ماهواره رصد از دیدگاه مهندسی فضایی

[sayed mojtaba]

ماهواره رصد از دیدگاه مهندسی فضایی
http://www.spacescience.ir/images/Rasad-1/RASAD-Small.jpgاطلاعات مهندسی منتشر شده درباره ماهواره رصد که در واقع محصول یک پروژه دانشجویی در دانشگاه مالک اشتر بوده است٬ آنقدر ناچیز و مختصر بود که دانش فضایی را بر آن داشت تا با تکیه بر حدس و گمان و تجربه کارشناسان خود به کشف اسرار! این ماهواره کوچک بپردازد. شما را به خواندن این مقاله تحلیلی دعوت می‌کنیم.
http://www.spacescience.ir/images/Rasad-1/Safir_Rasad_Launch.jpg (http://www.spacescience.ir/ShowPost.aspx?Post=0000169)دقایقی پس از آن که موتور قدرتمند موشک فضایی سفیر رصد غرش خود را آغاز کرد و دشت سمنان را به لرزه درآورد ایران صاحب نخستین ماهواره تصویربرداری خود در فضا شد تا امیدوار باشیم می‌توان سیاره زیبای زمین را این بار از چشم نازک بین ایرانی رویت کرد. سفیر رصد به نرمی و آهستگی و با وقار تمام سکوی پرتاب خود را ترک کرد، در حالی که دل‌های بسیاری همراه با او پر می‌کشیدند.
تاریخچه ساخت موشک‌های فضایی ایران با مظلومیت شهرهای بزرگ کشورمان در جنگ هشت ساله پیوند خورده است.
موشک باران تهران در زمان جنگ باعث شد تا دولتمردان زمانه نبرد به ساخت موشک‌های جنگی روی آورند. این‌چنین بود که با ورود اولین نمونه موشک‌های روسی کوچکی موسوم به اسکاد به ایران، دستور داده شد تا یکی از آنها علی‌رغم نیاز شدید به این سلاح در جایی در باغ‌های شیان شهر تهران اوراق شود تا از چگونگی عملکرد این سلاح پیشرفته زمان خود سر در آورده شود. خیلی زود نمونه ایرانی این موشک ساخته شد و بدین‌سان بود که شهاب، لغتی کهن و با معنی این بار برای ایرانیان مفهومی تازه در مقوله خواستن و توانستن پیدا کرد.
شهاب‌های ایرانی که روزگاری با روش مهندسی معکوس و به صورتی دقیق از روی یک نمونه خارجی ساخته شده بود، با دانش و تلاش مهندسان و دانشمندان ایرانی پیشرفت کرد و بهینه شد و به فناوری‌های روز دنیا مجهز گردید تا جایی که خود به محصولی متفاوت و پیشرفته و به مفهومی افتخارآفرین و نمونه‌ای برای صنعت ایرانی تبدیل شد.

روزگار گذشت و صلح هر چند از نوع قرن بیست و یکمی خود بر سرزمین آریایی ما ردای آرامش پوشاند. حالا دیگر زمانه دفاع و وحشت از بازی ناعادلانه نبود. حالا باید کاری می‌کردیم تا از شهاب ایرانی بهره‌برداری جدیدی می‌شد و این مهم محقق شد؛ زمانی که باز هم مهندسان ایرانی آستین همت بالا زدند و با تلفیق توانایی‌های خانواده نسل شهاب، موشکی فضایی ساختند که سفیر نامیده شد.

http://www.spacescience.ir/images/Rasad-1/Safir.jpg (http://www.spacescience.ir/ShowPost.aspx?Post=0000169)
سری موشک‌های سفیر از سه بخش٬ مرحله اول٬ مرحله دوم و قسمت محموله (بخش آبی رنگ) تشکیل شده‌اند
موشک سفیر به نظر می‌رسد از سر هم سوار کردن موشک بهینه شده و تغییر یافته شهاب ۳ به عنوان مرحله اول و مجموعه جدیدی از دو موتور کوچک به عنوان مرحله دوم ساخته شده باشد. این سازه ۲۲ متری همانند جد جنگی خود حدود یک متر و نیم قطر دارد. مجموعه موشک و محموله فضایی ارزشمند آن حدود ۲۶ تن وزن دارند که برای خانواده‌های موشک‌های فضایی وزن بسیار ناچیزی به حساب می‌آید. اما قطعا این آغاز کار است و ما چشم به آینده‌ای پیشرفته‌تر و قدرتمندتر در عرصه وسایل نقلیه فضایی ایرانی خواهیم داشت.
به نظر می‌رسد با توجه به خبرهایی که این روزها درباره احتمال از دست رفتن نقاط مداری ایران (http://www.spacescience.ir/ShowPost.aspx?Post=0000167) بر سر زبان‌ها افتاده است٬ هدف بلند مدت ایران٬ ساخت یک موشک فضایی قدرتمند است که بتواند حداقل دو تا سه تن محموله فضایی را در مدار پارکینگ٬ جایی در ارتفاع ۳۰۰ تا ۳۵۰ کیلومتری زمین قرار دهد. تنها در آن صورت خواهد بود که ایران می‌تواند به فرستادن یک ماهواره به مدار زمین‌ثابت (GEO) فکر کند.
طبق زمان‌بندی داده شده در کامپیوتر مرکزی موشک (موشک فضایی سفیر رصد)، ماهواره پس از خاموشی موتورهای دوگانه مرحله دوم و هنگامی که کل محموله در مدار موردنظر تزریق شده بود از پایه نگهدارنده خود جدا شده و در فضای اطراف زمین رها می‌شود. اما عملگرهای هدایت و کنترل ماهواره از جمله بوم گرادیان جاذبه آن خیلی زود دست به کار شده و دامنه نوسانات بزرگ ماهواره را کوچک و کوچک‌تر می‌کنند تا جایی که دوربین‌های ماهواره کاملا رو به سطح زمین قرار گرفتند.
قوانین فیزیکی ساده‌ای به ما می‌گویند که اگر بوم گرادیان جاذبه نصب شده روی ماهواره رصد بخوبی کار نکند، ماهواره، خود همزمان با چرخش به دور زمین نخواهد چرخید و بنابراین دوربین نصب شده در قسمت پایینی ماهواره رصد زمانی سطح زمین و زمانی فضای بالای سر را نشان خواهد داد. بوم گرادیان جاذبه باعث می‌شود که ماهواره همزمان با چرخیدن به دور زمین، خود نیز چرخیده و همواره به زمین نگاه کند.
کنترل وضعیت در ماهواره‌های سنجش از دور که رصد را نیز می‌توان یکی از ساده‌ترین و کوچک‌ترین آنها به حساب آورد، بخش بسیار مهمی از سامانه فضایی را تشکیل می‌دهند. چرا که ماهواره‌های سنجشی برای دریافت اطلاعات و تصاویر از منطقه خاصی از محدوده زیر پای خود برنامه‌ریزی می‌شوند. بنابراین مهم است که ماهواره رصد بتواند برای تصویربرداری دقیق از منطقه‌ای که برایش تعیین شده است، وضعیت خود را درست مانند یک عکاس حرفه‌ای تنظیم کند و سپس دکمه شاتر دوربین خود را بفشارد.
البته انتظار می‌رفت دوربین ماهواره رصد برای آنچه تصویربرداری یکپارچه نامیده می‌شود، برنامه‌ریزی شده باشد؛ اما آن چیزی که شبیه‌سازی‌های انیمیشنی پخش شده نشان می‌دهند خلاف این را ثابت می‌کند. تصویربرداری یکپارچه به مفهوم جاروی تصویری منطقه زیر پای ماهواره‌ای است که به دور زمین می‌گردد.

[sayed mojtaba]

دوربین‌های ماهواره‌ای سنجش از دور، به طور معمول قادر به تصویربرداری چند طیفی هستند. به این مفهوم که آنها می‌توانند در طول موج‌های مختلف داده‌برداری کنند و کاربران مرکز کنترل قادر خواهند بود با تلفیق چندتایی از آنها اطلاعات بی‌شماری را از تصاویر ارسال شده استخراج کنند. امری که با تصاویر دوربین‌های معمولی عکاسی که من و شما در دست داریم غیرممکن است. از ظواهر امر برمی‌آید که دوربین‌های ماهواره رصد نیز تصاویری معمولی برداشت کرده، بنابراین اطلاعات تصویری این ماهواره برای متخصصان دانش سنجش از دور غیرقابل استفاده است، اما قطعا اولین نگاه ایرانی از فضا خواهد بود که بسیار مغتنم و ارزشمند است.
تمام سیستم‌های ماهواره رصد از جمله بخش مخابرات که تصاویر و سایر داده‌های جمع‌آوری شده را به ایستگاه‌های زمینی مخابره و فرامین جدید را از آنها دریافت می‌کند و خود دوربین تصویربردار برای کار کردن به انرژی الکتریکی احتیاج دارد. از این‌روست که می‌بینیم تمام سطح جانبی ماهواره با سلول‌های خورشیدی پوشیده شده‌اند. اما سلول‌های خورشیدی تنها زمانی قادر به تولید جریان برق موردنیاز کل ماهواره خواهند بود که خورشید بر آنها بتابد.
http://www.spacescience.ir/images/Rasad-1/rasadview0.jpg51a143e3-e700-4b09-a0b3-f8f9093ddd24Large.jpg (http://www.spacescience.ir/ShowPost.aspx?Post=0000169)می‌دانیم ماهواره رصد تقریبا روزی ۱۵ بار زمین را دور می‌زند. این بدان مفهوم است که ماهواره رصد در یک شبانه‌روز ما ۱۵ شب و روز را تجربه می‌کند. هر شبانه‌روز رصد ۹۰ دقیقه طول می‌کشد، بنابراین اگر بخواهیم تنها بر صفحات خورشیدی ماهواره متکی باشیم، به ازای هر ۴۵ دقیقه کار باید ماهواره را چهل و پنج دقیقه تعطیل کنیم.
اما این موضوع به هیچ وجه خواسته طراحان نبوده است. بنابراین ماهواره رصد علاوه بر صفحات خورشیدی به باتری‌های داخلی قابل شارژ و سیستم کنترل تولید و توزیع برق نیز مجهز است. هنگامی که رصد در بخش روز زمین قرار دارد، پنل‌های خورشیدی علاوه بر تامین نیاز ماهواره به برق، باتری‌های آن را نیز شارژ می‌کنند. همین باتری‌ها در بخش تاریک و شب زمین وظیفه تامین برق ماهواره را از صفحات خورشیدی تحویل می‌گیرند.
در بیشتر ماهواره‌هایی که طول عمرهای طولانی برای مثال ۱۰ تا ۱۵ سال دارند٬ یکی از دلایل از کار افتادگی و خاموشی همیشگی آنها خراب شدن باتری‌ها است. باتری‌های فضایی مانند اسلاف زمینی خود با توجه به میزان جریان برقی که از آنها کشیده می‌شود و عمق تخلیه در زمانی که ماهواره بخش تاریک مسیر مداری خود را طی می‌کند٬ به تعداد دفعات مشخصی قادر به شارژ و دشارژ هستند و به مرور میزان شارژ پذیری آنها کم و کمتر می‌شود تا جاییکه برق ذخیره شده در باتریها پاسخگوی نیاز ماهواره در بخش سایه مدار نیست. البته این مشکل برای ماهواره رصد به دلیل طول عمر کوتاه آن مصداقی ندارد.

ماهواره رصد در مدار بسیار کم‌ارتفاعی تزریق شده است. آنقدر کم ارتفاع که اثرات بازدارنده جو زمین بشدت پارامترهای مداری آن را تحت‌تاثیر قرار می‌دهند. جو زمین را می‌توان به دو محدوده غلیظ و رقیق تقسیم‌بندی کرد. متعارف است که می‌گویند اتمسفر زمین تا ارتفاع یک هزارکیلومتری از سطح زمین گسترده شده است. اما واقعیت این است که اگر از ارتفاع ۸۰ کیلومتری زمین بالاتر روید جو به قدری رقیق می‌شود که می‌توان عملا حضور در خلأ را اعلام کرد. اما دانشمندان معتقدند مرز بین جو زمین و فضا در ارتفاع یکصد کیلومتری جایی که آن را خط کارمن (http://www.spacescience.ir/showpost.aspx?post=0000016) می‌نامند، قرار دارد. از این محدوده تا ارتفاعات بسیار بالاتر و حتی در هزار کیلومتری زمین هم مولکول‌های گازی جو زمین تشخیص داده شده‌اند. اما جالب توجه است که در چنین ارتفاعاتی فاصله بین هر دو مولکول گاز به چند صد کیلومتر می‌رسد؛ بنابراین موافق خواهید بود که از این چند هزار مولکول هوا صرف‌نظر و آنجا اعلام خلأ کنیم.
در ارتفاع ۲۶۰ کیلومتری زمین، جایی که ماهواره رصد در نزدیک‌ترین فاصله به معبود آبی رنگ خود، یعنی زمین قرار دارد غلظت جو بسیار اندک است، به طوری که می‌توان انتظار داشت در هر چند صد متر یکبار با یک مولکول هوا برخورد کنیم. اما اگر به خاطر آوریم که ماهواره رصد با سرعتی در حدود ۲۹ هزار کیلومتر بر ساعت در حال چرخیدن به دور زمین است اذعان خواهیم کرد وجود چند صد هزار مولکول هوا در هر بار چرخیدن به دور زمین، خود خواهد توانست در طولانی مدت سرعت ماهواره و به طبع آن ارتفاع پروازی آن را را کم و کمتر کند تا جایی که جو زمین مانند یک گرداب ماهواره را ببلعد و رصد دیگر قادر به فرار از چنگال اصطکاک سرسام‌آور آن نباشد.
ماهواره رصد هر روز که از عمر آن می‌گذرد و هر چرخی که به دور زمین می‌زند، بخشی از انرژی‌مداری خود را از دست می‌دهد و بیشتر و بیشتر به درون اتمسفر غلیظ‌تر زمین فرومی‌غلتد.

http://www.spacescience.ir/images/Rasad-1/R2300066-Satellite_re-entry-SPL.jpg (http://www.spacescience.ir/ShowPost.aspx?Post=0000169)
تصویر خیالی از بازگشت یک ماهواره به جو زمین
انتظار نمی‌رود بقایایی از ماهواره رصد-۱ به زمین برسد.
انتظار می‌رود پس از حدود یک ماه و نیم اثرات جو زمین به قدری بر انرژی‌مداری و پارامترهای مداری ماهواره اثر بگذارد که مسیر پرواز بالستیکی ماهواره رصد را کج کرده و این ماهواره نیز مانند سلف موفق خود یعنی ماهواره امید (http://www.spacescience.ir/ShowPost.aspx?Post=0000161) سقوط کند و در جو زمین بسوزد. این آینده‌ای دراماتیک برای ماهواره‌ای است که آینده فضایی کشورمان و کل سیاره آبی‌رنگ‌مان را وارد عصر تصویرهای فضایی ایرانی از زمین خواهد کرد.