ทุกวันนี้เราเห็นการลงจอดของยานอวกาศด้วยร่มชูชีพ (Parachute) กันเป็นเรื่องชินตา ตั้งแต่การลงจอดของยานอวกาศลำใหญ่ที่มีมนุษย์โดยสารไปด้วย ยานอวกาศที่ใช้ในการขนส่งเสบียง ไปจนถึงแคปซูลสำหรับทำ Sample Return หรือนำตัวอย่างหินจากอวกาศกลับสู่โลก โดยยานอวกาศบางรุ่นอาจมีระบบ Soft Landing ที่ช่วยชุดระเบิดชะลอความเร็วในวินาทีสุดท้ายก่อนยานสัมผัสพื้น เช่น ยาน Soyuz ของรัสเซีย ในขณะที่ NASA ออกแบบให้ยานอวกาศทุกลำลงจอดบนน้ำเพื่อลดแรงกระแทก ภาพเช่นนี้ชินตามาตั้งแต่ยุค Apollo
แต่รู้หรือไม่ NASA เองก็เคยออกแบบระบบการลงจอดของยานอวกาศให้ใช้ใบพัดเหมือนกันเฮลิคอปเตอร์ โดยอาศัยปรากฎการณ์ทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า Auto-Rotation ที่ช่วยให้ใบพัดสามารถหมุนและชะลอความเร็วของยานอวกาศได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องยนต์
รู้จัก Powered และ Un-Powered Landing กันก่อน
ในบทความเรื่อง ประวัติศาสตร์ การบินบนดาวเคราะห์อื่นด้วยบอลลูน ที่ทำให้ Ingenuity ไม่ใช่อากาศยานลำแรก เราเคยอธิบายกันไปแล้วว่าจริง ๆ แล้วเทคนิคการนำอากาศยานมาใช้ในการสำรวจอวกาศนั้นมีหลากหลายมากกว่าที่เราคิด ไม่ว่าจะเป็นบอลลูนที่ถูกส่งไปสำรวจดาวศุกร์ การใช่ร่มชูชีพบนดาวที่มีอากาศ เช่น ดาวอังคาร หรือแม้กระทั่งดวงจันทร์ไททันของดาวเสาร์ ที่เราจะนับว่าเป็น Un-Powered Flight หรือการบิน (หรือร่อนลง) ที่ไม่ต้องใช้พลังงานจากตัวยาน และการลงจอดหรือบินแบบ Powered Flight, Landing ที่อาศัยการพยุงจากพลังงานบนตัวยาน เช่น ระบบลงจอดยานอวกาศบนดาวอังคาร ที่ใช้เครื่องยนต์จุดชะลอความเร็ว หรือการใช้ใบพัดมอเตอร์ไฟฟ้าหมุนเพื่อสร้างแรงยกของเฮคลิคอปเตอร์ Ingenuity บนดาวอังคาร
โดยในการทำ Powered Landing บนโลกนั้นยังไม่เคยเกิดขึ้นโดยเฉพาะกับยานอวกาศที่มีมนุษย์เดินทาง ตั้งแต่ยุคแรกของการสำรวจอวกาศอย่าง Mercury, Gemini, Apollo เรื่อยมาจนถึงยุคของกระสวยอวกาศ ที่ดูเหมือนจะเป็นการลงจอดแบบเครื่องบิน แต่จริง ๆ แล้วเป็นเพียงการร่อนลงเท่านั้น หรือแม้กระทั่งเครื่องบินอวกาศยุคปัจจุบันอย่าง SpaceShipTwo ของบริษัท Virgin Galactic ในการลงจอดนั้นก็ไม่ได้จุดเครื่องยนต์เลยแม้แต่น้อย
วัตถุอวกาศนิดเดียวที่ลงจอดในลักษณะ Powered Landing หรือ Pulsulsive Landing นั้น พอพูดมาถึงตรงนี้หลายคนก็คงจะพอนึกออกว่าก็คือจรวด Falcon 9 และยานอวกาศ Starship ของ SpaceX โดยเราจะไม่นับจรวดรุ่นทดสอบอื่น ๆ ในอดีต เช่น ยานทดสอบการลงดวงจันทร์ในยุค Apollo ที่เคยทำ Naeil Armstrong เกือบตายมาแล้ว หรือการพัฒนาจรวดลงจอดได้เองในยุคแรก ๆ เพราะไม่ได้ถูกนำมาใช้จริง อย่างไรก็ดี เราอยากเตือนความจำกันอีกครั้งว่าจริง ๆ แล้ว ยาน Dragon นั้นก็ถูกออกแบบมาให้ลงจอดด้วยการทำ Pulsulsive Landing ได้ แต่ NASA ยังไม่อนุมัติให้ทำจริง SpaceX จึงชะลอแผนการทดสอบไปก่อน และใช้ระบบการลงจอดด้วยร่มชูชีพเหมือนปกติ
แล้วทำไมต้องลงจอดแบบเฮลิคอปเตอร์
จริง ๆ แล้ว NASA ไม่ได้สนใจว่าจะต้องลงจอดแบบเฮลิคอปเตอร์ แต่สนใจว่าเราจะลงจอดยานอวกาศอย่างไรให้แม่นยำราวกับจับวาง และสามารถบังคับยานให้ลงจอดในจุดที่ต้องการได้
โดยเราจะมาดูการลงจอดแบบปกติกันก่อน ในกรณีของ NASA จะใช้การลงจอดกลางทะเล ซึ่งในเอกสาร NASA’s SpaceX Demo-2 Test Flight: Space Station Departure and Splashdown Criteria ได้ระบุไว้ว่าในการเลือกจุดลงจอดนั้น จะต้องทำในช่วงเวลาที่ใกล้กับระยะเวลาที่ยานจะกลับโลกมากที่สุด เพื่อให้สภาพอากาศ คลื่นลม ใกล้เคียงกับสภาวะที่ต้องการ โดยจะต้องไม่มีคลื่นลมแรง ความเร็วลมห้ามเกิน 4.5 เมตรต่อวินาที (16 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) ไม่มีพายุ และเฮลิคอปเตอร์ทีมเก็บกู้จะต้องสามารถบินอยู่ได้นิ่ง ๆ โอกาสฟ้าฝนต้องน้อยกว่า 25% และถ้ามีโอกาส ก็จะเลือกทำในเวลากลางวันมากกว่ากลางคืน
การเก็บกู้ยานอวกาศ Dragon ในภารกิจ Crew Demo-2 ที่มา – NASA
ในการเลือกจุดลงจอดนั้น NASA ก็จะเลือกไว้หลาย ๆ จุด และจิ้มเอาจุดที่เหมาะสมที่สุด โดยบางจุดอาจจะอยู่ใกล้เคียงกันมาก ๆ หลังจากที่เลือกได้แล้ว เมื่อยานอวกาศทำการ De-Orbit ลงจากวงโคจร ทุกอย่างจะขึ้นอยู่กับการคำนวณล่วงหน้าล้วน ๆ และไม่สามารถไปปรับแก้อะไรได้ (เราเรียกว่า Ballistic Trajactory) ซึ่งถ้าคำนวณถูกก็ดีไป แต่ถ้าคำนวณพลาด อาจเหมือนกับในภาพยนตร์เรื่อง The Core ที่กระสวยอวกาศ Endeavour ต้องลงจอดกลางแม่น้ำลอสแองเจลิส
ดังนั้นการลงจอดแบบเฮลิคอปเตอร์ที่สามารถเลือกจุดร่อนลงจอดได้ จึงช่วยเพิ่มโอกาสความราบรื่นในการเก็บกู้ได้ แม้จะไม่ได้ช่วยให้ตัวยานร่อนไปได้ไกลมาก แต่ก็ถือว่าอยู่ในระดับที่ NASA ให้ความสนใจและทดสอบถึงความเป็นไปได้
Auto-Rotation ไม่ได้ร่วงแบบก้อนอิฐแต่ร่วงเหมือนใบไม้
อย่างที่บอกไปว่าการติดใบพัดเฮลิคอปเตอร์ไปกับยานอวกาศนั้น เป็นการใช้ปรากฎการณ์ทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า Auto-Rotation ที่ใช้แรงต้านอากาศที่เกิดจากการที่ตัวแคปซูลถูกดึงลงสู่พื้นโลกจากแรงโน้มถ่วง มาหมุนใบพัดเพื่อโอนถ่ายพลังงานแรงต้านอากาศมาเป็นการหมุนของใบพัด ทำให้ตัวยานอวกาศสามารถชะลอความเร็ว นอกจากนี้ยังสามารถเคลื่อนที่ในทิศทางต่าง ๆ จากการปรับองศาของใบพัดได้ด้วย
โดยหลักการนี้เอง ที่ทำให้เฮลิคอปเตอร์เวลาเกิดเครื่องยนต์เสียหาย แม้จะไม่มีกำลังไปปั่นใบพัด แต่เฮลิคอปเตอร์ก็จะไม่ได้ตกลงมาเหมือนก้อนอิฐ แต่จะค่อย ๆ ร่อนลงเหมือนใบไม้ร่วงได้เอง (เว้นเสียแต่ว่าใบพัดระเบิดกระจุยไป หรือได้รับความเสียหาย อันนี้ก็ไม่มีอะไรช่วยแล้ว)
ในปี 2012 Wired ได้รายงานผ่านบทความชื่อ NASA Testing a Space Capsule/Helicopter Hybrid ว่า NASA กำลังทดสอบระบบการลงจอดด้วย Auto-Rotation
ในบทความรายงานว่า ไอเดียดังกล่าว เกิดขึ้นมาตั่งแต่ยุค Apollo แต่สุดท้ายด้วยความเร่งรีบของโครงการ ทำให้ NASA พับแผนการใช้ใบพัดไป และหลังจากนั้นในยุคกระสวยอวกาศ เรื่องของใบพัดก็ไม่ได้ถูกนำมาพูดถึง เพราะตัวกระสวยอวกาศนั้นก็สามารถร่อนลงได้เหมือนกับเครื่องร่อนอยู่แล้ว และสามารถบังคับให้มาลงจอด ณ สนามบินได้ด้วย
แต่ในปี 2012 ซึ่งเป็นปีหลังจากที่ NASA ปลดระวางการใช้งานกระสวยอวกาศ และหันมาพัฒนายานอวกาศสำหรับคนนั่งแบบแคปซูลอีกครั้ง แนวคิดเรื่องใบพัดช่วงลงจอดก็ได้กลับมาเป็นที่ถูกพูดถึงอีกครั้ง และได้มีการทดสอบปล่อยแคปซูลจำลองขนาดเล็กลงมาจากความสูง 140 เมตร ในอาคารประกอบจรวดของ NASA
หากเราไปดูเอกสารรายงานต่าง ๆ ในเว็บ NASA เราจะพบว่า งานวิจัยที่หยิบยกมาพูดถึงจะเป็นการใช้การศึกษาแบบเดียวกับกรณี Auto-Rotation ของเฮลิคอปเตอร์ เช่น Optimal Landing of A Helicopter in Autorotation ในปี 1985 และ Pilot use of simulator cues for autorotation landings 1986 ซึ่งจะเห็นว่าใน NASA และหัวข้อวิจัยในช่วงนั้น พูดถึง Autorotation กันพอสมควร และหากเราดูจาก Google Ngram Viewer เราจะพบว่า Trend คำว่า Auto-Rotation นั้นถูกพูดถึงในช่วงปี 1928, 1949 และ 1969 อย่างมาก ก่อนที่จะถูกพูดถึงน้อยลงเรื่อย ๆ และกลับมาอีกครั้งในช่วงปี 2011 (ซึ่งเป็นช่วงที่กระสวยอวกาศถูกปลดระวาง และ NASA เริ่มกลับมาศึกษา Auto-Rotation อีกครั้ง – อย่างไรก็ดีนี่ไม่ได้เป็นเครื่องพิสูจน์โดยตรง Correlation does not imply causation)
แต่ในการทดสอบปี 2012 ที่ Wired รายงานนั้น กลับไม่ปรากฎผลการศึกษาบนเว็บไซต์ NASA เลย และเรื่องก็ได้เงียบไปอีกครั้ง
นอกจาก NASA แล้วคนอื่นก็เอาด้วย
จรวด Falcon 9 อาจจะทำให้คุณประทับใจกับการทำ Propulsive Landing แต่รู้หรือไม่ บริษัท Rotary Rocket เคยทดสอบจรวดที่ใช้หลัก Auto-Rotation ในการลงจอดในช่วงยุค 90 ด้วย และได้มีการทดสอบจริง ๆ หลายครั้ง อย่างไรก็ตามบริษัทนี้ปิดตัวไปในปี 2001 และเราก็ไม่ได้เห็น Rotary Rocket อีกเลย แต่ก็มีคนนำมาทำล้อใน KSP เยอะอยู่เหมือนกัน สามารถไปหาชมสนุก ๆ ได้
ในปี 2009 บริษัท AEDS Atrium เคยมีการศึกษา Auto-Rotation in Martian Descent and Landing ซึ่งใช้หลักการ Auto-Rotation ในการลงจอดบนดาวอังคาร โดยการศึกษาดังกล่าวถูกทำภายใต้การสนับสนุนจาก ESA ด้วย แต่ก็ไม่ได้มีการพูดถึงอีกเช่นกัน
ปัจจุบันเรายังไม่เห็นการนำเอา Auto-Rotation มาใช้ในวงการอวกาศอย่างจริงจัง (และก็ดูน่าจะไม่ได้เห็นในเร็ววันด้วย) แล้วดูเหมือนว่าทุกคนก็หันหน้าไปทำ Propulsive Landing กันหมด (ซึ่งการทำ Propulsive Landing ในช่วงหลังนั้นแม่นยำและมีประสิทธิภาพขึ้นจากโมเดลอัลกอริทึมที่ดีขึ้น เช่น โมเดล Guidance algorithm for Fuel Optimal Large Diverts หรือ G-Fold ที่ใช้ในการลงจอดของยานอวกาศบนดาวอังคารและจรวด Falcon 9) แต่อย่างไรก็ดี ไม่เสียหายที่จะรู้ไว้ว่ามีปรากฎการณ์เช่นนี้อยู่ และวันหนึ่งหากมีโอกาสที่เหมาะสมเราก็สามารถดึงเอาผลการศึกษา ตัวเลข โมเดลการคำนวณเหล่านี้มาใช้งานได้เช่นกัน
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
