ดวเทียมและยานอวกาศ

ดาวเทียมและยานอวกาศ

 
ยานอวกาศแคสสินิ (Cassini)


          การที่มนุษย์จะเดินทางจากโลกไปยังดาวดวงอื่นๆ หรือมีความอยากรู้อยากเห็นว่าโลกของเราเป็นอย่างไรเมื่อออกไปมองจากอวกาศ   ในขณะที่ความรู้พื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่มีอยู่คือ แรงโน้มถ่วงของโลกพยายามดึงดูดมวลทุกอย่างเข้าสู่โลก   ดังนั้นการจะเดินทางออกจากโลกจึงต้องตอบคำถามต่างๆ ที่ท้าทายต่อไปนี้

ตารางแสดงความเร็วในวงโคจรที่เป็นวงกลม (Circular velocity)
 

ความสูงจากผิวโลก
(กิโลเมตร)
ความเร็ววงโคจร
(กิโลเมตร/วินาที)
คาบของการโคจร
0 7.91 1 ชั่วโมง 24.3 วินาที
161 7.80 1 ชั่วโมง 27.7 วินาที
322 7.70 1 ชั่วโมง 30.8 วินาที
644 7.53 1 ชั่วโมง 37.5 วินาที
1609 7.06 1 ชั่วโมง 57.7 วินาที
8045 5.86 4 ชั่วโมง 46.6 วินาที
35880 3.07 24 ชั่วโมง


-   เราจะใช้ยานพาหนะอะไร   จึงจะเกิดทางไปได้   จะออกแบบยานอย่างไร   ต้องใช้พลังงานจากแหล่งใดเป็นเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ในพาหนะ
-   ทำอย่างไรยานพาหนะจะเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลกได้
-   ถ้ามนุษย์ออกไปในอวกาศ   จะเกิดอะไรขึ้นกับร่างกาย   ต้องเตรียมตัวอย่างไร

ตารางแสดงความเร็วที่จะขึ้นไปในวงโคจร (Characteristic veloeity)

ความสูงจากผิวโลก
(กิโลเมตร)
ความเร็วจากผิวโลกที่จะขึ้นถึงวงโคจร
(กิโลเมตร/วินาที)
0 7.91
161 8.00
322 8.10
644 8.26
1609 8.66
8045 9.85
35880 10.8


\infty


11.2


          จากการศึกษาเกี่ยวกับอวกาศต้องอาศัยความรู้จากนักวิทยาศาสตร์ นักคณิตศาสตร์ และความรู้อื่นๆ อีกมากมาย
          การส่งดาวเทียมและยานอวกาศจากพื้นโลกขึ้นสู่อวกาศ  ต้องต่อสู้กับแรงดึงดูดของโลก  ยานอวกาศต้องเอาชนะแรงดึงดูดนี้โดยอาศัยจรวดที่มีแรงขับดันและความเร็วสูง   ความเร็วของจรวดต้องมากกว่า 7.91 กิโลเมตรต่อวินาที   ยานอวกาศจึงจะสามารถขึ้นไปสู่อวกาศและโคจรชอบโลกในระดับต่ำที่สุด (0 กิโลเมตร) ได้   ถ้าความเร็วมากกว่านี้   ยานจะขึ้นไปโคจรอยู่ในระดับที่สูงกว่า เช่น ถ้าความเร็วจรวดเป็น 8.26 กิโลเมตรต่อวินาที   ยานจะขึ้นไปได้สูง 644 กิโลเมตร   หากจะใช้ยานหนีออกไปโคจรรอบดวงอาทิตย์   จรวดที่พายานออกไปต้องมีความเร็วที่ผิวโลกมากกว่า 11.2 กิโลกเมตรต่อวินาที  ซึ่งเรีกยว่าความเร็วหลุดพ้น (escape   velocity) ความเร็วหลุดพ้นจากโลกจะลดต่ำลงเมื่อห่างจากโลกมากขึ้น ดังตาราง 7.1

ตาราง 7.1 ความสูงจากผิวโลกและความเร็วหลุดพ้น
 

ความสูงจากผิวโลก
(กิโลเมตร)
ความเร็วหลุดพ้น
(กิโลเมตร/วินาที)
0 11.2
161 11.0
322 10.9
644 10.6
1609 10.0
8045 7.4
35880 7.3


- เหตุใดจรวดในวงโคจรใกล้ๆ ผิวโลกจึงต้องใช้ความเร็วหลุดพ้นมากกว่าเมื่ออยู่ไกลๆ


          บันทึกของชาวจีนที่ต่อสู้กับชาวมองโกล ในปี พ.ศ. 1775 กล่าวถึงการใช้ประโยชน์จากจรวดไว้ว่า “ใช้จรวดขับดันลูกธนูพุ่งเข้าหาฝ่ายตรงข้าม” บั้งไฟของไทยก็มีหลักการเดียวกับจรวดคือแรงกิริยาจากไอเสียกระทำต้อบั้งไฟให้พุ่งออกไปข้างหน้าเท่ากับแรงปฏิกิริยาจากบั้งไฟกระทำกับไอเสียให้พุ่งออกไปข้างหลัง   ดังภาพ 7.3 แต่ความเร็วยังไม่สูงพอที่จะเคลื่อนที่ออกไปโคจรรอบโลกได้
 


ภาพ 7.3 บั้งไฟไทย
 

 
ไชออลคอฟสกี  (Tsiolkovski)  (พ.ศ. 2400-2478)


- เชื้อเพลิงที่ใช้ในการส่งยานอวกาศเป็นเชื้อเพลิงประเภทใด
          ในปี พ.ศ. 2446 ไชออลคอฟสกี (Tsiolkovaki) ชาวรัสเซีย  ค้นคว้าเกี่ยวกับเชื้อเพลิงสำหรับใช้ในเครื่องยนต์จรวด   เสนอว่าการใช้เชื้อเพลิงแข็งอย่างเดียวจะไม่มีแรงขับดันสูงพอที่จะนำยานอวกาศพ้นจากพื้นโลกขึ้นสู่อวกาศได้   ควรใช้เชื้อเพลิงเหลว   ซึ่งแยกเชื้อเพลิงและสารที่ช่วยในการเผาไหม้ออกจากกันการนำจรวดมาต่อเป็นชั้นๆ   จะช่วยลดมวลของจรวดลงเพราะว่าจรวดชั้นแรกใช้เชื้อเพลิงหมดก็ปลดทิ้งไป   และให้จรวดชั้นต่อไปทำหน้าที่ต่อ   จนถึงจรวดชั้นสุดท้ายที่ติดกับดาวเทียมหรือยานอวกาศ   จะมีความเร็วสุดท้ายพอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดของโลกขึ้นสู่อวกาศได้
          หลักการส่งยานอวกาศของไวออลคอฟสกีถือเป็นหลักการสำคัญในการเดินทางสู่อวกาศ
          ในปี พ.ศ. 2469 โรเบิร์ต กอดดาร์ด (Robert Goddard) ชาวอเมริกัน   ประสบความสำเร็จในการสร้างจรวดเชื้อเพลิงเหลว   โดยใช้ออกซิเจนเหลวเป้นสารที่ช่วยในการเผาไหม้อยู่ในถังหนึ่ง   และไฮโดรเจนเหลวเป็นเชื้อเพลิงอยู่ในอีกถังหนึ่ง
          ได้มีการพัฒนาจรวดเชื้อเพลิงเหลวมาเป็นลำดับ   กระทั่งสหภาพโซเวียตประสบความสำเร็จในการใช้จรวดสามท่อนสำหรับส่งยานอวกาศ   หรือดาวเทียมที่มีน้ำหนักมากขึ้นสู่อวกาศ   เนื่องจากการแข่งขันกันระหว่างประเทศมหาอำนาจ

ระบบการขนส่งอวกาศ
          การส่งดาวเทียมและยานอวกาศแต่ละครั้งทั้งดาวเทียมและจรวดนำส่ง  ไม่มีส่วนใดนำกลับมาใช้ได้ใหม่   ทำให้สิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายในการสำรวจอวกาศสูงมาก
          คำถามสำคัญที่นักวิทยาศาสตร์ต้องศึกษาค้นคว้าต่อไปคือ   ทำอย่างไรการส่งดาวเทียมและยานอวกาศขึ้นสู่อวกาศจึงจะประหยัดและมีประสิทธิภาพมา
          ระบบการขนส่งอวกาศ  ถูกพัฒนาและออกแบบให้สามารถนำชิ้นส่วนบางอย่างที่ใช้แล้วกลับมากใช้ใหม่ให้มากที่สุด   ระบบขนส่งอวกาศประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก คือ จรวดเชื้อเพลิงแข็ง ถังเชื้อเพลิงภายนอก  และยานขนส่งอวกาศ ดังภาพ 7.4 มวลรวมเมื่อขึ้นจากฐานประมาณ 2,041,200 กิโลกรัม   มวลเมื่อยานร่อนลงจอดประมาณ 96,163 กิโลกรัม   ขั้นตอนการปฏิบัติงานของยานขนส่งอวกาศศึกษาได้จากแผน ภาพ 7.5


 

ภาพ 7.4 ยานขนส่งอวกาศ
 


ภาพ 7.5 ขั้นตอนการปฏิบัติงานของยานขนส่งอวกาศ


          สภาพของโลกกับในอวกาศแตกต่างกันอย่างมากมาย   มนุษย์ออกจากโลกสู่อวกาศจะดำรงชีวิตอยู่ได้อย่างไร   สภาพในอวกาศจะมีผลอย่างไรต่อร่างกายมนุษย์   นักเรียนคงมีคำถาทมากมายเกี่ยวกับชีวิตในอวกาศ
          ไม่มีใครรู้หรือบอกได้ว่าจะเกิดอะไรหรือไม่   เมื่ออยู้ในอวกาศ ดังนั้นเพื่อความมั่นใจ จึงมีการทดลองการฝึกสัตว์หลายชนิด เช่น สุนัข กระต่าย และลิง เป็นต้น   เพื่อส่งขึ้นไปอยู่ในอวกาศ   ขณะเดียวกันมนุษย์ที่ถูกคัดเลือกให้เดินทางขึ้นสู่อวกาศก้ต้องมีการฝึกความอดทนและทดสอบร่างกายให้มีความแข็งแรง แข็งแกร่งมากที่สุด   เพื่อให้สามารถอยู่ในอวกาศในสภาพไร้น้ำหนักได้   เมื่อมนุษย์ต้องไปอยู่ในอวกาศเป็นเวลานาน   ร่างกายมีการเปลี่ยนแปลงหลายอย่าง เช่น หัวใจทำงานช้าลง กล้ามเนื้อทุกส่วนจะมีขนาดเล็กลง กระดูกจะมีความหนาแน่นน้อยลง   กระดูกจึงเปราะและแตกหักง่าย   นักเรียนคิดว่า เป็นเพราะเหตุใด
          วิธีการแก้ปัญหาต่างๆ ที่เกิดขึ้นกับร่างกายมนุษย์อวกาศเมื่อไปอยู่ในอวกาศเป็นเวลานาน ก็คือ การออกกำลังกายอย่างหนักและสม่ำเสมอ เพื่อให้อวัยวะต่างๆ ของร่างกายยังคงใช้งานอย่างเป็นปกติ
 


กิจกรรมต่างๆ ของนักบินอวกาศ
 


นักบินในชุดอวกาศ ที่ปรับอุณหภูมิให้พอเหมาะและป้องกันไม่ให้รังสีผ่าน