ดาวเทียมประดิษฐ์มีไว้เพื่ออะไรทำงานอย่างไรประเภทสำคัญ - ARTE - 2026

ดาวเทียมเป็นยานพาหนะหรืออุปกรณ์ที่สร้างขึ้นเฉพาะที่จะออกไปยังพื้นที่โดยไม่ต้องลูกเรือเพื่อที่จะโคจรรอบโลกหรือเทห์ฟากฟ้าอื่น ๆ

แนวคิดแรกเกี่ยวกับการสร้างดาวเทียมประดิษฐ์มาจากนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์เช่น Jules Verne และ Arthur C. Clark คนหลังเป็นเจ้าหน้าที่เรดาร์ในกองทัพอากาศและเมื่อสิ้นสุดสงครามโลกครั้งที่สองได้มีแนวคิดที่จะใช้ดาวเทียมสามดวงในวงโคจรรอบโลกเพื่อรักษาเครือข่ายโทรคมนาคม

รูปที่ 1. ดาวเทียมประดิษฐ์โคจรรอบโลก ที่มา: Wikimedia Commons

ในเวลานั้นยังไม่มีวิธีการวางดาวเทียมในวงโคจร กองทัพสหรัฐฯต้องใช้เวลาอีกสองสามปีในการผลิตการสื่อสารผ่านดาวเทียมครั้งแรกในช่วงต้นทศวรรษ 1950

การแข่งขันทางอวกาศระหว่างสหรัฐอเมริกาและสหภาพโซเวียตได้กระตุ้นอุตสาหกรรมดาวเทียมประดิษฐ์ ดวงแรกที่ประสบความสำเร็จในวงโคจรคือดาวเทียม Sputnik ของโซเวียตในปี 2500 และปล่อยสัญญาณในช่วง 20-40 MHz

ตามมาด้วยการเปิดตัว Echo I โดยสหรัฐอเมริกาเพื่อวัตถุประสงค์ในการสื่อสาร ตั้งแต่นั้นมาการปล่อยขึ้นสู่วงโคจรจำนวนมากก็ประสบความสำเร็จโดยพลังทั้งสองและต่อมาหลายประเทศก็เข้าร่วมเทคโนโลยีใหม่

ดาวเทียมเทียมมีไว้ทำอะไร?

- ในการสื่อสารโทรคมนาคมสำหรับการส่งข้อความวิทยุโทรทัศน์และโทรศัพท์มือถืออีกครั้ง

- ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และอุตุนิยมวิทยารวมถึงการทำแผนที่และการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์

- เพื่อวัตถุประสงค์ด้านข่าวกรองทางทหาร

- สำหรับการนำทางและการใช้ตำแหน่งเป็น GPS (Global Positioning System) ที่รู้จักกันดีที่สุด

- ในการตรวจสอบพื้นผิวดิน

- ในสถานีอวกาศออกแบบมาเพื่อสัมผัสชีวิตนอกโลก

พวกเขาทำงานอย่างไร?

ใน Principia ของเขา Isaac Newton (1643-1727) ได้กำหนดสิ่งที่จำเป็นในการวางดาวเทียมในวงโคจรแม้ว่าจะใช้ดาวเทียม แต่เขาก็ใช้เป็นตัวอย่างกระสุนปืนใหญ่ที่ยิงจากยอดเขา

ยิงด้วยความเร็วในแนวนอนกระสุนจะเคลื่อนที่ตามวิถีพาราโบลาตามปกติ การเพิ่มความเร็วการเข้าถึงแนวนอนจะมากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งเป็นสิ่งที่ชัดเจน แต่ความเร็วระดับหนึ่งจะทำให้กระสุนเข้าสู่วงโคจรรอบโลกหรือไม่?

โลกโค้งจากเส้นสัมผัสไปยังพื้นผิวในอัตรา 4.9 ม. ทุกๆ 8 กม. วัตถุใด ๆ ที่ถูกปล่อยออกจากส่วนที่เหลือจะตกลง 4.9 ม. ในช่วงวินาทีแรก ดังนั้นเมื่อยิงกระสุนในแนวนอนจากจุดสูงสุดด้วยความเร็ว 8 กม. / วินาทีกระสุนจะตกลง 4.9 ม. ในวินาทีแรก

แต่โลกจะลดระดับลง 4.9 ม. ในเวลานั้นเช่นกันเนื่องจากมันโค้งงอภายใต้กระสุนปืนใหญ่ สิ่งนี้ยังคงเคลื่อนที่ในแนวนอนครอบคลุม 8 กม. และจะยังคงอยู่ที่ความสูงเท่าเดิมเมื่อเทียบกับโลกในช่วงวินาทีนั้น

โดยธรรมชาติแล้วสิ่งเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นหลังจากวินาทีถัดไปและในทุกๆวินาทีต่อเนื่องกันโดยเปลี่ยนกระสุนให้เป็นดาวเทียมประดิษฐ์โดยไม่มีแรงขับใด ๆ เพิ่มเติมตราบเท่าที่ไม่มีแรงเสียดทาน

อย่างไรก็ตามแรงเสียดทานที่เกิดจากแรงต้านอากาศเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ซึ่งเป็นสาเหตุที่จำเป็นต้องใช้จรวดบูสเตอร์

จรวดจะยกดาวเทียมให้สูงขึ้นโดยที่บรรยากาศที่บางลงจะมีความต้านทานน้อยกว่าและให้ความเร็วแนวนอนที่จำเป็น

ความเร็วดังกล่าวต้องมากกว่า 8 กม. / วินาทีและน้อยกว่า 11 กม. / วินาที อย่างหลังคือความเร็วในการหลบหนี เมื่อคาดการณ์ด้วยความเร็วเท่านี้ดาวเทียมจะละทิ้งอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของโลกไปสู่อวกาศ

โครงสร้างดาวเทียมประดิษฐ์

ดาวเทียมประดิษฐ์มีกลไกที่ซับซ้อนต่างๆในการทำหน้าที่ซึ่งเกี่ยวข้องกับการรับการประมวลผลและการส่งสัญญาณประเภทต่างๆ นอกจากนี้ยังต้องมีน้ำหนักเบาและมีอิสระในการปฏิบัติงาน

โครงสร้างหลักเป็นเรื่องปกติสำหรับดาวเทียมเทียมทั้งหมดซึ่งจะมีระบบย่อยหลายระบบตามวัตถุประสงค์ ติดตั้งในตัวเรือนที่ทำจากโลหะหรือสารประกอบน้ำหนักเบาอื่น ๆ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรองรับและเรียกว่าบัส

บนรถบัสคุณจะพบ:

- โมดูลควบคุมกลางซึ่งมีคอมพิวเตอร์ซึ่งประมวลผลข้อมูล

- รับและส่งเสาอากาศสำหรับการสื่อสารและการส่งข้อมูลด้วยคลื่นวิทยุเช่นเดียวกับกล้องโทรทรรศน์กล้องและเรดาร์

- ระบบแผงโซลาร์เซลล์ที่ปีกเพื่อรับพลังงานที่จำเป็นและแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้เมื่อดาวเทียมอยู่ในที่ร่ม ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวงโคจรดาวเทียมต้องการแสงแดดประมาณ 60 นาทีในการชาร์จแบตเตอรี่หากอยู่ในวงโคจรต่ำ ดาวเทียมที่อยู่ห่างไกลมากขึ้นใช้เวลาสัมผัสกับรังสีดวงอาทิตย์มากขึ้น

เนื่องจากดาวเทียมใช้เวลาสัมผัสกับรังสีนี้เป็นเวลานานจึงจำเป็นต้องมีระบบป้องกันเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อระบบอื่น

ชิ้นส่วนที่สัมผัสจะร้อนมากในขณะที่อยู่ในที่ร่มจะมีอุณหภูมิต่ำมากเนื่องจากไม่มีบรรยากาศเพียงพอที่จะควบคุมการเปลี่ยนแปลง ด้วยเหตุนี้หม้อน้ำจึงจำเป็นต้องขจัดความร้อนและฝาปิดอะลูมิเนียมเพื่อประหยัดความร้อนเมื่อจำเป็น

ประเภทของดาวเทียมประดิษฐ์

ดาวเทียมเทียมอาจเป็นรูปไข่หรือวงกลมทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวิถีของพวกมัน แน่นอนว่าดาวเทียมแต่ละดวงมีวงโคจรที่กำหนดซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะอยู่ในทิศทางเดียวกับที่โลกหมุนเรียกว่าวงโคจรแบบอะซิงโครนัส หากด้วยเหตุผลบางประการดาวเทียมเดินทางไปในทางตรงกันข้ามแสดงว่ามีวงโคจรถอยหลังเข้าคลอง

ภายใต้แรงโน้มถ่วงวัตถุจะเคลื่อนที่เป็นวงรีตามกฎของเคปเลอร์ ดาวเทียมประดิษฐ์ไม่สามารถหลีกหนีสิ่งนี้ได้อย่างไรก็ตามวงโคจรรูปไข่บางวงมีความเยื้องศูนย์กลางเล็กน้อยซึ่งสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นวงกลม

วงโคจรยังสามารถเอียงได้เมื่อเทียบกับเส้นศูนย์สูตรของโลก ที่ความเอียง0ºพวกมันเป็นวงโคจรของเส้นศูนย์สูตรถ้าพวกมันอยู่ที่90ºพวกมันเป็นวงโคจรเชิงขั้ว

ระดับความสูงของดาวเทียมก็เป็นตัวแปรที่สำคัญเช่นกันเนื่องจากความสูงระหว่าง 1,500 - 3000 กม. เป็นสายพานแวนอัลเลนแรกซึ่งเป็นพื้นที่ที่ควรหลีกเลี่ยงเนื่องจากมีอัตราการแผ่รังสีสูง

รูปที่ 2. วงโคจรระดับความสูงและความเร็วของดาวเทียมประดิษฐ์ ดาวเทียมที่ไม่ได้ใช้งานจะผ่านเข้าสู่วงโคจรของสุสานแม้ว่าจะมีเศษเหลืออยู่ในวงโคจรทั้งหมดก็ตาม ที่มา: Wikimedia Commons

วงโคจรของดาวเทียม

วงโคจรของดาวเทียมถูกเลือกตามภารกิจเนื่องจากมีความสูงที่เหมาะสมมากหรือน้อยสำหรับการปฏิบัติการที่แตกต่างกัน ตามเกณฑ์นี้ดาวเทียมถูกจัดประเภทเป็น:

- LEO (วงโคจรรอบโลกต่ำ)มีความสูงระหว่าง 500 ถึง 900 กม. และอธิบายเส้นทางวงกลมโดยมีระยะเวลาประมาณ 1 ชั่วโมงครึ่งและความเอียง90º ใช้สำหรับโทรศัพท์มือถือแฟกซ์วิทยุติดตามตัวส่วนตัวสำหรับยานพาหนะและสำหรับเรือ

- MEO (วงโคจรของโลกขนาดกลาง)อยู่ที่ระดับความสูงระหว่าง 5,000-12,000 กม. ความเอียง50ºและระยะเวลา 6 ชั่วโมงโดยประมาณ พวกเขายังทำงานในโทรศัพท์มือถือ

- GEO (Geosynchronous Earth Orbit)หรือวงโคจร geostationary แม้ว่าทั้งสองคำจะมีความแตกต่างกันเล็กน้อย อดีตอาจมีความเอียงผันแปรได้ในขณะที่ค่าหลังอยู่ที่0ºเสมอ

ไม่ว่าในกรณีใดก็ตามพวกเขาอยู่ที่ระดับความสูง -36,000 กม. มากหรือน้อย - พวกมันเดินทางโคจรเป็นวงกลมในช่วงเวลา 1 วัน ต้องขอบคุณพวกเขาแฟกซ์โทรศัพท์ทางไกลและโทรทัศน์ดาวเทียมรวมถึงบริการอื่น ๆ

รูปที่ 3 แผนผังวงโคจรของดาวเทียมประดิษฐ์ 1) โลก 2) ลีโอ 3) MEO, 4) วงโคจรแบบ Geosynchronous ที่มา: Wikimedia Commons

ดาวเทียม Geostationary

ในช่วงแรกดาวเทียมสื่อสารมีช่วงเวลาที่แตกต่างจากการหมุนของโลก แต่ทำให้ยากที่จะวางตำแหน่งเสาอากาศและการสื่อสารหายไป วิธีแก้ปัญหาคือวางดาวเทียมไว้ที่ความสูงเพื่อให้ช่วงเวลานั้นใกล้เคียงกับการหมุนของโลก

ด้วยวิธีนี้ดาวเทียมโคจรร่วมกับโลกและดูเหมือนว่าจะได้รับการแก้ไขด้วยความเคารพ ความสูงที่ต้องใช้ในการวางดาวเทียมในวงโคจร geosynchronous คือ 35786.04 กม. และเรียกว่าสายพาน Clarke

ความสูงของวงโคจรสามารถคำนวณได้โดยการสร้างคาบโดยใช้นิพจน์ต่อไปนี้ซึ่งได้มาจากกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันและกฎของเคปเลอร์:

โดยที่ P คือคาบ a คือความยาวของแกนกึ่งสำคัญของวงโคจรรูปไข่ G คือค่าคงที่สากลของความโน้มถ่วงและ M คือมวลของโลก

เนื่องจากวิธีนี้การวางแนวของดาวเทียมที่เกี่ยวกับโลกจะไม่เปลี่ยนแปลงจึงรับประกันได้ว่าดาวเทียมจะมีการติดต่อกับมันเสมอ

ดาวเทียมประดิษฐ์ที่สำคัญที่สุดของโลก

Sputnik

รูปที่ 4. แบบจำลองของ Sputnik ซึ่งเป็นดาวเทียมประดิษฐ์ดวงแรกในวงโคจรในประวัติศาสตร์ ที่มา: Wikimedia Commons

นับเป็นดาวเทียมประดิษฐ์ดวงแรกในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติที่อดีตสหภาพโซเวียตนำเข้าสู่วงโคจรในเดือนตุลาคม 2500 ดาวเทียมดวงนี้ตามมาด้วยอีก 3 ดวงซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ Sputnik

Sputnik รุ่นแรกมีขนาดค่อนข้างเล็กและเบา: ส่วนใหญ่เป็นอะลูมิเนียม 83 กก. มันสามารถเปล่งความถี่ระหว่าง 20 ถึง 40 MHz มันอยู่ในวงโคจรเป็นเวลาสามสัปดาห์หลังจากนั้นก็ตกลงสู่พื้นโลก

ปัจจุบันแบบจำลองของ Sputnik สามารถพบเห็นได้ในพิพิธภัณฑ์หลายแห่งในสหพันธรัฐรัสเซียยุโรปและแม้แต่อเมริกา

กระสวยอวกาศ

อีกภารกิจหนึ่งที่รู้จักกันดีคือ Space Transport System STS หรือกระสวยอวกาศซึ่งดำเนินการตั้งแต่ปี 1981 ถึง 2011 และเข้าร่วมในภารกิจสำคัญอื่น ๆ ในการเปิดตัวกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและสถานีอวกาศนานาชาตินอกเหนือจากภารกิจของ ซ่อมแซมดาวเทียมอื่น ๆ

กระสวยอวกาศมีวงโคจรแบบอะซิงโครนัสและสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้เนื่องจากมันสามารถมาและไปที่โลกได้ เรือเฟอร์รี่ทั้ง 5 ลำมีเรือ 2 ลำถูกทำลายโดยบังเอิญพร้อมกับลูกเรือ: ผู้ท้าชิงและโคลัมเบีย

ดาวเทียม GPS

ระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลกเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายในด้านการระบุตำแหน่งผู้คนและวัตถุที่ใดก็ได้บนโลกอย่างแม่นยำ เครือข่าย GPS ประกอบด้วยดาวเทียมที่มีความสูงอย่างน้อย 24 ดวงซึ่งจะมีดาวเทียม 4 ดวงที่มองเห็นได้จากโลกเสมอ

พวกมันอยู่ในวงโคจรที่ระดับความสูง 20,000 กม. และระยะเวลา 12 ชั่วโมง GPS ใช้วิธีการทางคณิตศาสตร์คล้ายกับการหาสามเหลี่ยมเพื่อประเมินตำแหน่งของวัตถุที่เรียกว่าการไตร่ตรอง

GPS ไม่ได้ จำกัด เฉพาะการระบุตำแหน่งคนหรือยานพาหนะเท่านั้น แต่ยังมีประโยชน์สำหรับการทำแผนที่การสำรวจภูมิศาสตร์การกู้ภัยและการปฏิบัติด้านกีฬารวมถึงการใช้งานที่สำคัญอื่น ๆ

กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

เป็นดาวเทียมประดิษฐ์ที่นำเสนอภาพที่ไม่เคยมีมาก่อนของระบบสุริยะดวงดาวกาแลคซีและจักรวาลอันไกลโพ้นโดยที่ชั้นบรรยากาศของโลกหรือมลภาวะทางแสงปิดกั้นหรือบิดเบือนแสงที่อยู่ไกลออกไป

รูปที่ 5. มุมมองของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ที่มา: NASA ผ่าน Wikimedia Commons

ดังนั้นการเปิดตัวในปี 1990 ถือเป็นความก้าวหน้าที่น่าทึ่งที่สุดในวงการดาราศาสตร์ในช่วงเวลาที่ผ่านมา กระบอกสูบขนาดใหญ่ 11 ตันของฮับเบิลตั้งอยู่ที่ระดับความสูง 340 ไมล์ (548 กม.) ที่โคจรรอบโลกโดยมีระยะเวลา 96 นาที

คาดว่าจะปิดการใช้งานระหว่างปี 2020 ถึง 2025 โดยถูกแทนที่ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb

สถานีอวกาศนานาชาติ

รู้จักกันในชื่อ ISS (สถานีอวกาศนานาชาติ) เป็นห้องปฏิบัติการวิจัยที่โคจรอยู่ซึ่งบริหารโดยหน่วยงานอวกาศ 5 แห่งทั่วโลก จนถึงขณะนี้เป็นดาวเทียมประดิษฐ์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก

ต่างจากดาวเทียมอื่น ๆ ที่สถานีอวกาศมีมนุษย์อยู่บนเรือ นอกจากลูกเรือประจำที่ของนักบินอวกาศอย่างน้อยสองคนแล้วสถานียังมีนักท่องเที่ยวมาเยี่ยมอีกด้วย

จุดประสงค์ของสถานีเป็นหลักทางวิทยาศาสตร์ มีห้องปฏิบัติการ 4 ห้องซึ่งมีการตรวจสอบผลกระทบของแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์และมีการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์จักรวาลวิทยาและสภาพอากาศตลอดจนการทดลองต่างๆทางชีววิทยาเคมีและอิทธิพลของรังสีในระบบต่างๆ

จันทรา

ดาวเทียมประดิษฐ์นี้เป็นหอดูดาวสำหรับตรวจจับรังสีเอกซ์ซึ่งถูกดูดซับโดยชั้นบรรยากาศของโลกดังนั้นจึงไม่สามารถศึกษาได้จากพื้นผิว NASA นำมันขึ้นสู่วงโคจรในปี 2542 ผ่านกระสวยอวกาศโคลัมเบีย

ดาวเทียมสื่อสารอิริเดียม

พวกมันประกอบเป็นเครือข่ายดาวเทียม 66 ดวงที่ระดับความสูง 780 กม. ในวงโคจรประเภท LEO โดยมีระยะเวลา 100 นาที ได้รับการออกแบบโดย บริษัท โทรศัพท์ Motorola เพื่อให้การสื่อสารทางโทรศัพท์ในสถานที่ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ อย่างไรก็ตามเป็นบริการที่มีต้นทุนสูงมาก

ระบบดาวเทียมกาลิเลโอ

เป็นระบบระบุตำแหน่งที่พัฒนาโดยสหภาพยุโรปเทียบเท่ากับ GPS และสำหรับการใช้งานทั่วไป ปัจจุบันมีดาวเทียม 22 ดวงที่ทำงานอยู่ แต่ยังอยู่ในระหว่างการก่อสร้าง สามารถระบุตำแหน่งบุคคลหรือวัตถุที่มีความแม่นยำ 1 เมตรในรุ่นเปิดและสามารถทำงานร่วมกับดาวเทียมของระบบ GPS ได้

ชุด Landsat

เป็นดาวเทียมที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับสังเกตการณ์พื้นผิวโลก พวกเขาเริ่มงานในปี 2515 เหนือสิ่งอื่นใดพวกเขารับผิดชอบในการทำแผนที่ภูมิประเทศบันทึกข้อมูลเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของน้ำแข็งที่เสาและขอบเขตของป่าไม้ตลอดจนการหาแร่

ระบบ Glonass

เป็นระบบระบุตำแหน่งทางภูมิศาสตร์ของสหพันธรัฐรัสเซียเทียบเท่ากับ GPS และเครือข่ายกาลิเลโอ

การสังเกตดาวเทียมประดิษฐ์

มือสมัครเล่นสามารถมองเห็นดาวเทียมประดิษฐ์จากโลกได้เนื่องจากพวกมันสะท้อนแสงอาทิตย์และสามารถมองเห็นเป็นจุด ๆ ได้แม้ว่าดวงอาทิตย์จะตกแล้วก็ตาม

ในการค้นหาตำแหน่งดังกล่าวขอแนะนำให้ติดตั้งแอปพลิเคชั่นค้นหาดาวเทียมบนโทรศัพท์หรือปรึกษาเว็บไซต์อินเทอร์เน็ตที่ติดตามดาวเทียม

ตัวอย่างเช่นกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าหรือดีกว่านั้นก็คือด้วยกล้องส่องทางไกลที่ดีถ้าคุณรู้ว่าจะมองไปทางไหน

การเตรียมการสำหรับสังเกตการณ์ดาวเทียมเหมือนกับการสังเกตฝนดาวตก ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดจะได้รับในคืนที่มืดและชัดเจนไม่มีเมฆและไม่มีดวงจันทร์หรือเมื่อดวงจันทร์อยู่ต่ำสุดขอบฟ้า ยิ่งห่างไกลจากมลภาวะทางแสงมากเท่าไหร่คุณก็ควรนำเสื้อผ้าที่อบอุ่นและเครื่องดื่มร้อนมาด้วย

อ้างอิง

1. องค์การอวกาศยุโรป. ดาวเทียม กู้คืนจาก: esa.int.
2. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. วันที่ 6. Ed Prentice Hall
3. Maran, S. Astronomy for Dummies.
4. หม้อ. เกี่ยวกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล กู้คืนจาก: nasa.gov.
5. ดาวเทียมเทียมคืออะไรและทำงานอย่างไร? สืบค้นจาก: youbioit.com
6. Wikiversity ดาวเทียมประดิษฐ์ สืบค้นจาก: es.wikiversity.org.