NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÓNG VỆ TINH LÊN QUỸ ĐẠO ĐỊA TĨNH Phần 1. Giới thiệu: Giới thiệu mục địch và nội dung của nghiên cứu. Phần 2. Một số khái niệm cơ bản: Xem xét một số khái niệm cơ bản liên quan đến vệ tinh cũng như chuyển động của vệ tinh trong không gian. Phần 3. Cơ sở lý thuyết phóng vệ tinh: Trình bày quá trình đưa vệ tinh từ bệ phóng lên quỹ đạo, xem xét một số vấn đề liên quan đến tên lửa đẩy và các tính toán cần thiết. Phần 4. Kết luận:
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
BÁO CÁO MÔN HỌC: THÔNG TIN VỆ TINH
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÓNG VỆ TINH
LÊN QUỸ ĐẠO ĐỊA TĨNH
Hà Nội tháng 12/2013
Mục lục
Giáo viên hướng dẫn : Vũ Văn Yêm Sinh viên thực hiện : Trần Xuân bách
Trang 2Phần 1 Giới thiệu
Phần 2 Một số khái niệm cơ bản
2.1 Vệ tinh
2.2 Quỹ đạo vệ tinh
Phần 3 Cơ sở lý thuyết quá trình phóng vệ tinh
3.1 Tên lửa đẩy
3.2 Quá trình phóng vệ tinh
3.3 Quá trình phóng vệ tinh trong thực tế
……… 14 Phần 4 Kết luận
……… 16
Danh mục tài liệu tham khảo:
[1] Dennis Roddy, McGraw Hill Telecom Engineering, Satellite
Communications, Third Edition
[2] http:// www.braeunig.us/space/orbmech.htm , last visiting at 23:05
10/01/2013.
Phần 1 Mở đầu
Thông tin vệ tinh đã trở thành một phương tiện thông tin vô cùng bổ ích và đa dạng
Nó thể hiện từ các chảo anten truyền hình gia đình cho đến các hệ thống thông tin toàn cầu
Trang 3Dịch vụ thông tin cũng được mở rộng, từ truyền số liệu văn bản đến các chương trình truyền hình với phạm vi phủ sóng đến từng ngõ ngách nhỏ nhất trên thế giới
Trong hệ thống thông tin này, vệ tinh đóng một vai trò vô cùng qua trọng, là phương tiện thu và chuyển tiếp dữ liệu đi đến khắp mọi nơi Từ nghiên cứu các số liệu qua trắc hơn
20 năm, nhà thiên văn học Kepler đã đưa ra 3 định luật của mình, mở đường cho việc nghiên cứu các thiên thể, và sau này là trong việc phóng và định vị vệ tinh trong thông tin Bài nghiên cứu này tập trung vào quá trình phóng vệ tinh, từ lúc vệ tinh rời bệ phóng trên mặt đất đến khi ổn định ở quỹ đạo địa tĩnh Bản báo cáo này tổng hợp những kiến thức nhậ được trong quá trình nghiên cứu, bao gồm các phần:
Phần 1 Giới thiệu:
Giới thiệu mục địch và nội dung của nghiên cứu
Phần 2 Một số khái niệm cơ bản:
Xem xét một số khái niệm cơ bản liên quan đến vệ tinh cũng như chuyển động của vệ tinh trong không gian
Phần 3 Cơ sở lý thuyết phóng vệ tinh:
Trình bày quá trình đưa vệ tinh từ bệ phóng lên quỹ đạo, xem xét một số vấn đề liên quan đến tên lửa đẩy và các tính toán cần thiết
Phần 4 Kết luận:
Tổng hợp lại các vấn đề nghiên cứu
Những hạn chế về mặt thời gian cũng như kiến thức có thể sẽ khiến một số thông tin trong bản báo cáo cá nhân này không dược chính xác Hy vọng nhậ được sự đóng góp ý kiến để có thể hoàn chỉnh hơn đề tài nghiên cứu này
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Vũ Văn Yêm vì sự hướng dẫn và giúp đỡ trong việc hoàn thành nghiên cứu này!
Hà Nội, ngày 3 tháng 12 năm 2013
SV.Trần Xuân Bách
Phần 2 Một số khái niệm cơ bản
Trang 4Trong phần này ta sẽ phân tích rõ một số khái niệm cơ bản trong thông tin vệ tinh Sau khi đề cập đến một số khái niệm và thuật ngữ về các loại vệ tinh và quỹ đạo, ta sẽ tập trung vào hai vấn đề chính, quỹ đạo địa tĩnh và vệ tinh địa tĩnh, định nghĩa cũng như các đặc điểm thuận lợi cho hệ thống thông tin vệ tinh
2.1 Vệ tinh
Vấn đề đầu tiên cần làm rõ đó là khái niệm về vệ tinh Thông thường, khi nói đến vệ
tinh ta có thể hiểu nó theo nghĩa vệ tinh tự nhiên hoặc một vệ tinh nhân tạo Có rất nhiều cách định nghĩa về hai loại vệ tinh này, nhưng về cơ bản có thể được hiểu như sau:
2.1.1 Vệ tinh tự nhiên
Vệ tinh tự nhiên (hay vệ tinh thiên nhiên, hay còn gọi là mặt trăng khi không viết hoa),
có thể là bất kỳ một vật thể tự nhiên nào quay quanh một hành tinh hay tiểu hàn tinh Thuật
ngữ vệ tinh tự nhiên cũng có thể được dùng để chỉ một hành tinh quay quanh một ngôi sao,
như trong trường hợp Trái Đất và Mặt Trời
2.1.2 Vệ tinh nhân tạo
Trong ngành khoa học thông tin vệ tinh, thuật ngữ "vệ tinh" thường để chỉ một vệ tinh
nhân tạo, nó là một vật thể do con người chế tạo và bay quanh Trái Đất (hay một thiên thể
khác)
Hình 2.1 Vệ tinh nhân tạo dùng trong viễn thông
Xét về mục đích sử dụng, có thể phân loại vệ tinh nhân tạo như sau:
• Vệ tinh vũ trụ: là các vệ tinh được dùng để quan sát các hành tinh xa xôi, các thiên
hà và các vật thể ngoài vũ trụ khác
• Vệ tinh thông tin: là các vệ tinh nhân tạo nằm trong không gian dùng cho các mục
đích viễn thông sử dụng sóng radio ở tần số vi ba Đa số các vệ tinh truyền thông sử dụng các quỹ đạo đồng bộ hay các quỹ đạo địa tĩnh, mặc dù các hệ thống gần đây sử dụng các vệ tinh tại quỹ đạo Trái Đất tầm thấp
• Vệ tinh quan sát Trái Đất: là các vệ tinh được thiết kế đặc biệt để quan sát Trái Đất
từ quỹ đạo, tương tự như các vệ tinh trinh sát nhưng được dùng cho các mục đích phi quân
sự như kiểm tra môi trường, thời tiết, lập bản đồ,…
Trang 5• Vệ tinh định vị (navigation satellite): là các vệ tinh cho phép các bộ thu sóng di
động trên mặt đất xác định chính xác được vị trí của chúng
• Vệ tinh tiêu diệt / Vũ khí chống vệ tinh: là các vệ tinh được thiết kế để tiêu diệt các
vệ tinh "đối phương", các vũ khí và các mục tiêu bay trên quỹ đạo khác
• Vệ tinh trinh sát: là những vệ tinh quan sát Trái Đất hay vệ tinh truyền thông được
triển khai cho các ứng dụng quân sự hay tình báo
• Vệ tinh thời tiết: là các vệ tinh có mục đích chính là để quan sát thời tiết và/hay khí
hậu của Trái Đất
• Vệ tinh sinh học: là các vệ tinh có mang các tổ chức sinh vật sống, nói chung là cho
mục đích thực nghiệm khoa học
2.2 Quỹ đạo vệ tinh
2.2.1 Định nghĩa
Trong vật lý, quỹ đạo là đường được vạch ra bởi một vật thể chuyển động Quỹ đạo của
một vệ tinh la đường vạch ra bởi vệ tinh đó khi chuyển động Trong thông tin vệ tinh, ta chỉ quan tâm đến các vệ tinh có quỹ đạo chuyển động xung quanh Trái đất
Đa số các vệ tinh thường được mô tả đặc điểm dựa theo quỹ đạo của chúng Mặc dù một vệ tinh có thể bay trên một quỹ đạo ở bất kỳ độ cao nào, các vệ tinh thường được xếp theo độ cao của chúng:
• Quỹ đạo Trái Đất tầm thấp (LEO: 200 đến 1200 km bên trên bề mặt Trái Đất)
• Quỹ đạo Trái Đất tầm trung (ICO hay MEO: 1200 đến 35786 km)
• Quỹ đạo Trái Đất đồng bộ (GSO)
• Quỹ đạo địa tĩnh (GEO: quỹ đạo đồng bộ không nghiêng, cách xích đạo Trái Đất 35
786 km)
• Quỹ đạo Trái Đất tầm cao (HEO: trên 35786 km)
Các quỹ đạo sau là các quỹ đạo đặc biệt cũng thường được dùng để xác định đặc điểm của vệ tinh:
• Quỹ đạo Molniya
• Quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời
• Quỹ đạo cực
• Quỹ đạo di chuyển Mặt Trăng
• Quỹ đạo di chuyển Hohmann
• Quỹ đạo siêu đồng bộ hay quỹ đạo trôi dạt - quỹ đạo bên trên GEO Các vệ tinh sẽ trôi dạt theo hướng tây
• Quỹ đạo dưới đồng bộ hay quỹ đạo trôi dạt - quỹ đạo gần nhưng bên dưới GEO Được sử dụng cho các vệ tinh đang trải qua những thay đổi tình trạng ổn định theo hướng đông 2.2.2 Quỹ đạo địa tĩnh
Trong thông tin viễn thông ta đặc biệt quan tâm đến quỹ đạo địa tĩnh (GEO) Đây là trường hợp đặc biệt của quỹ đạo địa đồng bộ (GSO)
Trang 6Định nghĩa:
Quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo tròn nằm trong mặt phẳng xích đạo Trái Đất (vĩ độ 0º), có
bán kính đến tâm Trái đất
Đặc điểm:
Có duy nhất một quỹ đạo địa tĩnh cho tất cả các vệ tinh Các vị trí vệ tinh chỉ có thể khác nhau theo kinh độ
Các quỹ đạo địa tĩnh là hữu ích do chúng làm cho vệ tinh dường như là tĩnh đối với điểm cố định nào đó trên Trái Đất Kết quả là các ăng ten có thể hướng tới theo một
phương cố định mà vẫn duy trì được kết nối với vệ tinh Vệ tinh quay trên quỹ đạo theo hướng tự quay của Trái Đất ở độ cao khoảng 35.786 km (22.240 dặm) phía trên mặt đất
Độ cao này là duy nhất do nó tạo ra chu kỳ quỹ đạo bằng với chu kỳ tự quay của Trái Đất 2.2.3 Vệ tinh địa tĩnh
Định nghĩa:
Vệ tinh địa tĩnh là tất cả các vệ tinh làm việc trên quỹ đạo địa tĩnh
Đặc điểm:
Các vệ tinh này đứng yên so với bề mặt trái đất ở độ cao và chuyển động xung quanh trái đất theo chiều từ Tây sang Đông với vận tốc góc đúng bằng vận tốc góc của Trái đất:
Các lực chính chi phối lên chuyển động của vệ tinh là lực hấp dẫn từ Trái đất (chủ yếu), Mặt trời, Mặt trăng và các hành tinh trong hệ mặt trời Tuy nhiên tác động hấp dẫn từ các thiên thể khác, các ảnh hưởng từ năng lượng bức xạ mặt trời và các ngôi sao là không thể xem nhẹ, trong một số trường hợp có thể là nguyên nhân dẫn đến thất bại khi phóng vệ tinh hay làm vệ tinh bay lệch khỏi quỹ đạo trong quá trình hoạt động
Việc tính toán đầy đủ các yếu tố này là một công việc vô cùng khó khăn, đòi hỏi phải
có một trung tâm máy tính lớn cùng một đội ngũ đông đảo các nhà khoa học cùng làm việc Không nhằm mục đích đi sâu phân tích về các yếu tố kể trên cũng như ảnh hưởng của chúng tới sự thành công hay thất bại của quá trình phóng, nghiên cứu này chỉ tập trung vào các vấn đề cơ bản trong khi đưa một vệ tinh địa tĩnh lên quỹ đạo của mình Do đó, ta chỉ xem xét đến lực hấp dẫn của Trái đất, được coi là lực duy nhất tác động lên quá trình phóng cũng như chuyển động trên quỹ đạo của vệ tinh
Trang 7Phần 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình phóng vệ tinh
3.1 Tên lửa đẩy
3.1.1 Mô hình tên lửa nhiều tầng
Để đưa một vệ tinh vượt qua được lực hấp dẫn của Trái đất để đi vào quỹ đạo, ta cần
phải có tên lửa đẩy Về cơ bản, tên lửa đẩy (hay còn gọi là tên lửa vũ trụ) là loại tên lửa
đạn đạo (có thể điều khiển được đường bay) để đưa các tàu vũ trụ hoặc vệ tinh nhân tạo vào quỹ đạo quanh Trái Đất hoặc tiến hành du hành vũ trụ đến các hành tinh trong phạm vi
Hệ Mặt Trời hoặc thoát khỏi Hệ Mặt Trời
Hình 3.1 Tên lửa vũ trụ Saturn V đưa phi thuyền Apollo 15 lên Mặt Trăng.
Vấn đề nhiên liệu là vấn đề đầu tiên cần xem xét khi nói về tên lửa đẩy Ở khoảng cách 20km so với mực nước biển nồng độ oxy giảm gần như bằng không, do đó động cơ phản lực không thể làm việc được Giải pháp đưa ra là phải mang theo cả nhiên liệu lẫn oxy trong khoang chứa của tên lửa để có thể đưa vệ tinh thoát khỏi bầu khí quyển và đi ra ngoài không gian
Về cấu tạo, tên lửa đẩy thường bao gồm nhiều tầng Mô hình tên lửa nhiều tầng lần đầu tiên được nghiên cứu và sử dụng bởi phe Phát-xít Đức trong thế chiến lần thứ II với cấu trúc 3 gồm tầng và đã cho thấy hiệu quả ưu việt Sau khi quân Phát-xít thất bại, mô hình này tiếp tục được nghiên cứu và phát triển tại Mỹ và một số nước phe Đồng Minh Tuy nhiên về cơ bản thì kiến trúc 3 tầng vẫn được sử dụng cho đến nay
Mô hình tên lửa nhiều tầng mang lại khá nhiều lợi ích Giả sử ta thiết kế tên lửa chỉ có một tầng với một khoang chứa nhiên liệu duy nhất, khi nhiên liệu đã cạn tên lửa vẫn phải mang toàn bộ khối lượng của khoang chứa đó Điều đó rõ ràng là không hiệu quả Do vậy
ý tưởng về một quả tên lửa tự động nhả các khoang chứa đã sử dụng hêt nhiên liệu trong
đó đã được đông đảo giới khoa học và quâ sự ủng hộ Số lượng khoang chứa càng lớn thì
Trang 8việc sử dụng nhiên liệu càng hiệu quả, tuy nhiên lại đặt ra một bài toán lớn cho các nhà thiết kế Do vậy trong thực tế, tên lửa đẩy thường có từ 2 cho đến 3 tầng
3.1.2 Nhiên liệu cho tên lửa
Một số tên lửa sử dụng nhiên liệu của máy bay Tuy nhiên một số loại nhiên liệu khác cũng được sử dụng, bao gồm:
• Nhiên liệu rắn
• Nhiên liệu lỏng:
o Oxy lỏng với nhiên liệu máy bay.
o Oxy lỏng với Hydro lỏng.
Dưới đây là một số loại tên lửa hiện đang được sử dụng:
GSLV: India: Active
tổng tải trọng 2000-2500 kg lên quỹ đạo chuyển
tiếp địa tĩnh GTO
kiến trúc 3 tầng + 1 Booster
nhiên liệu
http://en.wikipedia.org/wiki/Geosynchronoust
_Satellite_Launch_Vehicle
Ariane4: Europe: Retired tổng tải trọng 5000-7600 kg lên quỹ đạo chuyển tiếp địa tĩnh GTO
kiến trúc 3 tầng + 1 Booster http://en.wikipedia.org/wiki/Ariane_4
Falcon 9: USA: Active
tổng tải trọng 4540 kg lên quỹ đạo chuyển tiếp
địa tĩnh GTO
kiến trúc 2 tầng + 1 Booster
Space Shuttle: USA: Retired tổng tải trọng 3810 kg lên quỹ đạo chuyển tiếp địa tĩnh GTO
kiến trúc 2 tầng + 1 Booster
Trang 9http://en.wikipedia.org/wiki/Soyuz-U http://en.wikipedia.org/wiki/Space_shuttle
Hình 3.2 Một số loại tên lửa hiện đang được sử dụng.
3.2 Quá trình phóng vệ tinh
3.2.1 Đưa vệ tinh lên quỹ đạo
Tên lửa đẩy chỉ có thể trực tiếp đưa vệ tinh lên quỹ đạo ở độ cao không quá 200 km so với mặt đất Để có thể đưa vệ tinh lên quỹ đạo địa tĩnh ở độ cao 35768 km so với mặt đất,
ta cần lần lượt đưa vệ tinh lên theo từng quỹ đạo:
• Quỹ đạo tầm thấp LEO
• Quỹ đạo chuyển tiếp (Hohmann) hay quỹ đạo GTO
• Quỹ đạo địa tĩnh GEO
Trước tiên, vệ tinh được tên lửa đẩy đưa lên quỹ đạo tầm thấp Vệ tinh sẽ ở quỹ đạo này trong một khoảng thời gian để kiểm tra trạng thái Nếu không có gì sai sót hoặc sai sót ở mức độ cho phép, vệ tinh sẽ sẵn sàng cho việc chuyển lên quỹ đạo cao hơn
Tầng cuối cùng của tên lửa đẩy sẽ tăng tốc cho vệ tinh, giúp nó đi lên quỹ đạo chuyển tiếp (quỹ đạo Hohmann) có dạng hình elip, với bán trụ ngắn chính bằng bán kính quỹ đạo tầm thấp, bán trụ dài bằng bán kính quỹ đạo địa tĩnh
Quá trình cuối cùng là vệ tinh sử dụng động cơ mang theo, tại vị trí cực viễn trên quỹ đạo GTO tăng tốc để đi vào quỹ đạo địa tĩnh
Hình 3.3 Các quỹ đạo trong quá trình phón vệ tinh Trước tiên vệ tinh được đưa lên quỹ đạo tầm thấp (Low Earth Orbit) sau đó chuyển tiếp lên quỹ đạo Hohmann (GTO) rồi cuối cùng đi vào quỹ đạo địa tĩnh
(GEO)
Trường hợp lý tưởng là vệ tinh được phóng từ một điểm nằm trên đường xích đạo Khi
đó cả 3 quỹ đạo sẽ nằm trên cùng một mặt phẳng Tuy nhiên việc đặt được một bãi phóng tên lửa trên đường xích đạo không phải lúc nào cũng dễ dàng, và không phải quốc gia nào cũng có bãi phóng nằm trên hoặc là nằm gần đường xích đạo Khi đó, các quỹ đạo trên sẽ
Trang 10nằm trên mặt phẳng cắt nhau.
Hình 3.4 Vệ tinh phóng từ một điểm không nằm trên đường xích đạo Theo thứ tự từ trên xuống dưới: 1.Vệ tinh được đưa lên quỹ đạo LEO bằng tên lửa đẩy; 2.Vệ tinh đi vào quỹ đạo GTO; 3.Vệ tinh sử dụng động cơ mang theo điều chỉnh góc lệch so với mặt phẳng quỹ đạo; 4.Sau khi điều chỉnh góc lệch, vệ tinh thay
đổi vận tốc đi vào quỹ đạo địa tĩnh.
Cũng như bất kỳ một thiên thể tự nhiên nào trong không gian, chuyển động của vệ tinh phải tuân theo 3 định luật Kepler
Áp dụng cho vệ tinh chuyển động xung quanh Trái đất, ta có thể phát biểu 3 định luật Kepler như sau:
Trang 11• Định luật 1: Các vệ tinh chuyển động quanh Trái đất theo các quỹ đạo hình elip với Trái đất nằm ở một tiêu điểm
• Định luật 2: Đường nối một vệ tinh với Trái đất quét qua những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau
• Định luật 3: Bình phương chu kỳ quỹ đạo của một vệ tinh tỷ lệ với lập phương bán trục lớn của quỹ đạo elip của hành tinh đó
Quỹ đạo địa tĩnh tròn là một dạng quỹ đạo đặc biệt tuân theo 3 định luật này
3.2.2 Vệ tinh trên quỹ đạo
Dưới đây ta sẽ khảo sát chuyển động của vệ tinh trên một quỹ đạo elip bất kì
Định luật Keppler 2 cho biết: Đường nối vệ tinh với
Trái đất quét những vùng có diện tích bằng nhau trong
những khoảng thời gian bằng nhau
Xét một vệ tinh chuyển động xung quanh Trái đất theo
quỹ đạo elip Tại thời điểm ,vệ tinh có vận tốc góc với
khoảng cách đến tâm Trái đất bằng
Trong khoảng thời gian , vệ tinh quét một diện tích
Từ đó dễ dàng suy ra:
Với là góc hợp bởi vector và
Xét 2 điểm và với khoảng cách và vận tốc tương ứng
là , và ,
và là góc hợp bởi vector và tương ứng Ta có:
Định luật bảo toàn năng lượng cho ta biểu thức:
Tai điểm cực cận (periapsis) và điểm cực viễn
(apoapsis), ta có:
Từ đó ta tính được:
Với là độ dài bán trục lớn, là tâm sai:
Ta tính được:
Công thức trên cho ta liên hệ giữa vận tốc vệ tinh lúc bắt đầu đi vào quỹ đạo Hohmann
Liên hệ giữa độ lớn vận tốc với khoảng cách:
Tại mỗi điểm trên quỹ đạo elip, ta có công thức liên hệ độ lớn vận tốc và khoảng cách đến tiêu điểm như sau :
