Tài liệu Cơ học quỹ đạo và phóng vệ tinh

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG BÀI TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI: CƠ HỌC QUỸ ĐẠO VÀ PHÓNG VỆ TINH MÔN: CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Giảng viên: Thầy Nguyễn Viết Minh Nhóm môn học 3: Nhóm 2 Năm học 2020 -2021 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh Giới thiệu Để đáp ứng các nhu cầu về thông tin với chất lượng và dịch vụ ngày càng nâng cao, mọi lúc mọi nơi, bên cạnh các thông tin di dộng, đã có rất nhiều hệ thống thông tin vô tuyến khác được phát triển. Nên các mạng thông tin vệ tinh là phần không thể thiếu để truyền tải thông tin. Dưới đây nhóm sinh viên em xin trình bày về đề tài cơ học quỹ đạo và phóng vệ tinh. Tài liệu sử dụng: Satellite Communications của tác giả Timothy Pratt và Jeremy Allnut. Bảng phân chia phần làm Phần làm Phần dịch bài Tổng hợp và chỉnh sửa Word 2.10 Orbit Determination – 2.11 Space Launch Vehicles and Rocket Tổng hợp và chỉnh sửa Power Point 2.12 Placing Satellites into Geostationary Orbit – 2.15 Summary 1 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh Mục Lục I. II. Mở đầu a. Giới thiệu ...........................................................................................................1 b. Mục Lục..............................................................................................................2 c. Thuật ngữ viết tắt................................................................................................3 d. Danh mục bảng và hình......................................................................................4 Nội Dung a. 2.10. XÁC ĐỊNH QUỸ ĐẠO.............................................................................5 b. 2.11. PHƯƠNG TIỆN PHÓNG VÀ TÊN LỬA ĐẨY.......................................5 i. 2.11.1. Phương tiện khởi động có thể sử dụng (ELVs)...........................9 c. 2.12. ĐƯA VỆ TINH VÀO QUỸ ĐẠO ĐỊA TĨNH........................................16 i. 2.12.1. Quỹ đạo chuyển giao địa tĩnh và AKM....................................16 ii. 2.12.2. Quỹ đạo chuyển giao địa tĩnh cùng với Nâng quỹ đạo chậm. . .16 iii. 2.12.3. Chèn trực tiếp vào GEO............................................................17 d. 2.13. HIỆU ỨNG QUỸ ĐẠO TRONG HỆ THỐNG HIỆU SUẤT TRUYỀN THÔNG.............................................................................................................18 i. 2.13.1. Doppler Shift ............................................................................18 ii. 2.13.2. Phạm vi tầm bay........................................................................18 iii. 2.13.3. Hiện tượng Nhật Thực của vệ tinh............................................18 iv. 2.13.4. Quá cảnh Mặt Trời....................................................................20 e. 2.14. TÀU VŨ TRỤ..........................................................................................20 i. 2.14.1. Tàu vũ trụ Dragon Crew...........................................................20 ii. 2.14.2. Boeing CST-100 Starliner.........................................................20 iii. 2.14.3. Viên không gian Orion..............................................................21 iv. 2.14.4. Big Fancol Roket (BFR)...........................................................21 v. 2.14.5. X-37B........................................................................................21 vi. 2.14.6. Siera Nevada Dream Chaser.....................................................21 f. 2.15. TÓM LẠI.................................................................................................22 III. 2 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh Thuật ngữ viết tắt Viết tắt AKM CCDev CRS GEO GTO LEO MEO ISS TDMA TTC & M Đầy đủ Apogee kick motor Development of the Commercial Crew Program Commercial Resupply Services Geosynchronous Earth Orbit Geostationary Transfer Orbit Low Earth Orbit Medium Earth Orbit International Space Station Time division multiple access Telemetry Tracking Command and Monitoring) 3 Dịch nghĩa Động cơ đá apogee Chương trình Phi hành đoàn Thương mại Dịch vụ tiếp tế thương mại Quỹ đạo Trái Đất đĩa đồng bộ Quỹ đạo chuyển giao địa tĩnh Quỹ đạo Trái Đất tầm thấp Quỹ đạo Trái Đất tầm trung Trạm vũ trụ quốc tế Đa truy nhập phân chia theo thời gian Chỉ huy và Giám sát theo dõi từ xa Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh Danh mục bảng Bảng 2.3......................................................................................................................................9 Bảng 2.4....................................................................................................................................11 Bảng 2.5....................................................................................................................................11 Bảng 2.6....................................................................................................................................12 Bảng 2.7....................................................................................................................................12 Bảng 2.8....................................................................................................................................13 Bảng 2.9....................................................................................................................................13 Bảng 2.10..................................................................................................................................14 Danh mục hình Hình 2.15.....................................................................................................................................8 Hình 2.16...................................................................................................................................14 Hình 2.17...................................................................................................................................15 Hình 2.18...................................................................................................................................16 Hình 2.19...................................................................................................................................17 Hình 2.20...................................................................................................................................19 Hình 2.21...................................................................................................................................20 Hình 2.22...................................................................................................................................21 4 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh Nội Dung 2.10. XÁC ĐỊNH QUỸ ĐẠO Xác định quỹ đạo yêu cầu phải thực hiện đủ các phép đo để xác định duy nhất sáu phần tử quỹ đạo cần thiết để tính toán quỹ đạo tương lai của vệ tinh, và do đó tính toán những thay đổi cần thiết cần thực hiện đối với quỹ đạo để giữ cho nó ở trong vị trí quỹ đạo danh nghĩa. Ba phép đo vị trí góc là cần thiết vì có sáu ẩn số và mỗi phép đo sẽ cung cấp hai phương trình. Về mặt khái niệm, chúng có thể được coi là một phương trình cung cấp phương vị và phương trình kia độ cao như một hàm của sáu phần tử quỹ đạo (chưa biết). Các trạm mặt đất điều khiển cũng được sử dụng để đo vị trí góc của các vệ tinh thực hiện các phép đo phạm vi bằng cách sử dụng các dấu thời gian duy nhất trong luồng đo từ xa hoặc hãng thông tin liên lạc. Các trạm mặt đất này thường được gọi là TTC & M (Telemetry Tracking Command and Monitoring) (Chỉ huy và Giám sát theo dõi từ xa) các trạm của mạng vệ tinh. Các mạng vệ tinh lớn duy trì các trạm TTC & M của riêng họ trên khắp thế giới. Các hệ thống vệ tinh nhỏ hơn thường ký hợp đồng cho các chức năng TTC & M như vậy từ nhà sản xuất tàu vũ trụ hoặc từ các nhà khai thác hệ thống vệ tinh lớn hơn, vì nó thường là không kinh tế để xây dựng các trạm TTC & M tiên tiến với ít hơn ba vệ tinh để điều khiển. Chương 3 thảo luận về hệ thống TTC & M. 2.11 PHƯƠNG TIỆN PHÓNG VÀ TÊN LỬA ĐẨY Thập kỷ thứ hai của thế kỷ XXI chứng kiến một sự gia tăng bất thường trong cả hai phát triển tàu vũ trụ, chủ yếu là SmallSats (xem Chương 8), và các phương tiện phóng. Có tổng cộng 345 vệ tinh đã được phóng vào năm 2017, trong đó có 212 vệ tinh được mua sắm thương mại CubeSats để quan sát trái đất và khí tượng học. Hơn một phần ba quảng cáo ra mắt bởi các công ty Hoa Kỳ: Các thực thể Hoa Kỳ và các đối tác Hoa Kỳ cũng sở hữu 803 1738 vệ tinh hoạt động quay quanh trái đất vào cuối năm 2017 (Irene Klotz 2018c). Như đáng kể như sự gia tăng trong các vụ phóng vào thập kỷ thứ hai của thế kỷ XXI là sự phát triển của các phương tiện phóng: chúng không chỉ được sử dụng để đặt một vệ tinh vào quỹ đạo một cách đáng tin cậy nhất có thể, nhưng mục đích là các yếu tố chính của vụ phóng phương tiện được thu hồi và sử dụng trở lại. Lưu ý rằng việc làm cho các phần của trình khởi chạy có thể sử dụng lại được giảm tải trọng có sẵn vì một khối lượng bổ sung đáng kể cần được thêm vào tên lửa để đưa ít nhất (các) giai đoạn tăng cường trở lại khu vực phục hồi được chỉ định. Tuy nhiên, khối lượng trọng tải giảm nhiều hơn được bù đắp bởi chi phí giảm của tân trang bộ tăng áp thay vì phải chế tạo một cái mới. Một số các phương pháp tiếp cận đã được đề xuất để tái sử dụng các phương tiện phóng. Người đầu tiên đó là thành công là Pegasus. Pegasus là phương tiện phóng đầu tiên do tư nhân phát triển (Northropgrumman.com 2018). Nó sử dụng Lockheed 1011 TriStar để mang nó dưới một cánh lên đến độ cao khoảng 40 000 ft., nơi nó được phóng đi, và động cơ tên lửa giai đoạn đầu đã bốc cháy. Pegasus không chỉ là phương tiện phóng đầu tiên do tư nhân phát triển; nó là phương tiện có cánh đầu tiên vượt quá 8 lần tốc độ âm thanh và tên lửa được phóng từ trên không đầu tiên đặt một vệ tinh vào quỹ đạo. Ra 5 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh mắt lần đầu vào ngày 5 tháng 4 năm 1990, Pegasus vẫn được coi là đang hoạt động, mặc dù lần phóng cuối cùng là vào ngày 15 tháng 12 năm 2016. Một nhiệm vụ điển hình đã đặt 443 kg vào quỹ đạo; hơn 43 nhiệm vụ, Pegasus quay quanh 93 vệ tinh vào LEO với chi phí xấp xỉ mỗi lần ra mắt là 40 triệu đô la (Northropgrumman.com 2018). So sánh giá này với giá hiện được quảng cáo (Time.com 2018) cho SpaceX Falcon 9, là $ 62 triệu để đặt trước đến 22 800 kg vào LEO và 8300 kg vào quỹ đạo chuyển không đồng bộ địa (GTO). Ở đó là hai đề xuất mới về tên lửa phóng từ trên không sẽ đặt vệ tinh vào LEO: một là một con khổng lồ sáu động cơ được gọi là Stratolaunch (Satellitetoday.com 2018a) đã bay tới lần đầu tiên vào ngày 13 tháng 4 năm 2019, trở thành máy bay lớn nhất trên thế giới. Cái khác được sử dụng bởi Virgin Galactic (Satellitetoday.com 2018a) sử dụng một chiếc Boeing 747 đã được nghỉ hưu khỏi đội bay của Virgin Airways. Rõ ràng, một chiếc 747 có thể sử dụng nhiều sân bay trên khắp thế giới theo cách tương tự như Pegasus, được phóng từ máy bay Hoa Kỳ, Châu Âu và Quần đảo Marshall (Northropgrumman.com 2018). Mặt khác, Stratolaunch có thể sẽ chỉ được giới hạn ở một số sân bay có kích thước cần thiết và các phương tiện hỗ trợ. Tuy nhiên, có khả năng cả hai đều được phóng lên không trung các khái niệm sẽ được sử dụng dưới một số hình thức, với Stratolaunch chủ yếu được sử dụng để mang nhiều bệ phóng trong khi Virgin Galactic mang một bệ phóng duy nhất trong các nhiệm vụ bổ sung cho một chòm sao LEO. Việc đưa một vệ tinh vào quỹ đạo đã trở thành thói quen đến mức nó thật khó nhớ thời điểm mà mỗi lần ra mắt đều tạo tin tức rầm rộ, liệu có thành công hay không hay không. Tuy nhiên, để một vụ phóng vệ tinh thành công, cần có nhiều khía cạnh kết hợp với nhau đồng thời. Một vệ tinh không thể được đặt vào một quỹ đạo ổn định trừ khi hai tham số đồng thời đúng: vectơ vận tốc và độ cao quỹ đạo. Có rất ít điểm để đạt được chiều cao chính xác và không có thành phần vận tốc thích hợp trong đúng hướng để đạt được quỹ đạo mong muốn. Ví dụ, một vệ tinh địa tĩnh phải ở trong quỹ đạo ở độ cao 35 786,03 km so với bề mặt trái đất (bán kính 42 164,17 km từ tâm trái đất) với độ nghiêng 0 độ, độ nghiêng bằng 0, và vận tốc 3074,7 m / s tiếp tuyến với trái đất trong mặt phẳng quỹ đạo, là mặt phẳng xích đạo của trái đất. Quỹ đạo càng xa trái đất thì quỹ đạo càng lớn năng lượng cần thiết từ phương tiện phóng để đạt được quỹ đạo đó. Trong bất kỳ lần phóng vệ tinh trái đất nào, phần lớn nhất của năng lượng chi tiêu của các tên lửa được sử dụng để tăng tốc chiếc xe từ phần còn lại cho đến khi nó là khoảng hai mươi dặm (32 km) trên trái đất. Để tận dụng tối đa sử dụng nhiên liệu hiệu quả, thông thường khối lượng dư thừa ra khỏi bệ phóng khi nó di chuyển là điều thường thấy lên qua bầu khí quyển: đây được gọi là giai đoạn. Như đã lưu ý trước đó trong chương này, phóng tên lửa trên không mang lại hai lợi thế so với phóng thẳng đứng từ bệ trên bề mặt trái đất: một phần đáng kể của khí quyển nằm bên dưới tên lửa, và máy bay đã truyền một vectơ vận tốc ngang để tăng cường cho các tên lửa giai đoạn. Hầu hết các phương tiện khởi động đều có nhiều giai đoạn và khi mỗi giai đoạn hoàn thànhphần đó của trình khởi chạy được sử dụng cho đến khi giai đoạn cuối cùng đặt vệ tinh vào quỹ đạo mong muốn. Do đó, thuật ngữ: Phương tiện khởi động có thể chi tiêu (ELV), và hơn thế nữa gần đây (2017) Phương tiện khởi chạy có thể chi tiêu được phát triển (EELV). Con ngựa làm việc ELV của Liên Xô cũ là Proton. Nó đã phóng nhiều vệ tinh hơn bất kỳ vệ tinh nào khác tên lửa (Wikipedia 2018b) nhưng nó được lên kế hoạch loại bỏ dần vào khoảng năm 2020 bởi Angara tên lửa (Wikipedia 2018c). Một phần lý do đằng sau sự thay đổi là do Proton được đưa ra từ Baikonur, ở Kazakhstan, và Nga không muốn chỉ các thành phần được sản xuất của tên lửa mà 6 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh còn cả địa điểm phóng ở Nga. Hình 2.15 đưa ra sơ đồ phóng Proton từ tổ hợp Baikonur của Nga tại Kazakhstan, gần Tyuratam. Trong ví dụ về một lần phóng Proton được hiển thị trong Hình 2.15, tên lửa chèn trực tiếp trọng tải vào GEO. Như chúng ta sẽ thấy ở phần sau của chương này, hầu hết các tên lửa không phóng trực tiếp vệ tinh GEO vào GEO mà rời khỏi tàu vũ trụ trong quỹ đạo chuyển giao địa tĩnh ban đầu (GTO). Sau đó, vệ tinh hoàn thành việc điều chỉnh độ nghiêng và tuần hoàn bằng cách sử dụng động cơ đá apogee (AKM) hoặc tên lửa hướng dẫn nội bộ để đến kinh độ chính xác trong GEO. Tầm quan trọng tương đương với độ cao quỹ đạo mà vệ tinh hướng tới là độ nghiêng của quỹ đạo tàu vũ trụ cần được phóng vào. Trái đất quay về hướng đông. Tại xích đạo, vận tốc quay của một vị trí mực nước biển trong mặt phẳng của xích đạo là (2π × bán kính trái đất) / (một ngày cận nhật) = 0,4651 km / s. Điều này gia tốc vận tốc xấp xỉ 1000 dặm / giờ (∼1610 km / h). Ra mắt vào mùa đông từ do đó đường xích đạo có gia tốc vận tốc là 0,465 km / s do chuyển động quay của trái đất. Một vệ tinh trong quỹ đạo tròn, xích đạo ở độ cao 900 km yêu cầu một vận tốc quỹ đạo khoảng 7,4 km / s theo phương tiếp tuyến với bề mặt trái đất. Một tên lửa được phóng từ đường xích đạo cần truyền thêm một vận tốc (7,4–0,47) km / s = 6,93 km / s: nói cách khác, vụ phóng từ xích đạo đã làm giảm năng lượng cần thiết khoảng 6%. Điều này Phần thưởng phóng từ xích đạo dẫn đến việc Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) chọn Kourou, một bãi phóng 5,2 ° về phía bắc của đường xích đạo ở Guiana thuộc Pháp. Nó cũng dẫn đến khái niệm về một phóng trên biển của Hughes và Boeing (Roundtree 1999). Nền tảng nổi đã được kéo cho đến khi nó ở xích đạo để tối đa hóa vòng quay của trái đất. Sau một số thành công, Sea Launch đã được mua bởi Nga và có kế hoạch để có Zenit tên lửa được phóng từ nền tảng vào cuối năm 2019. Nếu một vụ phóng tên lửa không được đặt một vệ tinh vào quỹ đạo xích đạo, khả năng tải trọng của bất kỳ tên lửa nhất định nào sẽ giảm khi độ nghiêng quỹ đạo yêu cầu tăng lên. Một quỹ đạo cùng hướng với chuyển động quay của trái đất được gọi là quỹ đạo lập trình, trong khi quỹ đạo quay theo nghĩa ngược lại được gọi là một quỹ đạo ngược. Một vệ tinh được phóng lên quỹ đạo lập trình từ vĩ độ Φ độ sẽ đi vào quỹ đạo có độ nghiêng Φ độ so với đường xích đạo. Nếu vệ tinh được dự định đối với quỹ đạo địa tĩnh, vệ tinh phải được tăng vận tốc đáng kể để định hướng lại quỹ đạo vào mặt phẳng xích đạo của trái đất. Ví dụ, một vệ tinh được phóng lên từ Mũi Canaveral ở vĩ độ 28,5 °N yêu cầu gia tốc vận tốc 366 m/s đến đạt được quỹ đạo xích đạo từ mặt phẳng quỹ đạo không đồng bộ địa chất là 28,5°. Tên lửa Ariane là phóng từ Trung tâm Vũ trụ Guiana ở Guiana thuộc Pháp, nằm ở vĩ độ khoảng 5°N ở Nam Mỹ, và Sea Launch có thể phóng từ đường xích đạo. Vĩ độ thấp hơn các vị trí phóng này giúp tiết kiệm nhiên liệu theo yêu cầu của AKM. Của có lẽ có ý nghĩa hơn so với sự gia tăng vận tốc bổ sung được cung cấp bởi vòng quay của trái đất, một vụ phóng gần xích đạo của một vệ tinh được thiết kế cho quỹ đạo địa tĩnh là năng lượng cần thiết thấp hơn nhiều để thay đổi mặt phẳng của quỹ đạo từ độ nghiêng 5,2 ° (trường hợp của Kourou) đến độ nghiêng bằng không. Đối với một tàu vũ trụ nhất định, một sự thay đổi trong máy bay sử dụng lượng nhiên liệu nhiều hơn xấp xỉ 10 lần so với sự thay đổi vận tốc trong cùng một mặt phẳng đối với đã cho thay đổi góc. 7 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh Hình 2.15 Trình tự phóng tên lửa Proton. Sau (Walsh và Groves 1997). Hệ thống Vận chuyển Vũ trụ, hoặc Tàu con thoi như nó đã được biết đến, có thể phóng xấp xỉ 65 000 lb. (29 478 kg) thành độ nghiêng quỹ đạo 28,5 ° tiêu chuẩn tại một quỹ đạo độ cao khoảng 200 km tính từ Trung tâm bay vũ trụ Kennedy ở Cape Canaveral. Nếu bãi phóng Căn cứ Không quân Vandenberg ở California vẫn có khả năng phóng Tàu con thoi, khả năng tải trọng cho một vụ phóng từ vùng cực (nghiêng 90 °) sẽ đã được giảm xuống ∼32 000 lb. (14 512 kg). Tàu con thoi là chiếc thứ tư có người lái chương trình bay vũ trụ của NASA đã đạt được quỹ đạo (các chương trình khác là Sao Thủy, Song Tử, và Apollo). Nó cũng là phương tiện có người lái đầu tiên có cánh đạt được quỹ đạo. Sau vụ tai nạn Challenger vào tháng 1 năm 1996, tàu con thoi hiếm khi được sử dụng để khởi động dân sự trọng tải, nhiệm vụ của nó được giới hạn trong các tải trọng quân sự (ví dụ: vệ tinh TDRSS), doanh liên doanh với các cơ quan khác (ví dụ: cơ sở ESA Spacelab), các sứ mệnh khoa học lớn (ví dụ: Kính viễn vọng tia X Chandra) và các chuyến bay trên ISS. Vào tháng 2 năm 2003, Tàu con thoi Columbia vỡ ra khi nó quay trở lại trái đất do cánh bị hư hại bởi các mảnh băng rơi ra thùng nhiên liệu bên ngoài khi khởi động. Do đó, ban giám sát an toàn của NASA đã thiết lập các quy tắc đối với các vụ phóng có người lái chưa từng được Tàu con thoi đáp ứng và không có khả năng xảy ra được đáp ứng bởi SpaceX hoặc Boeing. Yêu cầu của Phi hành đoàn Thương mại của NASA là sẽ có 1 trong 500 cơ hội tử vong của phi hành đoàn khi phóng và tổng thể là 1 trong 270 cơ hội tử vong trong chuyến bay 210 ngày. Đánh giá rủi ro cho các lần phóng có người lái cho thấy rằng mối nguy hiểm lớn nhất là thiệt hại vi mô khi được gắn vào ISS hoặc do thất bại trong việc triển khai dù khi hạ cánh (Irene Klotz 2018b). Khoảng trống cuối cùng Chuyến bay con thoi, STS-135, bắt đầu vào ngày 21 tháng 7 năm 2011. 8 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh Phần lớn vệ tinh của Hoa Kỳ Do đó, các vụ phóng đã được tiến hành bởi những gì được gọi là ELV. 2.11.1 Phương tiện khởi động có thể sử dụng (ELVs) Năm 1998 là một năm quan trọng đối với các ELVs: đó là năm mà số lượng quảng cáo thương mại số lần ra mắt ở Hoa Kỳ đã vượt qua số lần ra mắt của chính phủ đối với lần đầu tiên (Dekok 1999). Khoảng cách giữa các đợt ra mắt thương mại và chính phủ sẽ tiếp tục phát triển, đặc biệt là với sự gia tăng nhanh chóng các đợt ra mắt SmallSat. Tổng cộng 81 quốc gia có thể tuyên bố sở hữu một vệ tinh đã được phóng thành công vào LEO (Teal Nhóm 2018), mặc dù phần lớn các vụ phóng được thực hiện bởi các quốc gia khác (ví dụ: Hoa Kỳ, Nga và ESA). Chỉ có 11 quốc gia đã chế tạo được vệ tinh và tên lửa của riêng mình và hoàn thành vụ phóng thành công, đây là lần gần đây nhất vào thời điểm viết bài (Tháng 7 năm 2018) là New Zealand (Wikipedia 2018c). Hầu hết các vệ tinh này đều có kể từ khi tái nhập vào bầu khí quyển của trái đất, mặc dù - nghịch lý thay - thành công đầu tiên Vệ tinh của Mỹ, Explorer 1, được phóng vào tháng 2 năm 1958, vẫn còn trên quỹ đạo. Nhóm Teal ước tính vào tháng 3 năm 2018 rằng 12 230 vệ tinh đã được phóng (Nhóm Teal 2018), và ước tính gần đây nhất (ngày 15 tháng 11 năm 2017) của Văn phòng Liên hợp quốc về Các vấn đề về không gian (UNOOSA) là 4635 vệ tinh hiện đang ở trong quỹ đạo trái đất (Pixialytics.com 2018). Điều thú vị là xu hướng ngày càng tăng của việc sử dụng động cơ điện và trọng tải kỹ thuật số cho SmallSats đã giảm khối lượng trung bình của các tàu vũ trụ này xuống ít hơn trên 50 kg (Satellitetoday.com 2018b). Do đó, có một thị trường lành mạnh cho các ELV và một số công ty, tập đoàn và các tổ chức quốc gia từ khắp nơi trên thế giới đang tìm cách tham gia vào lĩnh vực đang mở rộng này, đặc biệt là ở Hoa Kỳ (Klotz 2019). Bảng 2.3: Các bệ phóng nhỏ : Tên lửa Chiều cao Chi phí mỗi lần sản xuất ( US$ ) 21– 31 triệu Tải trọng cho LEO Lần sản xuất đầu tiên ISRO PSLV 144 ft 44 m 3800 kg 8400 lb Rocket Labs Electron rocket 56 ft 17 m 100–225 kg 220–496 lb 5 – 6 triệu 21 tháng 1, 2018 Vega 98 ft 30m 1 500 kg 37 triệu 13 tháng 2, 2002 Minotaur Ca 92 ft (Taurus trước 28 m đây) 1 590 kg 3 500 lb 40 – 55 triệu 13 tháng 3, 1994 SS-520-Sb 3 kg 66 lb ~ 1 triệu 3 tháng 2, 2018 a 9.54 m 31.3 ft Phiên bản mới nhất đã bay 22 tháng 10, 2008 Minotaur C là phiên bản phóng thẳng đứng của phương tiện phóng Pegasus có cánh. 9 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh b SS-520-S là tên lửa chuyển đổi âm thanh được phóng dọc theo đường ray. Chuyến bay đầu tiên đạt được quỹ đạo trong thời gian dưới 4,5 phút. Điều này có dẫn đến cả việc tìm kiếm các vị trí phóng mới và một nhóm tên lửa mới có kích thước tối ưu cho khối lượng vệ tinh và quỹ đạo mong muốn. Hiện có 22 địa điểm phóng tên lửa đang hoạt động ở Hoa Kỳ (FAA.gov 2018a) và điều này có thể sẽ tăng lên khi số lượng tên lửa nhỏ hơn được đưa vào hoạt động để khởi chạy SmallSat. Ngoài ra, sẽ có một số sân bay sẽ được sử dụng cho tên lửa phóng từ trên không. Sự gia tăng số lượng các vụ phóng tên lửa đang làm phức tạp thêm vấn đề kiểm soát không lưu ở Hoa Kỳ vì điều cần thiết là phải giám sát trong thời gian thực vị trí của máy bay có khả năng bay gần với tên lửa đã lên lịch phóng. Năm 2018, có 42 000 máy bay do Cơ quan Hàng không Liên bang (FAA) điều khiển các chuyến bay mỗi ngày (FAA.gov 2018b) và điều này không bao gồm các máy bay nhỏ hơn bay từ các sân bay không được kiểm soát, được gọi một cách chính xác hơn là các sân bay không có tháp (AOPA.org 2018). Sân bay không có tháp không có tháp điều khiển vận hành và yêu cầu phi công tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình hoạt động do FAA quy định. Khoảng 500 sân bay ở Hoa Kỳ có tháp điều khiển, trong khi có gần 20.000 sân bay (AOPA.org 2018). Các hệ thống phóng không gian đang được đề xuất lên quỹ đạo tàu vũ trụ ban đầu được chia thành ba loại trọng tải lớn: lực nâng nhỏ (<2000 kg), nâng trung bình (> 2000 và <22 000 kg) và nâng hạng nặng (> 22 000 kg). Như công suất khởi động tên lửa mới đã phát triển, loại thứ ba được chia thành hai loại nặng thang nâng (> 22 000 và <40 000 kg) và thang siêu nặng (> 40 000 kg). Các bảng dưới đây liệt kê tên lửa chính đang được sử dụng hoặc được đề xuất sử dụng để phóng vệ tinh. Để mang lại một đường cơ sở chung cho dữ liệu, khối lượng phóng tới LEO được sử dụng như một tham số so sánh. Tham khảo (Wikipedia 2018d) cung cấp một danh sách mở rộng về tất cả các phương tiện quỹ đạo thông qua giữa năm 2018. Bảng 2.3 đến Bảng 2.6 cung cấp thông tin chi tiết về các loại tên lửa khác nhau được sử dụng để phóng vệ tinh. Bảng 2.7 cung cấp thông tin về các phương tiện được phóng bằng máy bay, Bảng 2.8 liệt kê khách du lịch dưới quỹ đạo tên lửa và Bảng 2.9 cung cấp so sánh giá của các phương tiện phóng khác nhau cho Vệ tinh LEO. Không có trong Bảng 2.3 là các đề xuất để có các nền tảng độ cao (HAP) được triển khai để liên lạc khẩn cấp về các khu vực bị thiệt hại do động đất hoặc lũ lụt nghiêm trọng. Đây có thể là những quả bóng bay có dây buộc hoặc những quả bóng bay bán nguyệt thủ công bơm hơi thực hiện quỹ đạo HALO (Bảng 2.4–2.8). 10 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh Bảng 2.4: Các bệ phóng tầm trung: Tên lửa Chiều cao Tải trọng cho LEO Ariane 5a 179 ft 54.7 m 207 ft 63 m 150 ft 45.6 m 187 ft 57 m 21 000 kg 46 297 lb 21 500 kg 47 400 lb 6 450 kg 14 220 lb 13 740 kg 30 290 lb Ariane 6 Soyuzb Zenit 2c Chi phí mỗi lần sản xuất ( US$ ) 165 triệu Lần sản xuất đầu tiên 100 triệu 81 triệu Lần đầu tiên ra mắt dự kiến 2020 28 tháng 11, 1966 ~55 triệu 13 tháng 4, 1985 9 tháng 3, 2008 a Có bốn biến thể trước Ariane 5, bắt đầu với Ariane 1, ra mắt lần đầu vào ngày 24 tháng 12 năm 1974. Tên lửa Soyuz là phương tiện phóng được sử dụng để đưa các phi hành gia (Mỹ, Nga và các quốc gia khác) lên ISS. Giá cho mỗi phi hành gia khác nhau nhưng là 75 triệu đô la Mỹ vào giữa năm 2018. Khả năng tải trọng sẽ tăng lên đối với Soyuz phóng từ Kourou. c Giá và khả năng tải trọng được đưa ra là dành cho Zenit 2 được khởi chạy từ Baikonur. b Bảng 2.5: Các bệ phóng hạng nặng: Tên lửa Falcon 9a Proton M Delta heavy Chiều cao Tải trọng cho LEO 233 ft. 71 m 191 ft. 58.2 m 236 ft. 72 m 22 800 kg 50 300 lb 23 000 kg 51 000 lb 28 970 kg 63 470 lb Chi phí mỗi lần sản xuất ( US$ ) Lần sản xuất đầu tiên 62 triệu 7 tháng 6, 2010 65 triệu 9 tháng 3, 2008 350 triệu 21 tháng 12, 2004 a Có một số khối tên lửa Falcon 9; gần đây nhất (2018) là Block 5. Đây là phiên bản dự kiến bay viên nang Falcon Crew. Tên lửa Block 5 được thiết kế để bay 10 lần. Sự phục hồi đầu tiên của một Chặng đầu tiên của Falcon 9 diễn ra vào ngày 21 tháng 12 năm 2015. Trong Bảng 2.9, giá mỗi kg được tính bằng cách sử dụng khối lượng công bố của một vệ tinh được phóng bởi tên lửa được đề cập và chi phí được công bố của cùng một vụ phóng. Các con số dành cho một LEO có quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 500 km. Không có độ nghiêng sự thay đổi đã được tính vào các con số. Một tên lửa có khả năng phóng một vệ tinh vào GTO có thể phóng một vệ tinh vào LEO có khối lượng nặng hơn khoảng 2,75. Vì vậy, các con số chi phí đưa ra trong Bảng 2.9 cho một vệ tinh LEO đã được tăng lên theo hệ số 2,75 và những con số này được đưa ra trong cột khởi chạy GTO của Bảng 2.9. Điều thú vị là lưu ý các giá trị trong cột GTO của Bảng 2.9 và so sánh chúng với đường xu hướng được thể hiện trong Hình 2.16 là khoảng US $ 12 000 mỗi pound (US $ 26 450 trên kg) sang GTO. Dữ liệu trong Hình 2.16 là 1996 đô la. Sử dụng người tiêu dùng Hoa Kỳ chỉ số giá, 100 đô la Mỹ năm 1996 tương đương với 16 060 đô la Mỹ năm 2018 (Tỷ giá hối đoái 2018), do đó giá 26 450 đô la Mỹ cho mỗi kg năm 1996 sẽ tương đương với 42 480 đô la Mỹ cho mỗi kg. 11 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh Bảng 2.6: Các bệ phóng siêu nặng: Tên lửa Falcon heavy New glenn 3 giai đoạn Space launch system B2 Saturn 5 Long March 9a Chiều cao Tải trọng cho LEO 230 ft. 70 m 312 ft. 72 m 365 ft. 95 m 363 ft. 110.6 m 331 ft. 101 m 63 800 kg 140 700 lb 45 000 kg 99 000 lb 130 000 kg 286 601 lb 140 000 kg 310 000 lb 140 000 kg 310 000 lb 348 ft. 106 m BFRb Chi phí mỗi lần sản xuất ( US$ ) Lần sản xuất đầu tiên 90 triệu 6 tháng 2, 2018 Không liệu 250 000 kg 550 000 lb có số Dự kiến năm 2020 ~500 triệu Dự kiến năm 2020 1.16 tỷ 7 tháng 11 1976 40 – 55 triệu Dự kiến năm 2020 Không liệu có Quỹ đạo phụ đầu tiên số các chuyến bay thử nghiệm dự kiến vào năm 2019 a Đã có một loạt tên lửa Long March. Mới nhất, ngày 11 tháng 3 dài sẽ được sử dụng nhiên liệu rắn và tên lửa hoàn chỉnh có thể được lưu trữ trong thời gian dài, dẫn đến suy đoán rằng nó được thiết kế để phản ứng. b The BFR là phương tiện hai giai đoạn (dữ liệu cho trong bảng trên) hoặc nó có thể chỉ là một giai đoạn. Trong một phiên bản được tải nhẹ, nó có thể đạt được quỹ đạo mà không cần giai đoạn tăng cường, dẫn đến quỹ đạo một giai đoạn tên lửa. Phiên bản hai giai đoạn cũng có thể được cấu hình để chở 200 hành khách đến bất kỳ đâu trên trái đất trong 90 phút. Bảng 2.7: Bệ phóng tàu bay: Tàu bay VOX Space a Stratolaunch b Tên lửa Tải trọng cho LEO Chi phí mỗi lần sản xuất ( US$ ) Lần sản xuất đầu tiên Launcher one ∼500 kg ∼1 100 lb Không rõ nhưng cạnh tranh Trình khởi chạy chưa có hoặc đang kiểm tra Bệ phóng cỡ Không có thông Không rõ nhưng nhỏ hoặc tin cạnh tranh tầm trung 21 tháng 12, 2017 a Virgin Orbit X (VOX) bao gồm một tàu mẹ Boeing 747 mang một tên lửa hai tầng, Launcher One, dưới một cánh. Stratolaunch, được thành lập vào năm 2011 bởi Paul Allen, đang được xây dựng bởi Scaled Composites, một công ty con của Northrop Grumman. Nó có hai thân và sáu động cơ. Nó đang được thiết kế để mang tới ba bệ phóng nhỏ (tương tự như Pegasus) cho các vệ tinh có sức nâng nhỏ và một bệ phóng lớn hơn để quay quanh các vệ tinh có sức nâng trung bình. b 12 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh Bảng 2.8 Phương tiện du lịch quỹ đạo phụ Tàu bay Tên lửa Blue sheparda ∼22 m (with capsule) Virgin galactic VSS unityb Air-dropped from White Knight mother ship Chi phí mỗi lần sản xuất ( US$ ) Sáu hành 200 000 mỗi hành khách khách đến hơn 75 dặm (48 km) 2 phi công và 6 250 000 mỗi hành hành khách đến khách >50 dặm (80 m) Tải trọng cho LEO Lần sản xuất đầu tiên 29 tháng 4, 2015 4 tháng 4, 2018 a Blue Shepard là tên lửa một tầng, có thể tái sử dụng hoàn toàn. Nó là tên lửa đầu tiên hạ cánh mềm thành công trở lại trang web khởi chạy. b VSS Unity là SpaceShip Two thứ hai được hoàn thành; vụ rơi đầu tiên vào tháng 2 năm 2016. Bảng 2.9 So sánh giá mỗi kg để phóng vệ tinh vào LEO: Nguồn tên lửa dùng để phóng tàu vũ trụ SS-520-Sa Rocket labs electron rocketb Minotaur C (taurus trước đây) Vega Soyuz Delta heavy Tên lửa ISRO PSLV Ariane 5 Glenn 3 giai đoạnc Ariane 6 Zenit 2 Space launch system B2 Falcon 9 Proton M Falcon heavy BFRc Long March 9c Giá mỗi kg sang LEO ( US$) 333 300 26 650 – 50 000 25 150 – 34 590 24 650 12 560 12 080 5 525 – 8 150 7 850 5 555 4 650 4 000 3 850 2 720 2 825 1 410 1 000 535 a Giá mỗi kg sang GTO (US$) Không có khả năng Không có khả năng Không có khả năng 67 790 34 540 33 220 15 190 – 22 410 21 590 15 280 12 790 11 000 10 590 7 480 7 770 3 880 2 750 1 470 Chi phí phóng chỉ là 1 000 000 đô la Mỹ nhưng trọng tải 3 kg làm tăng chi phí cho mỗi kg. Chi phí phóng chỉ 5–6 triệu đô la Mỹ, nhưng trọng tải khá nhỏ, do đó giá thành cao cho mỗi kg. c Giá 250 000 000 đô la Mỹ cho mỗi lần ra mắt. b 13 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh Hình 2.16 Giá thị trường của xe ra mắt so với hiệu suất, giá năm 1996. Sau (Walsh và Groves Năm 1997). Các phương tiện phóng đã được chuẩn hóa để phóng vào quỹ đạo chuyển giao địa tĩnh tại một độ nghiêng 28 °. Đường xu hướng là 12 000 đô la Mỹ mỗi pound. Lưu ý rằng Long March, Zenit và Proton thấp hơn nhiều so với đường xu hướng này, chủ yếu là do các mục tiêu định giá tích cực để thâm nhập thị trường lâu dài chi phối bởi các bệ phóng của Mỹ và Châu Âu. Bảng 2.10: Một số yếu tố lựa chọn phương tiện khởi động (Walsh và Groves 1997)           Chi phí Độ tin cậy o Lịch sử phát hành thành công / thất bại gần đây Lịch trình ra mắt đáng tin cậy o Tính cấp thiết của các yêu cầu khởi chạy của bạn Hiệu suất Tàu vũ trụ phù hợp với bệ phóng (kích thước, âm thanh và môi trường rung động) Chuyến bay đã được chứng minh (xem lịch sử ra mắt gần đây) Những vấn đề an toàn Khởi chạy vị trí trang web khả dụng o Trình khởi chạy tồn đọng đơn đặt hàng là gì? o Điểm tồn đọng của bệ phóng là gì? Vấn đề thị trường o Thị trường sẽ chịu giá gì vào thời điểm cụ thể này? Chỉ một launcher trong Bảng 2.9 cao hơn chi phí này và nhiều launcher thấp hơn nó. Chi phí thường chỉ một trong những yếu tố lựa chọn phương tiện phóng, có thể thấy trong Bảng 2.10 và Hình 2.17. Mặc dù không giống như việc mua một chiếc máy bay phản lực, nhưng có một số 14 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh điểm tương đồng. Ví dụ, một Một chiếc Boeing 777-300ER hoàn toàn mới có giá 320 triệu đô la Mỹ vào tháng 7 năm 2018, nhưng nếu một hãng hàng không muốn để mua 20 chiếc máy bay này, gần như chắc chắn sẽ được giảm giá đáng kể. Điều này cũng đúng với các vụ phóng vệ tinh. Một số phương tiện phóng đưa tàu vũ trụ trực tiếp đến quỹ đạo địa tĩnh (được gọi là phóng trực tiếp) trong khi những người khác đưa tàu vũ trụ vào GTO. Tàu vũ trụ được phóng vào GTO phải mang thêm động cơ tên lửa và / hoặc thuốc phóng để cho phép các vệ tinh đến vị trí được chỉ định của chúng trong quỹ đạo địa tĩnh. Có ba cách cơ bản để đạt được quỹ đạo địa tĩnh. Khởi chạy các yếu tố lựa chọn phương tiện                 Chi phí cho nhà sản xuất “Hiệu suất hoặc trọng lượng bay trên quỹ đạo Độ tin cậy Lập lịch trình độ tin cậy Nguồn lực thị trường Bảo hiểm Chi phí Độ tin cậy - Thấy bại gần đây Lịch trình ra mắt đáng tin cậy - Sự khẩn cấp của khách hàng Hiệu suất Tàu vũ trụ phù hợp Chuyến bay đã được chứng minh Sự an toàn Khởi chạy vị trí trang web Tính khả dụng - Trang web khởi chạy, phương tiện đi lại, lịch trình. Điều kiện thị trường - Thị trường sẽ chịu những gì Hình 2.17 Sơ đồ của quá trình ra quyết định để chọn tên lửa cho một vệ tinh nhất định yêu cầu. Sau (Walsh và Groves 1997). 15 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh 2.12 ĐƯA VỆ TINH VÀO QUỸ ĐẠO ĐỊA TĨNH 2.12.1 Quỹ đạo chuyển giao địa tĩnh và AKM Để có thể phóng vệ tinh đĩa tĩnh thì ban đầu phải đặt tàu vũ trụ cùng với tên lửa giai đoạn cuối và được gắn vào LEO. Sau một vài quỹ đạo bay, các phần tử trong quỹ đạo được đo lường và giai đoạn cuối cùng được kích hoạt, tàu vũ trụ được phóng lên GTO. Nó chính là cận điểm quỹ đạo cũng là độ cao quỹ đạo LEO ban đầu và là đỉnh của độ cao GEO. Hình 2.18 đã minh họa quy trình này. Vị trí của điểm cao nhất gần với kinh độ quỹ đạo sẽ là vị trí thử nghiệm trên quỹ đạo của vệ tinh trước khi nó được chuyển đến vị trí có thể hoạt động được. Một lần nữa, sau một vài quỹ đạo trong, ở bên trong GTO các phần tử quỹ đạo đang được đo, một động cơ tên lửa (thường chứa trong vệ tinh) được kích hoạt tại điểm cao nhất và GTO được đẩy lên cho đến nó thành quỹ đạo trò, địa tĩnh. Kể từ khi động cơ tên lửa bắn đến điểm cao nhất, nó thường được gọi là AKM. AKM được sử dụng để quay quanh quỹ đạo tại GEO và để loại bỏ bất kỳ sai số độ nghiêng cho quỹ đạo của vệ tinh rất gần với địa tĩnh. Vệ tinh GEO thành công đầu tiên là Syncom, được phóng vào quỹ đạo năm 1963. Tập đoàn Hughes đã chế tạo vệ tinh và tàu vũ trụ quay ổn định nằm trong GTO. Bằng cách này, vệ tinh được căn chỉnh chính xác để kích hoạt động cơ đạt đến điểm cao nhất. Động cơ khi đó rất mạnh và quá trình đốt cháy động cơ chỉ diễn ra trong vòng vài phút. Trong quá trình này, tất cả các phần tử có thể hoạt động của vệ tinh (như: tấm pin mặt trời, ăng-ten) được cho nghỉ và khóa tại chỗ để tránh hư hỏng khi AKM tăng tốc vệ tinh tới GEO. Hughes đã được cấp bằng sáng chế cho kỹ thuật quay ổn định tàu vũ trụ trong GTO. Để tránh vi phạm bằng sáng chế này, các nhà sản xuất vệ tinh khác đã phát triển một cách mới để đạt được GEO, được gọi là kỹ thuật nâng quỹ đạo chậm. Hình 2.18 Hình minh họa tàu vũ trụ chuyển sang quỹ đạo địa tĩnh bằng cách sử dụng động cở đẩy cao nhất (AKM). Tàu vũ trụ và giai đoạn cuối của tên lửa cùng được đặt ở điểm quỹ đạo thấp nhất (LEO). Sau các phép đo xác định quỹ đạo cẩn thận, giai đoạn cuối cùng của tên lửa được bắn và vệ tinh được đặt trong quỹ đạo chuyển giao địa tĩnh hình elip (GTO) với điểm cao nhất ở độ cao địa tĩnh. Tàu vũ trụ sau đó được tách ra khỏi vỏ tên lửa. Thêm các phép đo xác định quỹ đạo cẩn thận hơn, AKM được bắn nhiều lần để làm cho quỹ đạo tròn, trong mặt phẳng xích đạo của Trái Đất và ở độ cao chính xác. Vệ tinh hiện tại đang ở trong quỹ đạo địa tĩnh (GEO). 2.12.2 Quỹ đạo chuyển giao địa tĩnh cùng với Nâng quỹ đạo chậm 16 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh Trong quá trình phóng vệ tinh, thay vì sử dụng AKM tạo ra gia tốc mạnh trong vài phút, các thiết bị đẩy của tàu vũ trụ sử dụng để nâng quỹ đạo từ GTO đến GEO qua nhiều lần đốt cháy. Vì tàu vũ trụ khổng thể quay ổn định trong GTO (để tránh vi phạm bằng sáng chế của Hughes), nhiều phần tử vệ tinh được triển khai trong GTO, bao gồm cả các tâm pin mặt trời. Vệ tinh thường có hai mức công suất của lực đẩy; một cho các thao tác nâng quỹ đạo lên mạnh hơn và hai cho các thao tác trên quỹ đạo (lực đẩy thấp). Vì các máy đẩy phải mất nhiều giờ hoạt động để đạt được quỹ đạo địa tĩnh, nên chu vi của quỹ đạo tăng dần qua các lần bắn liên tiếp của máy đẩy. Các vụ nổ của bộ đẩy xảy ra đối xứng về điểm cao nhất mặc dù chúng có thể xảy ra ở điểm thấp nhất. Mỗi lần đốt thường dài 60 – 80 phút trên các quỹ đạo liên tiếp và có thể quay tối đa sáu quỹ đạo. Hình 2.19 minh họa quy trình. Hình 2.19 Minh họa về kỹ thuật nâng quỹ đạo chậm lên quỹ đạo địa tĩnh bằng cách sử dụng lực đẩy ion. Tàu vũ trụ trong giai đoạn tên lửa cuối cùng được đưa vào quỹ đạo trái đất thấp (LEO) và vệ tinh được tách ra khỏi tên lửa. Các tấm pin mặt trời, ăng-ten và bánh xe động lượng được triển khai để vệ tinh có thể thiết lập theo đúng mục đích của nó để tạo ra năng lượng mặt trời. Các thiết bị đẩy ion sau đó được sử dụng để tăng từ từ độ cao của vệ tinh cho đến khi đạt được độ cao địa tĩnh. Đồng thời, các bộ đẩy ion khác được sử dụng để di chuyển quỹ đạo của vệ tinh vào mặt phẳng xích đạo. Quá trình này có thể mất vài tháng, nhưng làm giảm đáng 17 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh kế nhiên liệu mà vệ tinh phải mang theo. Trong hai trường hợp, AKM và Nâng quỹ đạo chậm, GTO là một quỹ đạo được điều chỉnh với tầm cao hơn hẳn độ cao cần thiết đối với GEO. Một phần năng lượng còn lại của quỹ đạo do độ cao vượt quá mức cần thiết tại điểm cao nhất có thể đổi được năng lượng cần thiết để nâng năng lượng tại điểm cận địa. Vì vậy, năng lượng tích lũy để quay quanh quỹ đạo tại GEO sẽ ít hơn và vệ tinh có thể giữ lại nhiều nhiên liệu hơn cho các hoạt động quay quanh quỹ đạo. Việc sử dụng chèn thêm quỹ đạo ban đầu cao hơn mức cần thiết cho GEO xảy ra khi bế phóng đổ thêm nhiên liệu khi phóng (do vệ tinh giảm trọng lượng hoặc tên lửa đã tăng hiệu quả do kỹ thuật phát triển sau khi hợp đồng ban đầu được ký kết). 2.12.3 Chèn trực tiếp vào GEO Việc này tương tự như kỹ thuật GTO nhưng ở trường hợp này, nhà cung cấp dịch vụ giải phóng hợp đồng để đặt vệ tinh trực tiếp vào GEO. Các giai đoạn cuối của tên lửa sử dụng để đặt vệ tinh trực tiếp vào GEO chứ không phải vệ tinh sử dụng hệ thống đẩy của riêng mình để đi từ GTO đến GEO. 2.13 HIỆU ỨNG QUỸ ĐẠO TRONG HỆ THỐNG HIỆU SUẤT TRUYỀN THÔNG 2.13.1 Doppler Shift Khi một người quan sát đứng yên, tần số của máy phát vô tuyến chuyển động thay đổi theo vận tốc của máy phát so với người quan sát. Nếu tần số của máy phát (tần số mà máy phát sẽ gửi khi ở trạng thái nghỉ) là T, thì tần số nhận được R cao hơn T khi máy phát đang di chuyển về phía máy thu và thấp hơn T khi máy phát di chuyển khỏi bên nhận. Về mặt toán học, mối quan hệ được hiển thị trong công thức (2.44a) giữa tần số phát và tần số thu là: fR−fT Δf VT = = (2.44 a) fT fT vP Hoặc Δf = VT . fT VT = (2.44 b) ❑ c Trong đó VT là thành phần vận tốc máy phát hướng về máy thu, vP = c là vận tốc pha của ánh sáng (2,9979 ×10 ¿ ¿ 8 ≈ 3 ×10 8 m/s )¿ trong không gian tự do, và  là bước sóng của tín hiệu truyền. Nếu máy phát đi ra xa máy thu, thì VT là âm. Sự thay đổi tần số này được gọi là dịch chuyển Doppler, hiệu ứng Doppler, hay thường chỉ là Doppler theo tên nhà vật lý người Đức, người đầu tiên nghiên cứu hiện tượng trong sóng âm thanh. Đối với các vệ tinh LEO, sự dịch chuyển Doppler trông khá rõ rệt, cần phải sử dụng các máy thu theo dõi tần số. Đối với vệ tinh đĩa tĩnh, ảnh hưởng là không đáng kể. 2.13.2 Phạm vi tầm bay Vị trí các hệ thống lưu giữ trạm tốt nhất hiện có cho vệ tinh địa tĩnh đối với Trái Đất cho thấy sự thay đổi theo chu kỳ hàng ngày. Sự thay đổi về vị trí sẽ dẫn đến sự khác biệt về phạm vi giữa thiết bị đầu cuối vệ tinh và người dùng. Nếu đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 18 Đềề tài: Cơ học quỹỹ đạo và phóng vệ tnh đang được sử dụng, cần phải chú ý cẩn thận đến thời gian các khung trong khe TDMA để khung của người dùng đến vệ tinh theo đúng trình tự và đúng thời gian. Các phạm vi tầm bay trên vệ tinh LEO đáng lưu ý, cũng như sự thay đổi về tổn thất đường truyền dẫn. Mặc dù thời gian bảo vệ giữa các khe được tăng lên để hỗ trợ trong bất kỳ khoảng cách hoặc thời gian không chính xác nào, điều này làm giảm hiệu suất của bộ phát đáp. Khả năng tích hợp của một số vệ tinh cho phép cả kiểm soát thời gian của chuỗi liên tục và mức công suất của các luồng người dùng cá nhân. 2.13.3 Hiện tượng Nhật Thực của vệ tinh Hiện tượng Nhật Thực của vệ tinh xảy ra khi Trái Đất ngăn chặn ánh sáng mặt trời chiếu tới nó, tức là khi vệ tinh năm trong bóng của Trái Đất. Đối với vệ tinh địa tĩnh, Nhật Thực xảy trong hai thời kỳ; bắt đầu vào 23 ngày trước điểm phân (khoảng 21 tháng 3 và khoảng 23 tháng 9) và kết thúc 23 ngày sau thời gian điểm phân. Hình 2.20 và Hình 2.21 minh họa hình dáng và thời gian của Nhật Thực. Nó xảy ra gần với điểm phân, vì đây là thời điểm Mặt Trời, Trái Đất và vệ tinh gần như nằm trong cùng một mặt phẳng. Hình 2.20 Minh họa Nhật Thực cho vệ tinh GEO. Bóng của Trái Đất đi qua vệ tinh 2 lần mỗi năm, xung quang điểm Xuân phân và Thu phân. Thời gian của Nhật Thực thay đổi từ vài phút đến hơn một giờ. Thời gian tối đa của Nhật Thực là 71 phút xảy ra vào khoảng ngày 21 tháng và ngày 23 tháng 9, như trong Hình 2.21. Hình đây là khi mặt trời đi qua mặt phẳng quỹ đạo của vệ tinh. Trong lúc Nhật Thực toàn phần, vệ tinh sẽ không nhận năng lượng từ năng lượng mặt trời và nó phải hoạt động hoàn toàn từ Pin của vệ tinh. Pin được thiết kế để hoạt động một cách sâu xả tối đa; pin càng tốt thì độ sâu phần trăm xả càng thấp. Nếu pin bị xả dưới độ sâu xả tối đa, pin có thể không hoạt động tốt như trước sau khi được sạc lại. Vậy nên, độ sâu xả điện đặt giới hạn tiêu hao năng lượng trong thời gian Nhật Thực. Pin niken-hydro, rất quan trọng từ lâu của vệ tinh liên lạc, có thể hoạt động ở độ sâu phóng điện khoảng 70% và phục hồi hoàn toàn sau khi được sạc lại. Pin Lithium-ion ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các vệ tinh, chúng có thể được thực hiện đến 75% độ sâu phóng điện và không có hiệu ứng bộ nhớ (howstuffworks.com 2018). Hiệu ứng bộ nhớ trong pin xảy ra khi pin được sạc lại trước khi hết sạch. Nó là nguyên nhân làm giảm tuổi thọ của pin. 19