Quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo của Trái đất

Đồ họa: NOAA SciJinks

Cần phân biệt với vệ tinh tự nhiên, ví dụ mọi vật thể thuộc Hệ Mặt Trời gồm cả Trái Đất, đều là vệ tinh tự nhiên của Mặt Trời ; hoặc vệ tinh tự nhiên của Trái Đất là Mặt Trăng.

Việc định nghĩa vật thể nào là vệ tinh không phải luôn đơn giản khi xét đến một cặp hai vật thể. Bởi vì mọi vật thể đều có sức hút của trọng lực, chuyển động của vật thể chính cũng bị ảnh hưởng bởi vệ tinh của nó. Nếu hai vật thể có khối lượng tương đương, thì chúng thường được coi là một hệ đôi và không một vật thể nào bị coi là vệ tinh; một ví dụ là tiểu hành tinh kép 90 Antiope. Tiêu chuẩn chung để một vật thể được coi là vệ tinh là trung tâm khối lượng của hệ nằm bên trong vật thể chính.

Trong cách nói thông thường, 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]. Tuy nhiên, các nhà khoa học cũng có thể sử dụng thuật ngữ đó để chỉ các vệ tinh thiên nhiên, hay các Mặt Trăng. Nói chung, trong cách dùng thông thường, "vệ tinh thiên nhiên" là thuật ngữ để chỉ các Mặt Trăng.

Các vệ tinh nhân tạo

Vệ tinh nhân tạo đầu tiên

Người đầu tiên đã nghĩ ra vệ tinh nhân tạo dùng cho truyền thông là nhà viết truyện khoa học giả tưởng Arthur C. Clarke vào năm 1945. Ông đã nghiên cứu về cách phóng các vệ tinh này, quỹ đạo của chúng và nhiều khía cạnh khác cho việc thành lập một hệ thống vệ tinh nhân tạo bao phủ thế giới. Ông cũng đề nghị 3 vệ tinh địa tĩnh [geostationary] sẽ đủ để bao phủ viễn thông cho toàn bộ Trái Đất.

Tuy nhiên, vệ tinh nhân tạo đầu tiên là Sputnik 1 được Liên bang Xô viết phóng lên ngày 4 tháng 10 năm 1957.

Các loại vệ tinh

• 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, khí tượng học, lập bản đồ, vân vân.
• Vệ tinh hoa tiêu [navigation satellite] là các vệ tinh sử dụng các tín hiệu radio được truyền đi theo đúng chu kỳ cho phép các bộ thu sóng di động trên mặt đất xác định chính xác được vị trí của chúng. Sự quang đãng [không có vật cản] của đường truyền và thu tín hiệu giữa vệ tinh [nguồn phát] và máy thu trên mặt đất tích hợp với những cải tiến mới về điện tử học cho phép hệ thống vệ tinh hoa tiêu đo đạc khoảng cách với độ chính xác khoảng một vài mét.
• Vệ tinh tiêu diệt 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. Một số vệ tinh này được trang bị đạn động lực, một số khác sử dụng năng lượng hay các vũ khí hạt nhân để phá huỷ các vệ tinh, ICBMs, MIRVs. Cả Hoa Kỳ và Liên bang Xô viết đều có các vệ tinh này. Các đường dẫn bàn luận về các "Vệ tinh tiêu diệt", ASATS [Vệ tinh chống vệ tinh] gồm USSR Tests ASAT weapon và  ASAT Test
• 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. Chúng ta hiện không biết nhiều về năng lực thực sự của các vệ tinh này vì các chính phủ điều hành chúng thường giữ tuyệt đối bí mật về thông tin cho các vệ tinh loại này.
• Vệ tinh năng lượng Mặt trời là các vệ tinh được đề xuất là sẽ bay trên quỹ đạo Trái Đất tầm cao sử dụng cách truyền năng lượng viba để chiếu năng lượng mặt trời tới những antenna cực lớn trên mặt đất, nơi nó có thể được dùng để thay thế cho những nguồn năng lượng quy ước thông thường.
• Trạm vũ trụ là các cơ cấu do con người chế tạo, được thiết kế để con người sống được trong vũ trụ. Một trạm vũ trụ được phân biệt với những tàu vũ trụ ở điểm nó không có động cơ đầy chính hay các thiết bị hạ cánh — thay vào đó, người ta dùng các thiết bị khác để vận chuyển lên và xuống trạm. Các trạm vũ trụ được thiết kế để có thể duy trì sự sống trong một khoảng thời gian trung bình trên quỹ đạo, các khoảng thời gian có thể là tuần, tháng, hay thậm chí là năm.
• Vệ tinh thời tiết là các vệ tinh có mục đích chính là để quan sát thời tiết hay khí hậu của Trái Đất.
• Vệ tinh thu nhỏ là các vệ tinh có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn thông thường. Những tiêu chí xếp hạng mới để đánh giá các vệ tinh đó: tiểu vệ tinh [500–200 kg], vệ tinh siêu nhỏ [dưới 200 kg], vệ tinh cỡ nano [dưới 10 kg], vệ tinh cỡ pico [dưới 1 kg] và vệ tinh cỡ femto [dưới 100 g].
• 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.

Các loại quỹ đạo

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 Đối với kiểu quỹ đạo này thì vệ tinh thường là một tàu vũ trụ
• Quỹ đạo siêu đồng bộ hay quỹ đạo trôi dạt — quỹ đạo bên trên GEO. Các vệ tinh sẽ trôi dạt theo hướng tây - [GEO + 235 km + [1000 × CR × A/m] km], nếu CR là hệ số bức xạ áp suất của Mặt Trời [thường giữa 1.2 và 1.5] và A/m là vùng tương quan [m²] với tỷ lệ khối lượng [kg] khô
• 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.

Vệ tinh nhân tạo của Việt Nam

Tháng 4 năm 2008 Việt Nam đã thuê Pháp phóng thành công vệ tinh VINASAT-1 [mua của Mỹ] lên quỹ đạo địa tĩnh, với việc phóng được vệ tinh nhân tạo Việt Nam đã tiết kiệm 10 triệu USD mỗi năm. Việt Nam là nước thứ 93 phóng vệ tinh nhân tạo và là nước thứ sáu tại Đông Nam Á. Theo các nguồn thông tin nước ngoài, tổng trị giá của dự án VINASAT-1 là 250 triệu USD, trong đó bao gồm chi phí mua vệ tinh và phí phóng vệ tinh, xây dựng trạm mặt đất, bảo hiểm... Dự tính vệ tinh hoạt động được từ 15 đến 20 năm và được khoảng 20 công ty phụ trách.

Năm 2007, sau khi được thành lập, Viện Công nghệ Vũ trụ Việt Nam đã tiến hành dự án chế tạo vệ tinh nhỏ pico [10x10x10cm, 1 kg]

Năm 2008, công ty FPT thành lập Phòng nghiên cứu không gian FSpace với mục tiêu thiết kế chế tạo vệ tinh nhỏ vệ tinh nano F-1 [10 x 10 x 20cm, 2 kg].

Ngày 16-5-2012, 5g13p, tên lửa Arian 5 mang theo vệ tinh Vinasat-2 rời bãi phóng Kouru của Guyana, Nam Mỹ. Sau 36 phút bay, lúc 5g49p, vệ tinh Vinasat-2 rời khỏi tên lửa Arian 5, vào quỹ đạo an toàn. Vinasat-2 với nhiệm vụ và thiết kế tương tự như Vinasat-1.

Do đó vệ tinh, tàu vũ trụ khi đi vào không gian thực hiện nhiệm vụ cần có những "áo giáp" chuyên biệt để thích ứng với nhiệt độ khó lường trong vũ trụ.

Một trong những bí quyết giúp vệ tinh giữ nhiệt độ tốt nhất chính là miếng MLI [Multi-layer Insulation]. Đây là một miếng cách nhiệt nhiều tầng có tác dụng ngăn thất thoát nhiệt qua quá trình bức xạ nhiệt.

Về cấu tạo, MLI tạo thành từ rất nhiều tấm phim có tính phản xạ nhiệt tốt làm giảm tối đa quá trình hấp thụ nhiệt lẫn thất thoát nhiệt. Các tấm phim này thường ghép lại với nhau thành những lớp lớn hơn, tuy nhiên yếu tố then chốt phải có khối lượng nhẹ thích hợp cho công việc ngoài không gian.

Nhôm là kim loại giữ nhiệt tốt lại có khối lượng nhẹ nên được ưu tiên sử dụng trong MLI. Màu vàng trên các vệ tinh không phải từ vàng thật mà chính là màu vàng từ nhôm.

Vì sao vệ tinh không rơi khỏi bầu trời?

Trong nửa thế kỷ qua, hơn 2500 vệ tinh đã tiếp bước vệ tinh đầu tiên bay vào không gian. Điều gì giúp chúng lơ lửng ở trên cao? Đó là sự cân bằng tinh tế giữa vận tốc [speed] của vệ tinh và sức hút của lực hấp dẫn [gravity].

Về cơ bản, vệ tinh liên tục rơi. Nhưng nếu di chuyển với vận tốc phù hợp, vệ tinh sẽ rơi với cùng tốc độ mà đường cong Trái đất dịch xa khỏi chúng, nghĩa là thay vì văng ra xa ngoài vũ trụ hay lao xuống Trái đất, chúng vẫn bay trên quỹ đạo hành tinh xanh. 

Vệ tinh cũng cần được điều chỉnh thường xuyên để hoạt động suôn sẻ. Lực hấp dẫn của Trái đất mạnh hơn ở một số nơi và vệ tinh cũng có thể bị Mặt trời, Mặt trăng, thậm chí là sao Mộc hút lại.

Ngoài lực hấp dẫn, vệ tinh bay trên quỹ đạo Trái đất thấp như kính viễn vọng không gian Hubble cũng có thể lệch khỏi quỹ đạo bởi sức kéo của khí quyển.

Vệ tinh còn phải liên tục di chuyển khéo léo để tránh rác vũ trụ và các vật thể khác trên cao.

Vệ tinh nhân tạo của Việt Nam

Tháng 4/2008, Việt Nam đã thuê Pháp phóng thành công vệ tinh Vinasat-1 [mua của Mỹ] lên quỹ đạo địa tĩnh, với việc phóng được vệ tinh nhân tạo Việt Nam đã tiết kiệm 10 triệu USD mỗi năm. Việt Nam là nước thứ 93 phóng vệ tinh nhân tạo và là nước thứ 6 tại Đông Nam Á.

Theo các nguồn thông tin nước ngoài, tổng trị giá của dự án Vinasat-1 là 250 triệu USD, trong đó bao gồm chi phí mua vệ tinh và phí phóng vệ tinh, xây dựng trạm mặt đất, bảo hiểm... Dự tính vệ tinh hoạt động được từ 15 - 20 năm và được khoảng 20 công ty phụ trách.

Vinasat-2 là vệ tinh viễn thông địa tĩnh của Việt Nam. Nó được đưa vào vũ trụ ngày 16/5/ 2012 tại bãi phóng Kourou ở Guyana bằng tên lửa Ariane5 ECA. Vinasat-2 có tổng kinh phí khoảng 260 - 280 triệu USD, được Thủ tướng thông qua và giao cho VNPT làm chủ đầu tư hồi tháng 12/2009.

Vệ tinh nhỏ F-1 được thiết kế và chế tạo bởi Phòng nghiên cứu không gian FSpace, trường Đại học FPT. F-1 vào không gian tháng 7/ 2012 ngoái từ phi thuyền HTV-3 tại Nhật Bản. Vệ tinh của FPT có hình dáng một khối lập phương cạnh 10 cm và nặng 1 kg.

Vệ tinh F-1 do nhóm FSpace bắt tay vào nghiên cứu và chế tạo từ cuối năm 2008, với mục tiêu là phải "sống" trong không gian và phát tín hiệu về trạm điều khiển trái đất, chụp được ảnh độ phân giải thấp [640x480] của trái đất và tốc độ truyền dữ liệu từ vệ tinh đạt 1.200 bit/giây.

VNREDSat-1 là vệ tinh quan sát trái đất đầu tiên của Việt Nam. Vệ tinh có khả năng có khả năng chụp ảnh toàn bộ các khu vực trên bề mặt trái đất. VNREDSat-1 do công ty do Công ty EADS Astrium, Pháp, thiết kế và chế tạo. Vệ tinh được đưa vào quỹ đạo năm 2013. 

8 giờ 55 sáng 18/1/2019, [giờ Hà Nội], vệ tinh MicroDragon của Việt Nam sản xuất đã tách thành công khỏi tên lửa Epsilon số 4 của Nhật Bản ở độ cao 511 km và đi vào quỹ đạo, bắt đầu làm việc trong không gian.

Đây là sản phẩm trong khuôn khổ của Dự án Trung tâm Vũ trụ Việt Nam và được phát triển bởi 36 học viên [là các cán bộ nghiên cứu của Trung tâm Vũ trụ Việt Nam] theo học tại 5 trường Đại học hàng đầu Nhật Bản: Đại học Tokyo, Đại học Keio, Đại học Hokkaido, Đại học Tohoku và Học viện Công nghệ Kyushu, dưới sự đào tạo và hướng dẫn của các giáo sư, chuyên gia trong trường từ 2013 – 2017.

Hiện nay, một vệ tinh khác là NanoDragon [10 kg] cũng đang được Trung tâm Vũ trụ Việt Nam nghiên cứu, phát triển, dự kiến sẽ được phóng lên vụ trụ vào cuối năm 2020.