Vệ tinh nhân tạo và đời sống trên Trái Đất

Chia sẻ: Trần Lê Kim Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

146
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày 4.10.1957, Liên Xô (trước đây) phóng Sputnik 1 - vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái đất. Đó là một quả cầu kim loại đường kính 58 cm, nặng 83 kg và có máy phát vô tuyến ở tần số 27 MHz.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Vệ tinh nhân tạo và đời sống trên Trái Đất

Vệ tinh nhân tạo và đời sống trên Trái Đất Ngày 4.10.1957, Liên Xô (trước đây) phóng Sputnik 1 - vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái đất. Đó là một quả cầu kim loại đường kính 58 cm, nặng 83 kg và có máy phát vô tuyến ở tần số 27 MHz. Thông qua 4 ăngten roi ở bên ngoài, Trái đất đã liên lạc được với vệ tinh bằng sóng điện từ, máy thu nghe tiếng bip bip rất rõ. Vệ tinh này bay vòng quanh trái đất, dần dần hạ thấp 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. Như vậy, cách đây hơn 50 năm, Liên Xô đã thành công trong việc đưa máy móc và sinh vật lên vũ trụ, một sự kiện làm chấn động cả thế giới. Nhưng ngày nay, có đến 26.000 vệ tinh nhân tạo lớn nhỏ đang hoạt động trên bầu trời chưa kể là có đến 23.000 vật thể đã được con người đưa lên không trung nhưng sau đó bị bỏ đi không sử dụng và trở thành rác trong vũ trụ. Đó là các vệ tinh đã hoàn thành nhiệm vụ, hoặc hết năng lượng, hoặc đi chệch đường không điều khiển được hoặc là phần còn lại của tên lửa đẩy sau khi hết nhiên liệu. Rất khác với 50 năm trước, ngày nay cuộc sống của cư dân trên mặt đất hàng giờ, hàng phút phụ thuộc vào các vệ tinh bay trên bầu trời. Ví dụ như:
- Thời tiết được dự báo trước một vài ngày, thậm chí cả tuần là nhờ có một hệ thống các vệ tinh khí tượng từ trên cao thường xuyên chụp ảnh, đo đạc gió, áp suất… gửi về các trạm thu ở mặt đất, rồi các trạm này lại nhờ vệ tinh viễn thông gửi số liệu đi khắp nơi để các đài địa phương tính toán, xử lý, dự báo chi tiết cho địa phương. Hàng triệu người trên Trái đất đã có thói quen xem tivi với ảnh các đám mây và các xoáy bão khi có bão… tất cả đều là do vệ tinh đem lại. - Một số tờ báo, tạp chí, đặc biệt là bản tin tài chính phát hành rất nhanh, kịp thời ở nhiều nơi trên thế giới là nhờ từ toà soạn chế bản xong được gửi qua vệ tinh đến những cơ sở ở các địa phương để in và phát hành tại địa phương đó. - Chương trình truyền hình của nhiều đài truyền hình trên thế giới được phát lên vệ tinh, truyền hình cáp ở từng địa phương thu các chương trình từ vệ tinh gửi đến và đưa qua cáp truyền hình truyền đến những gia đình đăng ký sử dụng. Sự kiện gì, ở địa phương nào được truyền hình trực tiếp thì khắp nơi trên thế giới có thể trực tiếp theo dõi từ tivi nhà mình. - Nhờ vệ tinh mới có hệ định vị toàn cầu GPS, ở đâu, bất cứ giờ nào có máy thu GPS là có thể biết ngay mình đang ở vị trí nào, địa chỉ mình muốn đến ở vị trí nào trên bản đồ, đi đến đó theo đường nào là ngắn, tốt nhất… Có GPS không những theo dõi được máy bay, tàu thuỷ, xe cộ… di chuyển như thế nào, mà còn theo dõi được sự di cư của động vật, điều khiển tên lửa, đầu đạn… đến chính xác mục tiêu mà không bị ảnh hưởng của thời tiết. - Máy bay lâm nạn, rơi ở rừng rậm, tàu thuỷ bị sự cố ở giữa đại dương… nhờ tín hiệu cứu nguy khẩn cấp gửi lên vệ tinh, rồi từ vệ tinh thông báo ngay cho các bộ phận cứu nạn kịp thời ứng phó.
Khó có thể nói được đời sống bình thường ngày nay trên Trái đất sẽ ra sao nếu không có vệ tinh ở trên trời hoạt động. Nước ta cũng đã đầu tư trên 300 triệu USD để thuê phóng Vinasat-1, đây là vệ tinh viễn thông địa tĩnh đầu tiên của Việt Nam. Vệ tinh đã trở thành rất phổ thông trong đời sống hàng ngày. Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu một số vấn đề xung quanh vệ tinh như: Làm thế nào phóng được vệ tinh lên quỹ đạo; các quỹ đạo của vệ tinh và độ cao; quỹ đạo địa tĩnh. Vệ tinh địa tĩnh; bên trong các loại vệ tinh và nhiệm vụ; dự án thang vũ trụ. Phóng vệ tinh nhân tạo như thế nào Cho đến nay, muốn phóng vệ tinh nhân tạo phải dùng tên lửa hoạt động theo nguyên tắc phản lực: Nhi ên liệu của tên lửa cháy phụt xuống dưới, đẩy tên lửa mang theo vệ tinh bay lên trên. Thoạt đầu, tên lửa phải xuyên qua lớp khí quyển đầy không khí, bị cọ xát rất nhiều. Sau lớp khí quyển dày độ 200 km, không khí loãng hơn rất nhiều, đồng thời xa mặt đất hơn nên lực hấp dẫn của Trái đất cũng yếu hơn, tên lửa có thể đi xa mà tiêu tốn ít năng lượng. Tuỳ theo mục đích sử dụng vệ tinh, mỗi tên lửa mang vệ tinh có một hành trình định sẵn, được tính toán sao cho đạt được mục tiêu nhưng chi phí nhiên liệu là hợp lý nhất. Muốn vậy, bản thân trong tên lửa phải có hệ thống quán tính dẫn đường IGS (inertial guidance system) để tự động điều chỉnh sao cho tên lửa đi đúng theo hành trình đã định. Hai bộ phận quan trọng của hệ dẫn đường IGS là con quay định hướng và máy đo gia tốc. Con quay định hướng là một động cơ có khối lượng nhất định quay rất nhanh đặt trên một giá treo linh động theo mọi hướng. Đặc điểm của con quay là bảo toàn hướng quay ban đầu, nên khi tên lửa bay
nghiêng qua nghiêng lại… thì trục con quay vẫn giữ nguyên hướng ban đầu như khi ở trên mặt đất. Người ta dùng hướng này làm chuẩn để biết hướng đi của tên lửa ở các thời điểm. Còn theo dõi được gia tốc ở các thời điểm là tính ra được vận tốc. Cần chú ý rằng ở 200 km đầu tiên, tên lửa bị cọ xát mạnh với lớp không khí dày đặc. Vì vậy, đoạn đường này nếu tên lửa đi luôn vuông góc với mặt đất là đi được đoạn đường ngắn nhất trong lớp khi quyển dày đặc. Nhưng vì Trái đất quay tròn quanh trục nên tên lửa lúc đứng yên trên mặt đất thực sự là có tốc độ rất lớn đối với không gian ngoài Trái đất. Thật vậy, giả sử bệ phóng tên lửa đặt ở xích 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 lửa đứng yên ở xích đạo thực ra đang chuyển động tròn trong không gian với tốc độ (thẳng) là 40.065 km chia cho 24 giờ (một ngày đêm) tức là 1.669 km/h. Nếu bệ phóng không ở xích đạo mà ở một vĩ tuyến khác, ví dụ như bệ phóng ở mũi Kennedy (Mỹ) vĩ tuyến 28036’ (bắc) thì tốc độ thẳng chỉ còn là 1.440 km/h nhỏ hơn ở xích đạo 229 km/h. Tính toán như trên để thấy rằng ban đầu phóng tên lửa lên theo hướng vuông góc với mặt đất, khi tên lửa tách rời mặt đất, bên cạnh tốc độ bay lên đạt được do nhiên liệu bị đốt cháy, nó vẫn còn phải cần thêm một tốc độ nhất định nữa để bảo toàn tốc độ tiếp tuyến với vĩ độ tại địa điểm phóng, tốc độ 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 mặt đất, nếu khí quyển dày 200 km thì đoạn đường đi trong khí quyển sẽ không còn là 200 km nữa mà là lớn hơn, đoạn đường ma sát mạnh với không khí nhiều hơn, tốn nhiều năng lượng hơn. Thông thường, ở giai đoạn đầu này, hệ thống dẫn đường lái cho tên lửa luôn vuông góc với mặt đất bằng cách điều chỉnh độ nghiêng của các cánh ở họng phun của tên lửa, khi đã bay vào tầng khí loãng, sẽ dùng các tên lửa phụ lái cho tên lửa bay theo hành trình đã định tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng.
Vận tốc, quỹ đạo và độ cao của vệ tinh Việc dùng tên lửa để từ mặt đất phóng các vật lên cao, có thể tạm chia ra thành các loại sau đây: - Vật đi được một đoạn đường dài trên không rồi lại rơi xuống mặt đất. Ví dụ các tên lửa quân sự mang đầu đạn có thể đi xa 7.000-8.000 km. Đường đi của tên lửa là đường parabol cong lên, điểm đầu và điểm cuối là ngay trên mặt đất. Đây là đường đi điển hình của viên đạn đại bác nên thường gọi là tên lửa đạn đạo. - 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 vệ tinh của Trái đất. ở đây, vật do con người phóng lên bay quanh Trái đất nên gọi là vệ tinh nhân tạo. Tuỳ mục đích sử dụng mà quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo có thể cao hoặc thấp, tròn hoặc ellip… - Vật được phóng lên cao đến mức thoát khỏi ảnh hưởng sức hút của Trái đất. Vật đi vào các khoảng không xa xôi kiểu như tàu thăm dò sao Hoả, sao Kim. Trong phần này ta chỉ bàn đến vệ tinh nhân tạo của trái đất. Trong trường hợp này, vận tốc, quỹ đạo và độ cao của vệ tinh liên quan chặt chẽ với nhau. Để đơn giản ta chỉ xét quỹ đạo tròn quanh Trái đất. Tưởng tượng buộc một vật nặng ở sợi dây và quay tròn: Sợi dây căng ra, vật chuyển động 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.
Như vậy do quán tính, vật luôn có xu hướng văng ra xa, nhờ lực căng của dây tác dụng nên vật luôn luôn bị kéo về theo hướng đến tâm của vòng tròn, nhờ cân bằng giữa hai xu hướng, vật mới chuyển động quay tròn một cách ổn định. Cũng như vậy, muốn vệ tinh quay vòng quanh Trái đất thì lực hấp dẫn do Trái đất tác dụng lên vệ tinh (M là khối lượng Trái đất, m là khối lượng vệ tinh - rất nhỏ so với khối lượng Trái đất, R là khoảng cách từ vệ tinh đến tâm trái đất) phải cân bằng với lực hướng tâm (v là vận tốc vệ tinh). Trái đất là hình cầu có bán kính RĐ thì R-RĐ = h chính là độ cao của vệ tinh tính từ mặt đất. Như vậy là từ điều kiện cân bằng ta có được quan hệ (trong đó M là khối lượng Trái đất, rất xác định). Từ đó, ta tính được vận tốc của vệ tinh ứng với từng giá trị của R, tức là ứng với từng độ cao h = R - RĐ. Ví dụ, vệ tinh muốn quay tròn ở độ cao h = 200 km, tức là ở độ cao mà không khí đã khá loãng thì phải có tốc độ là 27.400 km/h. Từ tốc độ này ta dễ dàng tính ra là trong bao lâu vệ tinh bay được một vòng quanh Trái đất hoặc trong một ngày đêm (24 h) vệ tinh bay vòng quanh Trái đất bao nhiêu vòng. Đặc biệt, khi vệ tinh ở quỹ đạo tròn cách mặt đất 35.786 km thì vệ tinh phải có tốc độ 11.300 km/h, với tốc độ này vệ tinh bay quanh trái đất một vòng hết 24 giờ. Nếu vệ tinh bay theo vòng tròn ngay trên xích đạo, nghĩa là trục quay của Trái đất trùng với trục quay của vệ tinh thì đứng ở mặt đất nhìn lên không thấy vệ tinh chuyển động. Đó là vệ tinh địa tĩnh. Trường hợp trục quay Trái đất không trùng với trục quay tròn của vệ tinh, người dưới đất nhìn thấy vệ tinh chuyển động chậm theo hình số 8. Ta sẽ thấy mỗi cách chuyển động ứng với mỗi độ cao thấp của vệ tinh có một công dụng riêng.
Cần chú ý là, nếu tên lửa đẩy vật mang theo chuyển động với tốc độ hơn 40.320 km/h vật sẽ thoát khỏi sức hút của Trái đất tiếp tục đi vào khoảng không bao la theo quán tính và vì ở đây xem như là chân không, không còn lực cản nên vật cứ bay, bay mãi. Chỉ cần tiếp sức định hướng lái ít nhiều, vật sẽ bay đến những đích rất xa hoặc trở thành vệ tinh của những hành tinh khác.