VỆ TINH NHÂN TẠO: CHÚNG DÙNG ĐỂ LÀM GÌ, HOẠT ĐỘNG NHƯ THẾ NÀO, CHỦNG LOẠI, QUAN TRỌNG - ARTE - 2025

Các vệ tinh là phương tiện hoặc các thiết bị xây dựng đặc biệt sẽ được phát hành vào không gian mà không cần phi hành đoàn, để quỹ đạo xung quanh Trái Đất hoặc thiên thể khác.

Những ý tưởng đầu tiên về việc xây dựng vệ tinh nhân tạo đến từ các tác giả khoa học viễn tưởng, ví dụ như Jules Verne và Arthur C. Clark. Sau này là một sĩ quan radar trong Không quân Hoàng gia và vào cuối Thế chiến thứ hai, đã hình thành ý tưởng sử dụng ba vệ tinh trên quỹ đạo quanh Trái đất để duy trì một mạng lưới viễn thông.

Hình 1. Vệ tinh nhân tạo quay quanh Trái đất. Nguồn: Wikimedia Commons.

Vào thời điểm đó, vẫn chưa có sẵn các phương tiện để đưa một vệ tinh lên quỹ đạo. Phải mất vài năm nữa quân đội Hoa Kỳ mới sản xuất được phương tiện liên lạc vệ tinh đầu tiên vào đầu những năm 1950.

Cuộc chạy đua không gian giữa Hoa Kỳ và Liên Xô đã thúc đẩy ngành công nghiệp vệ tinh nhân tạo. Vệ tinh đầu tiên được đưa vào quỹ đạo thành công là vệ tinh Sputnik của Liên Xô vào năm 1957 và nó phát ra tín hiệu trong dải tần 20-40 MHz.

Tiếp theo là sự ra mắt của Echo I bởi Hoa Kỳ, cho mục đích liên lạc. Kể từ đó, nhiều vụ phóng lên quỹ đạo đã được cả hai cường quốc thành công và sau đó, nhiều quốc gia đã tham gia công nghệ mới.

Vệ tinh nhân tạo để làm gì?

-Trong viễn thông, để truyền lại các thông điệp vô tuyến, truyền hình và điện thoại di động.

-Trong nghiên cứu khoa học và khí tượng, bao gồm cả đo đạc bản đồ và quan sát thiên văn.

-Với mục đích tình báo quân sự.

-Đối với việc sử dụng định vị và định vị, GPS (Hệ thống Định vị Toàn cầu) là một trong những hệ thống được biết đến nhiều nhất.

- Theo dõi bề mặt đất.

-Trong các trạm không gian, được thiết kế để trải nghiệm cuộc sống bên ngoài Trái đất.

Họ làm việc như thế nào?

Trong cuốn Principia của mình, Isaac Newton (1643-1727) đã thiết lập những gì cần thiết để đặt một vệ tinh lên quỹ đạo, mặc dù thay vì vệ tinh, ông đã sử dụng một quả đạn đại bác bắn từ đỉnh đồi làm ví dụ.

Được bắn với một vận tốc ngang nhất định, viên đạn đi theo quỹ đạo parabol thông thường. Tăng tốc độ, tầm với ngang ngày càng lớn hơn, điều đó đã rõ ràng. Nhưng một tốc độ nhất định sẽ khiến viên đạn đi vào quỹ đạo quanh Trái đất?

Trái đất uốn cong từ một đường tiếp tuyến với bề mặt với tốc độ 4,9 m cho mỗi 8 km. Mọi vật được thả rơi từ trạng thái nghỉ sẽ rơi 4,9 m trong giây đầu tiên. Do đó, khi bắn đạn theo phương ngang từ đỉnh cao với vận tốc 8 km / s, nó sẽ rơi 4,9 m trong giây đầu tiên.

Nhưng Trái đất cũng sẽ giảm xuống 4,9 m trong thời gian đó, khi nó uốn cong dưới quả đạn pháo. Nó tiếp tục di chuyển theo chiều ngang, bao phủ 8 km và sẽ vẫn ở cùng độ cao so với Trái đất trong giây đó.

Đương nhiên, điều tương tự xảy ra sau một giây tiếp theo và trong tất cả những giây liên tiếp, biến viên đạn thành một vệ tinh nhân tạo, không cần thêm bất kỳ lực đẩy nào, miễn là không có ma sát.

Tuy nhiên, ma sát gây ra bởi sức cản của không khí là không thể tránh khỏi, đó là lý do tại sao tên lửa đẩy là cần thiết.

Tên lửa nâng vệ tinh lên một độ cao lớn, nơi bầu khí quyển mỏng hơn tạo ra ít lực cản hơn và cung cấp cho nó tốc độ ngang cần thiết.

Tốc độ đó phải lớn hơn 8 km / s và nhỏ hơn 11 km / s. Sau đó là vận tốc thoát. Dự kiến ​​với tốc độ này, vệ tinh sẽ từ bỏ ảnh hưởng hấp dẫn của Trái đất, đi vào không gian.

Cấu trúc vệ tinh nhân tạo

Các vệ tinh nhân tạo chứa nhiều cơ chế phức tạp khác nhau để thực hiện các chức năng của chúng, liên quan đến việc nhận, xử lý và gửi các loại tín hiệu khác nhau. Chúng cũng phải nhẹ và có quyền tự chủ hoạt động.

Các cấu trúc chính là chung cho tất cả các vệ tinh nhân tạo, do đó có một số hệ thống con tùy theo mục đích. Chúng được gắn trong một vỏ làm bằng kim loại hoặc các hợp chất nhẹ khác, đóng vai trò như một giá đỡ và được gọi là xe buýt.

Trên xe buýt, bạn có thể tìm thấy:

- Mô-đun điều khiển trung tâm, chứa máy tính, nơi dữ liệu được xử lý.

- Ăng ten thu và phát để liên lạc và truyền dữ liệu bằng sóng vô tuyến, cũng như kính thiên văn, máy ảnh và radar.

- Một hệ thống các tấm pin mặt trời trên cánh, để thu được năng lượng cần thiết và pin sạc khi vệ tinh ở trong bóng râm. Tùy thuộc vào quỹ đạo, vệ tinh cần khoảng 60 phút ánh sáng mặt trời để sạc lại pin, nếu chúng ở quỹ đạo thấp. Các vệ tinh ở xa hơn dành nhiều thời gian hơn để tiếp xúc với bức xạ mặt trời.

Do vệ tinh trải qua một thời gian dài tiếp xúc với bức xạ này nên cần phải có hệ thống bảo vệ để tránh hư hại cho các hệ thống khác.

Các bộ phận tiếp xúc sẽ rất nóng, trong khi ở trong bóng râm, chúng đạt nhiệt độ cực thấp, do không có đủ khí quyển để điều chỉnh các thay đổi. Vì lý do này, bộ tản nhiệt được yêu cầu để loại bỏ nhiệt và vỏ nhôm để bảo tồn nhiệt khi cần thiết.

Các loại vệ tinh nhân tạo

Tùy thuộc vào quỹ đạo của chúng, vệ tinh nhân tạo có thể là hình elip hoặc hình tròn. Tất nhiên, mỗi vệ tinh có một quỹ đạo được ấn định, nói chung là cùng hướng mà Trái đất quay, được gọi là quỹ đạo không đồng bộ. Nếu vì lý do nào đó mà vệ tinh đi theo hướng ngược lại, thì nó có quỹ đạo quay ngược lại.

Dưới lực hấp dẫn, các vật thể chuyển động theo đường elip theo định luật Kepler. Các vệ tinh nhân tạo không thoát khỏi điều này, tuy nhiên, một số quỹ đạo hình elip có độ lệch tâm nhỏ đến mức chúng có thể được coi là hình tròn.

Các quỹ đạo cũng có thể nghiêng so với đường xích đạo của Trái đất. Ở độ nghiêng 0º chúng là quỹ đạo xích đạo, nếu nghiêng 90º chúng là quỹ đạo địa cực.

Độ cao của vệ tinh cũng là một tham số quan trọng, vì độ cao từ 1500 - 3000 km là vành đai Van Allen đầu tiên, một khu vực cần tránh do tốc độ bức xạ cao của nó.

Hình 2. Quỹ đạo, độ cao và tốc độ của vệ tinh nhân tạo. Các vệ tinh bị loại bỏ đi vào quỹ đạo nghĩa trang, mặc dù có tàn tích trong tất cả các quỹ đạo. Nguồn: Wikimedia Commons.

Quỹ đạo vệ tinh

Quỹ đạo của vệ tinh được chọn tùy theo sứ mệnh của nó, vì có nhiều độ cao ít nhiều thuận lợi cho các hoạt động khác nhau. Theo tiêu chí này, vệ tinh được phân loại là:

- LEO (Quỹ đạo Trái đất thấp) , chúng cao từ 500 đến 900 km và mô tả một con đường tròn, với chu kỳ khoảng 1 giờ rưỡi và độ nghiêng 90º. Chúng được sử dụng cho điện thoại di động, fax, máy nhắn tin cá nhân, cho xe cộ và tàu thuyền.

- MEO (Quỹ đạo Trái đất Trung bình) , chúng ở độ cao từ 5000-12000 km, độ nghiêng 50º và khoảng thời gian khoảng 6 giờ. Họ cũng được sử dụng trong điện thoại di động.

- GEO (Geosynchronous Earth Orbit) , hoặc quỹ đạo địa tĩnh, mặc dù có một sự khác biệt nhỏ giữa hai thuật ngữ. Cái trước có thể có độ nghiêng thay đổi, trong khi cái sau luôn ở 0º.

Trong mọi trường hợp, chúng đang ở độ cao lớn -36.000 km hoặc ít hơn-. Chúng di chuyển theo quỹ đạo tròn trong thời gian 1 ngày. Nhờ có họ, fax, điện thoại đường dài và truyền hình vệ tinh có sẵn, cùng các dịch vụ khác.

Hình 3. Sơ đồ quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo. 1) Trái đất. 2) LEO. 3) MEO, 4) Quỹ đạo không đồng bộ địa lý. Nguồn: Wikimedia Commons.

Vệ tinh địa tĩnh

Vào thời kỳ đầu, các vệ tinh liên lạc có chu kỳ khác với chu kỳ quay của Trái đất, nhưng điều này gây khó khăn cho việc định vị các ăng-ten và liên lạc bị mất. Giải pháp là đặt vệ tinh ở độ cao sao cho chu kỳ của nó trùng với chu kỳ quay của Trái đất.

Theo cách này, vệ tinh quay quanh cùng với Trái đất và dường như được cố định đối với nó. Độ cao cần thiết để đặt một vệ tinh trong quỹ đạo không đồng bộ là 35786,04 km và được gọi là vành đai Clarke.

Chiều cao của quỹ đạo có thể được tính bằng cách thiết lập chu kỳ, sử dụng biểu thức sau, suy ra từ Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton và định luật Kepler:

Trong đó P là chu kỳ, a là độ dài của bán trục chính của quỹ đạo elip, G là hằng số vạn vật hấp dẫn và M là khối lượng của Trái đất.

Vì theo cách này, định hướng của vệ tinh đối với Trái đất không thay đổi, nên nó đảm bảo rằng nó sẽ luôn tiếp xúc với nó.

Vệ tinh nhân tạo quan trọng nhất của Trái đất

Sputnik

Hình 4. Bản sao của Sputnik, vệ tinh nhân tạo đầu tiên trên quỹ đạo trong lịch sử. Nguồn: Wikimedia Commons.

Nó là vệ tinh nhân tạo đầu tiên trong lịch sử nhân loại, được Liên Xô cũ đưa vào quỹ đạo vào tháng 10 năm 1957. Vệ tinh này được theo sau bởi 3 vệ tinh khác, như một phần của chương trình Sputnik.

Chiếc Sputnik đầu tiên khá nhỏ và nhẹ: chủ yếu là 83 kg nhôm. Nó có khả năng phát ra tần số từ 20 đến 40 MHz, ở trên quỹ đạo trong 3 tuần, sau đó nó rơi xuống Trái đất.

Ngày nay, các bản sao của Sputnik có thể được nhìn thấy trong nhiều viện bảo tàng ở Liên bang Nga, châu Âu và thậm chí cả Mỹ.

Tàu con thoi vũ trụ

Một sứ mệnh có người lái nổi tiếng khác là Hệ thống Vận chuyển Không gian STS hoặc Tàu con thoi, hoạt động từ năm 1981 đến năm 2011 và đã tham gia cùng với các sứ mệnh quan trọng khác trong việc phóng Kính viễn vọng Không gian Hubble và Trạm Vũ trụ Quốc tế, cùng với các sứ mệnh của sửa chữa các vệ tinh khác.

Tàu con thoi có quỹ đạo không đồng bộ và có thể tái sử dụng, vì nó có thể đến và đi đến Trái đất. Trong số năm chiếc phà, hai chiếc đã vô tình bị phá hủy cùng với thủy thủ đoàn của họ: Challenger và Columbia.

Vệ tinh GPS

Hệ thống Định vị Toàn cầu được biết đến rộng rãi với chức năng định vị chính xác người và vật ở bất kỳ đâu trên thế giới. Mạng GPS bao gồm ít nhất 24 vệ tinh độ cao, trong đó luôn có 4 vệ tinh có thể nhìn thấy từ Trái đất.

Chúng bay trên quỹ đạo ở độ cao 20.000 km và chu kỳ của chúng là 12 giờ. GPS sử dụng một phương pháp toán học tương tự như phương pháp tam giác để đánh giá vị trí của các đối tượng, được gọi là phương pháp trilateration.

GPS không giới hạn trong việc định vị người hoặc phương tiện, nó cũng hữu ích cho việc lập bản đồ, khảo sát, trắc địa, hoạt động cứu hộ và thực hành thể thao, trong số các ứng dụng quan trọng khác.

Kính viễn vọng không gian Hubble

Nó là một vệ tinh nhân tạo cung cấp những hình ảnh chưa từng có trước đây về hệ mặt trời, các ngôi sao, các thiên hà và vũ trụ xa xôi mà không bị bầu khí quyển của Trái đất hoặc ô nhiễm ánh sáng ngăn cản hoặc làm biến dạng ánh sáng ở xa.

Hình 5. Hình ảnh của Kính viễn vọng Không gian Hubble. Nguồn: NASA qua Wikimedia Commons.

Do đó, sự ra mắt của nó vào năm 1990 là bước tiến đáng chú ý nhất của ngành thiên văn học trong thời gian gần đây. xi lanh 11 tấn khổng lồ Hubble là ở độ cao 340 dặm (548 km) quay quanh Trái đất trong một chuyển động tròn, với một khoảng thời gian 96 phút.

Nó dự kiến ​​sẽ ngừng hoạt động từ năm 2020 đến năm 2025, được thay thế bằng kính viễn vọng không gian James Webb.

Trạm không gian quốc tế

Được gọi là ISS (Trạm vũ trụ quốc tế), nó là một phòng thí nghiệm nghiên cứu quỹ đạo, được quản lý bởi năm cơ quan vũ trụ trên thế giới. Cho đến nay nó là vệ tinh nhân tạo lớn nhất còn tồn tại.

Không giống như các vệ tinh còn lại, trong Trạm vũ trụ có con người trên tàu. Ngoài phi hành đoàn cố định gồm ít nhất hai phi hành gia, nhà ga thậm chí còn được khách du lịch ghé thăm.

Mục đích của trạm chủ yếu là khoa học. Nó có 4 phòng thí nghiệm, trong đó điều tra tác động của không trọng lực và thực hiện các quan sát thiên văn, vũ trụ và khí hậu, cũng như các thí nghiệm khác nhau về sinh học, hóa học và ảnh hưởng của bức xạ trên các hệ thống khác nhau.

Chandra

Vệ tinh nhân tạo này là một đài quan sát để phát hiện tia X, tia X bị bầu khí quyển của Trái đất hấp thụ và do đó không thể nghiên cứu từ bề mặt. NASA đã đưa nó vào quỹ đạo vào năm 1999 thông qua Tàu con thoi Columbia.

Vệ tinh liên lạc Iridium

Chúng tạo nên một mạng lưới gồm 66 vệ tinh ở độ cao 780 km theo quỹ đạo kiểu LEO, với thời gian là 100 phút. Chúng được thiết kế bởi công ty điện thoại Motorola để cung cấp liên lạc qua điện thoại ở những nơi không thể tiếp cận. Tuy nhiên, nó là một dịch vụ có chi phí rất cao.

Hệ thống vệ tinh Galileo

Đây là hệ thống định vị do Liên minh Châu Âu phát triển, tương đương với GPS và dùng trong dân dụng. Nó hiện có 22 vệ tinh đang hoạt động, nhưng nó vẫn đang được xây dựng. Nó có khả năng định vị một người hoặc một vật thể với độ chính xác 1 mét trong phiên bản mở và nó có thể tương tác với các vệ tinh của hệ thống GPS.

Landsat loạt

Chúng là những vệ tinh được thiết kế đặc biệt để quan sát bề mặt trái đất. Họ bắt đầu công việc của mình vào năm 1972. Trong số những việc khác, họ phụ trách lập bản đồ địa hình, ghi lại thông tin về sự di chuyển của băng ở các cực và phạm vi của các khu rừng, cũng như tìm kiếm khai thác.

Hệ thống Glonass

Đây là hệ thống định vị của Liên bang Nga, tương đương với GPS và mạng Galileo.

Quan sát vệ tinh nhân tạo

Các vệ tinh nhân tạo có thể được nhìn thấy từ Trái đất bởi những người nghiệp dư khi chúng phản xạ ánh sáng mặt trời và có thể được coi là điểm sáng, ngay cả khi Mặt trời đã lặn.

Để xác định vị trí của chúng, bạn nên cài đặt một trong các ứng dụng tìm kiếm vệ tinh trên điện thoại hoặc tham khảo các trang internet theo dõi vệ tinh.

Ví dụ, bạn có thể nhìn thấy Kính viễn vọng Không gian Hubble bằng mắt thường, hoặc tốt hơn là với ống nhòm tốt, nếu bạn biết nơi để nhìn.

Việc chuẩn bị để quan sát vệ tinh cũng giống như chuẩn bị cho việc quan sát mưa sao băng. Kết quả tốt nhất thu được vào những đêm rất tối và quang đãng, không có mây và không có trăng, hoặc khi mặt trăng thấp ở đường chân trời. Càng xa ô nhiễm ánh sáng càng tốt, bạn cũng phải mang theo quần áo ấm và đồ uống nóng.

Người giới thiệu

1. Cơ quan Vũ trụ Châu Âu. Vệ tinh. Đã khôi phục từ: esa.int.
2. Giancoli, D. 2006. Vật lý: Các nguyên tắc với ứng dụng. Ngày 6. Ed Prentice Hall.
3. Maran, S. Thiên văn học dành cho người giả.
4. NỒI. Giới thiệu về Kính viễn vọng Không gian Hubble. Đã khôi phục từ: nasa.gov.
5. Vệ tinh nhân tạo là gì và chúng hoạt động như thế nào? Được khôi phục từ: youbioit.com
6. Wikiversity. Vệ tinh nhân tạo. Được khôi phục từ: es.wikiversity.org.