Gravity assists แรงโน้มถ่วงจากดาวเคราะห์ที่ช่วยเติมพลังให้ยานวอยเอจเจอร์เดินทางออกนอกระบบสุริยะ 😉👍
ด้วยแรงโน้มถ่วงจากดาวพฤหัสทำให้ยานวอยเอจเจอร์เดินทางสู่ดาวเสาร์ได้เร็วขึ้น
กลวิธีที่มนุษย์เราใช้ในการส่งยานสำรวจออกไปยังดาวเคราะห์อันห่างกันหรือแม้แต่อวกาศส่วนลึกได้ เขาทำได้ยังไง เดี๋ยวเรามาดูกัน
ย้อนกลับไปช่วงทศวรรษที่ 60 ยุคแห่งการแข่งขันด้านอวกาศ มนุษยชาติกระหายใคร่รู้ถึงสิ่งต่าง ๆ ที่อยู่ห่างออกไปจากดวงจันทร์ของเรา
จึงเป็นที่มาของ Grand Tour program โครงการส่งยานสำรวจ 2 กลุ่ม 4 ลำออกไปสำรวจดาวเคราะห์ชั้นนอกของระบบสุริยะจักรวาล
เป้าหมายของโครงการคือดาวพฤหัส ดาวเสาร์ ยูเรนัสและเนปจูน
แต่เมื่อคำนวนงบประมาณสำหรับโครงการออกมาที่ 1,000 ล้านดอลล่า ซึ่งเป็นตัวเลขมหาศาลในตอนนั้น (ไหนจะต้องทุ่มเทงบประมาณให้กับโครงการอะพอลโลอีก)
โครงการจึงถูกยกเลิกและแทนที่ด้วย Mariner Jupiter-Saturn ก่อนจะเปลี่ยนชื่อเป็น Voyager program ในปีที่ยานวอยเอจเจอร์ถูกส่งขึ้นสู่อวกาศ
ทีมงานต้องต่อสู้อย่างหนักกว่าจะได้รับการอนุมัติ Voyager program ด้วยงบประมาณ 360 ล้านเหรียญ ปรับลดจำนวนยานสำรวจเหลือ 2 ลำ
Voyager program โครงการสำรวจอวกาศที่ทรงคุณค่ามากที่สุดโครงการหนึ่งในประวัติศาสตร์
ยานวอยเอจเจอร์ทั้งสองลำถูกออกแบบให้ทำภารกิจในการสำรวจดาวเคราะห์ทั้ง 4 ดวงได้ในคราวเดียว แต่ต้องโฆษณาแค่ว่าเป็นการไปสำรวจแค่ดาวพฤหัสกับดาวเสาร์เพื่อการขออนุมัติโครงการ
Gary Flandro แห่ง Jet Propulsion Laboratory (JPL)
โดยหนึ่งในปัจจัยความสำเร็จนี้ต้องยกเครดิตให้นาย Gary Flandro แห่ง Jet Propulsion Laboratory (JPL) ซึ่งนำเสนอข้อมูลในปี 1964 ว่าในปี 1977 ตำแหน่งและการโคจรของดาวเคราะห์ทั้ง 4 นี้จะอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะแก่การใช้เทคนิคการบินโดยใช้แรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ช่วยในการเดินทางแบบม้วนเดียวจบ
แนวการบินของยานวอยเอจเจอร์ทั้งสองลำ
ซึ่งถ้าหากพลาดโอกาสนี้เราจะต้องรอไปอีก 175 ปีถึงจะเจอการเรียงตัวสวยงามแบบนี้อีก
มาถึงวันนี้ Voyager program ได้พิสูจน์ให้เห็นแล้วว่าคุ้มค่าแค่ไหนที่เราไม่ทิ้งโอกาสนี้ไป ข้อมูลที่เรามีเกี่ยวกับดาวยูเรนัสและเนปจูนก็ได้มาจากยานวอยเอจเจอร์ 2 เพียงลำเดียวเท่านั้น
** Gravity assists คืออะไรทำได้อย่างไร? **
มาทำความเข้าใจแรงโน้มถ่วงกันก่อนครับ ถ้าเรายิงปืนออกไปขนานกับผิวโลกซักพักกระสุนก็จะร่วงลงพื้น
ตอนพุ่งออกจากปากกระบอกปืนกระสุนจะวิ่งเป็นเส้นตรงออกไปแต่แรงโน้มถ่วงโลกก็จะดึงมันตกลงพื้นแต่ถ้ากระสุนเร็วมาก ๆ มันจะวิ่งขนานกับผิวโลกจนวกกลับมาหาเราได้
แต่ในความจริงยนโลกจะมีแรงต้านอากาศทำให้กระสุนช้าลงเรื่อย ๆ และตกลงสู่พื้นในที่สุด
กับดาวเทียมที่อยู่สูงมาก ๆ แรงต้านอากาศแทบไม่มีพวกมันจึงยังโคจรอยู่ได้ แต่ซักพักมันก็จะตกสู่โลกและช้าลงเรื่อย ๆ ด้วยแรงต้านอากาศเมื่อเข้าสู่บรรยากาศและลุกไหม้ในที่สุด
ดังนั้นดาวเทียมจึงต้องมีการเร่งความเร็วเพื่อรักษาวงโคจรอยู่เรื่อย ๆ
และถ้ายานสำรวจเร็วมากขึ้นไปอีกก็จะสามารถบินหลุดออกจากแรงโน้มถ่วงโลกได้
รอจังหวะเหมาะแล้วออกไป
หนึ่งในวิธีที่เราจะเดินทางไปยังดาวอังคารแบบประหยัดเชื้อเพลิง ก็คือรอจังหวะที่โลกกับดาวอังคารทำมุมกันพอดีแล้วเราก็เริ่มเดินทางจนไปถึงดาวอังคารได้ในตำแหน่งที่คาดการณ์ไว้ แต่วิธีนี้จะใช้เวลาเดินทางนาน
แล้วเราก็จะมาถึงเป้าหมายแบบประหยัดเชื้อเพลิง
และถ้าหากเราบินเข้าใกล้ดาวเคราะห์ เราจะสามารถใช้แรงโน้มถ่วงของดาวนั้นเพื่อเปลี่ยนเส้นทางการบิน เพิ่มความเร็ว และลดความเร็วของยานได้
ถ้าหากมุมที่ยานวิ่งเข้าหาดาวจากด้านหลังแนวการเคลื่อนที่ของดาวนั้นก็จะถูกแรงโน้มถ่วงดึงให้ตัวยานวิ่งเข้าหาดาว ทำให้มีความเร็วเพิ่มขึ้นและแนวการบินก็จะเลี้ยวตามแรงดึงดูดของดาว
ดูตัวอย่างเส้นทางการบินของยานวอยเอจเจอร์ทั้ง 2 ลำได้จากวีดีโอด้านล่าง
ซึ่งถ้าหากแนวการเคลื่อนที่ของยานเข้าด้านหน้าของแนวการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ก็จะทำให้ถูกดึงกลับและยานก็จะบินช้าลง
การเคลื่อนที่ของยานเข้าใกล้ดาวส่งผลต่อแนวการเคลื่อนที่และความเร็วของยาน
และดาวยิ่งมีมวลมากแรงโน้มถ่วงเยอะก็จะยิ่งเร่งหรือชะลอความเร็วยานได้มาก
แต่ทั้งนี้การได้ความเร็วเพิ่มมานี้ไม่ได้มาฟรี ๆ นะครับ ตามกฎการอนุรักษ์พลังงานยานวอยเอจเจอร์ได้ความเร็วเพิ่ม แต่ดาวพฤหัสจะโคจรรอบดวงอาทิตย์ช้าลง!!
ยานวอยเอจเจอร์ทำให้ดาวพฤหัสโคจรช้าลง
ช้าลงขนาดไหน?
ก็โคจรช้าลง 1 ฟุตในระยะเวลา 1 ล้านล้านปีครับ
คงไม่ต้องเป็นห่วงพี่เบิ้มของเราละนะ 😁
** แล้วถ้าไม่ใช้วิธีนี้ยานวอยเอจเจอร์จะออกไปพ้นเขตอิทธิพลของดวงอาทิตย์ได้ไหม? **
คำตอบคือไม่ได้ครับ ยกเว้นว่าจะลงทุนติดจรวดพร้อมเชื้อเพลิงให้กับยานวอยเอจเจอร์เพียงพอที่จะทำความเร็วมากกว่าความเร็วหลุดพ้นออกจากระบบสุริยะ แต่นั่นก็คืนต้นทุนมหาศาลในการทำแบบนั้น เรียกว่าทำไม่ได้เลยดีกว่า
เส้นสีส้มคือความเร็วหลุดพ้นจากระบบสุริยะ หรือความเร็วที่จะหนีออกจากสนามแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ได้ ยิ่งอยู่ใกล้ต้องวิ่งออกด้วยความเร็วต้นสูงมาก ๆ
จากแผนภาพความเร็วของยานวอยเอจเจอร์ 2 แม้ตอนออกจากโลกจะมีความเร็วสูงแต่ก็ลดลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ ยานโดนแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ดูดกลับทำให้ช้าลง
แต่พอมาถึงดาวพฤหัสก็ได้แรงเหวี่ยงจากพี่ใหญ่ช่วยให้ไปต่อถึงดาวเสาร์และก็ถูกเหวี่ยงต่อไปยูเรนัสและเนปจูนก่อนออกไปสุดขอบของระบบสุริยะ
ยานวอยเอจเจอร์ 1 เร็วกว่าเนื่องจากเข้าใกล้ดาวพฤหัสขณะทำ Gravity assists มากกว่าทำให้ได้ความเร็วเพิ่มเยอะกว่า
ซึ่งปัจจุบันยานวอยเอจเจอร์ทั้งสองเราจะมีความเร็วลดลงเรื่อย ๆ แต่ก็ยังมากกว่าความเร็วหลุดพ้นอยู่ดี
ทั้งนี้เนื่องจากอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์นั้นกว้างไกลถึง 2.5 ปีแสง!!!
** เทคนิคนี้มีใช้กับยานสำรวจอื่น ๆ บ้างไหม? **
ตัวอย่างยานสำรวจที่ใช้ Gravity assists ช่วยในการเดินทาง
มีเยอะครับ ไม่งั้นไม่ไหวกับการเดินทางระหว่างดาว ตัวอย่างหนึ่งที่ใช้ Gravity assists จากโลกเราเองก็คือยาน Juno ที่ถูกส่งไปสำรวจดาวพฤหัส เมื่อปี 2011 แต่กว่าจะเดินทางถึงก็ปี 2016
ยาน Juno
เนื่องจากต้องไปเจอกับสภาพรังสีรุนแรงในบริเวณสนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสยาน Juno จึงต้องติดตั้งเกราะไทเทเนียมเพื่อป้องกันอุปกรณ์ที่อยู่ด้านในยาน ทำให้ตัวยานนั้นหนักมาก
เกราะกันรังสีทำจากไทเทเนียม เพราะแม้จะเลือกเส้นทางเลี่ยงพื้นที่เสี่ยงแต่ก็ยังต้องเผชิญกับสภาพที่เป็นภัยต่ออุปกรณ์อิเล็คโทรนิค
ซึ่งทำให้ต่อให้ใช้จรวดยักษ์ก็ไม่สามารถทำความเร็วให้ยาน Juno เดินทางไปถึงดาวพฤหัสได้ในคราวเดียว
เส้นทางโคจรของ Juno ต้องวนมาเติมพลังจากโลกก่อนจึงจะไปถึงดาวพฤหัสได้
ดังนั้นหลังจากปล่อยขึ้นสู่อวกาศบินวนไปยังแถบดาวเคราะห์น้อยแล้วก็วกกลับมาโลกด้วยแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ผ่านโลกและก็ถูกเหวี่ยงกลับออกไปด้วยความเร็วที่มากขึ้นจากแรงโน้มถ่วงโลก ในที่สุดก็ไปถึงดาวพฤหัสได้ในปี 2016
ทำให้เราได้เห็นภาพที่งดงามของดาวพฤหัสอย่างที่เราไม่เคยเห็นมาก่อน
งดงามจนน่าตะลึง
รวมถึงความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับพี่ใหญ่ของระบบสุริยะดวงนี้
Juno ทำให้เรารู้จักดาวพฤหัสเยอะขึ้นมาก
ทิ้งท้าย เทคนิค Gravity assists นี้มีพื้นฐานมาจากความรู้เรื่องวิถีโคจรของดวงดาวตั้งแต่ยุคบรรพกาล ใช้ฐานข้อมูลการโคจรของดวงดาวตั้งแต่ยุคบาบิโลเนียก่อนคริสตกาลเสียอีก
โยฮันเนส เคปเลอร์ (Johannes Kepler) นักดาราศาสตร์ และนักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน
ตามมาด้วยกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์โดย โยฮันเนส เคปเลอร์ รวมถึงกฎการเคลื่อนที่ของเซอร์ไอแซคนิวตัน จนมาเป็น Gravity assists
นี่แหละครับผลของการส่งต่อองค์ความรู้จากรุ่นสู่รุ่น ความรู้ใหม่ ๆ ที่ประกอบและได้มากจากฐานความรู้ของบรรพชน 😉
Source:
เครดิตภาพ: NASA. Wikipedia และ Cap จากวีดีโอในยูทูป Link ในโพส
- 6
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
