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 mócvàsinhvậtlênvũ trụ,mộtsự kiệnlàmchấnđộngcả thế giới.Nhưngngày nay, cóđến 26.000 vệ tinhnhântạolớnnhỏ đanghoạtđộng trênbầu trờichưa 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 phầncòn lại của tên lửađẩy sau khi hết nhiên liệu. Rấtkhácvới50nămtrước,ngàynaycuộcsốngcủacư dântrênmặtđấthàng giờ, hàngphút phụ thuộc vào cácvệ tinh bay trênbầu 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…gửivề các trạmthuở mặt đất, rồicáctrạm này lại nhờ vệ tinhviễnthông 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 bãokhi có bão… tất cả đều là do vệ tinhđem lại. -Mộtsố tờ báo,tạpchí,đặc biệt làbản tintàichính pháthànhrấtnhanh, kịp thờiở nhiềunơitrên thế giớilànhờ từ toàsoạnchế bảnxongđượcgửiquavệ tinh đến nhữngcơ sở ở các địa phương để in và phát hành tạiđịa 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 theodõi 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 nàotrênbảnđồ,điđếnđó theo đường nàolàngắn,tốt nhất…CóGPSkhông 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 hưởngcủa thời tiết. -Máybay lâmnạn, rơiở rừng rậm, tàu thuỷ bị sự cố ở giữa đại dương… nhờ tínhiệucứunguykhẩncấpgửilênvệ tinh,rồitừ vệ tinh thôngbáo ngay cho cácbộ phận cứunạn kịp thời ứngphó. 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 trongcác loại vệ tinh và nhiệm vụ; dự án thangvũ trụ. Phóng vệ tinh nhân tạo như thế nào Cho đến nay, muốn phóng vệ tinh nhân tạo phả i dùng tên lửa hoạt động theo nguyên tắc phản lực: Nhiê n liệu của tên lửa cháy phụt xuống dưới, đẩy tên lửa mang theo vệ tinh baylên trên. Thoạt đầu, tên lửa phải xuyên qua lớp khí quyể n đầy không khí, bị cọ xát rất nhiều. Sau lớp khí quyển dà y độ 200 km, không khí loãng hơn rất nhiều, đồng thời xa mặt đất hơn nên lực hấp dẫn của Trái đất cũng yếu hơ n, tên lửa có thể đi xamà 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 chiphí 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 đúngtheohànhtrình đã định.Haibộ phậnquantrọngcủa hệ dẫn đườngIGSlàcon 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 đứngyên trên mặt đất thực sự làcó tốc độ rất lớn đốivới không gianngoàiTrái đất.Thật vậy,giả sử bệ phóngtên lửađặtở xích đạo, vì Tráiđất có đườngkính 12.753kmnênchu vicủaxíchđạolà 12.753kmx 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. Nếubệ phóng không ở xích đạo mà ở một vĩ tuyến khác,ví dụ như bệ phóng ở mũiKennedy (Mỹ)vĩ tuyến 28036’ (bắc)thì tốcđộ thẳng chỉ cònlà 1.440 km/hnhỏ 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 đượcdonhiênliệu bị đốtcháy,nó vẫncònphảicầnthêmmột tốcđộ nhấtđịnhnữa để bảotoàntốc độ tiếptuyếnvớivĩ độ tạiđịađiểmphóng, tốcđộ này khálớn. Trái đấtvàbầukhíquyển quaynên nếu không điềuchỉnh thìtênlửa dầndần sẽ đixiên 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 củacác cánhở họngphun của tênlửa,khiđã bay vàotầng khíloãng,sẽ dùngcáctên lửa phụ láicho tên lửa baytheohànhtrìnhđã địnhtuỳ thuộcvào 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: -Vậtđiđược một đoạnđường dàitrênkhông rồilạirơi xuốngmặtđất.Vídụ 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 cuốilà ngay trên mặt đất. Đây là đườngđi điển hìnhcủa viên đạnđại bácnên thường gọi là tênlửa đạnđạo. - 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 gọilà vệ tinh nhân tạo. Tuỳ mục đích sử dụng mà quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo cóthể cao hoặcthấp, tròn hoặc ellip… - Vật được phóng lêncaođến mức thoát khỏi ảnhhưởngsứchút của Trái đất. Vật đi vào các khoảngkhôngxa xôi kiểunhư tàuthăm dòsao Hoả, saoKim. 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 đơngiảntachỉ xétquỹ đạotrònquanh Tráiđất.Tưởngtượngbuộcmộtvật nặng ở sợi dây và quay tròn: Sợi dây căng ra, vật chuyển động theo đường tròn, quay nhanhdâycăngnhiều,quaychậmdâycăngít. Nếukhi đangquay, dâybị đứt thìvật theo quán tính văng ra xa, đi thẳng theo chiều tiếp tuyến với vòng tròn, tức là vuônggóc vớisợi dây. Như vậydoquán tính,vật luôncóxuhướngvăngraxa,nhờ lực căngcủadây tác dụng nên vật luôn luôn bị kéo về theo hướng đến tâm của vòng tròn, nhờ cân bằnggiữa hai xu hướng,vật mớichuyển động quaytròn một cáchổn 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 bằngvớilực hướng tâm (vlàvậntốcvệ tinh). Tráiđất là hình cầucóbán kínhRĐ thìR-RĐ =hchính làđộ caocủavệ tinhtínhtừ mặtđất.Như vậylàtừ điều kiện cân bằng tacóđượcquanhệ (trongđó M là khốilượngTráiđất, rấtxácđịnh). 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. Vídụ,vệ tinhmuốnquaytrònở độ caoh=200km,tứclàở độ caomàkhông khí đã khá loãng thìphảicó tốcđộ là 27.400km/h.Từ tốc độ nàyta dễ dàng tínhra là trong bao lâu vệ tinh bay được một vòng quanh Trái đất hoặc trong một ngày đêm (24h) vệ tinh bay vòngquanhTrái đấtbao 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 tinhbay theo vòng tròn ngay trên xích đạo, nghĩa là trục quay của Trái đất trùng với trục quay của vệ tinh thì đứngở mặt đất nhìn lên không thấy vệ tinh chuyển động.Đó là vệ tinhđịa tĩnh. Trường hợp trục quay Trái đất không trùng với trục quay tròn của vệ tinh, ngườidưới đấtnhìnthấyvệ tinh chuyểnđộng chậmtheohình số 8. Ta sẽ thấymỗi cách chuyển động ứng với mỗi độ caothấp củavệ tinh có một côngdụng 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 địnhhướng láiít nhiều, vật sẽ bay đến những đích rất xa hoặc trở thành vệ tinhcủa nhữnghànhtinh khác. . 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. 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 gọilà vệ tinh nhân tạo. Tuỳ mục đích sử dụng mà quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo cóthể. 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