presentació del powerpoint · 2014-02-28 · satèl·lits artificials ignasi corbella aula...
TRANSCRIPT
Satèl·lits Artificials Ignasi Corbella
Aula d’Extensió Universitària dels Enginyers Industrials de Catalunya Barcelona 26 de febrer de 2014
Universitat Politècnica de Catalunya
Satèl·lit: del llatí satelles (ites)
Charlton T. Lewis, Charles Short, A Latin Dictionary
I. un assistent a una persona distingida, sobretot un príncep, un salvavides; en plural, assistents,
acompanyants, tren, comitiva
2
Universitat Politècnica de Catalunya
N’hi ha de naturals i d’artificials
Qualsevol objecte natural que gira al voltant d'un planeta (la Lluna)
Objecte fabricat per l'home i llançat a l'espai que és capaç de mantenir-se en una òrbita estable al voltant de la terra o un
altre cos celeste
Edward Everett Hale. The Brick Moon, 1869
3
Universitat Politècnica de Catalunya
Aplicacions principals
•Astronomia – Observació de planetes,
galàxies i altres objectes espacials
• Observació de la Terra – Cartografia, recursos naturals,
collites
•Meteorologia – Mapes del temps (Meteosat)
• Ciència bàsica – Estacions orbitals i laboratoris
• Navegació – GPS
• Comunicacions – Entre continents, vaixells,
televisió directa a l’usuari
Hubble
SMOS
ISS
4
Universitat Politècnica de Catalunya
Distàncies a la Terra
Denominació anglesa Traducció al català Color Altura sobre la Terra (km)
Earth Terra Imatge Blau/marró 0
Low Earth Orbit (LEO) Òrbita Terrestre baixa Àrea Cyan 160 a 2.000
Medium Earth Orbit (MEO) Òrbita Terrestre mitjana Àrea groga 2.000 a 34.780
International Space Station (ISS) Estació Espacial Internacional Línia de punts vermella 370
Global Positioning System (GPS) Sistema de posicionament global per satèl·lit Línia de punts verda 20.230
Geostationary Orbit (GEO) Òrbita Geoestacionària Línia discontínua negra 35.794
Es considera “espai” una altura superior a 100km sobre el nivell del mar (Karman line)
5
Universitat Politècnica de Catalunya
Òrbites
Òrbita Geoestacionària (equatorial) • Comunicacions (TV-sat)
Òrbita Heliosíncrona (polar) • Observació de la Terra
6
Universitat Politècnica de Catalunya
Llançaments orbitals per any
Llançaments orbitals.
font: W. D. Graham
èxit
fracàs
total
7
Universitat Politècnica de Catalunya
Quants n’hi ha?
• Hi ha més de 21.000 objectes orbitals més grans de 10 cm i 500.000 entre 1 i 10 cm. El nombre de partícules inferiors a 1 cm supera els 100 milions.
• Actualment hi ha uns 3000 satèl·lits civils operatius
NASA Orbital Debris Program Office
htt
p:/
/orb
ital
deb
ris.
jsc.
nas
a.go
v
8
Universitat Politècnica de Catalunya
Les bases teòriques
1903: Konstantin Tsiolkovsky “Exploració de l’Espai amb dispositius a reacció” (Исследование мировых пространств реактивными приборами)
• Calcula la velocitat orbital requerida per a una òrbita mínima al voltant de la Terra a 8 km/s.
• Demostra que un coet múltiple utilitzant propulsors líquids (oxigen i hidrogen) pot aconseguir-ho.
• Identifica les propietats de l’òrbita geoestacionària.
10
Universitat Politècnica de Catalunya
El primer satèl·lit
4-octubre-1957: Sputnik 1 (URSS) [Спу́тник-1]
Comença la carrera espacial entre la URSS i USA
• Dos transmissors de radio d’ona curta.
• El senyal bip, bip, bip ... pot ser captat en qualsevol punt de la Terra.
• Ajuda a identificar les capes de l’atmosfera i la seva influència en la propagació de radio.
11
58 cm diàmetre. 84 Kg
Universitat Politècnica de Catalunya
El primer passatger(a)
3-novembre-1957: Sputnik 2 (URSS) amb la gossa Laika a bord
• Constants vitals de Laika i dades cientí-fiques transmeses a la Terra cada òrbita.
• Compartiment de Laika amb control de temperatura i pressurització.
• Menjar per una setmana. L’última ració enverinada.
• Va morir a les poques hores del llançament per excés de temperatura i stress.
• Seleccionada per la seva “docilitat”.
12
Universitat Politècnica de Catalunya
les presses
6-desembre-1957: Vanguard TV3 (USA)
• L’accident és televisat en directe.
13
Universitat Politècnica de Catalunya
Primer llançament USA
21-gener-1958: “Explorer 1” amb un coet Juno I
• Descobreix el cinturó de Van Allen • Obliga a revisar la dinàmica de cossos rígids • Deixa de funcionar el 23 de maig • Resta en òrbita fins al 1970
pes total: 14 Kg (Sputnik 1 pesava 84 Kg)
14
Universitat Politècnica de Catalunya
El més veterà de l’espai
17-març-1958: “Vanguard 1” amb coet Vanguard
• Primer satèl·lit alimentat per energia solar • Dos transmissors a 108 MHz:
• 10 mW alimentat per bateria (16 dies) • 5 mW alimentat per cel·lules solars (sis
anys) • Perduda comunicació al 1964 • Actualment encara continua en òrbita (és
el més antic allà). • Podria estar-hi 240 anys !!
El programa Vanguard va finalitzar el 1959 amb el Vanguard 3
pes total: 1.5 Kg
15
Universitat Politècnica de Catalunya
Primer gran satèl·lit científic
15-maig-1958: “object D” a bord del Sputnik 3 (URSS)
• Magnetòmetre, fotomultiplicador, detector de rajos còsmics, trampa d’ions, espectròmetre de masses, comptador de micrometeorits, comptador de rajos còsmics d’alta energia, electròmetre.
• Funcionament amb bateries fins juny 1958. Parcial amb panells solars fins abril 1960, que va caure.
Problemes: • La cinta magnètica es
va encallar i això va limitar la recepció de dades globals
• Es va enviar el de reserva, ja que el primer va explotar en el llançament.
Pes: 1327 Kg. Llarg: 3,57 metres. Base: 1,73m
16
Universitat Politècnica de Catalunya
Primer home a l’espai
12-abril-1961: Iuri Gagarin (27 anys) fa una òrbita al voltant de la terra a bord del Vostok 1
• 6:07 Llançament des de Baikonur (Kazakhstan)
• 8:05 Aterratge en paracaigudes (Saratova)
• Temps total del viatge: 2 hores • Temps en òrbita: ~1 hora (6:17 a 7:23)
• Vol completament automàtic
Un altre cop, els soviètics es van avançar als americans en la cursa de l’espai
17
Universitat Politècnica de Catalunya
L’artífex de la supremacia russa
Sergei Pavlovich Korolev (1907-1966)
1957: Primer satèl·lit en òrbita. Sputnik 1 1958: Primer animal en òrbita. Sputnik 2 1958: Primer gran satèl·lit científic. Sputnik 3 1961: Primer home. Iuri Gagarin, Vostok 1 1962: Primer vol doble. Vostok 3 i Vostok 4 1963: Primera dona. V. Tereshkova, Vostok 6 1964: Primer equip de 3 homes: V. Komarov, K. Feoktistov,
B. Yegorov, Voskhod 1 1965: Primer passeig orbital. Alexey Leonov, Voskhod 2 1959: Primer impacte a la lluna. Luna 2 1966: Primera òrbita a la lluna. Luna 10 1966: Primer impacte a Venus. Venera 3 1966: Primer aterratge suau a la Lluna. Luna 9 Dissenyador dels coets i les naus Soiuz
• Desconegut a occident fins a la seva mort per raons de seguretat
• Considerat presoner per traïció i sabotatge des de 1938 fins al 1957
18
Universitat Politècnica de Catalunya
Soiuz Сою ́з [unió]
Soiuz TMA-7. Abril 2006
Nau espacial i coet de fabricació [soviètica] russa
• Primer vol tripulat (Soiuz 1): abril 1967. Encara utilitzada avui (Soiuz TMA-10-M): 25-setembre-2013 [retorn al 12-març-2014]
• Considerat el mètode més segur i eficient de portar essers humans a l’espai. Pot transportar fins a 3 tripulants.
• El coet és el més fiable i el més utilitzat en viatges espacials (119 vols fins ara)
Soiuz 7K-OK(A) [Soiuz 1] 1966
Mòdul orbital
Càpsula tripulació
Mòdul de Servei
19
Universitat Politècnica de Catalunya
Projecte Mercury
• 3 vols no tripulats, 1 ximpanzé i 6 tripulats.
• El 5 de maig de 1961 Alan Shepard fa un vol suborbital.
• El 20-febrer-1962 John Glenn fa tres òrbites a la terra a bord del Friendship 7.
Primer programa espacial tripulat dels Estats Units [1961 a 1963]
20
Universitat Politècnica de Catalunya
Programa Gemini
• 10 vols espacials tripulats entre 1965 i 1966 [llançadora Titan]
• Desenvolupar tècniques de viatges espacials en suport del programa Apollo: • Resistència humana a vols espacials llargs
• Encontre i acoblament de naus
• Passejos espacials
• Re-entrada a l’atmosfera
• Experiència de micro-gravetat
Gemini 7 vista per Gemini 6. 1965
Segon programa espacial tripulat dels Estats Units [1965 a 1966]
Gemini-12. 11-novembre- 1966
21
Universitat Politècnica de Catalunya
Programa Apollo
• 11 vols tripulats per 3 astronautes entre 1968 i 1979 [llançadora Saturn] • 6 aterratges a la lluna, incloent vehicles. El primer al juliol 1969
• Últim: Apollo-17 (de 20 inicialment previstos)
• 380 kg de roques recollides
That's one small step for [a] man, one giant leap for mankind
Objectiu: la Lluna
Ald
rin fo
tografiat p
er Arm
stron
g. 1969
22
Universitat Politècnica de Catalunya
Les estacions orbitals
•Estructures artificials dissenyades per a ser habitades a l'espai exterior
•Aplicacions eminentment científiques.
•Activitat continuada des dels 60. •Enlairades per Russia, Estats Units d’Amèrica i la Xina
23
Universitat Politècnica de Catalunya
Saliut (Салю́т) [Salutació]
• Primer programa (soviètic) en envolar estacions espacials. • Nou estacions (6 amb ocupació) llançades entre el 1971 i el 1982
• Saliut 1: 3 tripulants, 24 dies en òrbita al 1971. • Total (Saliut 1 a Saliut 6): 72 tripulants en 1697 dies
• Construïdes d’una peça fabricada a Terra i posades en òrbita
Disseny de la Saliut 1
Saliut 7 des de Soiuz T-13
24
Universitat Politècnica de Catalunya
Skylab
• Primera estació espacial dels Estats Units d'Amèrica. • Enlairada el 14-maig-1973 i habitada per tres equips de tres tripulants
durant 170 dies total entre el 1973 i el 1974. Va caure al 1979 • Construïda d’una peça fabricada a Terra • Problemes ja en el primer enlairament
Vista final. Foto presa al final del darrer viatge 25
Universitat Politècnica de Catalunya
MIR (Мир) [mon, pau]
• Estació soviètica (russa) accessible a astronautes internacionals • Muntada en òrbita en mòduls llançats entre febrer-1986 i abril-1996.
• Pes: 129700 Kg. Mides: 19x31x27,5 m • Habitada casi permanentment entre 1986 i 2000
• 4594 dies (12 anys i 7 mesos), 104 persones de 12 països • Accessible amb coets Soiuz i també amb el Shuttle americà • Destruïda controladament el 23 de març de 2001
26
Universitat Politècnica de Catalunya
Estació Espacial Internacional (ISS)
• Projecte internacional (6 agències espacials) per a construir i mantenir una estació espacial permanent en òrbita al voltant de la Terra • Ocupada fins ara durant 4836 dies (13 anys i 3 mesos) per tripulacions i
visitants de 15 països diferents (inclosa Espanya – Pedro Duque) • És l’estructura més gran construïda a l’espai. Comença al 1998, l’última peça
és muntada al 2011 i encara està incompleta. • Es fan estudis de biologia, física, astronomia, meteorologia i altres. • Poden acoblar-se fins a 6 tipus de naus espacials diferents. Una nau Soiuz és
permanentment acoblada com a nau d’emergència.
17-abril-2002 23-maig-2010 27
Universitat Politècnica de Catalunya
Característiques de la ISS (2012)
• Longitud del mòdul: 51 metres • Longitud del rack: 109 metres.
(Pràcticament l'equivalent a un camp de futbol inclosa la seva àrea exterior)
• Longitud dels panells solars: 73 metres • Massa: 419.455 kilograms • Volum habitable: 388 metres cúbics • Volum pressuritzat: 916 metres cúbics • Producció d'energia: 8 panells solars =
84 quilowatts • Nombre de persones per cada
expedició: 6 • Laboratoris: 4 • Velocitat: 29.000 km/h • Altura de l'òrbita: 400 km.
(aproximadament)
Sandy Magnus 2011 28
Universitat Politècnica de Catalunya
Satèl·lits de comunicacions
Comunicacions punt a punt, repetidors, comunicacions mòbils a vehicles o vaixells, radiodifusió i televisió, ...
• El primer satèl·lit de comunicacions, el Telstar 1, es va posar en òrbita el 10-juliol-1962. Va retransmetre televisió, telèfon i dades.
• La primera transmissió de televisió via satèl·lit es va dur a terme el 1964.
Telstar: 876mm, 77kg AEHF (Advanced Extremely High Frequency) Satellite
29
Universitat Politècnica de Catalunya
Televisió directa per satèl·lit
Mètode de transmissió televisiva consistent en fer rebotar en un satèl·lit de comunicacions un senyal de televisió emès des d'un punt de la Terra, A Espanya utilitza els satèl·lits Astra i Hispasat
Cobertura satèl·lit Astra
30
Universitat Politècnica de Catalunya
El GPS
“Sistema de posicionament global”: permet saber amb molta precisió la pròpia situació geogràfica i l'hora en gairebé qualsevol lloc de la Terra o en una Òrbita de la Terra. Fa servir una òrbita circular intermèdia amb una constel·lació de 24 satèl·lits o més.
31
Universitat Politècnica de Catalunya
Observació de la Terra
SMOS (Europa) A-traint (USA)
Dissenyats per observar la Terra des d'una òrbita. Els instruments a bord són bàsicament de dos tipus • Passius: Radiometria de microones i òptica, càmeres fotogràfiques • Actius: Radar d’apertura sintètica (SAR), Lidar Normalment utilitzen òrbites LEO (i en alguns casos GEO)
32
Aura
[Glory] [Parasol] Calipso CloudSat Aqua
Gcom-W1
Credit: Ed Hanka
Universitat Politècnica de Catalunya
10 Novembre 2009 Missió SMOS 33/50
SMOS: La missió de l’aigua
Aquestes missions s’enfoquen cap a:
• Demostrar noves tècniques d’observació de la Terra. • Proporcionar noves dades a la comunitat científica.
Són petites, flexibles i amb participació de diverses agències espacials
SMOS és la primera dedicada a proveir mesures globals de la humitat del sòl i la salinitat dels oceans (Soil Moisture and Ocean Salinity)
Humitat del sòl i salinitat de l’oceà:
• Dues variables clau per a l’estudi del cicle de l’aigua i la variabilitat del clima en el planeta Terra
• Actualment n’existeix poca cobertura global
• Degut a l’enorme complexitat tècnica, fins ara no hi ha hagut cap missió espacial dedicada a la seva mesura.
SMOS es la segona “Earth Explorer Opportunity Mission” de l’ESA, en
el marc del seu “Living Planet program”.
Universitat Politècnica de Catalunya
SMOS: La missió de l’aigua
Visió d’artista del satèl.lit SMOS en òrbita
Plataforma PROTEUS
Instrument MIRAS
source: CESBIO
34
Universitat Politècnica de Catalunya
SMOS: La missió de l’aigua
• 2001-2003: Especificacions i disseny.
• 2004-2005: Prototips subsistemes
• 2005: Proves model d’enginyeria
• 2006: Fabricació de subsistemes.
• 2007: integració final i proves de caracterització
Fabricació de MIRAS
Lliurament: Març 2007
so
urc
e: E
SA
/ E
AD
S-C
AS
A e
sp
acio
35
Universitat Politècnica de Catalunya
SMOS: La missió de l’aigua
Sala de muntatge de EADS-CASA espacio
source: A. Camps
Fabricació de MIRAS
Instrument finalitzat source: ESA
36
Universitat Politècnica de Catalunya
SMOS: La missió de l’aigua
Proves de funcionament a la cambra anecoica d’ESA-ESTEC
37
Universitat Politècnica de Catalunya
SMOS: La missió de l’aigua
• Massa del Satèl·lit: 658 kg (plataforma: 275 kg, instrument: 355 kg, fuel: 28 kg)
• Dimensions: Cilindre 2.4 m altura i 2.3 m diàmetre
• Potència: Màxima disponible: 1065 W, màxim consum de MIRAS: 511 W
• MIRAS: Radiòmetre interferometric a 1.4 GHz en forma de Y. Longitud de braços: ~4m. Desplegament en òrbita.
• Temps de vida: Tres anys nominal. Ja en porta 4 i mig
so
urc
e: E
SA
38
Universitat Politècnica de Catalunya
Cosmòdrom de Plesetsk (Sibèria) so
urc
e: E
SA
so
urc
e: E
uro
cko
t
so
urc
e: E
uro
cko
t
source: ESA 39
Universitat Politècnica de Catalunya
Un dia són 7 òrbites completes
processed by MTS
Només es mostra la lectura sobre els oceans
46
Universitat Politècnica de Catalunya
i en 3 dies es té tota la terra
processed by MTS
Només es mostra la lectura sobre els oceans
47
Universitat Politècnica de Catalunya
La desembocadura de l'Amazones
processed by MTS
14 to 18 juliol 2010 5 to 9 maig 2010
processed by MTS
48
Universitat Politècnica de Catalunya
Austràlia abans i després de ploure p
roce
ssed
by
MTS
22-25 Jan Ascending 18-21 Feb Ascending
50
Universitat Politècnica de Catalunya
Però algú ja ho havia previst tot
Arthur C. Clarke 1945
51
…podem enviar instruments de tota mena a la ionosfera i […] obtenir informació que no es podria aconseguir d’una altra manera.
…un coet que pogués arribar a una velocitat de 8 km/s paral·lel a la superfície de la Terra, continuaria en òrbita per sempre; es convertiria en un “satèl·lit artificial”.
Seria possible tenir centenars d’instruments encerclant la Terra perpètuament fora dels límits de l’atmosfera i enviant informació fins que se’ls acabessin les bateries.
... el període d’operació es pot perllongar indefinidament amb l'ús de cèl·lules fotoelèctriques. Tot això seria possible en els pròxims cinc o deu anys.
Però vull mencionar una possibilitat més remota – potser per d’aquí a mitja centúria: Un satèl·lit artificial” a la distància correcta de la Terra faria una revolució cada 24 hores; per tant restaria estacionari per sobre del mateix punt [...]. Tres satèl·lits podrien donar cobertura de televisió al planeta sencer.
Em temo que tot això no tindrà la més mínima utilitat als nostres planificadors post-guerra, però crec que és la solució última al problema.
ARTHUR C. CLARKE British Interplanetary
Society