Τεχνητός δορυφόρος

Ένας τεχνητός δορυφόρος είναι οποιοδήποτε συνθετικό κατασκεύασμα τοποθετείται σε τροχιά γύρω από ένα ουράνιο σώμα. Όλα τα σώματα που είναι μέρη του Ηλιακού Συστήματος, συμπεριλαμβανομένης της Γης, είναι δορυφόροι είτε του Ήλιου, είτε, όπως η Σελήνη, δορυφόροι άλλων σωμάτων. Αυτοί οι δορυφόροι όμως πλέον λέγονται φυσικοί δορυφόροι για να διακρίνονται από τους τεχνητούς.

Η αρχική ιδέα για τη χρήση δορυφόρων σε γεωσύγχρονη (ή γεωστατική) τροχιά γύρω από τη Γη διατυπώθηκε από τον επιστήμονα και συγγραφέα Άρθουρ Κλαρκ το 1945. Μετά το Β' Παγκόσμιο Πόλεμο, στηριγμένοι σε γερμανική πυραυλική τεχνολογία, αλλά και σε δοκιμές δικών τους επιστημόνων, Σοβιετικοί και Αμερικανοί άρχισαν δοκιμές για την αποστολή δορυφόρων σε τροχιά γύρω από τη Γη. Με την ευκαιρία του Διεθνούς Γεωφυσικού Έτους του 1957 εκτοξεύτηκε ο πρώτος τεχνητός δορυφόρος της ιστορίας, ο Σοβιετικός Σπούτνικ 1. Λίγο αργότερα ακολούθησε και ο αμερικανικός Εξπλόρερ 1.

Στις δεκαετίες του 1960 και 1970, η χρήση τεχνητών δορυφόρων γνώρισε μεγάλη ανάπτυξη, λόγω της μεγαλής χρησιμότητάς τους σε τηλεπικοινωνιακούς, επιστημονικούς αλλά και στρατιωτικούς σκοπούς. Σήμερα υπάρχουν σε τροχιά περίπου 2000 τεχνητοί δορυφόροι, από τους οποίους όμως χρησιμοποιούνται μόνο γύρω στους 500 (οι υπόλοιποι είναι παλιότερης τεχνολογίας). Τεχνητοί δορυφόροι έχουν τεθεί κατά καιρούς σε τροχιά γύρω και από τους περισσότερους πλανήτες του ηλιακού συστήματος αλλά και τη Σελήνη.

Ιστορική αναδρομή και χαρακτηριστικά τεχνητού δορυφόρου

Η εκτόξευση και η τοποθέτηση σε κατάλληλη τροχιά γίνεται με πυραύλους, οι οποίοι συνήθως αποτελούνται από πολλά μέρη (ορόφους). Κάθε όροφος είναι ένας ξεχωριστός πύραυλος, ο οποίος αρχίζει να λειτουργεί όταν εξαντληθούν τα καύσιμα του προηγούμενου ορόφου, ο οποίος αποσπάται και απορρίπτεται. Με τον τρόπο αυτόν το μέρος που απομένει έχει μικρότερο βάρος και συνεχίζει το ταξίδι του με ολοένα μεγαλύτερη ταχύτητα, μέχρις ότου φτάσει στο προβλεπόμενο ύψος και με την απαραίτητη ταχύτητα. Ιστορικά. Η εκτόξευση πυραύλων για θεαματικούς και στρατιωτικούς λόγους είχε πραγματοποιηθεί στην Κίνα πριν από αρκετούς αιώνες, αλλά με στοιχειώδη μέσα και χωρίς σοβαρές επιστημονικές γνώσεις. Η μελέτη του πυραύλου άρχισε στην Ρωσία από τον Κ. Τσιολοκόβσκι, από τα 1883 μέχρι τα 1941. Ομοίως ο Ρ. Γκόνταρντ συνεχίζει τις σχετικές μελέτες και προσπάθειες. Οι πρώτες οργανωμένες προσπάθειες έγιναν στη Γερμανία με γενναία κρατική χρηματοδότηση και με κύριο υπεύθυνο τον Βέρνερ φον Μπράουν, ο οποίος υπήρξε και ο μεγαλύτερος ειδικός σε θέματα πυραύλων. Στα 1942 εκτοξεύτηκε με επιτυχία ο πρώτος πύραυλος V – 2, που έφτασε σε ύψος 95 χλμ. Και στη συνέχεια μια σειρά πυραύλων του ίδιου τύπου χρησιμοποιήθηκε από τους ναζί για πολεμικές επιχειρήσεις κατά της Αγγλίας. Μετά την κατάρρευση της ναζιστικής Γερμανίας, η τεχνική των πυραύλων και το ήδη ειδικευμένο προσωπικό των Γερμανών μεταφέρεται στις ΗΠΑ, όπου συνεχίζονται οι τελειοποιήσεις των μηχανών αυτών, κάτω από συνθήκες άκρας μυστικότητας, για την κατασκευή διηπειρωτικών και άλλων πυραύλων. Συγχρόνως, παρόμοιες ενέργειες κάνουν και οι Σοβιετικοί, με την ίδια μυστικότητα. Έτσι, στη δεκαετία του 1950, οι στρατιωτικοί πύραυλοι έχουν τελειοποιηθεί και χρησιμοποιούνται ευρύτατα στα οπλοστάσια όλων των κρατών. Κατά την ίδια εποχή, άρχισαν να χρησιμοποιούνται ειδικοί πύραυλοι και για επιστημονικούς σκοπούς. Έτσι, κατά τον προγραμματισμό του Διεθνούς Γεωφυσικού Έτους (ΔΓΕ), στα 1957 – 1958, αποφασίστηκε να εκτοξευθούν και Τεχνητοί δορυφόροι για τη μελέτη ενός ευρύτατου πεδίου, που ενδιέφερε άμεσα τους γεωφυσικούς, τους γεωλόγους, τους σεισμολόγους, τους αστρονόμους κ.ά., από 66 χώρες. Κατά τη διάρκεια του ΔΓΕ και συγκεκριμένα στις 4 Οκτωβρίου 1957 εκτοξεύτηκε ο πρώτος Τεχνητός δορυφόρος της Γης από την ΕΣΣΔ. Η ημέρα αυτή είναι η αρχή της εποχής του διαστήματος. Γενικές αρχές. Για να εκτοξευθεί με επιτυχία ένας Τεχνητός δορυφόρος, πρέπει να κινηθεί τουλάχιστο με την κριτική ταχύτητα διαφυγής, η οποία δίδεται από τη σχέση:

V²=2G*(M/R)

όπου G είναι η παγκόσμια σταθερά, M η μάζα της Γης και R η ακτίνα της. Στην περίπτωση που η εκτόξευση γίνεται από κάποιο ύψος I, τότε αντί του R θέτουμε το R+1 και η ταχύτητα ελαττώνεται. Η ταχύτητα διαφυγής στην επιφάνεια της Γης είναι 11,8 χλμ., ανά δευτερόλεπτο, ενώ στην επιφάνεια της Σελήνης 2,38 χλμ., ανά δευτερόλεπτο. Ο επόμενος πίνακας δίνει την ταχύτητα διαφυγής σε διάφορα ύψη από την επιφάνεια της Γης.

Ύψος Ταχύτητα διαφυγής

0 χλμ. 11,18 χλμ. ανά δευτερόλεπτο

200 >> 11,01 >>
400 >> 10,85 >>
600 >> 10,69 >>
800 >> 10,54 >>
1000 >> 10,40 >>

Μετά την εκτόξευση και εφόσον ο Τεχνητός δορυφόρος φτάσει σε ορισμένο ύψος, η ταχύτητα του πρέπει να αλλάξει κατεύθυνση και να γίνει κάθετη προς την ευθεία που ορίζει το κέντρο της Γης με το σκάφος. Τότε εφόσον και πάλι η ταχύτητα είναι η σωστή, γίνεται Τεχνητός δορυφόρος και περιφέρεται γύρω από τη Γη. Η κίνηση των Τεχνητών δορυφόρων ακολουθεί τους νόμους του Κέπλερ, όπως ακριβώς και οι φυσικοί δορυφόροι. Έτσι, τη μια εστία κατέχει το κέντρο της μάζας της Γης. Το ακριβές σχήμα της έλλειψης εξαρτιέται από το ύψος στο οποίο ο δορυφόρος θα τοποθετηθεί στην τροχιά του, από τη ταχύτητα την οποία θα έχει ο δορυφόρος κατά την είσοδο του στην τροχιά και από τη διεύθυνση του ως προς την ευθεία: κέντρο της Γης – δορυφόρος. Είναι δυνατόν η ελλειπτική τροχιά να συμπίπτει, περίπου, με κύκλο, οπότε την ονομάζουμε κυκλική. Στην περίπτωση αυτήν σε κάθε ύψος αντιστοιχεί ορισμένη ταχύτητα του δορυφόρου και ορισμένη περίοδος. Τα στοιχεία αυτά δίνονται στον επόμενο πίνακα.

Από τον πίνακα φαίνεται ότι αν ο δορυφόρος τοποθετηθεί σε κυκλική τροχιά, σε ύψος 35900 χλμ., και κινείτε παράλληλα προς τον ισημερινό και κατά τη φορά περιστροφής της Γης, τότε, επειδή χρειάζεται 24 ώρες για μια πλήρη περιφορά, όσο και ένα σημείο της γήινης επιφάνειας, θα φαίνεται σαν να είναι σε σταθερή θέση πάνω από έναν τόπο, χωρίς να κινείτε. Οι δορυφόροι αυτού του τύπου λέγονται «στάσιμοι» ή σύγχρονοι». Η ταχύτητα την οποία πρέπει να έχει ένα σώμα για να τοποθετηθεί σε κυκλική τροχιά, σε ορισμένο ύψος, ονομάζεται «πρώτη κοσμική ταχύτητα». Και αν ένα σώμα κινείτε με την ταχύτητα διαφυγής, δηλαδή 11,18 χλμ. ανά δευτερόλεπτο θα διαγράψει μια παραβολική τροχιά, ενώ αν εκτοξευτεί με ταχύτητα μεγαλύτερη από 11,18 χλμ. ανά δευτερόλεπτο, θα διαγράψει υπερβολική τροχιά. Και στις δύο αυτές περιπτώσεις θα διαφύγει στο διάστημα εγκαταλείποντας τη Γη, χωρίς να ξαναπέσει πάνω σ’ αυτήν. Η ταχύτητα διαφυγής ονομάζεται και παραβολική ταχύτητα ή «δεύτερη κοσμική ταχύτητα». Αν ένα σώμα κινηθεί με την ταχύτητα αυτήν, τότε απελευθερώνεται μεν από την έλξη της Γης αλλά όχι και από εκείνη του Ηλίου. Έτσι, θα συνεχίσει την κίνηση του γύρω από τον Ήλιο σαν τεχνητός πλανήτης. Αν θέλουμε να εκτοξεύσουμε ένα σώμα το οποίο να εγκαταλείψει το ηλιακό μας σύστημα και να κινηθεί στο μεσοαστρικό χώρο, τότε θα πρέπει κατά την εκτόξευση να έχει ταχύτητα τουλάχιστον 16,6 χλμ. ανά δευτερόλεπτο, η οποία λέγεται «Τρίτη κοσμική ταχύτητα». Την τρίτη κοσμική ταχύτητα έχουν τα δύο διαστημόπλοια «Βόγιατζερ», τα οποία προγραμματίστηκαν να περάσουν κοντά από τον Δία, τον Κρόνο, τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα και μετά να συνεχίσουν στο μεσοαστρικό διάστημα. Γι’ αυτό και φέρουν πλάκες ενδεικτικές του τόπου της προέλευσης τους, ώστε να αναγνωριστούν από άλλα λογικά όντα στην περίπτωση που θα έχουν μια τέτοια συνάντηση στις αιώνιες περιπλανήσεις τους στο αχανές. Εκτόξευση δορυφόρου. Η αποβολή ενός δορυφόρου αρχίζει πάντοτε με την εκτόξευση του με τον πύραυλο – φορέα. Οι πολλοί μικροί δορυφόροι και μάλιστα κατά τα πρώτα εγχειρήματα, εκτοξεύτηκαν με απλό πύραυλο, από εκείνους που ήδη χρησιμοποιούνται για στρατιωτικούς σκοπούς, όπως ο «Άτλας» ή ο «κένταυρος». Όταν οι απαιτήσεις έγιναν μεγαλύτερες, είτε γιατί το ύψος των τροχιών ήταν μεγαλύτερο είτε γιατί το βάρος ήταν πολύ μεγαλύτερο, τότε, άρχισαν να χρησιμοποιούνται συνδυασμένοι πύραυλοι στην αρχή και αργότερα οι πύραυλοι πολλών ορόφων, όπως αναφέρονται στην αρχή. Επειδή η Γη περιφέρεται γύρω από τον άξονα της από τα Δ προς τα Α, η εκτόξευση γίνεται πάντοτε κατά την ίδια κατεύθυνση με σκοπό να εκμεταλλευτούμε και την ταχύτητα περιστροφής της Γης, η οποία στον ισημερινό είναι 465 μ. ανά δευτερόλεπτο, ενώ σε γεωγραφικό πλάτος 300 φτάνει τα 402 μ. ανά δευτερόλεπτο και σε πλάτος 450 τα 328 μ. ανά δευτερόλεπτο. Και βέβαια το σημείο εκτόξευσης πρέπει να βρίσκεται όσο το δυνατόν πιο κοντά στον ισημερινό, ώστε να προστεθεί και η αντίστοιχη ταχύτητα της Γης. Γιατί αν και η αρχική διεύθυνση του πυραύλου είναι κατακόρυφη ως προς τον τόπο εκτόξευσης, η κίνηση του ως προς το κέντρο της Γης είναι σύνθετη, με μια συνιστώσα κατακόρυφη και μια οριζόντια που είναι η κίνηση της Γης. Όταν ο πύραυλος φτάσει στο προϋπολογισμένο ύψος και με την προϋπολογισμένη ταχύτητα, παίρνει κλίση προς τα Α και αρχίζει την κυκλική ελλειπτική τροχιά του. Τότε, με ειδικούς μικρούς πυραύλους, ο δορυφόρος αποχωρίζεται από τον τελευταίο όροφο του πυραύλου και αρχίζει την αποστολή του. Αν χρειάζεται διόρθωση ή οποιαδήποτε μεταβολή, η τροχιά του δορυφόρου, επιφέρεται με ειδικούς μικρούς πυραύλους που πυροδοτούνται με εντολές που δίνονται με ραδιοσήματα. Όλες οι φάσεις της εκτόξευσης και όλα τα σχετικά στοιχεία έχουν προϋπολογιστεί και εξαρτιούνται από τα συστήματα που χρησιμοποιούνται σε κάθε αποστολή, όπως ο τύπος του πυραύλου – φορέα, ο τύπος του δορυφόρου, η αντοχή των οργάνων και των συσκευών τους στις μεγάλες επιταχύνσεις κτλ. Ειδικοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές, εγκατεστημένοι στο κέντρο παρακολούθησης, συνδέονται με κεραίες εκπομπής και λήψης ραδιοσημάτων, ώστε να παρακολουθούν τον πύραυλο και το δορυφόρο σε κάθε στιγμή και να κάνουν αυτόματα τις απαιτούμενες διορθώσεις. Επιπλέον, ένα επιτελείο από ειδικούς επιστήμονες και τεχνικούς βρίσκεται σε επιφυλακή ώστε να αντιμετωπίσουν οποιαδήποτε απρόοπτη εξέλιξη που θα μπορούσε να παρουσιαστεί, παρά το λεπτομερέστατο προγραμματισμό των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Η δυσκολότερη φάση του εγχειρήματος είναι η τελική τοποθέτηση του δορυφόρου στην τροχιά του, η οποία διαρκεί μερικά δευτερόλεπτα μόνο. Κατά τη διάρκεια της, συνήθως, προκύπτουν τόσα προβλήματα, ώστε για να διατυπωθούν και να λυθούν χρειάζονται 10 μαθηματικοί να εργάζονται για 10 χρόνια. Και όμως, με τα αυτόματα συστήματα και τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, που χρησιμοποιούνται, όχι μόνο αναγνωρίζονται, διατυπώνονται και λύνονται τα προβλήματα αυτά, αλλά και οι λύσεις τους στέλνονται στο σκάφος και εφαρμόζονται, μόλις σε λίγα δευτερόλεπτα. Είναι φανερό, ότι δε θα μπορούσε να γίνει εκτόξευση και επιτυχής τοποθέτηση σε τροχιά κανενός δορυφόρου, αν δεν είχαν αναπτυχθεί τα αυτόματα συστήματα παρακολούθησης και οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Διάρκεια ζωής ενός δορυφόρου., λέγεται το χρονικό διάστημα κατά το οποίο ο δορυφόρος μπορεί να παραμείνει στην τροχιά του και εξαρτιέται από το ύψος και τη μορφή του.

Σπούτνικ 1 (Спутник-1, Sputnik 1)
Σπούτνικ 2 (Спутник-2, Sputnik 2)

Explorer 1

Έκο ( Echo , Ηχώ)

Κούριερ 1Β (Courier 1B )