لاقمار الصناعية

اريد بحثا حول مدارات القمر الصناعي

إنها عيون ساهرة لا تنام، إنها ترصد -في كل الأوقات والظروف- ما يحدث على سطح اليابسة، وفي أعماق المحيطات، وعبر آفاق السماء، إنها تراقب الحركة وتحدد الموقع وتسجل الاتجاه لتصبح أداة فعالة في العتاد البشري في القرن الواحد والعشرين، إنها، في وقت السلم، المسؤولة الأولى عن (ثورة الاتصالات) التي نلمسها جميعاً في حياتنا اليومية عبر استخدامات مباشرة وغير مباشرة، وهي، في وقت الحرب، المرجع الأساسي في تنفيذ مجموعة معقدة من المعلومات الاستطلاعية والاتصالات الميدانية وتحديد أهداف الطائرات المقاتلة وقاذفات القنابل والأسلحة الذكية والغواصات والمشاة، وهكذا، بتطبيقاتها المتعددة واستخداماتها المتنوعة وآفاقها المتنامية، أصبحت الأقمار الاصطناعية معلماً مميزاً للحياة الحديثة، وركناً أساسياً من أركان النصف الأخير من القرن العشرين، ومنطلقاً واعداً من منطلقات القرن الواحد والعشرين.

ملحمة البداية

كانت ملحمة (غزو الفضاء) من أبرز سمات الصراع والمنافسة في النصف الأخير من القرن العشرين في أوج الحرب الباردة بين أمريكا والاتحاد السوفيتي السابق، ولقد أطلق الاتحاد السوفيتي الشرارة الأولى في سباق الفضاء بإطلاقه لأول قمر اصطناعي (سبوتنيك 1) في عام 1957م، ليحدث صدمة عنيفة في أمريكا تجاوبت مع ارتجاجاتها الأوساط العلمية والسياسية والعسكرية والتعليمية مما حدا بالصحافة الأمريكية أن تطلق على الحدث اسم (صدمة القرن).

كان القمر (سبوتنيك 1) يطوف حول الأرض مرة في كل 98 دقيقة، وكانت مهمته هي دراسة الجاذبية الأرضية وطبقات الغلاف الجوي العلوية، وكان عبارة عن كرة براقة قطرها 58 سنتيمتراً ووزنها حوالي 84 كيلوجراماً، ولو كانت هذه الكرة البراقة على الأرض لما أعارها أحد أي انتباه، ولكن وجودها في الفضاء، في زمن الحرب الباردة، جعل المؤرخ الأمريكي (دانيل بورستين) يقول: (لم يحدث قط أن خلّف جسم صغير مسالم مثل هذا الذعر).

لقد نتج عن تلك الكرة البراقة تأسيس الوكالة الأمريكية للفضاء (ناسا) في عام 1958م، ونجحت أمريكا في إطلاق القمر (إكسبلورر 1) في العام نفسه، ووعد الرئيس الأمريكي (جون كيندي) شعبه بأن تطأ قدم الأمريكان سطح القمر في غضون عقد من الزمان، وتحقق ذلك في عام 1969م عندما هبطت (أبولو 11) على سطح القمر.

لماذا لا تسقط الأقمار الاصطناعية على الأرض؟

لا تسقط الأقمار الاصطناعية على الأرض لذات السبب الذي يجعل القمر الطبيعي يبقى في مداره، ويجعل الكواكب تدور حول الشمس، فقد أوضح العالم البريطاني (إسحاق نيوتن) أن: "كل الأجرام في الطبيعة تتجاذب بقوة تجاذب تتناسب طردياً مع كتلها وتتناسب عكسياً مع مربع المسافة بينها"، وهكذا نجد أن الأرض تجذب القمر الاصطناعي، ولكن يبقى السؤال: لماذا لا يسقط القمر على الأرض تحت تأثير هذه الجاذبية؟، والجواب بكل بساطة أن القمر الاصطناعي يسقط بالفعل نحو الأرض، ولكنه لا يصطدم بها!.

يمكن فهم هذه الحقيقة العلمية بالتأمل في حركة أية قذيفة حيث نجد أنها تهوي نحو الأرض في مسار معين من أبرز ملامحه أنه يمتد أفقياً أيضاً، ونجد أنه كلما زادت سرعة إطلاق القذيفة ازدادت تلك المسافة الأفقية قبل أن ترتطم القذيفة بالأرض.

يمكننا بطبيعة الحال أن نتخيل الوضع عندما تبلغ سرعة القذيفة مقداراً معيناً يكون عندها انحناء مسار القذيفة مساوياً لانحناء سطح الأرض، فتستقر القذيفة حينئذ في مدار ثابت حول الأرض، وتبقى في مدارها ذاك إذا أهملنا الاحتكاك بالهواء.

إن ذلك التوازن بين قوة التجاذب وقوة الطرد المركزية الناتجة عن سرعة الجِرم هو الذي يجعل (القمر الصناعي) يدور حول الأرض، كما أن هذا التوازن يجعل الأرض تطوف حول الشمس، فلو تحركت الأرض بسرعة أقل من سرعتها الحالية لهوت نحو الشمس، ولو كانت قوة جاذبية الشمس أصغر مما هي عليه لانطلقت الأرض بخط مستقيم في الفضاء، وهكذا تنجذب الأرض نحو الشمس تحت تأثير قوة الجاذبية، بينما تقوم حركة الأرض بطردها عن الشمس، وبتوازن هاتين القوتين تستمر الأرض بالدوران حول الشمس إلى ما شاء اللّه، وصدق الحق عز وجل: {تبارك الذي نزّل الفرقانَ على عبده ليكون للعالمين نذيراً. الذي له مُلْكُ السماوات والأرض ولم يتّخذ ولداً ولم يكن له شريكٌ في الملك وخلق كلَّ شيء فقدّره تقديراً} "الفرقان: 1-2".

وهكذا نجد أنه يجب حساب (السرعة المناسبة) للقمر الاصطناعي عند وضعه في المدار المطلوب ليبقى في حركته حول الأرض، ومن المهم ـ أيضاً ـ أن يتمكن القمر من تجاوز (الغلاف الجوي) للأرض الذي يحتوي على جسيمات تبطئ من سرعة القمر بفعل قوة الاحتكاك، ولذا كان من الضروري تطوير تقنيات (صناعة الصواريخ) لأن الصاروخ يستطيع النفاذ من (الغلاف الجوي) ووضع القمر في المدار المطلوب، وذلك لأنه لا يحتاج إلى وسط لحمله كما هو الحال مع الطائرات التي يحملها الهواء.

وتعتمد الصواريخ في حركتها على (القانون الثالث لنيوتن) الذي ينص على أن "لكل فعل ردّ فعل مساوٍ له في القوة ومعاكس له في الاتجاه"؛ فعندما تندفع غازات احتراق الوقود عبر نفاثات الصاروخ بقوة كبيرة ينشأ عنها (رد فعل) وهو حركة الصاروخ في اتجاه معاكس لانطلاق غازات الاحتراق.

مدارات الأقمار

لكل قمر مدار، وهو المسار الذي يسلكه القمر خلال دورانه حول الأرض، ويوجد عدد لا نهائي من المدارات لا يمكن للقمر الاصطناعي أن يسلكها، ويختلف ارتفاع ونوع المدار باختلاف المهام والأغراض، ولذا فإنه ينبغي تحديد طبيعة المهمة وأهدافها عند تصميم القمر، كما يجب اختيار المدار المناسب لتأدية تلك المهمة.

ويُعتبر (المدار المتزامن) من أشهر مدارات الأقمار الاصطناعية المستخدمة حالياً، ففي هذا (المدار المتزامن) يبدو القمر كأنه ثابت في السماء فوق نقطة على الأرض، فهو يدور حول الأرض متزامناً مع دورانها حول محورها ليكمل دورة واحدة في كل أربع وعشرين ساعة، وتقع هذه (المدارات المتزامنة) عند ارتفاع قدره 36000 كيلومتر، وتوضع في هذه المدارات أقمار الاتصالات والبث التلفزيوني والإذاعي.

أما أقمار (المدارات المنخفضة) فتكون على ارتفاعات قريبة من سطح الأرض تتراوح بين 400 إلى 1000 كيلومتر كما هو الحال مع الأقمار الاصطناعية السعودية التي أطلقتها (مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم التقنية)، وبشكلٍ عام تُستخدم (المدارات المنخفضة) لأغراض الاستشعار عن بُعد وللأبحاث العلمية وللاستطلاع، وعند هذه الارتفاعات المنخفضة لا تكون الأقمار ثابتة على موقع واحد من سطح الأرض لأن زمن دورانها حول الأرض أقصر من زمن دوران الأرض حول محورها.

استخدامات الأقمار الاصطناعية

لا يتسع المقام هنا للتطرق إلى كل استخدامات الأقمار الاصطناعية، وكلها مهمة وحيوية، وهي في تنام وازدياد، ولكن نقصر الحديث بإيجاز على أبرزها في المجالات المدنية:

1- الاتصالات والبث التلفزيوني والإذاعي:

لقد صنعت الأقمار الاصطناعية مفهوم (القرية الكونية)، وبذلك غيرت (أقمار الاتصالات) مجريات حياة الفرد العادي، فهي التي تنقل المكالمات الهاتفية من مسافات بعيدة، وهي التي تبث البرامج التلفزيونية والإذاعية، وهي التي تنقل الصور والخرائط والأبحاث والكتب وبيانات البنوك وأسواق المال حول العالم، وهي التي مكّنت عدّة أشخاص في مواقع مختلفة من أطراف المعمورة من عقد مؤتمر على الهواء مباشرة وكأنهم في غرفة واحدة، وهي القادرة على توفير اتصالات ذات تغطية عالمية ومتحركة كالاتصالات المطلوبة للطائرات والسفن والسيارات في أي مكان في العالم.

وهكذا أصبحت صناعة (الاتصالات الفضائية) بواسطة الأقمار الاصطناعية نشاطاً تجارياً ضخماً يولّد بلايين الريالات سنوياً في المبيعات والمنتجات والخدمات، وينمو يومياً بشكلٍ مذهل.

2- الاستشعار عن بُعد:

يستفيد الباحثون والمخططون من الصور الفضائية المحلّلة في عدد من المجالات، ومن أبرزها:

● الزراعة، حيث يمكن تصنيف المحاصيل الزراعية وتصنيف الغابات.

● دراسة الظواهر الجيولوجية، والمسح الجيولوجي وعمل الخرائط الجيولوجية اللازمة لبرامج البحث والتنقيب عن الثروات الطبيعية والمعدنية والمائية.

● تخطيط المدن وتحديد التمدد الأفقي لها.

● دراسة الكوارث التي تشمل التسربات النفطية، والتصحر، والتلوث البيئي، والظواهر المناخية القاسية، مثل العواصف الرملية والفيضانات والأعاصير والزلازل والبراكين، وتقييم مخاطر الأمراض الحيوانية العابرة للحدود.

3- الأرصاد الجوية:

تلتقط (أقمار الأرصاد) صوراً للغلاف الجوي والقشرة الأرضية يمكن من خلالها مراقبة حركة وتطور الرياح، وتماوج السحب، وتنبؤات الأعاصير، وعمل الخرائط الملاحية للسفن والنشرات الجوية.

4- تحديد المواقع (نظام جي. بي. إس):

أتاحت الأقمار إمكان تحديد موقع الإنسان أينما كان والتعرف على طرق الوصول إلى مواقع مختلفة، وأصبح باستطاعة أي شخص في أي مكان في العالم، وتحت أي ظروف جوية، معرفة موقعه بدقة فائقة، وذلك باستخدام جهاز صغير ورخيص وسهل الاستعمال.

مقبرة الأقمار

وللأقمار أعمار، فلكل قمر اصطناعي (عُمْر افتراضي) تحدده عناصر عدة من أهمها: عُمْر البطاريات التي تخزّن الطاقة، وعُمْر الخلايا الشمسية التي تقوم بتحويل الطاقة الشمسية إلى الطاقة الكهربائية المسؤولة عن تشغيل مختلف الأجهزة العاملة في القمر، وفي حال انتهاء عُمْر القمر الافتراضي أو عدم التمكن من قيامه بمهامه، ونظراً لازدحام مدارات الأقمار، فإنه لابد من إخراج هذا القمر غير المستخدم من مداره، وتتم عملية التخلص هذه بإحدى الطرق الثلاث التالية:

● إبعاد القمر إلى خارج نطاق الجاذبية الأرضية.

● إعادة إدخال القمر إلى الأرض، وبالتالي احتراقه بالكامل نتيجة احتكاكه بالغلاف الجوي.

● نقله إلى مدار آخر يسمى (مقبرة الأقمار)، وهذا المدار بعيد عن المدارات المخصصة للأقمار العاملة

.....................................................................................................

حسب الموسوعة الحر

القمر الصناعي هو مركبة تدور في فلك في الفضاء الخارجي حول الأرض أو حول كوكب آخر، ويقوم بأعمال عديدة مثل الاتصالات والفحص والكشف.

أنواع الأقمار الصناعية

تتنوع الأغراض المتطلبة من الأقمار الصناعية فتم إنشاء أنواع معينة لكل غرض. من بين هذه الأنواع:

الأقمار الصناعية الفلكية
الأقمار الصناعية المستخدمة للاتصالات
الأقمار الصناعية المراقبة للأرض
الأقمار الصناعية المستخدمة للملاحة
الأقمار الصناعية المستكشفة
الأقمار الصناعية المستخدمة في الطاقة الشمسية
المحطات الفضائية
الأقمار الصناعية المستخدمة لمعرفة حرارة الجو
الأقمار الصناعية الدقيقة
الاقمارة القحبونية
......................................................................................................

و تقدم نادي الالكترونيات العربي بهذا الموضوع

نبذة عن الاقمار الصناعية

اعتمدت الاتصالات الالكترونية البعيدة المدى حتى الستينات من هذا القرن ، اما على الكابلات او على انعكاسات الاشارة الراديوية من على الغلاف الجوي، ومن المعروف ان هذه الكابلات تحوى على عدد محدود من الاسلاك، اما الاشارات المنعكسة فكانت تتخامد بسرعة مما يجعل الاتصال ذو نوعية سيئة.

في عام 1945 اقترح العلماء فكرة استخدام الاقمار الصناعية التي تطير فوق الكرة الارضية ، لزيادة فعالية الاتصالات الالكترونية، حيث يمكن رؤية القمر الصناعي من منطقة شاسعة من الارض.

ونظرا لارتفاعه العالي ، يستطيع ان يحقق الاتصال ما بين عدة محطات بطرق متعددة خلافا للكابل الذي يستطيع ان يصل بين محطتين فقط.

انواع الاقمار الصناعية:
اول قمر صناعي للاصالات كان القمر Echo 1 الذي اطلق عام 1960، وكان هذا القمر من النوع غير الفعال Passive اي لم يكن يحوي اي دوائر الكترونية، وانما كان عبارة عن عاكس للاشارات الالكترونية.

لقد قام هذا القمر والقمر Echo 2 الذي اطلق في عام 1964 عبارة عن بالون كبير بقطر 32 متر، مغطى برقائق الالمنيوم ، وكان يدور حول الارض بارتفاع 1610 كم. ومثل اي كرة زجاجية او فولاذية التي تعطي زاوية انعكاس واسعة للمناظر حولها، فان هذه الاقمار كانت تعيد عكس الاشارة الموجهة اليها ، ولكن بقوة اخفض.
ونظرا لمساوئها ومشاكلها الكثيرة ، لم تعد تستخدم الاقمار غير الفعالة في ايامنا هذه.

الاقمار الصناعية الفعالة: Active Satellites
وهذه القمار عبارة عن محطات تقوية ، تقوم باستقبال اشارة من محطات ارضية معينة وتكبرها ثم تعيد ارسالها باتجاه محطات أرضية اخري وفي هذه الايام تستخدم هذه الاقمار لنقل الاشارات التلفزيونية بين دول العالم.

مدارات الاقمار الصناعية:
تخضع حركة القمار الصناعية حول الكرة الارضية الى قوانين كيبلر التي تحدد حركة الكواكب. وهذه القوانين تنص انه كلما كان القمر واقعا في مدار أعلى ، كلما تحرك بسرعة أبطأ.

وهكذا فان القمر Echo 1 الذي كان في مدار منخفض نوعا ما ، فقد كان يسير بسرعة عالية حيث كان يدور حول الكرة الارضية خلال مدة ساعتين وهكذا كان على هوائيات المحطات الارضية ان تتابع حركة القمر الصناعي بسرعة والا فانها تفقد أثره.
مام القمار التي تطير على ارتفاع 36000 كم فانها تدور حول الكرة الارضية خلال 23 ساعة و 56 دقيقة.

واذا كان القمر الصناعي فوق خط الاستواء فانه يتم دورة كاملة خلال فترة 24 ساعة ولهذا فهو يبدو الى المراقب على سطح الارض وكانه ثابتا في الفضاء لانه يدور متوامنا بنفس سرعة دوران الارض حول نفسها.

ان معظم الاقمار الصناعية المخصصة للاتصالات تطير فوق خط الاستواء لانها تعطي ميزة جيدة، حيث يمكن توجيه هوائيات المحطات الارضية باستمرار الى نفس النقطة في السماء.
وهذه الاقمار تغطي اكثر مناطق العالم ازدحاما بالسكان والتي تقع بين خط الاستواء وخط عرض 60.
ولتغذية الاجهزة الالكترونية لهذه الاقمار بالتيار الكهربائي ، فانه تستخدم الخلايا الشمسية التي تقوم بتحويل ضوء الشمس الي تيار كهربائي.

مساوئ الاقمار الصناعية التي تطير على ارتفاعات عالية فوق خط الاستواء، تتمثل بالمسافة الكبيرة التي يجب تقطعها الاشارة ، وهذا يتطلب اشارة ذات طاقة عالية. بالاضافة الى ذلك هناك التاخير الزمني الحاصل بين ارسال الاشارة واعادة استقبالها مرة ثانية.

فالاشارة كما هو معلوم تسير بسرعة 300000 كم في الثانية، وهناك تأخير قدره 120 ميلي ثانية وهو الزمن اللازم لقطع المسافة بين المحطة الارضية والقمر الصناعي، وفي بعض الحالات يصل هذا الزمن حتى 1 ثانية اذا كانت المسافة المقطوعة كبيرة جدا. مثلا عند اجراء مكالمة هاتفية بين دولة لدولة اخري بعيدة عبر الاقمار الصناعية فاننا نشعر بهذا التاخير الزمني.

من ناحية اخري قام التحاد السوفياتي باطلاق سلسلة اقمار صناعية للاتصالات تحت اسم Molniya وهي تدور في مدارات اهليجية عالية حول الارض كل 12 ساعة .

وعوضا على ان يكون القمر في مسار استوائي ، فان مساره يميل بشكل زاوية الاوج فوق اراضي التحاد السوفياتي وبذلك يقضي القمر الصناعي حوالي 8 ساعات فوق الاتحاد السوفياتي.

تقنية الاقمار الصناعية:
يمكن توجيه هوائيات الاقمر الصناعي بدقة نحو سطح الارض وذلك بجعل القمر الصناعي متوازيا في مداره. ويتم ذلك بجعل جسم القمر الصناعي يدور حول نفسه مرة كل ثانية ، وهذا يمكن من توجيهه دائما باتجاه نقطة محددة (بشكل متوازي مع محور الارض).

من ناحية اخرى تدور هوائيات القمر الصناعي بنفس السرعة ولكن باتجاه معاكس وهذا يجعل الهوائيات باتجاه نقطة معينة ثابتة من سطح الارض . اما الواح الخلايا الشمسية فيجب ان تتوجه باستمرار نحو الشمس.
ان داخل القمر الصناعي يجب ان يكون ذو حرارة ثابتة ، وذلك بسبب حساسية الاجهزة الالكترونية .
ولهذا تستخدم اجهزة خاصة للتبريد والتسخين ، كما يدهن الجسم الخارجي للقمر بمواد ماصة لحرارة الشمس.

في العادة تحوى الاقمار الصناعية على هوائيات ارسال واستقبال منفصلة. وتكون هوائيات الارسال بشكل صحون لتقوم بتوجيه الاشارات الى منطقة محددة من سطح الارض حيث تقوم المحطات الارضية باستقبالها.
ويستطيع المهندسون توجيه هوائيات القمر الصناعي الي اي نقطة وذلك بواسطة ارسال اشارات تحكم خاصة.

كذلك يحوي القمر على اجهزة تضخيم الاشارة الملتقطة الى بضعة عشرات الالف مليون من المرات من اجل اعادة ارسالها مرة ثانية الى المحطات الارضية ورغم ان القمر الصناعي يلتقط عدد كبير من الترددات المختلفة فانه لا يحدث تداخل في ما بينها ، بسبب استخدام الموجات الميكروية Microwave ، والتى لا تتأثر بالطبقات المتأنية في الغلاف الجوي التي تعكس الاشارات الاخري.

في معظم الاقمار الصناعية يبلغ تردد الاشارة الملتقطة 6 ميجاهرتز وتردد الاشارة المرسلة 4 جيجاهيرتز وفي بعض الانواع تبلغ 7 و8 جيجاهيرتز او 11 و 14 جيجاهيرتز على التوالي.
يتم تغذية الاجهزة الالكترونية في هذه الاقمار بواسطة الطاقة الشمسية حيث تقوم خلايا شمسية بتحويلها الى تيار كهربائي.

المحطات الارضية:
يزداد عدد المحطات الارضية بسرعة ومعظم هذه المحطات مزودة بهوائي على شكل صحن يصل قطره الى 30 متر .
وهذا الهوائي يمكن تحريكه في كافة الاتجاهات

تعمل معظم المحطات الارضية على ارسال واستقبال الاشارات اللاسلكية التي تحمل المكالمات الهاتفية والاقنية التلفزيونية.

الاستخدامات:
برغم ان معطم الناس يعتقدون ان الاقمار الصناعية تستخدم فقط لنقل الصور التلفزيونية عن الاحتفالات العالمية ومباريات كرة القدم فانها في الواقع تستخدم ايضا لنقل المكالمات الهاتفية واشارات التلكس و الكمبيتر......الخ.

تتميز الاتصالات عبر الاقمار الصناعية بانها تتم بسرعة وبامان ودون الحاجة الى مد كابلات عبر المحيطات والصحاري.
وكثير من المدن الافريقية والهندية الموجودة عبر الصحاري والبراري ، تصل مع العالم الخارجي بواسطة القمار الصناعية .

والان تم استخدام البث المباشر من القمار الصناعية الى هوائيات خاصة في المنازل حيث يمكننا إلتقاط اي اشارة من القمر الصناعي دون الحاجة الى المحطة الارضية.

شكرا
ولكن أريده بقوانيين الفيزياء و الحركات الدائرية

زائر

شكراااا