ماهواره رصد از دیدگاه مهندسی فضایی

تاریخ ارسال:س, 11/13/1394 - 22:46
روز فناوری فضایی
شهرام یزدان‌پناه(1)

اطلاعات مهندسی منتشر شده درباره ماهواره رصد که در واقع محصول یک پروژه دانشجویی در دانشگاه مالک اشتر بوده است٬ آنقدر ناچیز و مختصر بود که دانش فضایی را بر آن داشت تا با تکیه بر حدس و گمان و تجربه کارشناسان خود به کشف اسرار! این ماهواره کوچک بپردازد. شما را به خواندن این مقاله تحلیلی دعوت می کنیم.
دقایقی پس از آن که موتور قدرتمند موشک فضایی سفیر رصد غرش خود را آغاز کرد و دشت سمنان را به لرزه درآورد ایران صاحب نخستین ماهواره تصویربرداری خود در فضا شد تا امیدوار باشیم می توان سیاره زیبای زمین را این بار از چشم نازک بین ایرانی رویت کرد. سفیر رصد به نرمی و آهستگی و با وقار تمام سکوی پرتاب خود را ترک کرد، در حالی که دل های بسیاری همراه با او پر می کشیدند. 
تاریخچه ساخت موشک های فضایی ایران با مظلومیت شهرهای بزرگ کشورمان در جنگ هشت ساله پیوند خورده است. 
موشک باران تهران در زمان جنگ باعث شد تا دولتمردان زمانه نبرد به ساخت موشک های جنگی روی آورند. این چنین بود که با ورود اولین نمونه موشک های روسی کوچکی موسوم به اسکاد به ایران، دستور داده شد تا یکی از آنها علی رغم نیاز شدید به این سلاح در جایی در باغ های شیان شهر تهران اوراق شود تا از چگونگی عملکرد این سلاح پیشرفته زمان خود سر در آورده شود. خیلی زود نمونه ایرانی این موشک ساخته شد و بدین سان بود که شهاب، لغتی کهن و با معنی این بار برای ایرانیان مفهومی تازه در مقوله خواستن و توانستن پیدا کرد. 
شهاب های ایرانی که روزگاری با روش مهندسی معکوس و به صورتی دقیق از روی یک نمونه خارجی ساخته شده بود، با دانش و تلاش مهندسان و دانشمندان ایرانی پیشرفت کرد و بهینه شد و به فناوری های روز دنیا مجهز گردید تا جایی که خود به محصولی متفاوت و پیشرفته و به مفهومی افتخارآفرین و نمونه ای برای صنعت ایرانی تبدیل شد.
روزگار گذشت و صلح هر چند از نوع قرن بیست و یکمی خود بر سرزمین آریایی ما ردای آرامش پوشاند. حالا دیگر زمانه دفاع و وحشت از بازی ناعادلانه نبود. حالا باید کاری می کردیم تا از شهاب ایرانی بهره برداری جدیدی می شد و این مهم محقق شد؛ زمانی که باز هم مهندسان ایرانی آستین همت بالا زدند و با تلفیق توانایی های خانواده نسل شهاب، موشکی فضایی ساختند که سفیر نامیده شد.

faza02.jpg

سری موشک های سفیر از سه بخش٬ مرحله اول٬ مرحله دوم و قسمت محموله (بخش آبی رنگ) تشکیل شده اند
موشک سفیر به نظر می رسد از سر هم سوار کردن موشک بهینه شده و تغییر یافته شهاب ۳ به عنوان مرحله اول و مجموعه جدیدی از دو موتور کوچک به عنوان مرحله دوم ساخته شده باشد. این سازه ۲۲ متری همانند جد جنگی خود حدود یک متر و نیم قطر دارد. مجموعه موشک و محموله فضایی ارزشمند آن حدود ۲۶ تن وزن دارند که برای خانواده های موشک های فضایی وزن بسیار ناچیزی به حساب می آید. اما قطعا این آغاز کار است و ما چشم به آینده ای پیشرفته تر و قدرتمندتر در عرصه وسایل نقلیه فضایی ایرانی خواهیم داشت. 
به نظر می رسد با توجه به خبرهایی که این روزها درباره احتمال از دست رفتن نقاط مداری ایران بر سر زبان ها افتاده است٬ هدف بلند مدت ایران٬ ساخت یک موشک فضایی قدرتمند است که بتواند حداقل دو تا سه تن محموله فضایی را در مدار پارکینگ٬ جایی در ارتفاع ۳۰۰ تا ۳۵۰ کیلومتری زمین قرار دهد. تنها در آن صورت خواهد بود که ایران می تواند به فرستادن یک ماهواره به مدار زمین ثابت (GEO) فکر کند.
طبق زمان بندی داده شده در کامپیوتر مرکزی موشک (موشک فضایی سفیر رصد)، ماهواره پس از خاموشی موتورهای دوگانه مرحله دوم و هنگامی که کل محموله در مدار موردنظر تزریق شده بود از پایه نگهدارنده خود جدا شده و در فضای اطراف زمین رها می شود. اما عملگرهای هدایت و کنترل ماهواره از جمله بوم گرادیان جاذبه آن خیلی زود دست به کار شده و دامنه نوسانات بزرگ ماهواره را کوچک و کوچک تر می کنند تا جایی که دوربین های ماهواره کاملا رو به سطح زمین قرار گرفتند.
قوانین فیزیکی ساده ای به ما می گویند که اگر بوم گرادیان جاذبه نصب شده روی ماهواره رصد بخوبی کار نکند، ماهواره، خود همزمان با چرخش به دور زمین نخواهد چرخید و بنابراین دوربین نصب شده در قسمت پایینی ماهواره رصد زمانی سطح زمین و زمانی فضای بالای سر را نشان خواهد داد. بوم گرادیان جاذبه باعث می شود که ماهواره همزمان با چرخیدن به دور زمین، خود نیز چرخیده و همواره به زمین نگاه کند. 
کنترل وضعیت در ماهواره های سنجش از دور که رصد را نیز می توان یکی از ساده ترین و کوچک ترین آنها به حساب آورد، بخش بسیار مهمی از سامانه فضایی را تشکیل می دهند. چرا که ماهواره های سنجشی برای دریافت اطلاعات و تصاویر از منطقه خاصی از محدوده زیر پای خود برنامه ریزی می شوند. بنابراین مهم است که ماهواره رصد بتواند برای تصویربرداری دقیق از منطقه ای که برایش تعیین شده است، وضعیت خود را درست مانند یک عکاس حرفه ای تنظیم کند و سپس دکمه شاتر دوربین خود را بفشارد. 
البته انتظار می رفت دوربین ماهواره رصد برای آنچه تصویربرداری یکپارچه نامیده می شود، برنامه ریزی شده باشد؛ اما آن چیزی که شبیه سازی های انیمیشنی پخش شده نشان می دهند خلاف این را ثابت می کند. تصویربرداری یکپارچه به مفهوم جاروی تصویری منطقه زیر پای ماهواره ای است که به دور زمین می گردد.

faza03.jpg

بوم گرادیان جاذبه
استفاده از بوم گرادیان جاذبه یکی از روش های کنترل وضعیت ماهواره نسبت به سطح مرجع زمین است که در گروه روش های کنترلی غیر فعال (Passive) جای می گیرد. در این روش می توان یا اساساً خود ماهواره را به دو بخش تقسیم نمود و یا با اضافه کردن وزنه ای به ماهواره که در فاصله دورتری از آن قرار دارد٬ وزن ماهواره را به دو بخش قسمت کرد. بنابراین جدا از آن که مرکز جرم ماهواره روی مدار مشخصی به دور زمین می گردد٬ خود ماهواره و وزنه تعادلی متصل به آن و یا دو بخش از هم جدا شده ماهواره روی دو مدار متفاوت و با فاصله  از مدار اصلی ولی با همان سرعت مرکز جرم به دور زمین می چرخند. بنابراین و از آنجا که با دور شدن از زمین٬ سرعت لازم مداری کاهش می یابد٬ تکه بالایی با سرعتی بیش از آنچه مورد نیاز است٬ زمین را دور می زند و به همین دلیل میل به فرار دارد و تکه پایینی با سرعتی کمتر از آنچه موقعیت ارتفاعی آن اقتضا می کند٬ می چرخد و بنابراین میل به سقوط دارد. از آنجا که فرار از مدار و سقوط به زمین هر دو حاصل برآیند نیروهایی است که همیشه عمود بر مسیر هستند٬ ماهواره هایی که از این تاکتیک استفاده می کنند٬ همواره نسبت به زمین در وصعیت ثابتی قرار دارند. چون در این سیستم کنترل وضعیت از هیچ کامپیوتر و به قول معروف حلقه کنترلی استفاده نشده است٬ این روش را روش غیر فعال کنترل وضعیت ماهواره می نامند.
دوربین های ماهواره ای سنجش از دور، به طور معمول قادر به تصویربرداری چند طیفی هستند. به این مفهوم که آنها می توانند در طول موج های مختلف داده برداری کنند و کاربران مرکز کنترل قادر خواهند بود با تلفیق چندتایی از آنها اطلاعات بی شماری را از تصاویر ارسال شده استخراج کنند. امری که با تصاویر دوربین های معمولی عکاسی که من و شما در دست داریم غیرممکن است. از ظواهر امر برمی آید که دوربین های ماهواره رصد نیز تصاویری معمولی برداشت کرده، بنابراین اطلاعات تصویری این ماهواره برای متخصصان دانش سنجش از دور غیرقابل استفاده است، اما قطعا اولین نگاه ایرانی از فضا خواهد بود که بسیار مغتنم و ارزشمند است.
تمام سیستم های ماهواره رصد از جمله بخش مخابرات که تصاویر و سایر داده های جمع آوری شده را به ایستگاه های زمینی مخابره و فرامین جدید را از آنها دریافت می کند و خود دوربین تصویربردار برای کار کردن به انرژی الکتریکی احتیاج دارد. از این روست که می بینیم تمام سطح جانبی ماهواره با سلول های خورشیدی پوشیده شده اند. اما سلول های خورشیدی تنها زمانی قادر به تولید جریان برق موردنیاز کل ماهواره خواهند بود که خورشید بر آنها بتابد.
می دانیم ماهواره رصد تقریبا روزی ۱۵ بار زمین را دور می زند. این بدان مفهوم است که ماهواره رصد در یک شبانه روز ما ۱۵ شب و روز را تجربه می کند. هر شبانه روز رصد ۹۰ دقیقه طول می کشد، بنابراین اگر بخواهیم تنها بر صفحات خورشیدی ماهواره متکی باشیم، به ازای هر ۴۵ دقیقه کار باید ماهواره را چهل و پنج دقیقه تعطیل کنیم. اما این موضوع به هیچ وجه خواسته طراحان نبوده است. بنابراین ماهواره رصد علاوه بر صفحات خورشیدی به باتری های داخلی قابل شارژ و سیستم کنترل تولید و توزیع برق نیز مجهز است. هنگامی که رصد در بخش روز زمین قرار دارد، پنل های خورشیدی علاوه بر تامین نیاز ماهواره به برق، باتری های آن را نیز شارژ می کنند. همین باتری ها در بخش تاریک و شب زمین وظیفه تامین برق ماهواره را از صفحات خورشیدی تحویل می گیرند.
در بیشتر ماهواره هایی که طول عمرهای طولانی برای مثال ۱۰ تا ۱۵ سال دارند٬ یکی از دلایل از کار افتادگی و خاموشی همیشگی آنها خراب شدن باتری ها است. باتری های فضایی مانند اسلاف زمینی خود با توجه به میزان جریان برقی که از آنها کشیده می شود و عمق تخلیه در زمانی که ماهواره بخش تاریک مسیر مداری خود را طی می کند٬ به تعداد دفعات مشخصی قادر به شارژ و دشارژ هستند و به مرور میزان شارژ پذیری آنها کم و کمتر می شود تا جاییکه برق ذخیره شده در باتریها پاسخگوی نیاز ماهواره در بخش سایه مدار نیست. البته این مشکل برای ماهواره رصد به دلیل طول عمر کوتاه آن مصداقی ندارد.
ماهواره رصد در مدار بسیار کم ارتفاعی تزریق شده است. آنقدر کم ارتفاع که اثرات بازدارنده جو زمین بشدت پارامترهای مداری آن را تحت تاثیر قرار می دهند. جو زمین را می توان به دو محدوده غلیظ و رقیق تقسیم بندی کرد. متعارف است که می گویند اتمسفر زمین تا ارتفاع یک هزارکیلومتری از سطح زمین گسترده شده است. اما واقعیت این است که اگر از ارتفاع ۸۰ کیلومتری زمین بالاتر روید جو به قدری رقیق می شود که می توان عملا حضور در خلأ را اعلام کرد. اما دانشمندان معتقدند مرز بین جو زمین و فضا در ارتفاع یکصد کیلومتری جایی که آن را خط کارمن می نامند، قرار دارد. از این محدوده تا ارتفاعات بسیار بالاتر و حتی در هزار کیلومتری زمین هم مولکول های گازی جو زمین تشخیص داده شده اند. اما جالب توجه است که در چنین ارتفاعاتی فاصله بین هر دو مولکول گاز به چند صد کیلومتر می رسد؛ بنابراین موافق خواهید بود که از این چند هزار مولکول هوا صرف نظر و آنجا اعلام خلأ کنیم.
در ارتفاع ۲۶۰ کیلومتری زمین، جایی که ماهواره رصد در نزدیک ترین فاصله به معبود آبی رنگ خود، یعنی زمین قرار دارد غلظت جو بسیار اندک است، به طوری که می توان انتظار داشت در هر چند صد متر یکبار با یک مولکول هوا برخورد کنیم. اما اگر به خاطر آوریم که ماهواره رصد با سرعتی در حدود ۲۹ هزار کیلومتر بر ساعت در حال چرخیدن به دور زمین است اذعان خواهیم کرد وجود چند صد هزار مولکول هوا در هر بار چرخیدن به دور زمین، خود خواهد توانست در طولانی مدت سرعت ماهواره و به طبع آن ارتفاع پروازی آن را را کم و کمتر کند تا جایی که جو زمین مانند یک گرداب ماهواره را ببلعد و رصد دیگر قادر به فرار از چنگال اصطکاک سرسام آور آن نباشد. 
ماهواره رصد هر روز که از عمر آن می گذرد و هر چرخی که به دور زمین می زند، بخشی از انرژی مداری خود را از دست می دهد و بیشتر و بیشتر به درون اتمسفر غلیظ تر زمین فرو می غلتد. 

faza04.jpg

تصویر خیالی از بازگشت یک ماهواره به جو زمین

انتظار نمی رود بقایایی از ماهواره رصد-۱ به زمین برسد.
انتظار می رود پس از حدود یک ماه و نیم اثرات جو زمین به قدری بر انرژی مداری و پارامترهای مداری ماهواره اثر بگذارد که مسیر پرواز بالستیکی ماهواره رصد را کج کرده و این ماهواره نیز مانند سلف موفق خود یعنی ماهواره امید سقوط کند و در جو زمین بسوزد. این آینده ای دراماتیک برای ماهواره ای است که آینده فضایی کشورمان و کل سیاره آبی رنگ مان را وارد عصر تصویرهای فضایی ایرانی از زمین خواهد کرد.

faza05.jpg

پرتاب موشک فضایی سفیر رصد و تزریق مداری ماهواره دانشجویی رصد-۱ را می توان برای کشور اهورایی ایران یک افتخار و گامی بزرگ تلقی کرد. متاسفانه بازی های سیاسی کودکانه داخلی و خارجی این دست آورد بزرگ را تبدیل به بازیچه ای سیاسی ساخته است که در میانه پرگرد و خاک آن تنها زحمات آرش های معاصر سرزمین ما به فراموشی سپرده می شود. 
ما هم در دانش فضایی از افتخار آفرینی دانشمندان و مهندسان ایرانی در ارسال ماهواره رصد به فضا بسیار خوشحال و مغروریم. اما نباید فراموش کنیم که همه فعالیتهای علمی، اکتشافات و اختراعات امروزی بدون توجه به اینکه در چه سرزمینی رخ می دهند بر پایه و به پشتوانه یافته های علمی فراوانی شکل می گیرند که از ابتدای تاریخ پیدایش بشر و در گوشه گوشه سیاره زیبای زمین از شرق تا غرب آن، ایجاد و جمع آوری شده اند. 
دانش فضایی عمیقاً آرزو دارد روزگاری فرا رسد که زمینیان فارغ از مرزهای خنده دار و کودکانه سیاسی و جغرافیایی دست در دست هم دهند برای کشف اسرار کائنات و نجات سیاره زیبایمان از آنچه خود بر سر آن آورده ایم.

 

منبع: http://www.spacescience.ir
-----------------------------
پی نوشت:
(1). پژوهشگر٬ نویسنده و مدرس دانش و فناوری فضایی .

مطالب مرتبط: 

Plain text

  • تگ‌های HTML مجاز نیستند.
  • نشانی صفحه‌ها وب و پست الکترونیک بصورت خودکار به پیوند تبدیل می‌شوند.
  • خطوط و پاراگراف‌ها بطور خودکار اعمال می‌شوند.
لطفا پاسخ سوال را بنویسید.

مطالب مرتبط