Vệtinh nhân tạo và đời sống
trên Trái Đất
Ngày 4.10.1957, Liên Xô (trướcđây) phóng Sputnik 1 - vệtinh nhân tạo
đầu tiên của Trái đất. Đó là một quảcầu kim loạiđường kính 58 cm, nặng 83
kg và có máy phát vô tuyếnởtần số27 MHz. Thông qua 4 ăngten roi ởbên
ngoài, Trái đấtđã liên lạcđược với vệtinh bằng sóng điện từ, máy thu nghe
tiếng bip bip rất rõ. Vệtinh này bay vòng quanh trái đất, dần dần hạthấp và
sau 92 ngày đã vào khí quyển và bốc cháy. Một tháng sau khi phóng Sputnik 1,
Liên Xô phóng Sputnik 2 nặng 500 kg, mang theo sinh vật là chó Laika. Vệ
tinh này bay quanh trái đất nhiều vòng và đến năm 1958 mới bay vào khí
quyển và bốc cháy.
Nhưvậy, cách đây hơn 50 năm, Liên Xô đã thành công trong việcđưa máy
móc và sinh vật lên vũtrụ, một sựkiện làm chấnđộng cảthếgiới. Nhưng ngày nay,
có đến 26.000 vệtinh nhân tạo lớn nhỏ đang hoạtđộng trên bầu trời chưa kểlà có
đến 23.000 vật thể đã được con ngườiđưa lên không trung nhưng sau đó bịbỏ đi
không sửdụng và trởthành rác trong vũtrụ.Đó là các vệtinh đã hoàn thành
nhiệm vụ, hoặc hết năng lượng, hoặcđi chệch đường không điều khiểnđược hoặc
là phần còn lại của tên lửađẩy sau khi hết nhiên liệu.
Rất khác với 50 năm trước, ngày nay cuộc sống của cưdân trên mặtđất hàng
giờ, hàng phút phụthuộc vào các vệtinh bay trên bầu trời. Ví dụnhư:
- Thời tiếtđược dựbáo trước một vài ngày, thậm chí cảtuần là nhờcó một
hệthống các vệtinh khí tượng từtrên cao thường xuyên chụpảnh, đođạc gió, áp
suất… gửi vềcác trạm thu ởmặtđất, rồi các trạm này lại nhờvệtinh viễn thông gửi
sốliệuđi khắp nơiđể các đàiđịa phương tính toán, xửlý, dựbáo chi tiết cho địa
phương. Hàng triệu người trên Trái đấtđã có thói quen xem tivi vớiảnh các đám
mây và các xoáy bão khi có bão… tất cả đều là do vệtinh đem lại.
- Một sốtờbáo, tạp chí, đặc biệt là bản tin tài chính phát hành rất nhanh, kịp
thờiởnhiều nơi trên thếgiới là nhờtừtoà soạn chếbản xong được gửi qua vệtinh
đến những cơsởởcác địa phương để in và phát hành tạiđịa phương đó.
- Chương trình truyền hình của nhiềuđài truyền hình trên thếgiớiđược
phát lên vệtinh, truyền hình cáp ởtừng địa phương thu các chương trình từvệ
tinh gửiđến và đưa qua cáp truyền hình truyềnđến những gia đình đăng ký sử
dụng. Sựkiện gì, ở địa phương nào được truyền hình trực tiếp thì khắp nơi trên
thếgiới có thểtrực tiếp theo dõi từtivi nhà mình.
- Nhờvệtinh mới có hệ định vịtoàn cầu GPS, ở đâu, bất cứgiờnào có máy
thu GPS là có thểbiết ngay mình đang ởvịtrí nào, địa chỉmình muốnđếnởvịtrí
nào trên bảnđồ,điđếnđó theo đường nào là ngắn, tốt nhất… Có GPS không những
theo dõi được máy bay, tàu thuỷ, xe cộ… di chuyển nhưthếnào, mà còn theo dõi
được sựdi cưcủađộng vật, điều khiển tên lửa, đầuđạn… đến chính xác mục tiêu
mà không bị ảnh hưởng của thời tiết.
- Máy bay lâm nạn, rơiởrừng rậm, tàu thuỷbịsựcố ở giữađại dương… nhờ
tín hiệu cứu nguy khẩn cấp gửi lên vệtinh, rồi từvệtinh thông báo ngay cho các bộ
phận cứu nạn kịp thờiứng phó.
Khó có thểnói đượcđời sống bình thường ngày nay trên Trái đất sẽra sao
nếu không có vệtinh ởtrên trời hoạtđộng. Nước ta cũng đã đầu tưtrên 300 triệu
USD để thuê phóng Vinasat-1, đây là vệtinh viễn thông địa tĩnh đầu tiên của
Việt Nam. Vệtinh đã trởthành rất phổthông trong đời sống hàng ngày. Chúng ta
sẽlần lượt tìm hiểu một sốvấnđề xung quanh vệtinh như: Làm thếnào phóng
được vệtinh lên quỹ đạo; các quỹ đạo của vệtinh và độ cao; quỹ đạođịa tĩnh. Vệ
tinh địa tĩnh; bên trong các loại vệtinh và nhiệm vụ; dựán thang vũtrụ.
Phóng vệtinh nhân tạo nhưthếnào
Cho đến nay, muốn phóng vệtinh nhân tạo phả
i
dùng tên lửa hoạtđộng theo nguyên tắc phản lực: Nhiê
n
liệu của tên lửa cháy phụt xuống dưới, đẩy tên lửa
mang
theo vệtinh bay lên trên.
Thoạtđầu, tên lửa phải xuyên qua lớp khí quyể
n
đầy không khí, bịcọxát rất nhiều. Sau lớp khí quyển dà
y
độ 200 km, không khí loãng hơn rất nhiều, đồng thời
xa
mặtđất hơn nên lực hấp dẫn của Trái đất cũng yếu hơ
n,
tên lửa có thể đi xa mà tiêu tốn ít năng lượng.
Tuỳtheo mụcđích sửdụng vệtinh, mỗi tên lửa mang vệtinh có một hành
trình định sẵn, được tính toán sao cho đạtđược mục tiêu nhưng chi phí nhiên liệu
là hợp lý nhất. Muốn vậy, bản thân trong tên lửa phải có hệthống quán tính dẫn
đường IGS (inertial guidance system) để tự động điều chỉnh sao cho tên lửađi
đúng theo hành trình đã định. Hai bộphận quan trọng của hệdẫnđường IGS là con
quay định hướng và máy đo gia tốc. Con quay định hướng là mộtđộng cơcó khối
lượng nhấtđịnh quay rất nhanh đặt trên một giá treo linh động theo mọi hướng.
Đặcđiểm của con quay là bảo toàn hướng quay ban đầu, nên khi tên lửa bay
nghiêng qua nghiêng lại… thì trục con quay vẫn giữnguyên hướng ban đầu như
khi ởtrên mặtđất. Người ta dùng hướng này làm chuẩnđể biết hướng đi của tên
lửaởcác thờiđiểm. Còn theo dõi được gia tốcởcác thờiđiểm là tính ra được vận
tốc.
Cần chú ý rằng ở200 km đầu tiên, tên lửa bịcọxát mạnh với lớp không khí
dày đặc. Vì vậy, đoạnđường này nếu tên lửađi luôn vuông góc với mặtđất là đi
đượcđoạnđường ngắn nhất trong lớp khi quyển dày đặc. Nhưng vì Trái đất quay
tròn quanh trục nên tên lửa lúc đứng yên trên mặtđất thực sựlà có tốcđộ rất lớn
đối với không gian ngoài Trái đất. Thật vậy, giảsửbệphóng tên lửađặtởxích đạo,
vì Trái đất có đường kính 12.753 km nên chu vi của xích đạo là 12.753 km x 3,1416
= 40.065 km. Tên lửađứng yên ởxích đạo thực ra đang chuyểnđộng tròn trong
không gian với tốcđộ (thẳng) là 40.065 km chia cho 24 giờ(một ngày đêm) tức là
1.669 km/h. Nếu bệphóng không ởxích đạo mà ởmột vĩtuyến khác, ví dụnhưbệ
phóng ởmũi Kennedy (Mỹ) vĩtuyến 28036’ (bắc) thì tốcđộ thẳng chỉcòn là 1.440
km/h nhỏhơnởxích đạo 229 km/h.
Tính toán nhưtrên để thấy rằng ban đầu phóng tên lửa lên theo hướng
vuông góc với mặtđất, khi tên lửa tách rời mặtđất, bên cạnh tốcđộ bay lên đạt
được do nhiên liệu bị đốt cháy, nó vẫn còn phải cần thêm một tốcđộ nhấtđịnh nữa
để bảo toàn tốcđộ tiếp tuyến với vĩ độ tạiđịađiểm phóng, tốcđộ này khá lớn. Trái
đất và bầu khí quyển quay nên nếu không điều chỉnh thì tên lửa dần dần sẽ đi xiên
so với mặtđất, nếu khí quyển dày 200 km thì đoạnđường đi trong khí quyển sẽ
không còn là 200 km nữa mà là lớn hơn, đoạnđường ma sát mạnh với không khí
nhiều hơn, tốn nhiều năng lượng hơn. Thông thường, ởgiai đoạnđầu này, hệ
thống dẫnđường lái cho tên lửa luôn vuông góc với mặtđất bằng cách điều chỉnh
độ nghiêng của các cánh ởhọng phun của tên lửa, khi đã bay vào tầng khí loãng, sẽ
dùng các tên lửa phụlái cho tên lửa bay theo hành trình đã định tuỳthuộc vào mục
đích sửdụng.
Vận tốc, quỹ đạo và độ cao của vệtinh
Việc dùng tên lửađể từmặtđất phóng các vật lên cao, có thểtạm chia ra
thành các loại sau đây:
- Vậtđiđược mộtđoạnđường dài trên không rồi lại rơi xuống mặtđất. Ví dụ
các tên lửa quân sựmang đầuđạn có thể đi xa 7.000-8.000 km. Đường đi của tên
lửa là đường parabol cong lên, điểmđầu và điểm cuối là ngay trên mặtđất. Đây là
đường điđiển hình của viên đạnđại bác nên thường gọi là tên lửađạnđạo.
- Vật lên cao và bay vòng quanh Trái đất hoặc theo hình tròn hoặc theo hình
ellip. Mặt trăng quay quanh trái đất nên gọi là vệtinh của Trái đất. ở đây, vật do
con người phóng lên bay quanh Trái đất nên gọi là vệtinh nhân tạo. Tuỳmụcđích
sửdụng mà quỹ đạo của vệtinh nhân tạo có thểcao hoặc thấp, tròn hoặc ellip…
- Vậtđược phóng lên cao đến mức thoát khỏiảnh hưởng sức hút của Trái đất.
Vậtđi vào các khoảng không xa xôi kiểu nhưtàu thăm dò sao Hoả, sao Kim.
Trong phần này ta chỉbàn đến vệtinh nhân tạo của trái đất. Trong trường
hợp này, vận tốc, quỹ đạo và độ cao của vệtinh liên quan chặt chẽvới nhau. Để
đơn giản ta chỉxét quỹ đạo tròn quanh Trái đất. Tưởng tượng buộc một vật nặng ở
sợi dây và quay tròn: Sợi dây căng ra, vật chuyểnđộng theo đường tròn, quay
nhanh dây căng nhiều, quay chậm dây căng ít. Nếu khi đang quay, dây bị đứt thì vật
theo quán tính văng ra xa, đi thẳng theo chiều tiếp tuyến với vòng tròn, tức là
vuông góc với sợi dây.