوى الاستوائي للكوكب بزاوية قائمة.

ينزاح مسار المدار المائل بالنسبة إلى المستوى الاستوائي بزاوية أقل من 90 0 .

يقع المستوى الاستوائي (ويُسمى أيضًا الثابت بالنسبة للأرض) في المستوى الذي يحمل نفس الاسم؛ ويتحرك الجسم السماوي على طول مساره بسرعة دوران الكوكب حول محوره.

كما تنقسم مدارات الأقمار الصناعية حسب شكلها إلى نوعين أساسيين – دائرية وإهليلجية. في مدار دائري يتحرك جسم سماوي في أحد مستويات الكوكب بمسافة ثابتة فوق سطح الكوكب. وإذا تحرك القمر الصناعي في مدار إهليلجي، فإن هذه المسافة تتغير خلال فترة المدار الواحد.

الأقمار الصناعية الطبيعية لكواكب النظام الشمسي: حقائق مثيرة للاهتمام

يتمتع قمر زحل تيتان بجو كثيف خاص به. توجد على سطحه بحيرات تحتوي على مركبات هيدروكربونية سائلة.

وبعد الاتحاد السوفييتي والولايات المتحدة، تم إطلاق الأقمار الصناعية من قبل فرنسا (1965)، وأستراليا (1967)، واليابان (1970)، والصين (1970)، وبريطانيا العظمى (1971).

ويستند التنفيذ إلى التعاون العلمي والتقني الدولي. على سبيل المثال، أطلقت الدول الصديقة للاتحاد السوفييتي أقمارًا صناعية من الموانئ الفضائية السوفييتية. تم إطلاق بعض الأقمار الصناعية المصنعة في كندا وفرنسا وإيطاليا منذ عام 1962 باستخدام مركبات الإطلاق التي طورتها الولايات المتحدة.

ما هو الجسم الكوني الذي يدور في مدار حول كوكب معين؟ حسب الأصل فهي طبيعية ومصطنعة. وتحظى الأقمار الطبيعية للكواكب باهتمام خاص لدى المجتمع العالمي، لأنها لا تزال تخفي الكثير من الألغاز، ولا يزال معظمها في انتظار اكتشافها. هناك مشاريع لدراستها ذات أهمية خاصة وحكومية وعالمية. تتيح الأقمار الصناعية حل المشكلات التطبيقية والعلمية على مستوى الكوكب الفردي والفضاء الخارجي بأكمله.

ما هي الأقمار الصناعية ل؟

من منا لم يصرخ بفرح وهو ينظر إلى السماء العميقة المرصعة بالنجوم: - انظر، انظر، القمر الصناعي يطير! ولم يكن هذا القمر الصناعي مرتبطًا على الإطلاق بأي شيء آخر غير الفضاء.
لكن الآن أصبحت القصة مختلفة تمامًا! توفر الأقمار الصناعية الاتصالات والتلفزيون وتحديد التنسيق والأمن والإنترنت. وسوف يتوصل الناس إلى العديد من الأشياء لجعل تكنولوجيات الفضاء تخدم مصلحة الناس.
وسنخبرك لماذا وما هي طرق استخدام أنظمة الأقمار الصناعية الأكثر شيوعًا اليوم.

لماذا في بعض الأحيان تكون تقنيات الأقمار الصناعية فقط هي خيار التطوير الوحيد؟
عند تركيب الخطوط الأرضية يتم استخدام الأسلاك - الألياف الضوئية أو النحاسية، أو مع التكنولوجيا اللاسلكية - الشبكات الخلوية أو الإنترنت الراديوي. كل هذا العمل الباهظ الثمن له دائمًا عيوب كبيرة:

• تغطية محدودة للإقليم. يحتوي أي جهاز إرسال أو استقبال للإشارة على منطقة تشغيل معينة، والتي تعتمد على قوة المنطقة وتضاريسها؛
• تتعلق قضايا تحديث الشبكة دائمًا بالقدرات التقنية وجدوى إنفاق الموارد المالية؛
• غالبًا ما يكون من المستحيل تفكيك المعدات بسرعة وإنشاء محطة في موقع جديد.

وفي بعض الحالات، يكون استخدام أنظمة الأقمار الصناعية هو الأكثر تبريرًا من الناحية الفنية والمالية لضمان اتصالات موثوقة وعالية الجودة.

سوف تجدنا الأقمار الصناعية دائمًا

بدون تكنولوجيا الأقمار الصناعية، لن تتاح لنا الفرصة أبدًا للعثور على بعضنا البعض على كوكبنا الكبير.
يتيح لك نظام الإحداثيات العالمي تحديد موقع الكائنات بدقة (خط الطول وخط العرض وحتى الارتفاع فوق مستوى سطح البحر)، وكذلك اتجاه حركة وسرعة هذا الكائن.
يشتمل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الأمريكي المعروف على 24 قمرًا صناعيًا، وشبكة واسعة من المحطات الأرضية التي تتمتع بقدرة غير محدودة لربط محطات المستخدمين.
نظام تحديد المواقع يعمل بشكل مستمر. يمكن لأي شخص على هذا الكوكب استخدامه، ما عليك سوى شراء جهاز ملاح GPS. تقدم الشركات المصنعة نماذج محمولة، وسيارات، وطيران، وبحرية. لا تكتمل عمليات البحث والإنقاذ في أي بلد في العالم دون مساعدة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

ومنذ وقت ليس ببعيد، نشرت روسيا نظام الملاحة GLONASS الخاص بها، على غرار النظام الأمريكي، وبنفس المستوى من الدقة في تحديد الإحداثيات.
كلا النظامين متاحان ومجانيان تمامًا.

الأقمار الصناعية تحمينا

وهذا ينطبق بشكل خاص على صناعة السيارات. تم دمج نظام الأمان الرئيسي بنجاح مع قنوات الاتصال عبر الأقمار الصناعية ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وطرق الرادار التقليدية.
كيف تعمل أنظمة الأمن عبر الأقمار الصناعية؟
تم تركيب الوحدة المركزية المزودة بأجهزة استشعار أمنية بشكل خفي على السيارة. في حالة الطوارئ، يتم إرسال إشارة من الوحدة المركزية عبر قنوات الاتصال إلى المالك أو المرسل. يساعد نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على تتبع المسار والموقع ووضع القيادة في الوقت الفعلي.

الأقمار الصناعية تسلينا

الموضوع الأحدث والأكثر شهرة هو القنوات الفضائية. لكننا اعتدنا بالفعل على اللوحات الموجودة في منازلنا لدرجة أننا لا نلاحظها عمليًا. لكن ثلاثة أجهزة فقط: الهوائي، وجهاز الاستقبال، والمحول تمنحنا متعة غير عادية من مشاهدة برامجنا التلفزيونية المفضلة.
الفرق عن هوائي التلفزيون التقليدي هو أنه بدلاً من البرج، يعمل القمر الصناعي ويرسل إشارة رقمية. وينتج عن ذلك مجموعة كبيرة من القنوات وجودة الصورة.

الأقمار الصناعية تربطنا بالأصدقاء

أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية العالمية الأكثر شيوعًا والمعروفة (GCSS): Globalstar، Inmarsat، Iridium، Thuraya. في بداية إنشائها، كان من المفترض أن تقوم هذه الأنظمة بتنظيم الاتصالات الهاتفية المتنقلة والأرضية حيث لا توجد خطوط اتصال. مع مزيد من التطوير، ظهرت فرص جديدة: الوصول إلى الإنترنت، ونقل المعلومات في أشكال مختلفة. وأصبح GSSS متعدد الخدمات.
إذا وصفنا عمل هذه الأنظمة باختصار، فسوف يبدو الأمر هكذا.
يستقبل القمر الصناعي إشارة المشترك ويرسلها إلى أقرب محطة على الأرض. تقوم المحطة بتحديد الإشارة واختيار المسار وإرسالها عبر الشبكات الأرضية أو قناة فضائية إلى نقطة الاستقبال.
يكمن الفرق بين أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية العالمية في تكلفة حركة المرور، وحجم وتكلفة محطات المستخدم، ومناطق التغطية، وكذلك في الميزات التقنية لمفهوم النظام نفسه.

تساعدنا الأقمار الصناعية على العيش بشكل مريح

يجري تطوير نظام الأقمار الصناعية ذو الفتحة الصغيرة جدًا (VSAT) بشكل نشط. يشبه هذا النظام أساسًا للمصمم: يمكنك إضافة المعدات والوصول إلى الإنترنت والمعدات الأخرى - والشبكات المحلية للمستخدمين في مناطق مختلفة متحدة بالفعل. يمكنك أيضًا جمع البيانات وحجز قنوات الاتصال وإدارة عمليات الإنتاج المختلفة وتنظيم مؤتمرات الفيديو والصوت عن بعد.
مثل هذا النظام سهل النشر وبدء العمل. لقد تم بالفعل تقدير جودة الاتصال وسهولة الصيانة والاستخدام من قبل المؤسسات المالية وسلاسل البيع بالتجزئة والمؤسسات الصناعية الكبيرة.

تتكون الشبكة المعتمدة على VSAT من محطة تحكم مركزية (CCS) ومحطات مستخدم وقمر صناعي للترحيل.
ومع المزيد من التطوير، ستصبح جميع الأنظمة حتماً أكثر سهولة وأرخص وأكثر ملاءمة وأسهل لإدارة وفهم العمليات الجارية لاستيعاب حياتنا اليومية باستخدام تقنيات الأقمار الصناعية.

الآن، عندما تنظر حالمًا إلى سماء الليل وترى نجمًا متحركًا، ستعتقد أنهم، الأقمار الصناعية، يسهلون الحياة وينوعونها إلى حد كبير. وهذا عظيم.

يوجد على الجزء الخارجي من سبوتنيك أربعة هوائيات سوطية تُرسل على ترددات الموجات القصيرة أعلى وأقل من المعيار الحالي (27 ميجاهرتز). التقطت محطات التتبع على الأرض إشارة الراديو وأكدت أن القمر الصناعي الصغير نجا من الإطلاق وكان ناجحًا في مساره حول كوكبنا. وبعد شهر، أطلق الاتحاد السوفييتي القمر الصناعي سبوتنيك 2 إلى مداره. داخل الكبسولة كانت الكلبة لايكا.

في ديسمبر 1957، حاول العلماء الأمريكيون، في محاولة يائسة لمواكبة خصومهم في الحرب الباردة، وضع قمر صناعي في مدار حول كوكب فانجارد. ولسوء الحظ، تحطم الصاروخ واحترق أثناء الإقلاع. بعد ذلك بوقت قصير، في 31 يناير 1958، كررت الولايات المتحدة النجاح السوفييتي من خلال تبني خطة فيرنر فون براون لإطلاق القمر الصناعي إكسبلورر 1 بصاروخ أمريكي. حجر احمر. حمل المستكشف 1 أدوات للكشف عن الأشعة الكونية واكتشف في تجربة أجراها جيمس فان ألين من جامعة أيوا أن عدد الأشعة الكونية أقل بكثير مما كان متوقعًا. أدى ذلك إلى اكتشاف منطقتين حلقيتين (سميتا في النهاية باسم فان ألين) مملوءتين بالجسيمات المشحونة المحاصرة في المجال المغناطيسي للأرض.

وبتشجيع من هذه النجاحات، بدأت العديد من الشركات في تطوير وإطلاق الأقمار الصناعية في الستينيات. كان أحدهم هيوز للطائرات، مع المهندس النجم هارولد روزين. قاد روزن الفريق الذي نفذ فكرة كلارك، وهي وضع قمر صناعي للاتصالات في مدار الأرض بطريقة تمكنه من بث موجات الراديو من مكان إلى آخر. في عام 1961، تعاقدت ناسا مع هيوز لبناء سلسلة الأقمار الصناعية سينكوم (الاتصالات المتزامنة). في يوليو 1963، رأى روزن وزملاؤه انفجار سينكوم-2 في الفضاء ودخوله في مدار متزامن مع الأرض. استخدم الرئيس كينيدي النظام الجديد للتحدث مع رئيس وزراء نيجيريا في أفريقيا. وسرعان ما انطلق Syncom-3، والذي يمكنه بالفعل بث إشارة تلفزيونية.

لقد بدأ عصر الأقمار الصناعية.

ما الفرق بين القمر الصناعي والحطام الفضائي؟

من الناحية الفنية، القمر الصناعي هو أي جسم يدور حول كوكب أو جرم سماوي أصغر. يصنف علماء الفلك الأقمار على أنها أقمار طبيعية، وعلى مر السنين قاموا بتجميع قائمة بمئات من هذه الأجسام التي تدور حول الكواكب والكواكب القزمة في نظامنا الشمسي. على سبيل المثال، أحصوا 67 قمرا لكوكب المشتري. ولا يزال.

يمكن أيضًا تصنيف الأجسام التي من صنع الإنسان مثل سبوتنيك وإكسبلورر على أنها أقمار صناعية لأنها، مثل الأقمار، تدور حول كوكب. لسوء الحظ، أدى النشاط البشري إلى وجود كمية هائلة من الحطام في مدار الأرض. كل هذه القطع والحطام تتصرف مثل الصواريخ الكبيرة، حيث تدور حول الكوكب بسرعة عالية في مسار دائري أو بيضاوي. وفي تفسير صارم للتعريف، يمكن تعريف كل جسم من هذا القبيل على أنه قمر صناعي. لكن علماء الفلك عمومًا يعتبرون الأقمار الصناعية هي تلك الأجسام التي تؤدي وظيفة مفيدة. تندرج قصاصات المعدن وغيرها من النفايات ضمن فئة الحطام المداري.

يأتي الحطام المداري من مصادر عديدة:

• انفجار صاروخي ينتج عنه معظم النفايات.
• أرخى رائد الفضاء يده - إذا كان رائد الفضاء يقوم بإصلاح شيء ما في الفضاء وأخطأ في مفتاح الربط، فإنه سيضيع إلى الأبد. يذهب المفتاح إلى المدار ويطير بسرعة حوالي 10 كم/ثانية. وإذا اصطدمت بشخص أو قمر صناعي، فقد تكون النتائج كارثية. تعتبر الأجسام الكبيرة مثل محطة الفضاء الدولية هدفًا كبيرًا للحطام الفضائي.
• العناصر المهملة. أجزاء من حاويات الإطلاق وأغطية عدسات الكاميرا وما إلى ذلك.

أطلقت وكالة ناسا قمرًا صناعيًا خاصًا يسمى LDEF لدراسة الآثار طويلة المدى للاصطدامات بالحطام الفضائي. وعلى مدار ست سنوات، سجلت أجهزة القمر الصناعي حوالي 20 ألف ارتطام، بعضها ناجم عن النيازك الدقيقة والبعض الآخر بسبب الحطام المداري. يواصل علماء ناسا تحليل بيانات LDEF. لكن اليابان لديها بالفعل شبكة عملاقة لالتقاط الحطام الفضائي.

ماذا يوجد داخل القمر الصناعي العادي؟

تأتي الأقمار الصناعية بأشكال وأحجام عديدة وتؤدي العديد من الوظائف المختلفة، ولكنها جميعها متشابهة بشكل أساسي. جميعها لها إطار وجسم معدني أو مركب، وهو ما يسميه المهندسون الناطقون باللغة الإنجليزية بالحافلة، ويطلق عليه الروس اسم المنصة الفضائية. تجمع المنصة الفضائية كل شيء معًا وتوفر التدابير الكافية لضمان بقاء الأدوات على قيد الحياة عند الإطلاق.

جميع الأقمار الصناعية لديها مصدر للطاقة (عادة الألواح الشمسية) والبطاريات. تسمح مصفوفات الألواح الشمسية بشحن البطاريات. تشتمل أحدث الأقمار الصناعية أيضًا على خلايا الوقود. الطاقة الساتلية مكلفة للغاية ومحدودة للغاية. تُستخدم خلايا الطاقة النووية عادة لإرسال مجسات فضائية إلى كواكب أخرى.

تحتوي جميع الأقمار الصناعية على جهاز كمبيوتر على متنها للتحكم في الأنظمة المختلفة ومراقبتها. كل شخص لديه راديو وهوائي. كحد أدنى، تحتوي معظم الأقمار الصناعية على جهاز إرسال لاسلكي وجهاز استقبال لاسلكي حتى يتمكن الطاقم الأرضي من الاستعلام عن حالة القمر الصناعي ومراقبتها. تسمح العديد من الأقمار الصناعية بالكثير من الأشياء المختلفة، بدءًا من تغيير المدار وحتى إعادة برمجة نظام الكمبيوتر.

وكما قد تتوقع، فإن تجميع كل هذه الأنظمة معًا ليس بالمهمة السهلة. يستغرق سنوات. كل شيء يبدأ بتحديد هدف المهمة. يتيح تحديد معلماته للمهندسين تجميع الأدوات اللازمة وتثبيتها بالترتيب الصحيح. بمجرد الموافقة على المواصفات (والميزانية)، يبدأ تجميع القمر الصناعي. ويتم ذلك في غرفة نظيفة، وهي بيئة معقمة تحافظ على درجة الحرارة والرطوبة المطلوبة وتحمي القمر الصناعي أثناء التطوير والتجميع.

عادة ما يتم تصنيع الأقمار الصناعية حسب الطلب. قامت بعض الشركات بتطوير أقمار صناعية معيارية، أي هياكل يسمح تجميعها بتركيب عناصر إضافية وفقًا للمواصفات. على سبيل المثال، تحتوي أقمار بوينج 601 على وحدتين أساسيتين - هيكل لنقل النظام الفرعي للدفع والإلكترونيات والبطاريات؛ ومجموعة من الرفوف على شكل قرص العسل لتخزين المعدات. تسمح هذه النمطية للمهندسين بتجميع الأقمار الصناعية من الفراغات وليس من الصفر.

كيف يتم إطلاق الأقمار الصناعية في المدار؟

اليوم، يتم إطلاق جميع الأقمار الصناعية إلى مدارها على متن صاروخ. يقوم العديد بنقلهم في قسم الشحن.

في معظم عمليات إطلاق الأقمار الصناعية، يتم إطلاق الصاروخ بشكل مستقيم إلى أعلى، مما يسمح له بالتحرك بشكل أسرع عبر الغلاف الجوي السميك وتقليل استهلاك الوقود. بعد إقلاع الصاروخ، تستخدم آلية التحكم في الصاروخ نظام التوجيه بالقصور الذاتي لحساب التعديلات اللازمة على فوهة الصاروخ لتحقيق الدرجة المطلوبة.

وبعد دخول الصاروخ إلى الهواء الرقيق، على ارتفاع حوالي 193 كيلومترا، يطلق نظام الملاحة صواريخ صغيرة، تكفي لقلب الصاروخ إلى وضع أفقي. بعد ذلك، يتم تحرير القمر الصناعي. ويتم إطلاق الصواريخ الصغيرة مرة أخرى مما يؤدي إلى حدوث فرق في المسافة بين الصاروخ والقمر الصناعي.

السرعة المدارية والارتفاع

ويجب أن يصل الصاروخ إلى سرعة 40320 كيلومترا في الساعة ليتمكن من الهروب تماما من الجاذبية الأرضية ويطير إلى الفضاء. السرعة الفضائية أكبر بكثير مما يحتاجه القمر الصناعي في مداره. إنهم لا يهربون من جاذبية الأرض، بل هم في حالة توازن. السرعة المدارية هي السرعة المطلوبة للحفاظ على التوازن بين سحب الجاذبية وحركة القصور الذاتي للقمر الصناعي. أي ما يقرب من 27359 كيلومترًا في الساعة على ارتفاع 242 كيلومترًا. وبدون الجاذبية، فإن القصور الذاتي سيحمل القمر الصناعي إلى الفضاء. حتى مع وجود الجاذبية، إذا تحرك القمر الصناعي بسرعة كبيرة، فسيتم حمله إلى الفضاء. إذا تحرك القمر الصناعي ببطء شديد، فإن الجاذبية سوف تسحبه نحو الأرض.

تعتمد السرعة المدارية للقمر الصناعي على ارتفاعه فوق الأرض. كلما اقتربنا من الأرض، زادت السرعة. وعلى ارتفاع 200 كيلومتر، تبلغ السرعة المدارية 27400 كيلومتر في الساعة. وللحفاظ على مدار على ارتفاع 35786 كيلومترا، يجب أن يتحرك القمر الصناعي بسرعة 11300 كيلومتر في الساعة. تسمح هذه السرعة المدارية للقمر الصناعي بالتحليق مرة واحدة كل 24 ساعة. وبما أن الأرض تدور أيضًا لمدة 24 ساعة، فإن القمر الصناعي على ارتفاع 35,786 كيلومترًا يكون في موقع ثابت بالنسبة إلى سطح الأرض. ويسمى هذا الموقف ثابت بالنسبة للأرض. يعتبر المدار الثابت بالنسبة للأرض مثاليًا للأقمار الصناعية الخاصة بالطقس والاتصالات.

بشكل عام، كلما ارتفع المدار، زادت مدة بقاء القمر الصناعي هناك. على ارتفاع منخفض، يكون القمر الصناعي في الغلاف الجوي للأرض، مما يخلق مقاومة. وعلى ارتفاعات عالية، لا توجد أي مقاومة تقريبًا، ويمكن للقمر الصناعي، مثل القمر، أن يبقى في مداره لعدة قرون.

أنواع الأقمار الصناعية

على الأرض، تبدو جميع الأقمار الصناعية متشابهة - صناديق أو اسطوانات لامعة مزينة بأجنحة مصنوعة من الألواح الشمسية. لكن في الفضاء، تتصرف هذه الآلات المتثاقلة بشكل مختلف تمامًا اعتمادًا على مسار طيرانها وارتفاعها واتجاهها. ونتيجة لذلك، يصبح تصنيف الأقمار الصناعية مسألة معقدة. أحد الأساليب هو تحديد مدار المركبة بالنسبة لكوكب (عادةً الأرض). تذكر أن هناك مدارين رئيسيين: دائري وإهليلجي. تبدأ بعض الأقمار الصناعية في شكل بيضاوي ثم تدخل في مدار دائري. ويتبع آخرون مسارًا بيضاويًا يُعرف باسم مدار مولنيا. تدور هذه الأجسام عادةً من الشمال إلى الجنوب عبر قطبي الأرض وتكمل تحليقًا كاملاً خلال 12 ساعة.

تمر الأقمار الصناعية ذات المدار القطبي أيضًا بالقطبين مع كل دورة، على الرغم من أن مداراتها أقل إهليلجية. تبقى المدارات القطبية ثابتة في الفضاء أثناء دوران الأرض. ونتيجة لذلك، فإن معظم الأرض تمر تحت القمر الصناعي في مدار قطبي. ولأن المدارات القطبية توفر تغطية ممتازة للكوكب، فإنها تستخدم في رسم الخرائط والتصوير الفوتوغرافي. ويعتمد المتنبئون أيضًا على شبكة عالمية من الأقمار الصناعية القطبية التي تدور حول الكرة الأرضية كل 12 ساعة.

يمكنك أيضًا تصنيف الأقمار الصناعية حسب ارتفاعها فوق سطح الأرض. وبناء على هذا المخطط هناك ثلاث فئات:

• المدار الأرضي المنخفض (LEO) - تشغل الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي المنخفض منطقة من الفضاء تتراوح بين 180 إلى 2000 كيلومتر فوق الأرض. تعتبر الأقمار الصناعية التي تدور بالقرب من سطح الأرض مثالية للمراقبة والأغراض العسكرية وجمع معلومات الطقس.
• مدار أرضي متوسط ​​(MEO) - تطير هذه الأقمار الصناعية على ارتفاع يتراوح بين 2000 إلى 36000 كيلومتر فوق الأرض. تعمل أقمار الملاحة GPS بشكل جيد على هذا الارتفاع. السرعة المدارية التقريبية هي 13,900 كم/ساعة.
• المدار الثابت بالنسبة للأرض (المتزامن مع الأرض) - تدور الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض حول الأرض على ارتفاع يتجاوز 36000 كيلومتر وبنفس سرعة دوران الكوكب. ولذلك، فإن الأقمار الصناعية الموجودة في هذا المدار تكون دائمًا متوضعة في نفس المكان على الأرض. تطير العديد من الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض على طول خط الاستواء، مما أدى إلى حدوث العديد من الاختناقات المرورية في هذه المنطقة من الفضاء. تستخدم عدة مئات من الأقمار الصناعية للتلفزيون والاتصالات والطقس مدارًا ثابتًا بالنسبة للأرض.

وأخيرا، يمكن للمرء أن يفكر في الأقمار الصناعية بمعنى المكان الذي "تبحث فيه". معظم الأجسام التي تم إرسالها إلى الفضاء خلال العقود القليلة الماضية كانت تنظر إلى الأرض. تحتوي هذه الأقمار الصناعية على كاميرات ومعدات يمكنها رؤية عالمنا بأطوال موجية مختلفة من الضوء، مما يسمح لنا بالاستمتاع بمناظر خلابة للأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء لكوكبنا. ويتجه عدد أقل من الأقمار الصناعية نحو الفضاء، حيث تراقب النجوم والكواكب والمجرات، وتبحث عن أجسام مثل الكويكبات والمذنبات التي يمكن أن تصطدم بالأرض.

الأقمار الصناعية المعروفة

حتى وقت قريب، ظلت الأقمار الصناعية أدوات غريبة وسرية للغاية، وتستخدم في المقام الأول للأغراض العسكرية للملاحة والتجسس. والآن أصبحوا جزءًا لا يتجزأ من حياتنا اليومية. بفضلهم، أصبحنا نعرف توقعات الطقس (على الرغم من أن المتنبئين بالطقس غالبًا ما يكونون مخطئين). نحن نشاهد التلفاز ونتصل بالإنترنت أيضًا بفضل الأقمار الصناعية. يساعدنا نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في سياراتنا وهواتفنا الذكية في الوصول إلى المكان الذي نريد الذهاب إليه. هل يستحق الحديث عن المساهمة التي لا تقدر بثمن لتلسكوب هابل وعمل رواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية؟

ومع ذلك، هناك أبطال حقيقيون للمدار. دعونا نتعرف عليهم.

1. تقوم أقمار لاندسات الصناعية بتصوير الأرض منذ أوائل السبعينيات، وهي تحمل الرقم القياسي لرصد سطح الأرض. تم إطلاق Landsat-1، المعروف سابقًا باسم ERTS (القمر الصناعي لتكنولوجيا موارد الأرض)، في 23 يوليو 1972. كانت تحمل أداتين رئيسيتين: كاميرا وماسح ضوئي متعدد الأطياف، صنعته شركة Hughes Aircraft Company وقادرة على تسجيل البيانات باللون الأخضر والأحمر وطيف الأشعة تحت الحمراء. أنتج القمر الصناعي مثل هذه الصور الرائعة واعتبر ناجحًا جدًا لدرجة أنه تبعه سلسلة كاملة. أطلقت ناسا آخر قمر صناعي لاندسات-8 في فبراير 2013. حملت هذه المركبة جهازي استشعار لرصد الأرض، وهما جهاز تصوير الأرض التشغيلي، وجهاز الاستشعار الحراري بالأشعة تحت الحمراء، حيث قاما بجمع صور متعددة الأطياف للمناطق الساحلية والجليد القطبي والجزر والقارات.
2. تدور الأقمار الصناعية البيئية التشغيلية المستقرة بالنسبة إلى الأرض (GOES) حول الأرض في مدار ثابت بالنسبة إلى الأرض، وكل منها مسؤول عن جزء ثابت من الكرة الأرضية. وهذا يسمح للأقمار الصناعية بمراقبة الغلاف الجوي عن كثب واكتشاف التغيرات في الظروف الجوية التي يمكن أن تؤدي إلى الأعاصير والأعاصير والفيضانات والعواصف الرعدية. تُستخدم الأقمار الصناعية أيضًا لتقدير هطول الأمطار وتراكم الثلوج، وقياس مدى الغطاء الثلجي، وتتبع حركة الجليد البحري والبحيرات. منذ عام 1974، تم إطلاق 15 قمرًا صناعيًا من نوع GOES إلى المدار، ولكن اثنين فقط من الأقمار الصناعية، GOES West وGOES East، يراقبان الطقس في أي وقت.
3. لعب جايسون-1 وجيسون-2 دورًا رئيسيًا في التحليل طويل المدى لمحيطات الأرض. أطلقت ناسا جيسون-1 في ديسمبر 2001 ليحل محل القمر الصناعي NASA/CNES Topex/Poseidon، الذي كان يعمل فوق الأرض منذ عام 1992. على مدار ما يقرب من ثلاثة عشر عامًا، قام جيسون-1 بقياس مستويات سطح البحر وسرعات الرياح وارتفاع الأمواج في أكثر من 95% من محيطات الأرض الخالية من الجليد. ناسا تقاعدت رسميا جيسون-1 في 3 يوليو 2013. دخل جايسون-2 المدار في عام 2008. وكانت تحمل أدوات عالية الدقة مكنت من قياس المسافة من القمر الصناعي إلى سطح المحيط بدقة تصل إلى عدة سنتيمترات. توفر هذه البيانات، بالإضافة إلى قيمتها بالنسبة لعلماء المحيطات، رؤية واسعة النطاق لسلوك أنماط المناخ العالمية.

كم تكلفة الأقمار الصناعية؟

بعد سبوتنيك وإكسبلورر، أصبحت الأقمار الصناعية أكبر وأكثر تعقيدًا. لنأخذ على سبيل المثال TerreStar-1، وهو قمر صناعي تجاري من شأنه أن يوفر خدمة البيانات المتنقلة في أمريكا الشمالية للهواتف الذكية والأجهزة المماثلة. تم إطلاق TerreStar-1 في عام 2009، وكان وزنه 6910 كجم. وعندما تم نشره بالكامل، كشف عن هوائي بطول 18 مترًا وألواح شمسية ضخمة يبلغ طول جناحيها 32 مترًا.

يتطلب بناء مثل هذه الآلة المعقدة قدرًا كبيرًا من الموارد، لذا تاريخيًا، لا يمكن إلا للوكالات الحكومية والشركات ذات الأموال الكبيرة أن تدخل في مجال الأقمار الصناعية. تكمن معظم تكلفة القمر الصناعي في المعدات - أجهزة الإرسال والاستقبال وأجهزة الكمبيوتر والكاميرات. تبلغ تكلفة القمر الصناعي النموذجي للطقس حوالي 290 مليون دولار. قمر صناعي للتجسس سيكلف 100 مليون دولار إضافية. أضف إلى ذلك تكلفة صيانة وإصلاح الأقمار الصناعية. يجب على الشركات أن تدفع مقابل النطاق الترددي عبر الأقمار الصناعية بنفس الطريقة التي يدفع بها أصحاب الهواتف مقابل الخدمة الخلوية. ويكلف هذا أحيانًا أكثر من 1.5 مليون دولار سنويًا.

عامل مهم آخر هو تكلفة بدء التشغيل. يمكن أن يتكلف إطلاق قمر صناعي واحد إلى الفضاء ما بين 10 إلى 400 مليون دولار، حسب الجهاز. يمكن لصاروخ Pegasus XL رفع 443 كيلوجرامًا إلى مدار أرضي منخفض مقابل 13.5 مليون دولار. سيتطلب إطلاق قمر صناعي ثقيل المزيد من الرفع. يمكن لصاروخ Ariane 5G إطلاق قمر صناعي وزنه 18 ألف كيلوغرام إلى مدار منخفض مقابل 165 مليون دولار.

على الرغم من التكاليف والمخاطر المرتبطة ببناء الأقمار الصناعية وإطلاقها وتشغيلها، فقد تمكنت بعض الشركات من بناء أعمال تجارية كاملة حولها. على سبيل المثال، بوينغ. قامت الشركة بتسليم حوالي 10 أقمار صناعية إلى الفضاء في عام 2012، وتلقت طلبات شراء لأكثر من سبع سنوات، وحققت إيرادات تبلغ حوالي 32 مليار دولار.

مستقبل الأقمار الصناعية

بعد مرور ما يقرب من خمسين عامًا على إطلاق سبوتنيك، فإن الأقمار الصناعية، مثل الميزانيات، تنمو وتزداد قوة. على سبيل المثال، أنفقت الولايات المتحدة ما يقرب من 200 مليار دولار منذ بداية برنامجها للأقمار الصناعية العسكرية، والآن، على الرغم من كل هذا، أصبح لديها أسطول من الأقمار الصناعية القديمة في انتظار استبدالها. ويخشى العديد من الخبراء أن بناء ونشر أقمار صناعية كبيرة لا يمكن تحقيقه ببساطة بأموال دافعي الضرائب. ويظل الحل الذي قد يقلب كل شيء رأساً على عقب هو الشركات الخاصة مثل SpaceX، وغيرها من الشركات التي من الواضح أنها لن تعاني من الركود البيروقراطي، مثل NASA وNRO وNOAA.

الحل الآخر هو تقليل حجم وتعقيد الأقمار الصناعية. يعمل العلماء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وجامعة ستانفورد منذ عام 1999 على نوع جديد من CubeSat، والذي يعتمد على وحدات بناء بحافة 10 سنتيمترات. يحتوي كل مكعب على مكونات جاهزة ويمكن دمجها مع مكعبات أخرى لزيادة الكفاءة وتقليل الضغط. ومن خلال توحيد التصميم وخفض تكلفة بناء كل قمر صناعي من الصفر، يمكن أن تصل تكلفة القمر الصناعي CubeSat الواحد إلى 100 ألف دولار.

في أبريل 2013، قررت وكالة ناسا اختبار هذا المبدأ البسيط باستخدام ثلاثة أقمار صناعية من نوع CubeSats مدعومة بالهواتف الذكية التجارية. كان الهدف هو وضع الأقمار الصناعية الصغيرة في المدار لفترة قصيرة والتقاط بعض الصور بهواتفهم. وتخطط الوكالة الآن لنشر شبكة واسعة من هذه الأقمار الصناعية.

وسواء كانت الأقمار الصناعية المستقبلية كبيرة أم صغيرة، فيجب أن تكون قادرة على التواصل بفعالية مع المحطات الأرضية. تاريخيًا، اعتمدت ناسا على اتصالات الترددات الراديوية، لكن الترددات اللاسلكية وصلت إلى الحد الأقصى مع ظهور الطلب على المزيد من الطاقة. وللتغلب على هذه العقبة، يعمل علماء ناسا على تطوير نظام اتصال ثنائي الاتجاه باستخدام أشعة الليزر بدلاً من موجات الراديو. في 18 أكتوبر 2013، أطلق العلماء لأول مرة شعاع ليزر لنقل البيانات من القمر إلى الأرض (على مسافة 384633 كيلومترًا) وحققوا سرعة نقل قياسية بلغت 622 ميجابت في الثانية.