לוויינים מלאכותיים: בשביל מה הם נועדו, איך הם עובדים, סוגים, חשוב - ארטה - 2025

לוויין הם כלי רכב או מכשירים שנבנו במיוחד כדי להשתחרר למרחב ללא צוות, כדי במסלול סביב כדור הארץ או גוף שמימי אחר.

הרעיונות הראשונים לבניית לוויינים מלאכותיים הגיעו מחברי מדע בדיוני, למשל ז'ול ורן וארתור סי קלארק. האחרון היה קצין מכ"ם בחיל האוויר המלכותי. בסוף מלחמת העולם השנייה הגה את הרעיון להשתמש בשלושה לוויינים במסלול סביב כדור הארץ בכדי לתחזק רשת טלקומוניקציה.

איור 1. לוויין מלאכותי המקיף את כדור הארץ. מקור: Wikimedia Commons.

באותה תקופה עדיין לא היו האמצעים זמינים להצבת לוויין במסלול. לקח עוד כמה שנים עד שצבא ארצות הברית הפיק את התקשורת הלוויינית הראשונה בראשית שנות החמישים.

מרוץ החלל בין ארצות הברית לברית המועצות חיזק את תעשיית הלוויין המלאכותי. הראשון שהוצב במסלולו בהצלחה היה לוויין הספוטניק הסובייטי בשנת 1957 והוא פלט אותות בטווח 20-40 מגהרץ.

לאחר מכן הושק ארצות הברית מטעם ה- Echo I, למטרות תקשורת. מאז, שיגורים רבים למסלול הוחלפו על ידי שתי המעצמות, ובהמשך הצטרפו מדינות רבות לטכנולוגיה החדשה.

לשם מה לוויינים מלאכותיים?

-טלקומוניקציה, לשידור מחדש של הודעות רדיו, טלוויזיה וטלפון סלולרי.

במחקר מדעי ומטאורולוגי, כולל קרטוגרפיה ותצפיות אסטרונומיות.

למטרות מודיעין צבאי.

-לשימושי ניווט ומיקום, בהיותו ה- GPS (Global Positioning System) אחד הידועים ביותר.

כדי לפקח על פני השטח.

בתחנות חלל, המיועדות לחוות את החיים מחוץ לכדור הארץ.

איך הם עובדים?

בנסיכותו הקים אייזק ניוטון (1643-1727) את הדרוש בכדי להציב לוויין במסלול, אם כי במקום לוויין הוא שימש כדוגמה כדור תותח שנורה מראש הגבעה.

יורה במהירות אופקית מסוימת, הקליע עוקב אחר מסלול הפרבולים הרגיל. בהגדלת המהירות, טווח ההגעה האופקי הולך וגדל, משהו שהיה ברור. אך האם מהירות מסוימת תגרום לכדור לעבור למסלול סביב כדור הארץ?

כדור הארץ מתעקם מקו משיק אל פני השטח בקצב של 4.9 מ 'לכל 8 ק"מ. כל חפץ שישתחרר מנוחה ייפול 4.9 מ 'במהלך השניה הראשונה. לפיכך, כאשר יורים את הכדור אופקית מפסגה במהירות של 8 קמ"ש, הוא ייפול 4.9 מ 'במהלך השניה הראשונה.

אבל כדור הארץ גם ירד בתקופה זו 4.9 מ ', כשהוא מתעקל מתחת לתותח. זה ממשיך לנוע בצורה אופקית, מכסה את ה -8 ק"מ ונשאר באותו גובה ביחס לכדור הארץ באותה שנייה.

באופן טבעי אותו דבר קורה אחרי השניה הבאה ובכל השניות העוקבות, הופך את הכדור לוויין מלאכותי, ללא הנעה נוספת, כל עוד אין חיכוך.

עם זאת, אין אפשרות להתחמק מחיכוך הנגרם על ידי התנגדות אוויר, וזו הסיבה שנדרשת רקטת בוסטרים.

הרקטה מרימה את הלוויין לגובה רב, שם האווירה הדקה יותר מציעה פחות התנגדות ומספקת לו את המהירות האופקית הנחוצה.

מהירות כזו חייבת להיות גדולה מ- 8 קמ"ש ופחות מ- 11 קמ"ש. האחרון הוא מהירות הבריחה. כאשר הלוויין מוקרן במהירות זו, יעזוב את ההשפעה הכבדית של כדור הארץ, אל החלל.

מבנה לוויין מלאכותי

לוויינים מלאכותיים מכילים מנגנונים מורכבים שונים לביצוע הפונקציות שלהם, הכרוכים בקבלה, עיבוד ושליחה של סוגים שונים של אותות. הם חייבים להיות גם קלים ובעלי אוטונומיה של פעולה.

המבנים העיקריים משותפים לכל הלוויינים המלאכותיים, שבתורם יש מספר מערכות משנה בהתאם למטרה. הם מורכבים בתוך מעטה העשוי ממתכת או מתרכובות קלות אחרות המשמשות כתומך ונקרא אוטובוס.

באוטובוס תוכלו למצוא:

- מודול הבקרה המרכזי, המכיל את המחשב, איתו מעובדים הנתונים.

- קבלת והעברת אנטנות לתקשורת והעברת נתונים באמצעות גלי רדיו, כמו גם טלסקופים, מצלמות ורדארים.

- מערכת פאנלים סולאריים בכנפיים, להשיג את האנרגיה הדרושה וסוללות נטענות כאשר הלוויין בצל. תלוי במסלול, לווינים זקוקים לכ- 60 דקות של אור שמש כדי להטעין את הסוללות, אם הם במסלול נמוך. לוויינים רחוקים יותר מבלים זמן רב יותר בחשיפה לקרינת השמש.

מכיוון שלוויינים מבלים זמן רב בחשיפה לקרינה זו, נדרשת מערכת הגנה על מנת למנוע נזק למערכות אחרות.

החלקים החשופים מתחממים מאוד ואילו בצל הם מגיעים לטמפרטורות נמוכות במיוחד, מכיוון שאין מספיק אווירה כדי להסדיר את השינויים. מסיבה זו, רדיאטורים נדרשים לחסל מכסי חום ואלומיניום בכדי לחסוך חום במידת הצורך.

סוגי לוויינים מלאכותיים

בהתאם למסלול שלהם, לוויינים מלאכותיים יכולים להיות אליפטיים או מעגליים. כמובן שלכל לוויין יש מסלול שהוקצה, שבאופן כללי נמצא באותו הכיוון אליו מסתובב כדור הארץ, הנקרא מסלול אסינכרוני. אם מסיבה כלשהי הלוויין נוסע בדרך ההפוכה, אז יש לו מסלול מדרדר.

תחת כוח המשיכה חפצים נעים בנתיבים אליפטיים על פי חוקי קפלר. לוויינים מלאכותיים אינם בורחים מכך, עם זאת, בחלק מהמסלולים הסגלגלים יש אקסצנטריות כה קטנה עד שהם יכולים להיחשב כעגולים.

המסלול יכול להיות נוטה גם ביחס לקו המשווה של כדור הארץ. בנטייה של 0 מעלות הם מסלולי קו המשווה, אם הם 90 מעלות הם מסלולי קוטב.

גובה הלוויין הוא גם פרמטר חשוב, מכיוון שגובהו בין 1500 - 3000 ק"מ הוא חגורת ואן אלן הראשונה, אזור שיש להימנע ממנו בגלל קצב הקרינה הגבוה שלו.

איור 2. מסלול, גובה ומהירויות של לוויינים מלאכותיים. לוויינים לא משומשים עוברים למסלול בית הקברות, אם כי ישנם שרידים בכל המסלול. מקור: Wikimedia Commons.

מסלולי לוויין

מסלול הלוויין נבחר על פי המשימה שיש לו, מכיוון שיש גבהים נוחים פחות או יותר לפעולות שונות. על פי קריטריון זה, לוויינים מסווגים כ:

- LEO (מסלול כדור הארץ הנמוך) , הם גובהם 500 עד 900 ק"מ ומתארים מסלול מעגלי, עם תקופות של כשעה וחצי ונטייה של 90 מעלות. הם משמשים לטלפונים סלולריים, פקסים, זימונים אישיים, לרכבים ולסירות.

- MEO (מסלול בינוני אדמה) , הם בגובה של 5000-12000 ק"מ, נטייה של 50 מעלות ותקופה של 6 שעות בערך. הם מועסקים גם בטלפונים סלולריים.

- GEO (מסלול כדור הארץ גיאוסינכרוני) , או מסלול גיאוסטציוני, אם כי יש הבדל קטן בין שני המונחים. הראשון יכול להיות בעל נטייה משתנה, בעוד שהאחרונים תמיד נמצאים ב 0 מעלות.

בכל מקרה, הם נמצאים בגובה רב -36,000 ק"מ פחות או יותר-. הם נוסעים במסלולי מעגלים בתקופות של יום אחד. בזכותם, פקס, טלפוניה למרחקים ארוכים וטלוויזיה בלוויין זמינים, בין היתר.

איור 3. תרשים מסלולי לוויינים מלאכותיים. 1) כדור הארץ. 2) ליאו. 3) MEO, 4) מסלולי גיאוסינכרוני. מקור: Wikimedia Commons.

לוויינים גיאוסטציונריים

בתחילת הדרך היו לווייני התקשורת תקופות שונות מסיבוב כדור הארץ, אך הדבר הקשה על מיקום האנטנות והתקשורת אבדה. הפיתרון היה להציב את הלוויין בגובה כזה שתקופתו הייתה במקביל לסיבוב כדור הארץ.

בדרך זו הלוויין מסלול יחד עם כדור הארץ ונראה שהוא קבוע ביחס אליו. הגובה הנדרש להצבת לוויין במסלול גיאוסינכרוני הוא 35786.04 ק"מ ומכונה חגורת קלארק.

ניתן לחשב את גובה המסלול על ידי קביעת התקופה, באמצעות הביטוי הבא, הנגזר מחוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון וחוקיו של קפלר:

כאשר P הוא התקופה, a הוא אורך הציר החצי-עיקרי של המסלול האליפטי, G הוא קבוע הכבידה האוניברסאלי ו- M הוא מסת כדור הארץ.

מכיוון שבדרך זו הכיוון של הלוויין ביחס לכדור הארץ אינו משתנה, הוא מבטיח שהוא תמיד יהיה איתו קשר.

הלוויינים המלאכותיים החשובים ביותר של כדור הארץ

ספוטניק

איור 4. רפליקה של ספוטניק, הלוויין המלאכותי הראשון במסלול ההיסטוריה. מקור: Wikimedia Commons.

זה היה הלוויין המלאכותי הראשון בתולדות האנושות, שהוכנס למסלולו של ברית המועצות לשעבר באוקטובר 1957. אחרי הלוויין הזה הגיעו 3 נוספים, כחלק מתוכנית ספוטניק.

הספוטניק הראשון היה די קל וקל: 83 ק"ג מאלומיניום בעיקר. הוא היה מסוגל לפלוט תדרים בין 20 ל- 40 מגהרץ, הוא היה במסלול במשך שלושה שבועות, לאחר מכן הוא נפל לכדור הארץ.

העתקים של ספוטניק ניתן לראות כיום במוזיאונים רבים בפדרציה הרוסית, אירופה ואפילו אמריקה.

מעבורת החלל

משימה מאוישת נוספת ידועה הייתה מערכת הובלת החלל STS או מעבורת החלל, אשר הייתה פעילה בין השנים 1981 עד 2011 והשתתפה, בין שאר המשימות החשובות, בהשקת טלסקופ החלל האבל ותחנת החלל הבינלאומית, בנוסף למשימות של תיקון לוויינים אחרים.

מעבורת החלל הייתה במסלול אסינכרוני והיא ניתנת לשימוש חוזר, מכיוון שהיא יכולה לבוא וללכת לכדור הארץ. מבין חמש המעבורות שניים נהרסו בטעות יחד עם צוותיהם: הצ'לנג'ר והקולומביה.

לווייני GPS

מערכת המיקום העולמי ידועה לרוב באיתור מדויק של אנשים וחפצים בכל מקום בעולם. רשת ה- GPS מורכבת מלפחות 24 לוויינים בגובה רב, מהם תמיד 4 לוויינים הנראים מכדור הארץ.

הם במסלול בגובה של 20,000 ק"מ והתקופה שלהם היא 12 שעות. GPS משתמש בשיטה מתמטית הדומה למשולש כדי להעריך את מיקום האובייקטים, המכונה טרילטרציה.

GPS אינו מוגבל לאיתור אנשים או כלי רכב, הוא מועיל גם עבור קרטוגרפיה, מדידות, גיאודזיה, פעולות הצלה ותרגילי ספורט, בין יישומים חשובים אחרים.

טלסקופ החלל האבל

זהו לוויין מלאכותי המציע תמונות שאין כמוהו מעולם לעין של מערכת השמש, הכוכבים, הגלקסיות והיקום הרחוק, מבלי שאווירת כדור הארץ או זיהום האור חוסמים או מעוותים את האור המרוחק.

איור 5. מבט לטלסקופ החלל האבל. מקור: נאס"א באמצעות ויקימדיה Commons.

מכאן שההשקה שלה בשנת 1990 הייתה ההתקדמות המדהימה ביותר באסטרונומיה בתקופה האחרונה. צילינדר ה -11 טון הענק של האבל יושב בגובה של 548 ק"מ. הוא מקיף את כדור הארץ בתנועה סיבובית, עם פרק זמן של 96 דקות.

זה צפוי להיות מבוטל בין 2020 ל 2025, ויוחלף על ידי טלסקופ החלל ג'יימס ווב.

תחנת חלל בינלאומית

זו מכונה ISS (תחנת החלל הבינלאומית) והיא מעבדת מחקר מקיפה, המנוהלת על ידי חמש סוכנויות חלל ברחבי העולם. עד כה זהו הלוויין המלאכותי הגדול ביותר שקיים.

בניגוד לשאר הלוויינים, בתחנת החלל ישנם אנשים על הסיפון. בנוסף לצוות הקבוע של לפחות שני אסטרונאוטים, התחנה אף ביקרה על ידי תיירים.

מטרת התחנה היא בעיקר מדעית. יש לו 4 מעבדות בהן נבדקות השפעות של כוח הכבידה ומתבצעות תצפיות אסטרונומיות, קוסמולוגיות ואקלימיות, כמו גם ניסויים שונים בביולוגיה, כימיה והשפעת הקרינה על מערכות שונות.

צ'נדרה

לוויין מלאכותי זה הוא מצפה כוכבים לגילוי קרני רנטגן, שנקלטים באטמוספירה של כדור הארץ ולכן לא ניתן ללמוד אותם מהשטח. נאס"א הכניסה אותו למסלול בשנת 1999 באמצעות מעבורת החלל קולומביה.

לווייני תקשורת אירידיום

הם מהווים רשת של 66 לוויינים בגובה של 780 ק"מ במסלול מסוג LEO, עם פרק זמן של 100 דקות. הם תוכננו על ידי חברת הטלפונים מוטורולה כדי לספק תקשורת טלפונית במקומות בלתי נגישים. עם זאת, מדובר בשירות בעלות גבוהה מאוד.

מערכת לוויין גלילאו

זוהי מערכת המיצוב שפיתחה האיחוד האירופי, שווה ערך ל- GPS ולשימוש אזרחי. יש לו כיום 22 לוויינים הפועלים, אך הוא עדיין בבנייה. הוא מסוגל לאתר אדם או חפץ בדיוק של מטר בגירסה הפתוחה והוא ניתן לתפעול זה עם הלוויינים של מערכת ה- GPS.

סדרת Landsat

מדובר בלוויינים שתוכננו במיוחד לתצפית על פני כדור הארץ. הם התחילו את עבודתם בשנת 1972. בין היתר, הם ממונים על מיפוי השטח, רישום מידע על תנועת הקרח בקטבים ומידת היערות, כמו גם חיפושים כרייתיים.

מערכת גלונאס

זוהי מערכת המיקום הגיאוגרפי של הפדרציה הרוסית, המקבילה ל- GPS ולרשת גלילאו.

תצפית על לוויינים מלאכותיים

לוויינים מלאכותיים יכולים להיראות מכדור הארץ על ידי חובבים כשהם משקפים את אור השמש וניתן לראות בהם נקודות אור, גם אם השמש שקעה.

כדי לאתר אותם, רצוי להתקין בטלפון את אחד מיישומי חיפוש הלוויין או להתייעץ באתרי אינטרנט העוקבים אחר לוויינים.

לדוגמה, טלסקופ החלל האבל יכול להיות גלוי בעין בלתי מזוינת, או עדיף, עם משקפת טובה, אם אתה יודע לאן לחפש.

ההכנות לתצפית לוויינים זהות לתצפית על ממטרי מטאורים. התוצאות הטובות ביותר מתקבלות בלילות חשוכים וצלולים מאוד, ללא עננים וללא ירח, או כאשר הירח נמוך באופק. ככל שהרחק מזיהום אור טוב יותר, עליכם להביא גם בגדים חמים ומשקאות חמים.

הפניות

1. סוכנות החלל האירופית. לוויינים. התאושש מ: esa.int.
2. Giancoli, D. 2006. פיזיקה: עקרונות עם יישומים. 6. אולם אד פרנטיס.
3. מרן, ש. אסטרונומיה לדמויות.
4. סיר. על טלסקופ החלל האבל. התאושש מ: nasa.gov.
5. מהם לוויינים מלאכותיים וכיצד הם עובדים? התאושש מ: youbioit.com
6. ויקיוריות. לוויינים מלאכותיים. התאושש מ: es.wikiversity.org.