לוויין

דגם של לוויין במוזיאון

הירח הוא הלוויין הטבעי היחיד שנמצא במסלול סביב כדור הארץ

איור של לוויין בחלל

תנועה של לוויין במסלול גאוסטציונרי

לוויין הוא גוף שמיימי המקיף גוף שמימי אחר, לרוב כוכב או כוכב לכת, המונח לוויין בעברית בא מהשורש ל-ו-ה, שכן הלוויין "מלווה" את כוכב הלכת.

קיימים שני סוגי לוויינים:

1. לוויין טבעי - ירח נחשב כלוויין טבעי של כוכב הלכת אותו הוא מקיף.
2. לוויין מלאכותי - כל גוף מעשי ידי אדם שנשלח למסלול סביב גרם שמיים.

עם תחילת שיגורם לחלל של לוויינים מלאכותיים על ידי האדם בסוף שנות ה-50 של המאה ה-20, הלכה ותפסה משמעות הלוויין המלאכותי את מקומה של המשמעות הכללית, וכיום במושג "לוויין" הכוונה היא בדרך כלל ללוויין מלאכותי, ואילו ללוויין טבעי יוחד השם "ירח".

היסטוריה

קובץ:The Brick Moon.gif

הירח מבטון, התייחסות ראשונה ללוויין בספרות הבדיונית, מאת אדוארד הייל, 1869

ההתייחסות הראשונה ללוויין נמצאת בניסוי המחשבתי של אייזק ניוטון, בו משגרים כדור תותח מספיק מהר כדי שלא יפול בחזרה לכדור הארץ אלא ימשיך להקיף אותו. "התותח של ניוטון" והפיתוחים המתמטיים למסלול בספרו עקרונות מתמטיים של פילוסופיית הטבע. בספרות, האזכור הראשון של שיגור לוויין למסלול מוזכר בסיפור קצר של אדוארד הייל "הירח מבטון" (1869). ז'ול ורן הזכיר לוויינים לראשונה בספרו הירושה הגדולה בשנת 1879.

בשנת 1903 קונסטנטין ציאולקובסקי פרסם את "חקר החלל הקוסמי באמצעים של התקני תגובה" (ברוסית: (Исследование мировых пространств реактивными приборами. הוא חישב את המהירות האופקית הנדרשת להביא טיל במסלול המעגלי הכי קרוב לכדור הארץ.

ב-1928 הרמן פוטוכניק פרסם את ספרו "בעיות טיסה בחלל - המנוע הרקטי" (בגרמנית: Das Problem der Befahrung des Weltraums — der Raketen-Motor) המתאר את המדרש ליצירת לוויין המקיף את כדור הארץ ומבצע מדידות וניסויים מדעיים.

סופר המדע בדיוני ארתור סי קלארק פרסם ב-1945 בעיתון wireless world מאמר המתאר את האפשרות להשתמש בלווייני תקשורת הנצאים במסלול מיוחד שבו הלוויין יוכל לחוג סביב כדור הארץ בגובה קבוע, אשר בו המהירות הזוויתית שלו תתאים למהירות הזוויתית של כדור הארץ, וכך למעשה יישאר מעל נקודה אחת. הוא חזה שמספיק שלושה לוויני תקשורת כדי לתת כיסוי סביב העולם כולו.

הלוויין המלאכותי הראשון היה "ספוטניק 1" ששוגר על ידי ברית המועצות למסלול סביב כדור הארץ ב-4 באוקטובר 1957.

במהלך השנים שוגרו לוויינים גם אל כוכבי לכת אחרים. לוויינים אלה הקיפו את כוכבי הלכת, צילמו אותם ואספו מידע נוסף, ושידרו את המידע בחזרה אל החוקרים על כדור הארץ בעזרת משדרי רדיו.

רקע פיזיקלי

לוויינים מקיפים גופים בעלי מסות גדולות (כמו כוכבים) בהתאם לחוק הכבידה שאותו גילה וניסח אייזק ניוטון: כל שני גופים מפעילים אחד על השני כוח כבידתי המקיים את הביטוי הבא:

$F=G{\frac {Mm}{R^{2}}}$

F הוא הכוח המופעל, G הוא קבוע הכבידה, M היא מסת הגוף הראשון, m היא מסת הגוף השני ו-R הוא המרחק ביניהם.

במקרה הפרטי של לוויינים m היא מסת הלוויין, M הוא מסת הכוכב שאותו מקיף הלוויין וR מייצג את המרחק בין מרכז הכוכב לבין הלוויין. במצב עבודה רגיל של הלוויין הוא מקיף את הכוכב באותו רדיוס ולכן גודל הכוח הפועל עליו הוא זהה וכיווני כלפי מרכז הכוכב.

על לוויין המקיף גוף שמיימי מופעל כוח גדול אשר מצד אחד לא מאפשר לו להתרחק מגוף, ומצד שני קטן מכדי לגרום להתנגשות בין הגופים (ללא השפעת גורם נוסף כגון התנגדות אוויר). לוויין מלאכותי (להלן לוויין) הוא התקן המשוגר מפני כדור הארץ אל מסלול הקפה, בדרך-כלל סביב כדור הארץ. הצבתו של הלוויין בחלל נעשית בדרך-כלל באמצעות טיל בליסטי, שהלוויין נמצא בחרטומו ומופרד ממנו בהגיעו ליעדו. דרך נוספת היא הובלת הלוויין ליעדו באמצעות מעבורת חלל. בעבר, היה ניסיון ליצור תותח על שיוכל לשגר לוויינים לחלל ׁ(פרויקט HARP)

על מנת לשגר לוויין לחלל יש להתגבר על הכבידה של כדור הארץ.

שימושים בלוויינים מלאכותיים

• לוויין המשמש לטיסה של אדם בחלל מכונה בדרך כלל חללית, ואם ניתן להשתמש בו יותר מפעם אחת - מעבורת חלל.
• לווייני תקשורת, לתקשורת אלחוטית בין נקודות מרוחקות על פני כדור הארץ. שידורי טלוויזיה מועברים בדרך זו ללא צורך ברשת של תחנות ממסר קרקעיות. שיחות טלפון בינלאומיות מועברות בדרך זו ללא צורך בכבלים.
• לווייני צילום, לצילום פני כדור הארץ, למטרות מדעיות, צבאיות ומסחריות.
• לווייני מזג האוויר, לניתוח שינויי מזג האוויר על פני כדור הארץ ושיפור מתן התחזית.
• מערכות ניווט לווייניות.
• לווייני ריגול, למעקב, האזנה ותיעוד פעילות על כדור הארץ.
• לווייני קרב, הגנה או התקפה על לוויינים, למטרות צבאיות.
• גשושית היא חללית קטנה ובלתי מאוישת המשוגרת לחקור את הירח, כוכבי לכת וגופים אחרים במערכת השמש.
• למחקר מדעי. כדוגמת טלסקופ החלל האבל וטלסקופים למדידת קרני גאמה כמו Compton Gamma Ray Observatory ו-Gamma-ray Large Area Space Telescope.

סוגי מסלולי לוויינים

LEO

ערך מורחב – מסלול לווייני נמוך

לוויינים הנמצאים במסלול לווייני נמוך (LEO - Low Earth Orbit) הם למעשה מרבית הלוויינים המקיפים את כדור הארץ, מגובה של 300 קילומטר ועד לגובה של 2000 ק"מ. לוויינים הנמצאים במסלול LEO מקיפים את כדור הארץ כל 90–120 דקות. למעשה רוב השימושים האפשריים של לוויינים נעשים באמצעות לוויינים הנמצאים במסלול LEO, פרט לתפקיד אחד - לווייני תקשורת. לווייני תקשורת מול לווייני LEO דורשת שימוש באנטנות שמשנות את כיוונן באופן שוטף כך שהן תמיד יהיו מכוונות אל הלוויין. (חלופה אחרת היא קיום תקשורת רק בפרקי זמן מצומצמים, כאשר הלוויין נמצא בדיוק מול אנטנה קבועה).

MEO

ערך מורחב – מסלול לווייני בינוני

Medium Earth Orbit ולפעמים Intermediate Circular Orbit ‏(‏ICO) הוא התחום שבין ה-LEO ל-GEO, והוא בגובה 2000 ק"מ ועד 36,000 ק"מ מכדור הארץ. זמן ההקפה השל לוויינים בתחום זה הוא בין שעתיים ל-24 שעות. בתחום ה-MEO נמצאות מערכות הניווט הלווייניות כגון ה-GPS.

GEO

שני לוויינים גאוסטציונאריים. בצהוב - לווין גאוסטציונרי מעל אפריקה. באדום - לוויין גאוסטציונרי מעל סינגפור

ערך מורחב – מסלול גאוסטציונרי

לוויינים במסלול גאוסטציונרי. סופר המדע הבדיוני ארתור צ'ארלס קלארק, ששירת כקצין בחיל האוויר הבריטי במלחמת העולם השנייה העלה רעיון להציב לוויינים בגובה כ-36 אלף ק"מ מעל קו המשווה. בנקודה זו, משך זמן ההקפה שלהם שווה למשך זמן ההקפה של כדור הארץ סביב צירו, ולכן הם ייראו למתבונן מכדור הארץ כעומדים בנקודה קבועה. תכונה זו מהווה יתרון כאשר נדרש לספק שירות קבוע ורציף: האנטנות הקרקעיות שמתקשרות עם לוויינים מכוונות באופן קבוע אל לווייני ה-GEO הנמצאים בנקודה קבועה ביחס לקרקע. רוב לווייני התקשורת הם GEO, ונותנים שירות קבוע כתחנת ממסר לקליטה ושידור של אותות ונתונים, כגון שיחות טלפון בינלאומיות או שידורי טלוויזיה. לדוגמה, שידורי yes הטלוויזיה בלוויין, מועברים בלווייני התקשורת עמוס 2 ועמוס 3 מתוצרת התעשייה האווירית לישראל.

HEO

High Earth Orbit הוא התחום שמעבר ל-GEO (כלומר יותר מ-36,000 ק"מ מכדור הארץ). מסלול זה מאפשר כיסוי מלא באזור הקטבים בזכות אופיו האליפטי.

מסלול קוטבי

ערך מורחב – מסלול קוטבי

במסלול זה הלוויין מקיף את גרם השמיים מעל או בקרוב לקטביו. באופן זה, סיבוב גרם השמיים סביב צירו מאפשר ללוויין לעבור מעל לאזור אחר בכל הקפה. מסלול זה הוא שימושי מאד כאשר ממפים כוכב.

קבוצות סיווג

ננו לוויין מסוג ESTCube-1 שפותח על ידי סטודנטים מהאוניברסיטה של טארטו, מבצע ניסוי פריסה לקשור במסלול סביב כדור הארץ הנמוך.

פמטו-לוויין – מסוג KickSprite_sm

תחום הלוויינים מתחלק לקטגוריות לפי משקל.

מגה לוויין

לוויין שמשקלו מעל 10 טון ושימושו העיקרי הוא כלוויין תקשורת לאלפי ערוצי טלוויזיה.

לוויין גדול

לוויין שמשקלו 5–10 טון ושימושו העיקרי הוא כלוויין תקשורת למאות ערוצים. (כמו הלוויין עמוס 6, שהתרסק לפני שיגורו ב-2016, ושקל כ-5.5 טון).

לוויין בינוני

לוויין שמשקלו 1–5 טון ושימושו העיקרי הוא כלוויין תקשורת קטן ולוויין מזג אוויר. (לוויין GOES 13, לוויין מזג אוויר אמריקאי, משקלו 3.1 טון).

מיני לוויין

לוויין שמשקלו נע בין 100 ק"ג ל-1 טון, ושימושו העיקרי הוא לווייני תצפית חזותית ותצפית מכ"ם ברזולוציה גבוהה (אופק 10 לוויין ריגול ישראלי משקלו 330 ק"ג).

מיקרו לוויין

מונח זה מתייחס לקטגוריית לוויינים שמשקלם נע בין 10 ל-100 ק"ג, כולל מטען הדלק שבתוכו. לפעמים משייכים קטגוריה זו גם לוויינים שמשקלם נע בין 1 ל-50 ק"ג.(TacSat-1 לוויין צבאי אמריקאי, משקלו 100 ק"ג).

ננו לוויין

מונח זה מתייחס לקטגוריית לוויינים שמשקלם נע בין 1 ל-10 ק"ג, כולל מטען הדלק שבתוכו. (Dove-2 לוויין תצפית על כדור הארץ משקלו 5.5 ק"ג).

פיקו לוויין

מונח זה מתייחס לקטגוריית לוויינים שמשקלם נע בין 0.1 ל-1 ק"ג, כולל מטען הדלק שבתוכו. לפעמים משתמשים במונח זה גם לייצג כל לוויין שמשקלו מתחת ל-1 ק"ג. (לוויין Pico-Sat 2 של נאס"א, משקלו 200 גרם).

פמטו לוויין

מונח זה מתייחס לקטגוריית לוויינים שמשקלם נע בין 10 ל-100 גרם, כולל מטען הדלק שבתוכו. במרץ 2014 שוגר לחלל לוויין מסוג ננו (KickSat), שהכיל בתוכו 104 פמטו לוויינים שנראים כמו כרטיסים קטנים.

לוויינים ישראליים

ערך מורחב – לוויינים ישראליים

כיום נבנים לוויינים במדינות רבות (למעלה מ-60 מדינות מחזיקות בבעלות על לוויינים או שותפות בבניית לוויינים), וכמעט כל מדינה בעולם משתמשת בשירותי הלוויינים, אם כי עד כה רק ל-12 מדינות, ובהן ישראל, יש יכולת לשגר בעצמן לוויינים לחלל (אמנם יכולת השיגור של ישראל מוגבלת ללוויינים קלי משקל ולמסלולים נמוכים בלבד).

ישראל החלה את פעילותה בחלל בראשית שנות ה-80, ושיגרה מאז לחלל לוויינים אחדים. הלוויינים הצבאיים (מסדרת אופק) שוגרו מישראל, (למעט הלוויין הצבאי טכסאר-פולאריס ששוגר עבור ישראל מהודו), באמצעות משגר "שביט" שפותח ויוצר בישראל (על בסיס תכנון של משגר טילים צבאי ישראלי מדגם יריחו 2), והאזרחיים שוגרו מבסיסי שיגור זרים (ברוסיה, בקזחסטן ובגיאנה הצרפתית).

ראו גם

• מונחים בחקר החלל
• לוויין זעיר

לקריאה נוספת

• חיים אשד, דורון שטרמן, לוויינים והחלל הקרוב, הוצאת אפי מלצר, 2014.

קישורים חיצוניים

• מה זה לוויין מאת אלי שביט באתר מט"ח
• לוויינות הלכה למעשה - מאת דודי זוסימן, מהנדס חלל, באתר תפוז
• לוויינים מעל ראשינו - מאת יורם אורעד, באתר עמלנט
• אתר הלוויינים הישראלי
• אשכול ידיעות על לוויינים, באתר "הידען"
• מהו לוויין?, באתר סוכנות החלל הישראלית
• לוח אירועים אסטרונומיים ומעברי לוויינים בהירים מעל ישראל
• זמני מעבר תחנת החלל והטלסקופ האבל מעל שמי ישראל
• הרצאות וידאו על לוויינים ומשימות חלל
• חשש: סין פיתחה מערכת לחטיפת לויינים בחלל