Un
satel·lit artificial
(o orbitador
[1]
) es un objecte fabricat per l'esser huma i llancat a l'espai que amb una
velocitat adient
perque sigui capac de mantenir-se en una orbita estable al voltant de la terra o un altre cos celeste sense precipitar-se contra la superficie d'aquest.
[2]
El primer satel·lit artificial va ser l'
Sputnik 1
llancat l'any 1957 per l'
URSS
.
[3]
Encara que tant les
estacions espacials
, els vehicles espacials tripulats i les ultimes etapes propulsores dels
coets
llancadors
que resten en
orbita
, son tots satel·lits artificials segons la definicio estricta del terme, normalment s'utilitza per a les plataformes automatitzades d'instruments en orbita terrestre que serveixen per a fins cientifics, militars i/o comercials. La resta d'aquest article nomes prendra en compte aquesta darrera accepcio. Els elements que resten orbitant i ja no fan una funcio per a la qual han estat dissenyats passen a anomenar-se residus o escombraria satel·litaris. En cas que no romanguin en orbita poden anomenar-se
residus espacials
.
[4]
Instruments a l'espai
[
modifica
]
Satel·lit artificial durant la inspeccio previa al llancament
Els satel·lits artificials no son, en essencia, res mes que instruments i dispositius posats en una ubicacio fisica privilegiada: l'
espai
. Alli, poden acomplir tasques impossibles o dificils de realitzar des de la superficie terrestre, o fer-ho d'una manera molt mes eficac. Les raons per les quals aixo es aixi son diverses i depenen de la natura de l'instrument i de la missio que aquest ha de dur a terme. Tot i aixi es poden distingir tres aspectes que, per ells sols, motiven l'existencia de la majoria de satel·lits:
L'alcada a que es pot trobar el satel·lit
[
modifica
]
Encara que la simple alcada pugui semblar una rao banal per justificar l'existencia d'un satel·lit, es en realitat allo que els permet de ser tan utils com a mitjans de comunicacio i observacio. El motiu es simple: com mes alt estigui un instrument, mes superficie terrestre podra veure'l. Es el mateix efecte de
perspectiva
que fa que les antenes de comunicacions s'instal·lin en llocs elevats per permetre que el seu senyal arribi a mes usuaris, o que s'utilitzin fotografies preses des d'un avio per obtenir informacio sobre grans extensions de terreny d'una manera facil i rapida. En els satel·lits artificials aquests principis continuen sent valids, pero pel fet d'estar a mes altitud aquests ultims poden abastar una superficie molt mes gran que les tecniques tradicionals.
- El desplacament del satel·lit al llarg de la seva
orbita
: El fet que els satel·lits es desplacin sobre una orbita, donant voltes a la Terra, fa que d'una manera natural passin periodicament per sobre d'una fraccio important de la superficie del globus. Els seus instruments tenen aixi l'oportunitat d'observar punts de dificil acces o simplement de recollir dades d'abast mundial.
- Les caracteristiques del medi espacial: Moltes de les caracteristiques del medi en el qual evolucionen els satel·lits son dificils o no es poden reproduir a terra (p. ex. la
microgravetat
, condicions d'observacio dels cossos celestes...). El medi espacial es tambe de vegades objecte d'estudi. Tot aixo fa que existeixin forca satel·lits amb instruments que permeten de realitzar diverses experiencies cientifiques que nomes es poden dur a terme a l'espai.
Pilotatge a distancia
[
modifica
]
A causa d'estar situats a l'espai, els satel·lits son instruments que no es poden controlar directament per interaccio fisica. Forcosament, les persones que els controlen (anomenats operadors) han de poder fer-ho des de la superficie terrestre. Per a aixo s'utilitza un enllac de comunicacio per radio. S'han de poder enviar i rebre dades cap i des del satel·lit per poder:
- Dir al satel·lit l'accio que ha de dur a terme (p. ex. "Pren una fotografia ara")
- Recuperar la informacio que les accions comandades generen com a resposta (p. ex. la fotografia en si)
Per convencio, les comandes enviades vers el satel·lit prenen el nom de telecomandes. De la mateixa manera, les informacions rebudes prenen el nom de telemesures. El lloc fisic on els operadors envien telecomandes i reben telemesures s'anomena centre de control del satel·lit.
Com que a causa del moviment orbital aquest enllac de comunicacio nomes es disponible durant uns quants minuts al dia, el satel·lit ha de ser capac d'emmagatzemar les comandes i executar-les al moment oportu. Tambe ha de poder emmagatzemar els resultats per enviar-los quan la comunicacio amb el centre de control sigui possible.
La part mes important dels satel·lits es la seva
carrega util
, es a dir, els instruments i dispositius que acompliran la missio que te assignada (p. ex. les cameres fotografiques d'un satel·lit d'observacio o el conjunt d'antenes, receptors i emissors d'un satel·lit de comunicacio). La resta del satel·lit (anomenada plataforma o bus) esta constituida per tota la maquinaria necessaria perque la carrega util pugui funcionar.
Carrega util
[
modifica
]
La carrega util varia segons la missio del satel·lit, per aixo existeixen de moltes menes i funcions. Entre les mes habituals trobem:
- Cameres
i
telescopis
: permeten d'obtenir imatges de la terra o dels cossos celestes en diferents longituds d'ona.
- Emissors
,
receptors
i
antenes
: permeten utilitzar el satel·lit com un repetidor per poder transmetre informacio entre dos punts allunyats de la superficie terrestre.
- Radars
: obtenen informacio gracies a ones de radio.
- Sensors
de
radiacio
i altres magnituds fisiques: recullen informacio sobre el medi espacial.
Parts principals del satel·lit Swift: 1) Carrega Util (telescopis); 2) Plataforma; 3) Plaques solars.
Diagrama del microsatel·lit tipus CubeSat
ESTCube-1
.
Al contrari que per la carrega util, les funcions que la plataforma s'encarrega de realitzar son practicament identiques per a tots els satel·lits artificials. Per a cada una de les funcions s'acostuma a designar el conjunt d'elements que la realitza amb el nom de "subsistema". Els diferents subsistemes de la plataforma son:
- Subsistema d'alimentacio
- Te la funcio de proporcionar energia electrica a la resta de la plataforma i a la carrega util. La majoria dels satel·lits obtenen la seva energia directament del Sol per mitja de
plaques solars
. Tambe disposen d'una
bateria
que nomes utilitzen quan es troben a l'ombra de la Terra i que recarreguen quan tornen a rebre llum solar.
- Subsistema de control termic
- Garanteix una
temperatura
de funcionament adequada a tots els instruments del satel·lit. A l'espai, els cossos estan sotmesos a temperatures extremes, anant des de centenars de graus Celsius a les zones irradiades per la llum del sol fins a 3 K (-270 °C) a les zones en ombra. El subsistema de control termic equilibra aquestes diferencies per mitja de radiadors, calefactors o dispositius de transferencia de calor, de manera que els instruments a l'interior es troben a una temperatura estable normalment compresa entre 10 °C i 20 °C.
- Subsistema de
propulsio
- Te la tasca de modificar l'orbita del satel·lit si necessari. Molts satel·lits artificials disposen de petits motors coet que els permeten de realitzar correccions d'orbita. Aquestes correccions son normalment comandades per les persones que controlen el satel·lit des del seu centre de control a terra.
- Subsistema de control de l'orientacio
- Permet de controlar cap on estan apuntats el satel·lit i els instruments de la carrega util. Moltes missions requereixen que el satel·lit sigui capac d'apuntar cap a una direccio determinada (p. ex. en els satel·lits d'observacio de la terra cal que la camera estigui apuntada amb precisio vers la regio de la superficie que es vol estudiar). A mes, tambe cal apuntar les plaques solars cap al Sol perque aquestes produeixin energia. Existeixen moltes maneres d'acomplir aquestes necessitats. En general cal que el satel·lit pugui coneixer la seva orientacio per mitja d'algun sensor (p. ex. sensor estel·lar, sensor solar,
magnetometre
…) i que pugui canviar-la amb algun tipus de dispositiu d'accio (p. ex. motors coet, rodes de reaccio).
- Subsistema de telecomunicacio
- S'utilitza per rebre les comandes del centre de control del satel·lit i transmetre-hi les dades recollides. Tots els satel·lits disposen d'un sistema complet d'emissors, receptors i antenes amb el que poden establir enllacos bidireccionals de dades amb el centre de control per mitja d'ones de radio. Per aquests enllacos els operadors envien al satel·lit les ordres que aquest ha d'executar i recullen les dades generades pels instruments embarcats.
- Subsistema de control bord
- Permet de fer funcionar la resta de subsistemes de forma automatica sense intervencio del centre de control. Tots els satel·lits necessiten un grau important d'autonomia, ja que realitzen tasques complexes sense la intervencio directa d'un operador huma. Per aixo, disposen d'un
ordinador
amb un
programa informatic
capac d'interpretar les ordres rebudes del sol i de fer funcionar el satel·lit en consequencia, inclus quan l'enllac amb el centre de control no esta disponible. El subsistema de control bord tambe pren tot sol les decisions necessaries per assegurar que el satel·lit no "mori" (p. ex. si detecta que la bateria s'esta descarregant perillosament, apagara els instruments que no siguin imprescindibles per tal d'estalviar energia).
Com que aquestes funcions son identiques per a moltes missions, un mateix model de plataforma pot ser reutilitzat en mes d'un satel·lit. Aixi es pot disminuir el cost de desenvolupament i produccio, alhora que l'experiencia acumulada en la utilitzacio d'una plataforma permet, en les missions seguents, de disminuir el risc de perdre el satel·lit a causa d'errors de disseny o d'operacio. Algunes de les plataformes reutilitzades d'aquesta manera son:
- Eurostar, SpaceBus, SSL1300, Boeing702 son utilitzades en
satel·lits de comunicacions
.
- Proteus es una plataforma per a satel·lits cientifics i d'observacio en orbita baixa.
- Myriade, MicroSat-100 son plataformes per a microsatel·lits (satel·lits de massa inferior a 200 kg).
Llancament i orbites
[
modifica
]
L'
orbita
es la trajectoria que el satel·lit descriu en donar voltes al voltant de la Terra. Es un parametre molt important per al satel·lit, ja que determina quina sera la seva posicio relativa respecte a la superficie terrestre, i, per tant, en gran part del tipus de missio que aquest podra dur a terme.
Degut a les lleis de la mecanica celeste, les orbites dels satel·lits tenen la forma d'una
el·lipse
que en la majoria dels casos es molt poc excentrica (es a dir tendeix a ser una
circumferencia
). Encara que poden ser molt variades, les orbites dels satel·lits acostumen a pertanyer als tipus seguents:
- Orbita terrestre baixa
(en angles
Low Earth Orbit
, LEO)
- S'aplica a les orbites a alcades entre 100 km (limit inferior de l'espai) i 1.000 km. Son, amb diferencia, les orbites mes comunes. Les utilitzen principalment els satel·lits d'observacio i alguns satel·lits de comunicacio moderns. En ser properes a la Terra, en faciliten l'observacio. D'especial interes son les orbites polars:
- Orbita polar
- Orbites que passen per sobre dels pols de la Terra. En aquestes orbites, el satel·lit "escombrara" (passara per sobre) tota la superficie del globus al cap d'un temps relativament curt, cosa que permet d'obtenir dades d'abast mundial. El fenomen es a causa del fet que mentre que la Terra gira l'orbita queda sempre fixa. Vegeu l'animacio seguent per a una representacio d'un satel·lit en orbita polar:
Orbita Polar (1.6 MB)
- Orbita terrestre mitjana (angles
Medium Earth Orbit
, MEO)
- Son les orbites entre 1.000 i 30.000 km. Degut a la seva alcada, els satel·lits poden ser vists des d'extensions mes grans de la terra. Son utilitzades pels satel·lits de navegacio.
- Orbita geoestacionaria
(angles
Geostationary Earth Orbit
, GEO)
- Es tracta de l'orbita circular a 36.000 km d'alcada situada sobre l'
equador
. En aquesta orbita, el satel·lit triga a donar una volta a la Terra exactament el temps que aquesta triga a donar una volta sobre ella mateixa. Aixo fa que la seva posicio relativa respecte a la superficie sigui constant. Son utilitzades pels satel·lits de comunicacio per tres motius: (1) els satel·lits son visibles constantment, (2) les antenes per rebre les emissions del satel·lit poden ser fixes (ja que sempre estan a la mateixa posicio en el cel, vists des de la Terra), i (3) l'alcada els permet d'actuar sobre regions molt extenses. Molts satel·lits d'observacio meteorologica tambe estan situats en aquesta orbita.
Com que la quantitat d'orbites que permeten realitzar missions interessants es limitada, cada vegada un nombre mes important de satel·lits, restes de satel·lits i restes de coets s'hi acumula. Aixo es fa pales especialment en les orbites baixes, on, despres de 50 anys d'era espacial, hi ha tanta ferralla que abans de posar un satel·lit en una orbita cal assegurar-s'hi que no trobara obstacles en la seva trajectoria amb els quals pugui xocar.
Perque un objecte entri en orbita cal que assoleixi una
velocitat
molt important anomenada
velocitat orbital
. Aquesta velocitat depen de l'alcada de l'orbita i es de l'ordre de 7 km/s per a les orbites baixes. Per a orbites mes altes, encara que sembli contradictori, aquesta velocitat es menor. El que es evident es que per posar un satel·lit en una orbita mes alta, l'energia que se li ha de proporcionar tambe es mes gran. En el llancament, un
coet
s'encarrega de posar el satel·lit a l'alcada i velocitat adequades corresponents a l'orbita desitjada. L'energia necessaria es enorme, i es un dels motius que fa que llancar un satel·lit sigui molt car.
Un altre aspecte important es l'estabilitat de l'orbita, es a dir si naturalment el satel·lit continuara sempre sobre la mateixa el·lipse o aquesta canviara. Sorprenentment, moltes de les orbites que els satel·lits utilitzen son inestables a llarg termini. En aquests casos, el satel·lit ha de dur a terme periodicament correccions d'orbita amb el seu propi subsistema de propulsio per mantenir-se a la bona trajectoria.
Els satel·lits tenen aplicacions molt variades i importants, tant en el camp civil com en el militar. Encara que els satel·lits es limiten a obtenir i/o transmetre informacio, aquesta informacio pot ser de gran utilitat per les activitats humanes a terra. Les dades dels satel·lits tenen un paper clau en molts aspectes de la vida moderna (televisio per satel·lit, navegacio per
GPS
,
previsions meteorologiques
…),
[5]
i la seva importancia creix a mesura que la tecnologia permet fer satel·lits amb mes complexitat i capacitat.
Hi ha molts tipus de satel·lits artificials segons la missio que acompleixen:
- Satel·lits d'observacio: Obtenen imatges de la superficie terrestre en tota mena de
resolucio
(des de kilometres fins a inferiors al metre) i
longitud d'ona
(des de la llum visible fins a les ones de radio). Aquestes imatges permeten de:
- Cartografiar zones de dificil acces.
- Fer un seguiment dels recursos naturals (massa forestal, collites, oceans...).
- Identificar jaciments i recursos minerals.
- Obtenir informacio sobre les instal·lacions militars d'altres paisos (son els anomenats
Satel·lits espies
).
- Satel·lits meteorologics
: Proporcionen informacio periodica sobre l'activitat atmosferica, normalment per mitja d'imatges. Els de mes anomenada son els que estan situats en orbita geoestacionaria (ex.
Meteosat
), pero tambe existeixen en orbita baixa (ex.
MetOp
).
- Satel·lits cientifics: Recullen dades directament a l'espai (del camp magnetic terrestre, aurores polars, radiacions...) o realitzen experiencies cientifiques especials.
- Satel·lits astronomics: Permeten escrutar l'espai sense l'obstacle que suposen els nuvols i l'
atmosfera terrestre
.
- Satel·lits de navegacio
: Permeten determinar la posicio de qualsevol punt de la superficie del globus amb molta precisio. Son utilitzats per a la
navegacio
de vaixells, avions i cotxes, pero tambe per guiar
missils
i altres armes. Existeixen dos sistemes operacionals:
GPS
(america) i
GLONASS
(rus). La
unio europea
esta desenvolupant un tercer sistema,
Galileo
.
- Satel·lits de comunicacions
: S'utilitzen per a la transmissio d'informacio (emissions de TV, telefonia, dades...) i solen situar-se en orbita geoestacionaria. Serveixen per:
- Transmetre una emissio directament a grans regions de la superficie (per exemple, a un continent sencer).
- Establir enllacos de comunicacio a gran distancia.
- Donar una cobertura telefonica d'abast mundial (sistemes
Iridium
i Globalstar).
- Satel·lits detectors de missils: Permeten detectar els llancaments de missils intercontinentals.
- Satel·lits d'escolta electronica: Recullen i emmagatzemen les emissions de radio per a l'obtencio d'informacio per part dels serveis secrets.
Bibliografia
[
modifica
]
- Centre National d'Etudes Spatiales.
Spacecraft Techniques and Technology
, Cepadues-Editions, 2005.
ISBN 2-85428-685-5