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

Chottiwatt Jittprasong

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







เรื่องราวน่าสนใจ

อัพเดทเรื่องราว ข่าว และบทวิเคราะห์เจาะลึก