விண்ணில் ஒரு நண்பன்-03
இஸ்ரோ விஞ்ஞானி முனைவர் பெ.சசிக்குமார்
புவியில் கட்டமைக்கப்படும் செயற்கைக்கோள் எப்படி விண்ணுக்குக் கொண்டு செல்லப்படுகிறது என்பதை இந்தக் கட்டுரையில் விரிவாகக் காண்போம். முதலில் விண்வெளி என்றால் என்ன? என்பதைப் புரிந்து கொள்ளலாம். புவியின் மேற்பரப்பில் வளிமண்டலம் சூழ்ந்து இருக்கிறது. உயரே செல்லச் செல்ல வளிமண்டலக் காற்றின் அடர்த்தி குறைந்து கொண்டே செல்கிறது. விமானங்கள் தங்கள் எரிப்பொருளை எரிப்பதற்கு ஆக்சிஜன் தேவைப்படுகிறது.
விண்வெளி எங்கே தொடங்குகிறது
அதனால் வளிமண்டல எல்லைக்குள் தான் பறக்கின்றன. ஐந்து கிலோமீட்டர் முதல் 15 கிலோமீட்டர் உயரம் வரை விமானங்கள் பயணம் செல்கின்றன. பூமியின் மேற்பரப்பில் இருந்து 30 கிலோமீட்டர் உயரத்திற்குள் 90 விழுக்காடு காற்றும், 70 கிலோமீட்டர் உயரத்திற்குள் 99 விழுக்காடு வளிமண்டல காற்றும் அடங்கி விடுகிறது. அப்படியே சென்று கொண்டிருந்தால் 100 கிலோ மீட்டர் உயரத்தை தாண்டும் பொழுது காற்று மண்டலம் இல்லாத இடத்திற்குச் செல்வோம்.
இதைக் கார்மன் (Theodore von Kármán 1881–-1963) என்ற அறிவியல் அறிஞர் கண்டறிந்தார். அந்த எல்லையைத் தான் ‘கார்மன் எல்லை’ என்று அழைக்கிறோம். இதையே விண்வெளியில் எல்லை ஆரம்பம் என்றும் குறிப்பிடுகிறார்கள். அதாவது புவியின் மேற்பரப்பிலிருந்து 100 கிலோமீட்டர் உயரத்திற்கும் மேலே சென்றால் விண்வெளி தொடங்குகிறது.
அது சரி, நமது செயற்கைக்கோள் நண்பனை எந்த உயரத்திற்குக் கொண்டு செல்ல வேண்டும்? என்ற ஐயம் நமக்கு ஏற்படும். முதலில் என்ன வேலைக்காகச் செயற்கைக்கோள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளது என்பதைப் பொறுத்து அது செல்ல வேண்டிய இடம் முடிவு செய்யப்படுகிறது. காய்கறிகள் வாங்க காய்கறி கடைக்குச் செல்கிறோம், அரிசி பருப்பு போன்ற பொருட்களை வாங்க மளிகை கடைக்குச் செல்கிறோம்.
அது போல் நமக்கு என்ன தேவை என்பதை முடிவு செய்து அதற்கான உபகரணங்கள் செயற்கைக்கோளில் பொருத்தப்பட வேண்டும். அதைப்பற்றி விரிவாக வரும் மாதங்களில் பார்ப்போம். அப்படி உருவாக்கப்பட்ட செயற்கைக்கோளை எந்த உயரத்தில் நிலை நிறுத்தப்பட வேண்டும் என்பதையும் முடிவு செய்கிறார்கள்.
உதாரணத்திற்குத் தொலைத்தொடர்பு செயற்கைக்கோள் (Telecommunication satellite) என்று வைத்துக் கொள்வோம். திருவனந்தபுரத்தில் அமர்ந்திருக்கும் நான் ஒரு நிகழ்ச்சியில் கலந்து கொள்கிறேன். நான் பேசுவதை இந்தியாவில் உள்ள எல்லா மாநிலங்களிலும் ஒளிபரப்ப வேண்டும். எனது நிகழ்ச்சி தொடர்ந்து இருபத்தி நான்கு மணி நேரம் நடைபெறுவதாக வைத்துக் கொள்வோம். நான் பேசிக் கொண்டிருப்பதை இடைவிடாமல் கேட்டு பின்னர், அதை இந்தியாவில் உள்ள எல்லாப் பகுதிகளுக்கும் ஒளிபரப்ப வேண்டிய வேலையைச் செயற்கைக்கோள் செய்ய வேண்டும்.
புவியின் வேகத்தில் செயற்கைக்கோள் சுற்றுமா
அதாவது 24 மணி நேரமும் என்னைப் பார்த்துக் கொண்டே இருக்கும் வகையில் செயற்கைக்கோள் இருக்க வேண்டும். பூமி சுற்றிக் கொண்டிருக்கிறது அல்லவா, 24 மணி நேரத்தில் பூமி தன்னை ஒரு முறை சுற்றி வந்து விடுகிறது. அப்படிப் பூமி சுற்றும் பொழுது அதன் வேகத்தில் விண்ணில் இருக்கும் செயற்கைக்கோளும் நகர்ந்து கொண்டே வந்து எப்பொழுதும் பூமியை பார்த்துக் கொண்டே இருக்க வேண்டும்.
எந்தத் தொலைவில் செயற்கைக்கோள் நிலைநிறுத்தப்படுகிறது என்பது தெரிந்தால் தான் அதன் வேகம் என்ன என்பதை நம்மால் கணக்கிட முடியும். ஏன் அந்தத் தொலைவு 35,786 கிலோ மீட்டர்? இந்த 35,786 கிலோமீட்டர் சற்று அருகில் நிலைநிறுத்தினால் போதாதா? என்ற ஐயம் எழும்.
ஏன் இந்தத் தொலைவு என்பதற்கு எப்படிச் செயற்கைக்கோள்கள் ஒரு குறிப்பிட்ட சுற்றுவட்ட பாதையில் நிலை நிறுத்தப்படுகின்றன என்பதை முதலில் புரிந்து கொள்வோம்.
ஆப்பிள் மரத்திற்கு அடியில் அமர்ந்து கொண்டிருந்த சர் ஐசக் நியூட்டனின் தலையில் ஆப்பிள் விழுந்தவுடன், ஒரு கேள்வி எழுந்தது. ஏன் ஆப்பிள் மேல் நோக்கிச் செல்லாமல் கீழே விழுகிறது என்று யோசித்தார்.
அப்படி யோசித்த பொழுதுதான் புவிக்கென்று ஓர் ஈர்ப்பு விசை உள்ளது. அந்த ஈர்ப்பு விசை பொருட்களைத் தன் பக்கம் இழுக்கிறது என்பதைப் புரிந்து கொண்டார். ஆனால் அப்படி ஈர்க்கக்கூடிய திறன் வாய்ந்த புவியின் ஈர்ப்பு விசை ஏன் நமது தலைக்கு மேலே ஆகாயத்தில் இருக்கும் நிலவை ஈர்க்காமல் போய்விட்டது.
நிலவு ஏன் புவியின் மீது விழவில்லை
நிலவும் புவியீர்ப்பு விசையால் ஈர்க்கப்பட்டுப் புவியின் மீது விழுந்திருக்க வேண்டும் அல்லவா? என்று அடுத்த மாபெரும் ஐயம் அவருக்கு எழுந்தது. அதற்கான விடையைக் கண்டறிந்த பொழுது தான் நிலவு பூமியின் மீது தொடர்ந்து விழுந்து கொண்டே தான் இருக்கிறது, நிலவு புவியின் மீது விழும் வேகமும் புவி நகர்ந்து கொண்டிருக்கும் வேகமும் இரண்டும் ஒரே அளவாக இருக்கிறது என்பதைப் புரிந்து கொண்டார். இந்தப் புரிதலில் இருந்து தான் நியூட்டனின் ஈர்ப்பியல் விதி பிறந்தது.
அதாவது விண்வெளியில் சுற்றிக் கொண்டிருக்கும் இரண்டு கோள்களுக்கும் இடையே ஒரு ஈர்ப்பு விசை இருக்கும். அந்த ஈர்ப்பு விசை கோள்களின் நிறைக்கு நேர்விகிதத்திலும், அவற்றின் தூரத்தின் இருமடிக்கு எதிர் விகிதத்திலும் இருக்கும் என்பதை அவர் கண்டறிந்தார். இயற்கையாகப் புவியைச் சுற்றிவரும், நிலவுக்கும் பூமிக்கும் இடையில் இந்த ஈர்ப்பு விசை இருக்கிறது. சூரியனை சுற்றிவரும், புவிக்கும் சூரியனுக்கும் இடையே இந்த ஈர்ப்பு விசை இருக்கிறது.
இதுபோலப் பிரபஞ்சத்தில் இருக்கும் ஒவ்வொரு பொருளுக்கும் மற்றொரு பொருளின் மீது ஈர்ப்பு விசை இருக்கிறது. எது அருகருகே இருக்கிறதோ, எது எடை அதிகமாக இருக்கிறதோ அதன் ஈர்ப்பு விசை அதிகமாக இருக்கும் என்பதை இங்கே நாம் புரிந்து கொள்ளலாம்.
மையவிலக்குவிசையும் துணி துவைக்கும் இயந்திரமும்
இரண்டாவதாக விசை என்பதைப் பற்றிப் புரிந்து கொள்வோம். துணி துவைக்கும் இயந்திரத்தில் துணியைத் துவைத்தவுடன் அதை உலர வைக்கும் பகுதி இருக்கும். சில இயந்திரங்களில் அந்தப் பகுதி தனியாக இருக்கும், அல்லது துணி துவைக்கும் பகுதியே உலர வைக்கும் பகுதியாகவும் இருக்கும். துவைத்த துணியில் நீர்த் திவலைகள் இருக்கும், அதனால் தான் துணி ஈரமாக இருக்கிறது.
அந்த நீர்த் திவலைகளைச் சூரிய ஒளியில் காயவைத்து உலர வைக்க முடியும். அதற்கு நிறையக் கால அவகாசம் எடுக்கும். அதற்குப் பதிலாகத் துணி துவைக்கும் இயந்திரத்தில் சுழலும் பகுதியில் இந்த ஈரமான துணிப் போடப்படுகிறது.
அப்படிப் போடப்படும் பொழுது ஒரு குறிப்பிட்ட வேகத்தில் அந்தத் துணி சுற்ற வைக்கப்படுகிறது. அதனால் துணியில் உள்ள நீர்த் திவலைகள் துணியில் உள்ள நூலைப் பிடித்து நிற்க முடியாமல் ஒரு குறிப்பிட்ட வேகத்திற்குப் பிறகு வெளியேறி விடுகின்றன.
அவை தான் இயந்திரத்தில் உள்ள சிறிய துவாரங்களின் வழியாகக் கசிந்து நீராக வெளி வருவதை நாம் காண முடியும். இந்தச் செயலுக்குக் காரணம் மையவிலக்கு விசையாகும். வேகமாகச் சுற்றும் ஒரு பொருள்,அது சுற்றும் மையத்திலிருந்து ஒரு விசையை உணர்கிறது. அது அதன் எடைக்கும் சுற்றும் வேகத்திற்கும் நேர்விகிதத்தில் இருக்கிறது. ஒரு கயிற்றில் கல்லைக் கட்டி சுற்றும் பொழுது, ஒரு குறிப்பிட்ட வேகத்திற்குப் பிறகு கயிறு அறுந்து கல் பறப்பதும் இந்த மையவிலக்கு விசையினால் தான்.
அதேபோல் வளைவான பகுதியில் வாகனத்தில் நாம் பயணப்படும் பொழுது, வெளிநோக்கித் தள்ளப்படுவதும் இது போன்ற விசையால்தான். இதைப் போன்ற ஒரு மையவிலக்கு விசையைச் செயற்கைக்கோளுக்கு நாம் கொடுக்கிறோம். ஒரு ஏவு வாகனத்தில் செயற்கைக்கோளை வைத்து குறிப்பிட்ட உயரம் வரை கொண்டு சென்று அங்குக் குறிப்பிட்ட உயரத்தில், குறிப்பிட்ட திசை வேகத்தில் செயற்கைக்கோள் வீசப்படுகிறது.
அப்படி வீசப்படும் பொழுது ஒரு மையவிலக்கு விசை அந்தச் செயற்கை கோளுக்குக் கிடைக்கிறது. முன்பே கூறியபடி செயற்கைக்கோளுக்கும், செயற்கைக்கோளுக்கு அருகில் இருக்கும் கோளாகிய புவிக்கும் இடையே ஒரு ஈர்ப்பு விசை உருவாகிறது. இப்படி உருவாகும் ஈர்ப்பு விசை குறிப்பிட்ட வேகத்தில் செலுத்தப்படும் செயற்கைக்கோளுக்குக் கிடைக்கும் மையவிலக்கு விசைக்குச் சமமாக இருக்கும் பொழுது செயற்கைக்கோள் புவியின் மீது விழாமல் அதே நேரத்தில் புவியிலிருந்து விலகிச் செல்லாமல் புவியைக் குறிப்பிட்ட வட்டப்பாதையில் சுற்றி வருகிறது.
எப்பொழுது வேகமாக செயற்கைக்கோள் நகர வேண்டும்
எளிமையாக இந்த அறிவியலை புரிந்து கொள்ள வேண்டும் என்றால், புவிக்கு அருகில் இருக்கும் பொழுது பூமியுடைய ஈர்ப்பு விசை அதிகமாக இருக்கும். அதனால் பூமியின் மீது விழாமல் இருக்க வேகமாகச் சுற்ற வேண்டும். அதே நேரத்தில் புவியிலிருந்து தொலைதூரத்திற்குச் செல்லும் பொழுது புவியின் ஈர்ப்பு விசை குறைவாக இருக்கும். அதனால் குறைவான வேகத்தில் சுற்றினால் போதும்.
முன்பே கூறியபடி 35,786 கிலோமீட்டர் உயரத்தில் தொலைத்தொடர்புக்காக அனுப்பப்படும் செயற்கைக்கோள் வினாடிக்கு 3.07 கிலோமீட்டர் என்ற வேகத்தில் சுற்றினால் தான் சரியாக இருக்கும். அதுவே 10,000 கிலோமீட்டர் உயரத்தில் நிலைநிறுத்தப்படும் செயற்கைக்கோள் வினாடிக்கு 4.93 கிலோமீட்டர் என்ற வேகத்தில் சுற்றினால் போதுமானது. 500 கிலோ மீட்டர் என்றால் இது வினாடிக்கு 7.6 கிலோமீட்டர் என்று மாறுபடும்.
பயன்பாட்டைப் பொறுத்து எந்த இடத்தில் செயற்கைக்கோள் நிலைநிறுத்தப்பட வேண்டும் என்பது முடிவு செய்யப்படுகிறது. புவியின் மீது புகைப்படங்கள் எடுத்து அதன் மேற்பரப்பு எப்படி இருக்கிறது என்பதை அறிந்து கொள்ள அதிகமான உயரத்திற்குச் சென்று பயனில்லை. பூமியிலிருந்து 500 லிருந்து 1000 கிலோ மீட்டர் உயரத்தில் (LEO-Low earth orbit) நிலை நிறுத்தப்பட வேண்டும்.
அதே நேரத்தில் அதிகப்படியான மின்சாரத் தேவை இருக்கிறது, 24 மணி நேரமும் சூரியனைப் பார்த்துக் கொண்டே இயங்க வேண்டும் என்ற தேவை இருந்தால் சூரிய ஒத்திசைவு சுற்றுப் பாதையில் (SSO-Sun synchronous orbit) நிலை நிறுத்தப்படும். அதிக உயரத்திலும் வேண்டாம், குறைவான உயரத்திலும் வேண்டாம், நடுத்தர உயரத்தில் ஆயிரம் கிலோமீட்டரில் இருந்து 20,000 கிலோ மீட்டர் உயரம் (MEO- Medium earth orbit) வரை நிலைநிறுத்தக்கூடியவற்றை நடுத்தரப் புவி சுற்றுவட்ட பாதை என்று அழைக்கிறோம். இப்படி ஒவ்வொரு தேவைக்கும் ஏற்ப நிலை நிறுத்தப்படுகிறது.
செயற்கைக்கோள் செல்ல வேண்டிய உயரம் அதன் பயன்பாட்டைப் பொறுத்து மாறுபடும் என்பதைத் தெளிவாகப் புரிந்து கொண்டோம். எந்த வேகத்தில் சுற்ற வேண்டும் என்பது புவியின் மீது விழாமல் இருக்க வேண்டிய கட்டாயம் முடிவு செய்கிறது என்பதையும் விவாதித்து விட்டோம்.
செயற்கை கோளுக்கு எப்படி சுற்று வேகம் கொடுக்கப்படுகிறது
இப்பொழுது அந்த வேகத்தைச் செயற்கைக்கோளுக்கு யார் கொடுப்பது? அதைச் செய்வது தான் ஏவு வாகனத்தின் செயல். புவியில் கட்டமைக்கப்பட்ட செயற்கைக்கோள் ஏவு வாகனத்தில் ஏற்றப்பட்டவுடன் அதைப் பத்திரமாகத் தூக்கிக் கொண்டு விடவேண்டிய சுற்றுவட்ட பாதையில் அதற்குத் தேவையான வேகத்தைக் கொடுத்து வீச வேண்டிய பொறுப்பு ஏவு வாகனத்தின் பணி.
இதைச் செவ்வனே செய்வதற்காக, ஏவு வாகனம் பல அடுக்குகளாக வடிவமைக்கப்பட்டு இருக்கும். ஏவு வாகனத்தின் பாகங்கள், ஏவு வாகனத்தின் எரிபொருள் என நிறைய எடையைக் கொண்டு செல்ல வேண்டி இருக்கும். இந்த எடையைப் புவியிலிருந்து உயரே கொண்டு செல்ல அதற்கான ஆற்றல் தேவை இருக்கிறது. அதனால் தேவையில்லாத பாகங்களை அடுத்த கட்டத்திற்குக் கொண்டு செல்வதற்குப் பதிலாகப் பல அடுக்குகளாக ஏவு வாகனம் வடிவமைக்கப்படுகிறது.
அதில் ஏவு வாகனத்தின் ஒரு அடுக்கு தனது பணியைச் செவ்வனே செய்த உடன் அது மேலே சென்று கொண்டிருக்கும் ஏவு வாகனத்தில் இருந்து பிரிக்கப்படுகிறது. இப்படி ஏவு வாகனத்தின் ஒவ்வொரு அடுக்கும் ஏவு வாகனத்திற்குக் குறிப்பிட்ட வேகத்தைக் கொடுக்கும். உதாரணத்திற்கு மூன்று அடுக்கு ஏவு வாகனம், செயற்கைக்கோளுக்கு வினாடிக்கு எட்டு கிலோ மீட்டர் என்ற வேகத்தைக் கொடுக்க வேண்டும் என்று வைத்துக் கொள்வோம்.
முதல் அடுக்கு ஒன்றரை கிலோ மீட்டர் என்று வேகத்தைக் கொடுத்துவிட்டுப் பிரிக்கப்படும். இரண்டாம் அடுக்கு தனது பங்கிற்கு வினாடிக்கு மூன்று கிலோமீட்டர் என்ற வேகத்தைக் கூடுதலாகச் சென்று கொண்டிருக்கும் ஏவு வாகனத்திற்குக் கொடுக்கும். இப்பொழுது ஏவு வாகனத்தின் வேகம் வினாடிக்கு 4½ கிலோ மீட்டர் என்ற நிலைக்கு வரும். இறுதிநிலை வினாடிக்கு 4½ கிலோமீட்டரில் சென்று கொண்டிருக்கும் செயற்கைக்கோளை வினாடிக்கு எட்டு கிலோ மீட்டர் என்று வேகத்திற்குக் கொண்டு வந்து சரியான சுற்றுவட்ட பாதையில் செயற்கைக்கோளை நிலை நிறுத்தும். ஏவு வாகனத்தின் வடிவமைப்பிற்கு ஏற்ப இரண்டு நிலையில் இருந்து 5 நிலை ஏவு வாகனங்கள் உள்ளன.
செயற்கைக்கோளை விண்வெளியின் சுற்றுவட்ட பாதையில் நிலைநிறுத்தி தான் நமது தேவைகளைப் பூர்த்திச் செய்ய வேண்டுமா? அது இல்லாமல் மற்ற எந்த விதமான முறையில் எப்படிச் செயற்கைக்கோள் போன்ற கருவிகள் செலுத்தப்படுகின்றன என்பதை அடுத்த கட்டுரையில் பார்ப்போம். =
