Featured เจาะลึกวิธีลงจอดของยาน Perseverance บนดาวอังคาร Entry, Descent, Landing
เจาะลึกวิธีลงจอดของยาน Perseverance บนดาวอังคาร Entry, Descent, Landing

Chottiwatt Jittprasong in Exploration

เจาะลึกวิธีลงจอดของยาน Perseverance บนดาวอังคาร Entry, Descent, Landing

August 2, 2020

เมื่อวันที่ 31 กรกฎาคม 2020 จรวด Atlas V พร้อมกับ Perseverance rover ภารกิจ Mars 2020 ได้ทะยานขึ้นจากฐานปล่อยขึ้นสู่วงโคจรเป็นที่เรียบร้อยแล้วและกำลังเดินทางสู่ดาวอังคารโดยกำหนดถึงดาวอังคารในวันที่ 18 กุมภาพันธ์ 2021 และลงจอดที่ Jezero Crater ซึ่งในอดีตนักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ไว้ว่าที่ Jezero Crater นั่นเคยมีน้ำอยู่และอาจเป็นที่ที่เราสามารถค้นหาร่องรอยของสิ่งมีชีวิตในอดีต สามารถอ่านเรื่องราวของ Perseverance rover ได้ที่นี่ สรุปทุกภารกิจของยาน Perseverance การสำรวจครั้งใหญ่ก่อนส่งมนุษย์ไปดาวอังคาร

แต่ก่อนที่จะไปถึงจุดที่เราจะได้เริ่มภารกิจ Mars 2020 บนดาวอังคารนั้น Perseverance rover จะต้องผ่านขั้นตอนสุดท้ายของการเดินทางของมันเรียกว่า EDL หรือ Entry, Descent, Landing ซึ่งเป็นขั้นตอนการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของยานจนไปถึงการลงจอด ซึ่งระหว่างการลงจอด วิศวกรบนโลกจะไม่สามารถควบคุมยานได้เลยแม้แต่น้อยและจะทำได้เพียงเฝ้ามองผ่านไฟลท์จำลองเท่านั้นเพราะสัญญาณที่ส่งจากดาวอังคารถึงโลกจะดีเลย์อย่างมีนัยสำคัญจนทำให้การ Monitor ต่าง ๆ ไม่เป็น Realtime และวิศวกรจะไม่มีทางรู้เลยว่ายานลงจอดหรือยังจนกว่าสัญญาณจะเดินทางมาถึง คล้าย ๆ 7 นาทีแห่งความเป็นความตายของยาน InSight โรเวอร์ Perseverance ก็มี 7 นาทีแห่งความเป็นความตายเช่นกัน ซึ่งในห่วงเวลานี้วิศวกรจะได้แต่ลุ้นกับข้อมูลที่ทยอยส่งมาจากยานว่าสถานะเป็นอย่างไร แต่ในขณะนั้นยานคงลงจอดไม่ก็พังไปแล้วก็เป็นได้ ระบบ EDL จึงสำคัญเป็นอย่างยิ่งในการลงจอดและทุกอย่างจะต้องเป็นอัตโนมัติ ไม่พึ่งคำสั่งจากโลกและจะต้องดักทุกเคสที่อาจจะเกิดขึ้นได้เพื่อป้องกันความเสียหายทุกรูปแบบนั่นเอง

Jezero Crater จุดลงจอดของ Mars Perseverance

Jezero Crater เป็นหลุมอุกกาบาตเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 49 กิโลเมตร อยู่ที่ขอบของ Isidis Basin มีพื้นผิวที่มีลักษณะเป็นดินเหนียว ในปี 2007 นักดาราศาสตร์พบพื้นที่ที่มีลักษณะเป็นร่องน้ำจึงตั้งชื่อหลุมอุกกาบาตนี้ว่า Jezero ซึ่งแปลว่าทะเลสาบ

Jezero crater ณ ขอบ Isidis Basin – ที่มา NASA/JPL/USGS

Mars Reconnaissance Orbiter หรือ MRO ที่โคจรอยู่ในวงโคจรดาวอังคารตรวจพบดินที่มีลักษณะเหมือนดินเหนียวในพื้นที่ของ Jezero Crater บ่งบอกว่าพื้นที่ตรงนี้อาจเคยมีน้ำในอดีตและจากการตรวจสอบลวดลายของดินพบว่ามีลักษณะเป็นแบบ Polygonal ซึ่งปกติแล้วดินลักษณะ Polygonal จะเกิดจากดินเหนียวที่แห้งทำให้เกิดเป็นรูปร่างแตกแบบ Polygonal

ภาพของ Jezero Crater – ที่มา NASA/Tim Goudge

จากภาพข้างบนจะสังเกตได้ว่ามีร่องลึกที่มีลักษณะเหมือนคลองหรือแม่น้ำมาบรรจบกับหลุมทั้งฝั่งซ้ายและฝั่งขวาจึงทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า Jezero Crater อาจจะเคยเป็นทะเลสาบก็เป็นได้ นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังค้นพบว่าบริเวณปากของคลองใน Jezero Crater เป็นลักษณะแบบ Delta-like deposit ซึ่งก็คือมีชั้นของตะกอนกองอยู่ตรงปากคลอง (สามารถสังเกตได้จากรูปว่าตรงปากคลองมันจะนูน ๆ กว่าปกติ) ซึ่งส่วนใหญ่แล้วการเกิด Delta-like deposit นั้นจะเกิดจากการที่คลองพัดพวกเศษตะกอนออกมากองเหมือนบนโลกจึงสนับสนุนสมมติฐานที่ว่าดาวอังคารเคยมีน้ำ

ภาพจำลองของ Jezero Crater เมื่อพันล้านปีที่แล้วซึ่งอาจเคยมีน้ำมาก่อน – ที่มา NASA/JPL-Caltech

ในเดือน พฤศจิกายน 2018 Jezero Crater ถูกเลือกให้เป็นจุดลงจอดของภารกิจ Mars 2020 ซึ่งมีเป้าหมายคือค้นหาร่องรอยของสิ่งมีชีวิตเพราะว่าในเมื่อ Jezero Crater อาจเคยมีน้ำ ฉะนั้นมันก็ต้องมีร่องรอยของสิ่งมีชีวิตทิ้งไว้บ้างถ้าหากเคยมีสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในน้ำบนดาวอังคารในอดีต โดยตำแหน่งที่ถูกกำหนดไว้คือบริเวณ Sediment layer หรือชั้นของตะกอนซึ่งมีความเป็นไปได้สูงว่าเราจะพบอะไรสักอย่างแน่ ๆ

Landing Ellipse/Zone ของ Mars Perseverance – ที่มา NASA/JPL-Caltech

เทคโนโลยีลงจอดบนดาวอังคาร

ในอดีตการลงจอดโรเวอร์บนดาวอังคารเราอาศัยบอลลูนในการรับแรงกระแทกระหว่างลงจอดด้วยการปลดตัวโรเวอร์ออกจาก Descent stage เมื่อใกล้ถึงพื้นจากนั้นจึงปล่อยให้บอลลูนที่หุ้มโรเวอร์อยู่เด้งไปตามแรงกระแทกจนหยุดจากนั้นจึงค่อยปล่อยลมบอลลูนออกและปล่อยตัวโรเวอร์ออกมา ในยุคของ Curiosity ที่นับได้ว่าเหมือนเป็นพี่ของ Perseverance การลงจอดอาศัยสิ่งที่เรียกว่า Sky Crane ในการช่วยลงจอดโดยตัว Sky Crane จะเป็นเหมือน Crane บินได้ด้วยเครื่องยนต์จรวด 8 เครื่อง ซึ่งใช้สำหรับหย่อนโรเวอร์ลงพื้นแบบนุ่ม ๆ ที่ความเร็ว 2.7 กิโลเมตรต่อชั่วโมง จากนั้นจึงปลดสาย Cable ออกแล้วแยกตัวออกจากโรเวอร์เพื่อบินออกจากพื้นที่

Sky Crane กับ Curiosity – ที่มา NASA
EDL ของ Curiosity – ที่มา NASA/JPL

Mars Perseverance ก็จะใช้ Sky Crane เหมือน Curiosity เช่นกันและทุกระบบลงจอดจะเหมือน Curiosity หมดเพียงแต่ Mars Perseverance มีระบบที่ใหม่กว่า 4 ระบบ คือ Range Trigger, Terrain-Relative Navigation, MEDLI2, และระบบกล้องและไมโครโฟน

Range Trigger

สิ่งที่ยากไม่แพ้การ EDL ก็คือการลงให้ตรงจุดที่กำหนดไว้ ซึ่งโรเวอร์คันก่อนหน้านี้หลาย ๆ คันพลาดจุดลงจอดที่กำหนดไว้แต่ก็ยังลงใน Landing Zone ที่กำหนดไว้ซึ่งนั่นทำให้โรเวอร์ต้องใช้เวลาเป็นเวลาหลายอาทิตย์หรืออาจหลายเดือนเพื่อเดินทางไปที่จุดที่กำหนดไว้ ระบบ Range Trigger เป็นระบบที่จะช่วยลดขนาดของ Landing Ellipse/Zone ให้แม่นยำขึ้นเพื่อลดโอกาสที่โรเวอร์จะลงจอดในจุดที่คลาดเคลื่อนเกินไป

Range Trigger เป็นระบบที่จะทำหน้าที่ปล่อยร่มชะลอความเร็วของ Descent stage โรเวอร์อันก่อน ๆ ที่เราเคยส่งไปจะปล่อยร่มชะลอความเร็วเมื่อถึงความเร็วและความสูงที่กำหนดเท่านั้นถึงค่อยปล่อยร่มเป็นระบบแบบ Static แต่ Range Trigger จะทำหน้าที่คำนวณเวลาที่จะปล่อยร่มชูชีพแบบ Dynamic อ้างอิงตามตำแหน่งปัจจุบันของโรเวอร์เพื่อให้โรเวอร์ลงจอดในที่ที่กำหนดไว้ ข้อเสียของระบบ Static คือ ถ้าเกิดว่ามีกระแสลมหรือพายุที่พัดโรเวอร์ออกจากพื้นที่ที่กำหนดไว้ มันจะไม่มีทางแก้เส้นทางได้ ระบบ Range Trigger ลบข้อจำกัดข้อนี้ ซึ่งจะทำให้โรเวอร์ลงจอดในตำแหน่งที่แม่นยำขึ้น อย่างน้อยไม่ลงตรงที่กำหนดไว้เป๊ะ ๆ ก็ใกล้เคียง เพื่อช่วยลดเวลาที่โรเวอร์จะเดินทางไปจุดที่กำหนดเพื่อทำการสำรวจซึ่งอาจเสียเวลาเป็นเดือน

ระบบ Range Trigger หากเอามาใช้ใน Curiosity Rover – ที่มา NASA

อีกประโยชน์ของระบบ Range Trigger คือ ภารกิจ Mars 2020 ถูกวางแผนไว้ว่าอาจมีการเก็บตัวอย่างบนดาวอังคารเพื่อส่งกลับโลกด้วย ซึ่งหากจะส่งกลับโลกจริง ๆ หมายความว่ายานที่มารับตัวอย่างกลับโลกก็จะต้องลงจอดให้ตรงกับโรเวอร์ ระบบ Range Trigger จะช่วยเพิ่มความแม่นยำในการลงจอดนั่นเอง

Terrain-Relative Navigation

Terrain Relative Navigation คือ ระบบที่ใช้ยานสำรวจจากวงโคจรดาวอังคารให้เป็นประโยชน์ด้วยการแมพพื้นที่ลงจอดทั้งเนินเขาซอกเขาหรือโขดหินอะไรก็ตามแต่ที่อาจเป็นอันตรายระหว่างการลงจอด จากนั้นยานสำรวจจะส่งแผนที่ที่ว่านี้ให้กับโรเวอร์เก็บไว้ในหน่วยความจำเพื่อให้ Descent stage นำข้อมูลไปเปรียบเทียบกับภาพที่ถ่ายได้ระหว่างการลดระดับ เพื่อหาว่าโรเวอร์กำลังพุ่งไปหาอะไร และมีอะไรอันตรายในพื้นที่ลงจอดหรือไม่ หากมีวัตถุอันตรายอยู่ในเส้นทาง Descent stage จะเปลี่ยนเส้นทางเพื่อหาจุดลงจอดที่ปลอดภัย

ระบบ EDL ของ Mars 2020 – ที่มา NASA

ระบบ Terrain-Relative Navigation ยังช่วยบอกด้วยว่าโรเวอร์อยู่ตรงไหนเหนือดาวอังคารเพราะบนดาวอังคารเราไม่มีระบบ GNSS อย่าง GPS บอกว่าเราอยู่ที่ไหน การติดตามตำแหน่งจึงอาศัย Visual Navigation ผ่านการเปรียบเทียบภาพที่ถ่ายได้กับแผนที่จากยานสำรวจเหนือดาวอังคาร

ระบบสมัยก่อนใช้แค่ข้อมูลสัญญาณวิทยุจาก Deep Space Network เพื่อระบุตำแหน่งคร่าว ๆ ของยานก่อนที่จะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศซึ่งมีความคลาดเคลื่อนได้ถึง 3 กิโลเมตร แต่หากใช้ระบบ Terrain-Relative Navigation ร่วมกับระบบ Range Trigger จะสามารถคาดการณ์ตำแหน่งของโรเวอร์ระหว่างเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้แม่นยำขึ้น และข้อมูลตำแหน่งก็จะถูกส่งไปให้ระบบ Range Trigger เพื่อประเมินเวลาที่จะปล่อยร่มชะลอความเร็วเพื่อลงให้ตรงเป้าหมาย ซึ่งจะช่วยลดความคลาดเคลื่อนได้เหลือเพียงแค่ 60 เมตรเท่านั้น

MEDLI2

ระบบ MEDLI2 หรือ MSL Entry, Descent, and Landing Instrumentation 2 เป็นชุดเซนเซอร์สำหรับการ EDL โดยเฉพาะ ถูกออกแบบมาให้เก็บข้อมูลอุณหภูมิและความดันบน Heatshield ระหว่างการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ โดย MEDLI2 จริง ๆ แล้วมีต้นแบบมาจาก MEDLI บนยาน Curiosity (MSL) แต่ MEDLI2 อัพเกรดขึ้นมาหน่อยคือสามารถเก็บข้อมูลจาก Backshell และ Heatshield ได้พร้อม ๆ กัน ในขณะที่ MEDLI ถูกออกแบบมาให้เก็บข้อมูลจาก Heatshield ได้เท่านั้น

MEDLI2 จะถูกติดตั้งไว้ที่ Backshell และ Heatshield ของ Descent Stage – ที่มา NASA

ข้อมูลจาก MEDLI2 จะช่วยให้วิศวกรสามารถวิเคราะห์ข้อมูลและพัฒนาระบบลงจอด EDL ให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งเป็นช่วงที่สำคัญที่สุดในภารกิจสำรวจดาวอังคาร

EDL Cameras and Microphone

Perseverance rover จะมีกล้องที่ช่วยให้วิศวกรได้เห็นตอนที่โรเวอร์กำลังเข้าสู่ชั้นบรรยากาศซึ่งจะช่วยให้เรารู้ว่าเกิดอะไรขึ้นระหว่างนั้นซึ่งเป็นช่วงที่เสี่ยงที่สุดในภารกิจนั่นเอง และไมโครโฟนก็จะช่วยให้โรเวอร์สามารถอัดเสียงตอนเข้าสู่ชั้นบรรยากาศรวมถึงตอนจุดจรวดขับดันด้วย

สุดท้ายนี้คือเราจะมีวิดีโอการลงจอดของ Perseverance rover ให้ได้ดูเต็ม ๆ ซึ่งไม่เคยมีวิดีโอการลงจอดของโรเวอร์แบบชัดเจนทั้งภาพและเสียงมาก่อน Mars 2020 จะเป็นภารกิจแรกที่มีการบันทึกวิดีโอ ไม่ใช่แค่ถ่ายภาพแล้วนำมาต่อกัน เพื่อนำวิดีโอนั้นมาปรับปรุงระบบลงจอดของยานในอนาคตต่อไป

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Entry, Descent, and Landing Technologies

Entry, Descent, and Landing

Mars Curiosity Rover EDL





MORE