นักบินอวกาศ กำลังจะเดินทางไปสถานีอวกาศไวกว่าคุณเดินทางไปทำงาน

จากข่าว BTS เสียเชื่อว่าหลายคนคงหัวร้อนกันอยู่ไม่น้อยเมื่อการเดินทางไปทำงานที่ปกติก็ใช้เวลานับชั่วโมงเริ่มตั้งแต่การนั่งมอเตอร์ไซค์ออกจากซอย มาขึ้นรถไฟฟ้า บางคนต้องต่อรถเมล์นี่ทำให้กรุงเทพมหานคร กลายเป็นเมืองใหญ่ที่มีเอกลักษณ์การเดินทางที่ไม่เหมือนที่ใด ทุกคนจะมีเทคนิคการเดินทางเป็นของตัวเอง บางคนมี Backup Plan การจะเดินทางไปเรียนหรือทำงานในกรุงเทพนั้นเป็นเรื่องที่ลำบากแต่ก็ต้องทำ เราช่างอิจฉาผู้อ่านในต่างจังหวัดเสียเหลือเกิน

จริง ๆ แล้วการเดินทางควรจะเป็นเรื่องที่ดี แต่ระบบที่ห่วยทำให้มันแย่

จริง ๆ แล้วเมื่อย้อนกลับไปมองก็เป็นเรื่องน่าแปลกว่าทำไมมนุษย์ต้องเดินทางไปทำงาน ในสมัยก่อนมนุษย์ทำงานด้วยการล่าสัตว์ และหาของกิน นั่นหมายความว่ามนุษย์ถูกออกแบบให้เดินทางไปในที่ที่อันตรายและกลับมาในที่ที่ปลอดภัยคือที่อยู่ ภายหลังมนุษย์รู้จักการถนอมอาหาร จำนวนครั้งในการเดินทางของมนุษย์ก็ลดลง พอมนุษย์รู้จักเพาะปลูก มนุษย์ก็เดินทางน้อยลง เนื่องจากสามารถนำทุกสิ่งที่ต้องการมาอยู่ไว้ใกล้กันได้

BTS ที่เราฝากความหวังไว้ด้วยทุกเช้ากับการเดินทางไปเรียนและทำงาน ที่มา – Fabio Achilli

แต่พอมาดูปัจจุบันเราจะเห็นว่าเราใช้เวลา 1-2 ชั่วโมงต่อวันในการเดินทางไปทำงาน สิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร คำตอบก็คือพฤติกรรมนี้เป็นการผสมผสานกันระหว่างสังคมเมืองสมัยใหม่กับเมืองเก่า ในคลิปของ Wendover Productions เมืองต่าง ๆ ในยุโรปมีมานานนับพันปี ในสมัยก่อนคนเดินทางด้วยการเดินเท้า คนรวยจึงสามารถอาศัยอยู่กลางเมืองเพื่อทำงานในเมืองได้อย่างสะดวก

การเดินทางในกรุงเทพมหานคร ที่ก็ไม่รู้ว่าคนรวยจะอยู่กลางเมืองหรือชานเมืองกันแน่ หรือจะซื้อคอนโดไว้กลางเมืองแต่บ้านอยู่ชานเมือง เออ แล้วแต่เลย ที่มา – Mink Mingle

แต่สุดท้ายการ De-centerized ก็ได้เข้ามาหลังจากการมาของรถไฟ รถราง และตามด้วยรถยนต์ สุดท้ายเราจะพบว่าเมืองสมัยนี้ คนรวยมักจะเลือกอาศัยอยู่บริเวณชานเมือง ในขณะที่คนที่มีรายได้ต่ำจะอยู่อย่างแออัดในเมือง แนวคิดนี้อาจจะยังไม่ชัดเจนมากในกรุงเทพฯ​ เนื่องจากมีการผสมผสานกันระหว่างความเป็นเมืองเก่ากับเมืองใหม่ แต่ตัวอย่างนี้จะเห็นได้ชัดมากเมื่อเปรียบเทียบแผนที่เมืองในสหรัฐอเมริกา (ที่เป็นเมืองเกิดใหม่) กับเมืองในยุโรป

สรุปแล้วจริง ๆ การเดินทางถูกออกแบบมาให้มนุษย์ใช้ชีวิตได้อย่างสะดวกสบายขึ้น แต่กลายเป็นว่าสิ่งที่เป็นอยู่ทุกวันนี้ตรงกันข้าม การเดินทางไปทำงานกลายเป็นเรื่องเศร้าที่หลายคนเบื่อ

เมื่อการเดินทางไปนอกโลกเร็วกว่าไปทำงาน

ในขณะที่คนกรุงเทพใช้เวลา 1-2 ชั่วโมงในการเดินทางไปทำงานและ 3-4 ชั่วโมงเมื่อเกิดเหตุไม่ปกติเช่น อุบัติเหตุ รถติดหนัก หรือรถไฟฟ้าเสีย การเดินทางไปนอกโลกเพื่อทำงานยังสถานีอวกาศนานาชาติก็ถูกพัฒนาขึ้นเรื่อย ๆ และล่าสุดในเที่ยวบินของยาน Progress MS-09 เมื่อวันที่ 10 กรกฏาคม 2018 มันได้ทำลายสถิติโลกด้วยการเดินทางไปยังสถานีอวกาศนานาชาติ จากฐานปล่อยที่ไบโคนอร์ คาซัคสถาน ด้วยเวลาเพียงแค่ 3 ชั่วโมง 48 นาที ทำลายสถิติเดิมของยาน Soyuz ที่เรียกว่า “Fast Track“ ที่อยู่ที่ประมาณ 6 ชั่วโมง

จรวด Soyuz 2.1 ที่ติดตั้งยาน Progress MS-09 พร้อมทำการปล่อย ณ ฐานปล่อยในคาซัคสถาน ที่มา – NASA/Roskosmos

แม้ว่ายาน Progress จะเป็นยานส่งเสบียงแบบไร้คนขับและผู้โดยสาร แต่การทำลายสถิติโลกในการเดินทางไปยังสถานีอวกาศที่อยู่สูงขึ้นไปกว่า 400 กิโลเมตร และโคจรรอบโลกด้วยความเร็ว 7 กิโลเมตรต่อวินาที ก็จะทำให้วิศวกรและนักฟิสิกส์วงโคจร สามารถนำแผนการปล่อย และอัลกอริทึมการทำงานของระบบขับดัน การออกแบบวงโคจร ไปใช้งานกับยาน Soyuz ยานอวกาศแบบมีคนนั่งที่ตอนนี้มันเป็นเพียงยานอวกาศหนึ่งเดียวที่สามารถพาคนขึ้นไปยังสถานีอวกาศนานาชาติได้ นับตั้งแต่การปลดระวางของกระสวยอวกาศ

ยาน Progress ขณะเคลื่อนที่เข้าสู่สถานีอวกาศนานาชาติ ที่มา – NASA/Roskosmos

ทำไมการเดินทางไปยังสถานีอวกาศถึงยากกว่าที่คิด

หลายคนอาจจะคิดง่าย ๆ ว่า สถานีอวกาศนานาชาติอยู่สูงขึ้นไปที่ความสูง 400 กิโลเมตร นั่นทำให้ระยะทางการเดินทางนี้อยู่ที่ 400 กิโลเมตรเท่านั้น แต่คิดง่าย ๆ แบบนี้ผิด เนื่องจากอย่าลืมว่า วัตถุทุกชนิดที่อยู่ในวงโคจรที่เสถียร จะต้องมีการโคจรด้วยความเร็วความเร็วหนึ่ง ยิ่งอยู่ต่ำความเร็วโคจรก็จะมากขึ้น และยิ่งอยู่สูงความเร็วโคจรก็จะช้าลง นั่นหมายความว่า สถานีอวกาศนานาชาติ ณ​ ความสูง 400 กิโลเมตร มันจะมีความเร็วโคจรเมื่อเทียบกับพื้นโลกสูงถึง 7 กิโลเมตร ต่อวินาที

International Space Station สถานีอวกาศนานาชาติ 400 กิโลเมตร เหนือพื้นโลก ที่มา – NASA

เมื่อทิศการโคจรไปในทางทำมุมฉากกับแรงโน้มถ่วงของโลก ทำให้การปล่อยจรวดจะต้องทำในลักษณะที่เรียกว่า Gravity Turn หรือการเลี้ยวด้วยแรงโน้มถ่วง ทำให้เราปล่อยจรวดขึ้นไปในทางตรงเพื่อให้แน่ใจว่าแรงที่เกิดขึ้นเป็นแรงจากปฏิกริยาของจรวดที่เอาชนะแรงโน้มถ่วงที่ดึงจรวดลงสู่พื้นในแนวตั้งฉาก จากนั้นจรวดจะทำการเอียงเล็กน้อยเพื่อปรับทิศทางการตกของมันให้ห่างออกไปตามทิศที่มันจะโคจร

ยาน Soyuz MS-05 กำลังเชื่อมต่อกับสถานีอวกาศนานาชาติ ถ่ายโดยนักบินอวกาศ Fyodor Yurchikhin ที่มา – Roskosmos

จะสังเกตว่าแนวการโคจรของสถานีอวกาศนานาชาตินั้นไม่ได้เป็นไปตามแนวเส้นศูนย์สูตร จะมีการทำมุมเรียกว่า Inclination อยู่ที่ 51.6° กับเส้นศูนย์สูตร เหตุผลก็คือเพื่อให้มันโคจรผ่านทั้งบริเวณเหนือและใต้เส้นศูนย์สูตร เมื่อเรานำมาเขียนบนแผนที่โลกแบบวงกลมแล้ว เราจะเห็นมันมีลักษณะเป็นคลื่น Sine แบบที่เราเรียนกันตอน ม.ปลาย ในวิชาฟังก์ชั่นตรีโกณฯ (เห็นภาพหรือยังว่าที่มาของมันเป็นอย่างไร)

ที่มาของคลื่น Sine ว่าวงกลมทำให้เกิดคลื่นได้อย่างไรแล้วทำไม 1 รอบถึงวนกลับมาที่เดิม ที่มา – LucasVB

นอกจากเหตุผลว่าทำให้ ทำให้ในการส่งจรวดขึ้นไปหานั้นสามารถทำได้จากฝั่งรัสเซีย ซึ่งอยู่ที่ซีกฟ้าเหนือ ไม่ได้อยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตร เหมือนฐานปล่อยที่เคอเนอเวอรัล ฟลอริดา เหมือนสหรัฐอเมริกา และก็อย่าลืมว่า ประเทศแรกที่ส่งโมดูลของสถานีขึ้นไปก็คือรัสเซียนี่แหละ

การเคลื่อนที่ของ ISS บนแผนที่โลกที่พอเรามากางออกแล้วจะเห็นเป็นลักษณะคลื่น Sine โดยหลักการด้านบน ที่มา – ESA

ย้อนกลับมาที่การส่งยาน หลังจากที่มันทำ Gravity Turn มายัง Inclination ระนาบเดียวกับการโคจรของสถานีแล้ว ตอนนี้มันจะอยู่ในวงโคจรที่เสถียรเป็นวงกลม เนื่องจากเมื่อวงโคจรของยานต่ำกว่าตัวสถานี มันจะโคจรไวกว่า นั่นทำให้มันจะไล่ตามสถานี จากนั้นจะมีการทำการ Burn (จุดเครื่องยนต์) ด้วยเทคนิคที่เรียกว่า Hohmann Transfer ซึ่งปรับจากวงโคจรแบบวงกลม ให้เป็นวงรี เพื่อให้ไปแตะในวงโคจรที่สูงขึ้น แล้วทำการ Burn อีกครั้ง ณ จุดที่อยู่สูง ทำให้มันได้วงโคจรวงกลมอีกครั้ง

การเดินทางสู่ ISS ของยาน Soyuz โดยใช้วิธีการ Burn 7 ครั้ง ที่มา – Jordan k. Reynolds / jordankreynolds.com

จากนั้นก็รอเวลาเพื่อทำการ Transfer ไปแบบนี้เรื่อย ๆ รวมทั้งสิ้น 7 การ Burn จนกว่ามันจะไปถึงสถานีอวกาศและค่อย ๆ เข้าเทียบกับยาน วิธีการนี้ใช้เวลา 3-4 วัน เลยทีเดียว

นั่นหมายความว่าตั่งแต่การปล่อยขึ้นไปจนถึงสถานี ยาน Soyuz ด้วยวิธีการเดินทางแบบเดิมจะโคจรรอบโลก 34 ครั้งเลยทีเดียว

Fast Track อัลกอริทึมลับของรัสเซียที่อเมริกายังทำไม่ได้

ในปี 2013 รัสเซียได้เปิดตัววิธีการใหม่ในการเดินทางไปยังสถานีอวกาศนานาชาติ ด้วยสิ่งที่เรียกว่า “Fast Track“ วิธีการของ Fast Track นั้นใช้โมเดลทางคณิตศาสตร์ที่แม่นยำ และอัลกอริทึมที่ชาญฉลาด ในการคำนวณฟิสิกส์วงโคจรแบบ Realtime ทำให้ยาน Progress และ Soyuz ใช้ Data แบบสด ๆ ที่มันมี

ยาน Progress กำลังเตรียมทำการ Docking กับ ISS ที่มา – NASA/Roskosmos

อันที่จริงนี่เป็นประโยชน์จากการพัฒนาด้านคอมพิวเตอร์ เทคนิคเดิมที่เล่าไปด้านบนนั้นเกิดในยุคที่คอมพิวเตอร์ยังไม่แรงและประมวลผลได้ดีขนาดทุกวันนี้ การคำนวณส่วนใหญ่จึงมีข้อจำกัดด้านเวลา และความแม่นยำ การ Burn 7 ครั้งแปลว่า คอมพิวเตอร์จะประมวลผลเพียงแค่ 7 ครั้ง เพื่อปรับวงโคจรและใช้ สมการจรวด (Tsiolkovsky equation) มาหาเวลาและตำแหน่งที่ต้องทำการจุดเครื่อง

ปัจจุบันคอมพิวเตอร์มีความแรงมาก อัลกอริทึมเดียวกันมีอัตรา Runtime ที่ต่ำกว่า นั่นทำให้เราสามารถป้อนงานให้กับคอมพิวเตอร์ได้มากกว่า วิธีการคิดของการออกแบบวงโคจรจึงเปลี่ยนไป ยานจะใช้วิธีการคำนวณไปเรื่อย ๆ ด้วยตัวมันเองว่า ณ จุดนี้ควรจุดจรวดเป็นเวลาเท่าไหร่ กี่วินาที แล้วนำ Data ที่มีอยู่ อัตราเร็ว, ตำแหน่งจาก GPS, ระยะห่างจากวัตถุอ้างอิงต่าง ๆ ทำให้มันสามารถเดินทางสู่สถานีได้ด้วยการจุดจรวดที่ไม่ได้จำกัดอยู่แค่ 7 ครั้ง แต่จะจุดกี่ครั้งก็ได้ โดยมีการทำ Optimization Problem ด้วยโมเดลทางคณิตศาสตร์ เพื่อหาวิธีการเดินทางที่เร็วที่สุด และประหยัดเชื้อเพลิงที่สุด

อธิบายแบบง่าย ๆ เลยก็คือ พวกเขาเปลี่ยนการคำนวณ 7 ครั้ง มาเป็นการคำนวณนับครั้งไม่ถ้วน ด้วยคอมพิวเตอร์ที่แรงขึ้นของยุคปัจจุบัน เปลี่ยนจากการโคจร 34 รอบให้เหลือเพียง 4 รอบการโคจรเท่านั้น

สมการจรวด Tsiolkovsky rocket equation

จะเห็นว่าการเขียนโปรแกรมและการเรียนรู้การคิดแบบอัลกอริทึมเป็นอะไรที่สำคัญมาก ทั้ง ๆ ที่สมการที่เราใช้ก็เป็นสมการเดิมคือ Tsaikovski equation แต่ด้วยการมาของการเขียนโปรแกรม ทำให้เราสามารถสร้างวิธีการใหม่ ๆ และปลดล็อกขีดจำกัดอะไรหลาย ๆ อย่างได้ อ่านประวัติของจรวดได้ที่ ประวัติศาสตร์จรวด อาวุธสังหารสู่สะพานเชื่อมดวงดาว

Fast Track 2.0 เร็วกว่าเดิม

ความโหดสัสรัสเซียไม่ได้จบลงแค่นั้นพวกเขายังพัฒนาเทคนิคนี้ต่อ และสถิติล่าสุดพวกเขาเปลี่ยนจาก 4 รอบการโคจรให้เหลือเพียง 2 รอบการโคจร เท่านั้น หลังจากที่ยาน Progress เดินทางขึ้นสู่อวกาศในเช้ามืดของวันที่ 10 กรกฏาคม 2018 ตามเวลาประเทศไทย มันเดินทางถึงสถานีอวกาศนานาชาติหลังจากพระอาทิตย์ขึ้นเพียงไม่นาน

ยาน Progress และยาน Soyuz ที่กำลังเคลื่อนที่เข้ามา ถ่ายโดยนักบินอวกาศ Alexander Misurkin ที่มา – Roskosmos

3 ชั่วโมง 48 นาที คือสถิติโลก ณ ตอนนี้ แต่อย่างไรก็ตาม ขีดจำกัดไม่ได้หยุดเพียงเท่านี้ เรายังคงมี Ideal orbit ที่อาจจะช่วยให้เราสามารถส่งยานขึ้นสู่สถานีอวกาศนานาชาติได้ด้วยเวลาที่ต่ำที่สุดที่จะเป็นไปได้ในเวลาหลักนาทีเท่านั้น

แน่นอนว่าในอนาคตนักบินอวกาศจะเดินทางไปขึ้นไปทำงานบนสถานีอวกาศนานชาติได้เร็วกว่าที่เราเดินทางกันในกรุงเทพฯ แน่ ๆ

การเดินทางไปทำงานเป็นเรื่องที่ดีจริง ๆ นะ

จากเรื่องตอนแรกที่เราเล่าให้ฟัง มนุษย์เปลี่ยนจากการเดินทางด้วยการนำทุกอย่างมาอยู่ใกล้กับตัว จากนั้นมนุษย์ก็เลือกที่จะเดินทางอีกครั้งโดยแลกกับอิสระและพื้นที่ส่วนตัว นั่นหมายความว่าการเดินทางจะช้าหรือเร็วอาจจะไม่สำคัญ แต่เมื่อมันได้แลกมากับสิ่งที่เราต้องการ อาจจะเป็นการได้เรียนรู้อะไรใหม่ ๆ ระหว่างทาง การได้เรียนรู้การหาเส้นทางใหม่ ๆ หรือแม้กระทั่งการเลือกว่า เราจะเดินทางด้วยทางที่ช้าหรือเร็ว

วันนึงที่เดินทางกลับบ้าน ไม่ได้ไปไหน แค่กลับบ้าน ที่มา – ถ่ายเอง

การเดินผ่านห้องเรียนของคนที่เราแอบชอบเพื่อได้เห็นเขาไม่กี่วินาที อาจจะเป็นเส้นทางที่ดีที่สุด และเป็นทางที่เราเลือกมากกว่าการเดินทางที่เร็วที่สุดก็ได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าเราคาดหวังอะไรจากการเดินทางนั้น คาดหวังที่จะได้อยู่กับคนที่เราชอบ คาดหวังคาดหวังที่จะได้ยืนจับมือกับใครซักคนบน MRT ที่เต็มไปด้วยผู้คน ที่จะได้นั่งรถเลยทางลงบ้านเบื่อให้ได้อยู่กับคนคนนั้นนานขึ้น หรือแม้กระทั่งเดินทางไกลขึ้นเพื่อจะได้กลับบ้านกับเขาอีกครั้งนึง ทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับเราล้วน ๆ แม้จะมีอัลกอริทึมหรือการ Optimize Problem ที่ฉลาดเท่าใด แต่เส้นทางที่ดีที่สุดถูกเลือกด้วยหัวใจของเราเอง

อ้างอิง

Russia to Introduce Two-Orbit Express Rendezvous with International Space Station | Spaceflight 101

Progress MS-09 Profile | Russian Space Web

Hohmann Transfers | University of Georgia College of Education