LOFTID ภารกิจทดสอบแผ่นกันความร้อนขยายได้ ความหวังในการสำรวจดาวอังคาร

เมื่อช่วงเย็นของวันที่ 10 พฤศจิกายน 2022 ตามเวลาประเทศไทย NASA ร่วมกับ United Launch Alliance ได้ปล่อยดาวเทียม JPSS-2 ซึ่งเป็นดาวเทียมสำรวจสภาพอากาศให้กับ NOAA หรือ National Oceanic and Atmospheric Administration ซึ่งภารกิจก็สำเร็จลุล่วงไปได้ด้วยดี แต่สิ่งที่น่าสนใจคือในภารกิจนี้ นอกจากตัวดาวเทียม JPSS-2 แล้ว จรวด Atlas V ยังได้บรรทุกการทดลองอีกชิ้นหนึ่งขึ้นไปด้วย นั่นก็คือ LOFTID

LOFTID ย่อมาจาก Low-Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator หรือถ้าแปลตรงตามตัวก็คือ เป็นการทดสอบ Inflatable Decelerator บน Low-Earth Orbit ซึ่งไอเดียของมันคือการตั้งคำถามว่า เราจะสามารถใช้แผ่นกันความร้อนแบบพองตัวได้ (Inflatable) เพื่อเข้าสู่บรรยากาศของดาวเคราะห์ได้หรือเปล่า

จรวด Atlas V บินขึ้นพร้อมกับดาวเทียม JPSS-2 ของ NOAA และชุดการทดลอง LOFTID ที่มา – ULA

หากเราดูวิธีการลงจอดของยานอวกาศบนดาวอังคาร ไม่ว่าจะเป็นยานขนาดเล็กในอดีตอย่าง Viking, หรือยานขนาดใหญ่ลำล่าสุดอย่าง Perseverance เราจะพบว่าการลงจอดนั้นจะประกอบไปด้วย 3 กระบวนขั้นตอนด้วยกัน ได้แก่ Entry หรือการเข้าสู่บรรยากาศ Descent หรือการลดระดับสู่พื้นผิว และ Landing คือการนำเอายานอวกาศสัมผัสกับพื้นผิงของดาวอย่างนุ่มนวล เราเรียกกระบวนท่านี้ว่า EDL ซึ่งเวลาผ่านไป วิศวกรก็ได้ออกแบบระบบ EDL ให้รองรับยานอวกาศที่มีขนาดใหญ่มากขึ้น ลงจอดอย่างนุ่มนวลมากขึ้น เช่น การใช้เชือกค่อย ๆ หย่อยตัวยานลงสู่พื้นผิวเพื่อไม่ให้ฝุ่นจากตัวเครื่องยนต์จรวดทำอันตรายต่อยาน เราเรียกเทคนิกนี้ว่า Sky Crain ซึ่งเป็นวิธีที่ Curiousity และ Perseverance ใช้ หรือการออกแบบร่มชูชีพขนาดใหญ่ และสามารถลดความเร็วของตัวยานอวกาศในระหว่างที่มันกำลังพุ่งสู่พื้นผิวของดาวด้วยความเร็วสูง ซึ่งร่มของ Perseverance นั้น มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกว่า 21.5 เมตร เมื่อกางออก ทั้งนี้ก็เพื่อชะลอความเร็วในบรรยากาศที่เบาบางเพียงแค่ 1% เมื่อเทียบกับโลกของดาวอังคาร

แต่สิ่งหนึ่งที่เรียกได้ว่าเป็นปัญหาใหญ่และสร้างความปวดหัวให้กับวิศวกรก็คือการ Entry หรือการเข้าสู่บรรยากาศของดาว ซึ่งจะก่อให้เกิดความร้อนมหาศาล ในการลงจอดของ Perseverance นั้น ตัวยานพุ่งเข้าสู่บรรยากาศของดาวอังคารด้วยความเร็ว 20,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง สร้างความร้อนบนตัว Heat Shield ถึง 1,300 องศาเซลเซียส เรียกได้ว่า ร้อนพอ ๆ กับพื้นผิวของดวงอาทิตย์ ทำให้ในการออกแบบตัว Heat Shield นั้น ทาง Jet Propulsion Laboratory หรือ JPL ผู้ผลิตยาน เลือกใช้วัสดุแบบ Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA) ซึ่งออกแบบโดย NASA Ames Research Center โดยเส้นผ่านศูนย์กลางของมันมีขนาด 4.5 เมตร

ตัว Aeroshell และ Heat Shield ขนาดกว่า 4.5 เมตร ที่ปกป้องยาน Perseverance ในขณะที่เข้าสู่บรรยากาศ ที่มา – Lockheed Martin

ซึ่งนอกจากการทำหน้าที่ปกป้องยานจากความร้อนมหาศาลแล้ว มันยังต้องทำหน้าที่ช่วยชะลอความเร็วของยานอวกาศ ก่อนที่จะเข้าสู่กระบวนท่า Descent ในบรรยากาศด้วย

สิ่งนี้หมายความว่า

  • ถ้าเราต้องการลงจอดยานอวกาศ หรือขนส่งวัตถุขนาดใหญ่ลงบนผิวดาว ก็จะยิ่งต้องใช้แผ่นกันความร้อนขนาดใหญ่มาก ๆ
  • การใช้แผ่นกันความร้อนขนาดใหญ่ จะช่วยให้เกิดข้อดีในเรื่องของการสร้างแรงเสียดทานให้เยอะขึ้น เราก็จะชะลอความเร็วยานอวกาศได้ดีขึ้น และช่วยลดความเสี่ยงในการที่แผ่นกันความร้อนจะ Overheat ด้วย

ทีนี้คำถามก็คือแล้วทำไม เราถึงไม่ทำแผ่นกันความร้อนให้มันใหญ่ ๆ ไปเลย อะไรคือสิ่งที่จำกัดขนาด และเป็นที่มาของตัวเลข 4.5 เมตร ของ Perseverance คำตอบก็คือ ขนาดของตัวจรวดนั่นเอง

แน่นอนว่าการจะเอาวัตถุขึ้นไปอยู่บนอวกาศได้เราต้องใช้จรวด และในการนำจรวดขึ้นจากผิวโลก มันก็จะต้องมีรูปทรงที่สามารถช่วยแหวกอากาศได้ดี และปกป้องยานอวกาศด้านในจากแรงเสียดทานในบรรยากาศของโลกได้เช่นกัน นายพลอลาดีน ผู้นำสาธารณรัฐวาดิยาเคยกล่าวกับนาดาล วิศวกรของเขาว่า “It has to be pointy!”

ถ้าเรามาดูเส้นผ่านศูนย์กลางของฝาครอบจรวด หรือ Payload Faring เราจะพบว่า ตัวเลขของมันจะอยู่ที่ประมาณ 3.7 เมตร สำหรับ Falcon 9, 5 เมตรสำหรับ Atlas V, Delta IV และ SLS ดังนั้น ข้อจำกัดของมันคือตัวเลขประมาณ 5 เมตรนี่แหละ ที่ทำให้ตัว Heat Shield มันใหญ่ไปมากกว่านี้ไม่ได้แล้ว

Heat Shield แบบขยายตัวเองได้ คือคำตอบ

ดังนั้น แนวคิดเรื่องของ Inflatable Heatshield จึงได้เกิดขึ้น โดยวิธีคิดของมันนั้นจะค่อนข้างเรียบง่าย คือใช้วัสดุที่สามารถพองตัวได้เหมือนบอลลูน กางออกมาเป็น Heat Shield ซึ่งฟังดูอาจจะเหมือนง่าย แต่อย่าลืมว่า โดยปกติ Heat Shield จะเป็นวัสดุที่แข็ง แต่ถ้าเป็นแบบ Inflatable มันจะต้องมีความยืดหยุ่นพอที่จะหดตัวหรือขยายตัว ในขณะเดียวกันก็ต้องทนความร้อนและแรงเสียดสีมหาศาล มีคุณสมบัติในการกระจายความร้อนที่ดีเยี่ยม นี่จึงเป็นความยากในการออกแบบและทำให้แนวคิดนี้เกิดขึ้นได้จริง

ภาพจำลองการทำงานของ Inflatable Re-entry Vehicle Experiment  ที่มา – NASA

ซึ่ง NASA ก็ได้ตั้งโครงการขึ้นมาศึกษาความเป็นไปได้ ในปี 2009 มีการทดสอบโครงการ Inflatable Re-entry Vehicle Experiment  หรือ IRVE โดยตัว Heatshield นั้นถูกส่งขึ้นไปกับจรวดขนาดเล็กแบบ Sounding Rocket ขึ้นไปบนวงโคจรแบบ Sub-Orbital และจากขนาดเดิมของมันที่เพียงแค่ 38 เซนติเมตร ก็ขยายออกมาเป็น 3 เมตร ด้วยปฏิกริยาทางเคมี ที่ทำให้เกิดแก๊ส Nitrogen พาเอา IRVE เข้าสู่บรรยากาศของโลก และประสบความสำเร็จตั้งแต่การทดสอบครั้งแรก เป็นการพิสูจน์ว่าแนวคิดดังกล่าวเป็นไปได้จริง

หลังจากนั้น ได้มีการพัฒนาการทดลองแนวเดียวกันหลายการทดลอง หนึ่งในนั้นคือ Low-Density Supersonic Decelerator หรือ LDSD ซึ่งนำพัฒนาโดย JPL ที่มีการทดสอบในปี 2014-2015

Low-Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator

LOFTID นั้น นับว่าเป็น Inflatable Heat Shield ที่ใหญ่ที่สุดที่เคยมีการออกแบบมา โดยเมื่อกางออก มันจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางถึง 6 เมตร ซึ่งมากพอที่จะช่วยนำ Payload หรือยานอวกาศ หรือชิ้นส่วนบางอย่าง กลับสู่โลก ซึ่งในอนาคต อาจจะถูกใช้กับการส่งของกลับสู่โลกจากสถานีอวกาศนานาชาติในเวลาอันรวดเร็วก็เป็นได้

วิศวกรกำลังทดสอบ LOFTID ในห้องทดสอบ ที่มา – NASA

การทดสอบ LOFTID นั้น ริเริ่มโครงการมาตั้งแต่ปี 2020 และการทดสอบครั้งแรกของมันก็ได้เกิดขึ้นในเที่ยวบินการส่งดาวเทียม JPSS-2 วันที่ 10 พฤศจิกายน 2022 โดยมันถูกติดตั้งเข้าไปใน Centaur Stage ของจรวด Atlas V โดยคั่นกลางระหว่างตัว Centaur กับดาวเทียม JPSS-2 และเมื่อดาวเทียม JPSS-2 ถูกปล่อยเข้าสู่วงโคจรสำเร็จแล้ว ส่วน Adapter ที่ครอบ LOFTID ไว้ ก็จะถูกปลดออก ก่อนที่ LOFTID จะถูกปล่อยออกจาก Centaur เพื่อให้กลับสู่โลก

LOFTID กลับสู่โลกสำเร็จในเวลาไม่กี่นาทีหลังการปล่อย โดยมันได้ลงจอดในมหาสมุทรแปซิฟิก ไม่ห่างจากหมู่เกาะฮาวาย ก่อนที่จะถูกเก็บกู้โดยทีมวิศวกร ซึ่งผลจากการทดสอบนั้น ได้ถูก Downlink ลงมาผ่านการ Relay สัญญาณจากอุปกรณ์ที่ถูกติดตั้งอยู่บน Centaur นั่นเอง ซึ่ง นอกจากนี้ หลังจากที่มันเข้าสู่บรรยากาศแล้วมันจะยังดีดตัวอุปกรณ์ที่ใช้เก็บข้อมูลในระหว่างเข้าสู่บรรยากาศ (ซึ่งจะอับสัญญาณ) ออกมา เพื่อให้ทีมเก็บกู้สามารถไปเก็บกู้ได้ด้วย

การทดสอบ LOFTID นั้น เป็นไปได้ด้วยดี ซึ่งข้อมูลจากการทดสอบจะเป็นอย่างไรก็คงต้องติดตามันต่อไป

นอกจากนี้การทดสอบรอบนี้ ทาง NASA และ ULA ยังได้อุทิศภารกิจดังกล่าวให้เป็นเกียรติแก่คุณ Bernard Kutter วิศวกรของ ULA ที่เสียชีวิตในปี 2020 จากปัญหาด้านสุขภาพ ซึ่งคุณ Kutter นั้นสนใจในเทคโนโลยี Inflatable Heatshield เป็นอย่างมาก โดยที่เขาศึกษามันอย่างจริงจังและหวังจะนำมันมาใช้กับจรวด Vulcan ซึ่งเป็นจรวดรุ่นใหม่ของ ULA

LOFTID หลังจากกลับสู่โลกสำเร็จและถูกเก็บกู้โดยทีมวิศวกร ทางเรือ ที่มา – ULA

อ่าน – รู้จักกับจรวด Vulcan Centaur ผู้สืบทอดความยิ่งใหญ่ของจรวดตระกูล Atlas

เทคโนโลยีแนว ๆ Inflatable Heat Shield นั้น จัดว่าเป็นสิ่งใหม่ และยังไม่เคยถูกนำมาใช้ในภารกิจสำรวจดาวเคราะห์มาก่อน ดังนั้นมันจึงเป็นความหวังของเราในการนำเอาวัตถุขนาดใหญ่ ลงจอดบนดาวเคราะห์ ซึ่งแน่นอนว่าในการสำรวจดาวอังคาร เราก็จะต้องส่ง Payload ขนาดใหญ่ไปลงจอด Inflatable Heat Shield จะช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้ให้เราได้ และเปิดทางสู่ความเป็นไปได้ใหม่ ๆ ในอนาคต

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co