เวลาที่ NASA พูดถึง Ingenuity เฮลิคอปเตอร์ลำแรกที่เดินทางไปบินบนดาวอังคารกับภารกิจ Perseverance เราจะสังเกตว่า NASA จะไม่ได้พูดว่า “First Flight” แต่จะใช้คำว่า “First Powered Flight” แทน ซึ่งความหมายของมันก็คือว่า เป็นการบินที่ใช้แรงในการเดินทางผ่านอากาศด้วยตัวของมันเอง สาเหตุที่ NASA ต้องพูดแบบนี้ก็เพราะว่า จริง ๆ แล้วการบินครั้งแรกบนดาวเคราห์ดวงอื่นนั้นเกิดขึ้นตั้งแต่ยุคของสหภาพโซเวียต หรือในปี 1985 เลยทีเดียว
แต่ก่อนที่เราจะไปทำความรู้จักกับโครงการบอลลูนบนดาวเคราะห์ดวงอื่น เราจะมาทำความเข้าใจประวัติศาสตร์ของบอลลูนในดาวเคราะห์โลกของเรากันก่อน ซึ่งประวัติศาสตร์ของมันก็เหมือนกับบนดาวดวงอื่น เพราะมนุษย์รู้จักการบินด้วยบอลลูนมาก่อนการบินด้วยเครื่องบิน การบินด้วยบอลลูนครั้งแรกนั้นเกิดขึ้นตั้งแต่ปี 1783 โดยนักวิทยาศาสตร์ Joseph Montgolfier และ Étienne Montgolfier ในฝรั่งเศส โดยได้มีการโชว์บินต่อหน้าประชาชนชาวฝรั่งเศส รวมถึงพระเจ้าหลุยส์ที่ 16 ด้วย โดยครั้งแรกเป็นการสาธิตด้วยการนำสัตว์ขึ้นไปผูกกับบอลลูน (เอ้า) เพื่อดูว่าปลอดภัยดี จากนั้นมนุษย์คนแรกที่ขึ้นบินด้วยบอลลูนก็คือ Jean-Francois Pilatre de Rozier ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์ร่วมยุคกับพี่น้อง Montgolfier
ประวัติศาสตร์การบินด้วย บอลลูนและเครื่องบิน
อธิบายหลักกกานทำงานของบอลลูนง่าย ๆ ก็เหมือนกับที่เราท่องกันมาตั้งแต่ประถม ที่ว่า “อากาศร้อนลอยตัวขึ้นสูง” ให้เราลองสังเกตเปลวไฟ เวลาเราทำอาหาร เราต้องเอาอาหารไว้บนไฟ คงไม่มีใครเอาอาหารไปไว้ใต้ไฟ หรือเอาไปไว้ข้าง ๆ ไฟ นั่นก็เพราะว่า เวลาที่อากาศหรือสสารโดยความร้อน มันจะขยายตัวออกเพราะมันสั่นสะเทือน (นึกภาพอนุภาคที่เด้งไปจากพลังงานที่มันได้รับจากความร้อน ชนกันไปมาจนระยะห่างระหว่างแต่ละอนุภาคเพิ่มขึ้น) นั่นแหละคือสาเหตุว่าทำไมอะไรก็ตามที่ร้อน มันจะต้องการที่อยู่มากกว่าอะไรที่ร้อนน้อยกว่าเสมอ (ผมจะหลีกเลี่ยงคำว่าเย็น เพราะความเย็นไม่มีจริง มีแค่ร้อนมากร้อนน้อย) พอมันต้องการที่อยู่มากขึ้น (ปริมาตร) แต่จำนวนของอนุภาคเท่าเดิม (มวลเท่าเดิม) แปลว่าความหนาแน่นของมันต้องลดลง (สมการ ความหนาแน่นเท่ากับมวลหารด้วยปริมาตร) พอความหนาแน่นลดลงมันก็จะถูกดันให้ลอยขึ้น สาเหตุเดียวกับที่ทำไมห่วงยางลอยน้ำ หรือทำไมพระพุทธรูปถึงลอยน้ำได้ทั้งที่เป็นเหล็ก เพราะจริง ๆ มันไม่สำคัญว่าจะเป็นเหล็กหรือสสารอะไร แค่ถ้ามันมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำมันก็จะลอยน้ำได้ (ดังนั้นถ้าจะไหว้พระพุทธรูปลอยน้ำ ก็ไหว้ อาร์คิมิดีส เถอะครับ)
ทีนี้ เราจะเห็นว่า สิ่งที่มีผลต่อ “ความหนาแน่น” นอกจากคุุณสมบัติของวัตถุนั้น ๆ และรูปทรงของมันแล้ว “ความร้อน” ก็มีผลสำคัญมาก ๆ โดยเฉพาะกับแก๊ส แต่ก็อย่าลืมว่า แก๊สแต่ละชนิดหนักไม่เท่ากัน (ไปดูในตารางธาตุ) ออกซิเจน 1 อะตอม หนักกว่าไฮโดรเจน 1 อะตอม ดังนั้น สมมติว่าเราจะเอาไฮโดรเจนมาทำบอลลูน เราไม่จำเป็นต้องไปให้ความร้อนมันมาก เพราะความหนาแน่นมันน้อยอยู่แล้ว แต่ถ้าเราจะทำให้ออกซิเจนมีความหนาแน่นน้อย เราก็ต้องทำให้มันร้อน มันจะได้ขยายตัวในปริมาตรเท่าเดิม มวลเท่าเดิม แต่ต้องการที่อยู่มากขึ้น ซึ่งนี่ก็คือหลักการว่า ทำไมบอลลูนถึงมีทั้งแบบ Hot Air Bollon และแบบ Helium Bollon นั่นเอง
หลังจากที่มนุษย์รู้จักการบินด้วยหลักการแรงลอยตัวแล้ว มนุษย์ก็สนุกสนานกับการบินมานับศตวรรษ จนมาถึงปี 1903 ที่สองพี่น้องตระกูล Wright คือ Orville และ Wilbur ได้สร้างเครื่องบินได้สำเร็จ ซึ่งถามว่า ต่างจากหลักการของบอลลูนอย่างไร อธิบายง่าย ๆ ก็คือ มันใกล้เคียงกับการบินแบบนกมากกว่า (ซึ่งมนุษย์โหยหาการบินแบบนกมาตั้งแต่อดีต ปรากฎตั้งแต่สมัยกรีกโบราณ มาจนถึงภาพวาดของ Leonardo Da Vinci) หลักการของมันก็หนีไม่พ้นเรื่องแรงลอยตัวและความหนาแน่นของอากาศนั่นแหละ แต่อันนี้จะมีศาสตร์ที่เรียกว่า Aerodynamic และ Fluid Dynamic เข้ามา คือพฤติกรรมของของไหล (อากาศ) ว่าเวลาที่อากาศไหลผ่านปีก มันสร้างแรงยกได้อย่างไร ซึ่งหลักการแบบนี้ ต้องอาศัยการไหลของอากาศ ในขณะที่บอลลูนมันแค่ลอย ๆ จากความแตกต่างของความหนาแน่น การบินด้วยเครื่องบินจึงต้องอาศัยการวิ่งผ่านของอากาศที่เร็วมาก ๆ ซึ่งปัญหานี้ก็แก้ได้ด้วยการเอาเครื่องไปติดแล้วใช้ใบพัดสร้างแรงขับเคลื่อนให้ปีกมันไหลผ่านอากาศได้ไวจนเกิดแรงยก จนเครื่องบินบินขึ้นได้
แนะนำให้อ่านบทความเรื่อง – Aerodynamic of Ingenuity เฮลิคอปเตอร์บนบนดาวอังคารบินได้อย่างไร โดยละเอียด
หรือถ้าอยากเข้าใจประวัติศาสตร์ที่มาของการสำรวจอวกาศทั้งหมดให้อ่าน – ประวัติศาสตร์จรวด ฉบับสมบูรณ์
การบินด้วยบอลลูนบนดาวเคราะห์ดวงอื่น
ทีนี้ ผ่านประวัติศาสตร์การบินบนโลกมาแล้วมาประวัติศาสตร์การสำรวจอวกาศกันบ้าง จริง ๆ การสำรวจอวกาศนั้นใช้กฎที่โคตรจะเบสิกอย่างกฎของนิวตัน หรือกฎการโคจรของเคปเลอร์ การเดินทางในอวกาศนั้นไม่ต้องคิดว่าจะบินยังไง หรือเวลายานอวกาศเดินทางไปยังดาวเคราะห์ต่าง ๆ หรือโคจรอยู่บนวงโคจรโลก มันแทบจะไม่ต้องติดเครื่องยนต์ไว้ด้วยซ้ำ เพราะในอวกาศไม่มีแรงเสียดทานที่จะทำให้มันมีความเร็วลดลง หลังจากที่เราจุดจรวดเพื่อเร่งความเร็วมันในทิศทางที่เรากำหนดไว้แล้ว มันก็จะเคลือนที่ไปเรื่อย ๆ แบบนั้นแหละ พอไปถึงดาวเคราะห์ที่เราจะสำรวจ เราก็แค่จุดจรวดลดความเร็วเพื่อให้มันเข้าสู่วงโคจรของดาวเคราะห์ดวงนั้น ๆ ซึ่งแรงเดียวที่เป็นตัวแปรสำคัญก็คือแรงโน้มถ่วง ที่คอยบอกว่าเราจะต้องจุดจรวดไปในทางไหน สร้างแรงกี่นิวตัน (เห็นไหมว่าแรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ ต้องมีทั้งขนาดและทิศทาง)
การส่งยานไปสำรวจดาวเคราะห์ดวงอื่นเริ่มต้นตั้งแต่ในช่วงปี 1961 ปีเดียวกับที่มีการส่งนักบินอวกาศคนแรกสู่วงโคจร ซึ่งตอนนั้นก็คือช่วงการแข่งขันกันระหว่างสหรัฐฯ กับสหภาพโซเวียต (เรื่องนี้อธิบายไว้ในบทความ – DAVINCI+ และ VERITAS สองภารกิจสำรวจดาวศุกร์ในรอบ 30 ปี ของ NASA) ซึ่งดาวดวงแรกที่ถูกเลือกก็คือดาวศุกร์
พออยู่นอกอวกาศ นอกบรรยากาศ เราก็ไม่ต้องคิดถึงว่าอากาศจะเป็นอย่างไร แต่พอเราต้องลงไปในดาวที่มีบรรยากาศ เราก็ต้องใช้อีกวิธีคิดแล้ว ซึ่งอย่าลืมว่า ดาวแต่ละดวงก็จะมีลักษณะของบรรยากาศไม่เหมือนกัน เช่น ดาวอังคารมีอากาศเบาบางแค่ 1% ของโลก ทำให้ Ingenuity ต้องหมุนใบพัดมากถึงสองพันห้าร้อยรอบต่อนาที มากกว่าเฮลิคอปเตอร์ปกติบนโลก หรือเราไม่สามารถที่จะเอาอากาศยานใด ๆ ไปบินบนดวงจันทร์ได้เลย เพราะดวงจันทร์ไม่มีบรรยากาศ
ทีนี้ก็มาถึงคำตอบกันซักทีว่าทำไม Ingenuity ถึงไม่ใช่อากาศยานลำแรกบนดาวดวงอื่น ซึ่งเอาจริง ๆ ก็ต้องบอกว่า มันขึ้นอยู่กับว่าเรานิยามอากาศยานว่าอะไร ถ้าบอลลูนเป็นอากาศยาน การบินขึ้นของอากาศยานบนดาวดวงอื่นจริง ๆ ก็เกิดขึ้นบนดาวศุกร์ตั้งแต่ปี 1985 แล้ว
โครงการ Vega 1,2 ของสหภาพโซเวียต
จริง ๆ คำว่า Vega นั้น ไม่ได้เกี่ยวอะไรกับดาวเวกาแม้แต่นิดเดียว (ฮา) แต่เป็นการรวมคำระหว่าง “เวเนรา” กับ “กาเลอี” ที่แปลว่า ดาวศุกร์ กับดาวหาง Halley ในภาษารัสเซีย เพราะโครงการ Vega นั้นออกแบบให้ไปหย่อนยานสำรวจลงในดาวศุกร์ หลังจากนั้นก็บินไปสำรวจดาวหาง Halley ต่อ (ในช่วงที่ดาวหางปรากฎในปี 1985-1986)
โครงการ Vega มียานสองลำสำคัญก็คือ Vega 1 และ Vega 2 ซึ่งทั้งคู่ออกแบบมาให้ทำภารกิจเหมือนกัน และออกแบบมาโดยใช้หน้าตาแบบเดียวกัน
สหภาพโซเวียตนับว่าประสบความสำเร็จในการส่งยานไปลงดาวศุกร์หลายครั้งนับตั้งแต่ปี 1970 แล้ว และโครงการ Vega ก็เป็นอีกหนึ่งความสำเร็จ ในตอนนั้นโซเวียตสามารถลงจอดยาน Lander Vega 1 และ 2 ได้ตามลำดับ ตัวยานลงจอดนั้นมีน้ำหนักถึง 1,500 กิโลกรัม นับว่าหนักมาก ๆ (หนักกว่ายาน Perseverance อีก) ที่หน้าตาเหมือนกับยาน Venera เป๊ะ ๆ (ราวกับเอาของเหลือมาใช้) แต่สิ่งที่ทำให้ภารกิจครั้งนี้แตกต่างจาก Venera ครั้งอื่น ๆ ก็คือ มันได้นำเอา บอลลูนติดไปด้วย
บอลลูนนี้เป็นบอลลูนฮีเลียม ซึ่งแน่นอนว่าเบากว่าอากาศบนโลก และเบากว่าอากาศบนดาวศุกร์แน่ ๆ เพราะดาวศุกร์มีความหนาแน่นของบรรยากาศถึง 100 เท่า แล้วก็อย่าลืมว่าดาวศุกร์นั้นมีแรงโน้มถ่วงเกือบจะเท่าโลก (ดาวศุกร์ 8.9 m/s² ในขณะที่ โลก 9.8 m/s²) การเอาฮีเลียมปริมาณเท่ากับบนโลกไปอยู่ในดาวศุกร์ มันจึงเบากว่าบนโลกถึง 100 เท่า ดังนั้น บอลลูนสำหรับโครงการ Vega 1,2 นี้ สามารถพา Payload ขนาดเล็ก หนักประมาณ 6 กิโลกรัมที่ติดไปกับบอลลูนลอยขึ้นไปได้สูงถึง 54 กิโลเมตรจากพื้นผิว โดยที่เส้นผ่านศูนย์กลางของตัวบอลลูนอยู่ที่แค่ประมาณ 3.5 เมตรเท่านั้น
ถ้าถามว่าใหญ่แค่ไหน เราลองมาเทียบบอลลูนของโครงการ Loon ของ Google กันบ้าง โครงการนี้ใช้บอลลูนเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 12-15 เมตร และลอยอยู่ที่ความสูง 20 กิโลเมตร บรรทุก Payload หนัก 10 กิโลกรัม
เห็นมั้ยว่า บอลลูน 15 เมตรบนโลก ลอยได้แค่ 20 กิโลเมตร แต่บอลลูนขนาดแค่ 3.5 เมตร บนดาวศุกร์ พา Payload ลอยได้สูงถึง 50 กิโลเมตร สิ่งนี้หมายความว่าการที่ดาวศุกร์มีบรรยากาศที่หนาแน่นกว่าโลก ช่วยให้การปล่อยบอลลูนง่ายขึ้นจริง ๆ
ข้อมูลของยาน Vega นี้ เราอ้างอิงจากเปเปอร์ VEGA-1 and VEGA-2 Spacecraft Encounters with Comet Halley จาก Soviet Astronomy Letters ในปี 1986 ซึ่งโชคดีมากที่ตอนนั้นหัดมาเขียนเปเปอร์ภาษาอังกฤษซักที (ฮา)
แล้วหลังจากโครงการ Vega-1 และ 2 ก็ไม่มีการปล่อยอากาศยานแบบบอลลูนไปในดาวเคราะห์ดวงใดอีกเลย ซึ่งทางฝั่ง NASA เอง ก็อาจจะมี Concept อยู่บ้าง แต่ก็ไม่ได้ถูกนำมาใช้จริง จนมา Ingenuity นี่แหละ ที่มาในรูปแบบเฮลิคอปเตอร์เลย
แล้วสรุป จะ Powered Flight หรือไม่ Powered Flight มันดีไม่ดียังไง
จริง ๆ ประเด็นของบทความนี้ก็คือ เราอยากชวนทุกคนมาทำความเข้าใจเรื่องอากาศยานแบบบอลลูนกับแบบเครื่องบินเฉย ๆ ซึ่งถามว่าแบบไหนดีกว่ากัน มันก็ตอบไม่ได้อยู่ดี เพราะถามว่าเราจะเอาบอลลูนไปบินในบรรยากาศดาวอังคารได้มั้ย คำตอบก็คือก็คงไม่ทำ เพราะบรรยากาศมันเบาบางมาก การออกแบบการทำงานของยานอวกาศต่าง ๆ จึงจำเป็นต้องดูจากปัจจัยของดาวดวงนั้น ๆ เป็นหลัก
ซึ่งนอกจากยานแบบ Lander หรือ Rover ที่เป็นหน้าตายอดฮิตแล้ว อย่าลืมว่าจริง ๆ ยานแทบจะทุกลำที่ไปลงจอดบนดาวเคราะห์ที่มีบรรยากาศ ก็จะต้องใช้ร่มชูชีพ ซึ่งร่มชูชีพนี้ก็นับว่าใช้ความรู้ด้าน Fluid Dynamic เหมือนกัน ไม่ว่าจะเป็นการส่งยานไปลงดาวอังคาร หรือการส่งยาน Probe Huygens ไปลงบนดวงจันทร์ไททันของดาวเสาร์ที่เป็นการลงจอดที่ไกลที่สุดที่เราเคยทำ ก็ใช้ประโยชน์จากร่มชูชีพทั้งนั้น หรือในอนาคตก็จะมีภารกิจสำรวจแปลก ๆ อย่าง Dragonfly เฮลิคอปเตอร์สำรวจไททัน หรือ BRUIE ยานสำรวจใต้น้ำแข็ง ที่ NASA วางแผนไว้ มาให้เราได้เห็นกัน ซึ่งเราก็คงจะตื่นเต้นกับความแปลกใหม่ของมันเหมือนกับที่เราตื่นเต้นกับ Ingenuity
และหน้าตาของการสำรวจอวกาศโดยเฉพาะการเดินทางไปยังดาวเคราะห์ที่มีลักษณะแตกต่างกันออกไปนั้น เราจะได้เห็นยานหน้าตาแปลก ๆ แบบไหนอีกก็คงต้องรอชมกัน
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
