ทำไมไปดวงอาทิตย์ยากกว่าไปดาวพลูโต ฟิสิกส์วงโคจรของยาน Parker Solar Probe

Written by Science, Spacecrafts

วันที่ 12 สิงหาคม 2018 ในที่สุดยานสำรวจดวงอาทิตย์ที่ถูกตัดงบแล้วไปแทนที่ด้วยการส่งยานไปยังดาวพลูโตก็ถูกปล่อยขึ้นซักที ตั้งแต่โครงการ Solar Probe มาเป็น Solar Probe Plus และเป็น Parker Solar Probe ในที่สุด ถ้าใครที่ได้ดูการปล่อยจะเห็นว่าในการปล่อยนั้นมีหลายอย่างที่เราอาจจะรู้สึกว่าทำไมมันดูไม่ค่อย Make Sense เช่น

  • ทำไมปล่อยยานตอนกลางคืน
  • ทำไมยานหนักแค่ 600 กิโลกรัมต้องใช้จรวดที่ใหญ่ที่สุดในโลก พร้อมจรวดขนาบข้างเต็มสูบ และยังต้องใช้ Star-48 VB เครื่องยนต์ขนาดเล็กไว้เร่งความเร็วเพิ่ม
  • ทำไมถึงส่งให้เดินทางไปดาวศุกร์ก่อน

ซึ่งจริง ๆ แล้วทุกอย่างที่เกิดขึ้นมันคือเหตุผล โดยเฉาะเรื่องของยาน Parker Solar Probe ที่มีน้ำหนักน้อยมากจนเรียกได้ว่าสามารถส่งไปดาวอังคารด้วยจรวด Delta II (ที่ใช้ในการส่งยาน Spirit และ Oppertunity) ได้อย่างสบาย ๆ แต่เมื่อเราส่งมันไปยังดวงอาทิตย์กลับต้องใช้จรวด Delta IV Heavy ที่ตอนนี้ถ้าไม่นับ Falcon Heavy มันคือจรวดที่ทรงพลังที่สุดในโลก และมีขนาดใหญ่ที่สุดในโลกเช่นกัน (ใหญ่กว่า Falcon Heavy) เล็กน้อย

การปล่อยยาน Parker Solar Probe ด้วยจรวด Delta IV Heavy ที่มา – NASA

เหตุผลง่าย ๆ ก็คือ การส่งยานเข้าไปในวงโคจรชั้นในของวงโคจรโลกยากกว่าการส่งออกไปชั้นนอกในแง่ของการใช้พลังงาน ดังนั้นทุกอย่างจำเป็นต้องมีการคำนวณมาเพื่อให้ใช้ Delta V น้อยที่สุด

อธิบายเพิ่มเติมก่อน Delta V ที่เราจะพูดถึงกันในบทความนี้อย่าได้สับสนกับชื่อของจรวด Delta V คือ ผลต่างของความเร็ว เช่น เรากำลังอยู่บนสเก็ตบอร์ดด้วยอัตราเร็ว 5 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แล้วเราเอาตีนไปไถพื้นเพื่อเพิ่มความเร็ว จนกลายเป็น 10 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ดังนั้น Delta V ของเราคือ 5 กิโลเมตร ต่อชั่วโมง คือส่วนต่างของความเร็วที่เพิ่มขึ้น

สิ่งนี้สำคัญมากในการออกแบบวงโคจร เนื่องจากการออกแบบวงโคจรที่ดีจะทำให้เราใช้ Delta V น้อยแต่ผลออกมาไม่ต่างกัน ซึ่งทำให้เราใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่า ถ้าเปรียบเทียบกับยานอวกาศ ในการเอาตีนไปไถพื้นนั้นเราจะเรียกว่าการเบิร์น (Burn) การเบิร์นจะเป็นช่วงที่เสียวที่สุด เนื่องจากถ้าใช้เวลาเบิร์นมากหรือน้อยกว่าที่คำนวณไว้ วิถีการโคจรอาจจะผิดพลาดได้ ถ้าน้อยไปอาจจะเบิร์นเพิ่มได้ แต่ถ้ามากไปวงโคจรนั้นจะเสียเลย ต้องหันจรวดกลับมาอีกทางเพื่อเบิร์นไปในทางตรงกันข้าม ซึ่งจะใช้เชื้อเพลิงเกินส่วนเกินและถ้ายังเบิร์นมั่ว ๆ อยู่ กลับไปกลับมายานก็อาจจะไม่ถึงเป้าหมายและเชื้อเพลิงหมดก่อน

ภาพจำลองขณะยาน Parker Solar Probe อยู่บน Low Earth Orbit ที่มา – NASA Scientific Visualization Studio

นี่คือสิ่งที่ยานอวกาศทุกลำต้องเจอ นักออกแบบวงโคจร ซึ่งเป็นศาสตร์หนึ่งใน Orbital Physics หรือ Orbital Dynamics จะต้องคำนวณอย่างแม่นยำมาก ๆ ซึ่งในแต่ละภารกิจ Delta V จะคลาดเคลื่อนได้มากน้อยแค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับว่าเป้าหมายอยู่ห่างออกไปแค่ไหนนั่นเอง

ส่วนสาเหตุที่ต้องปล่อยตอนกลางคืนก็เพราะว่าตัวยานจะต้องบินผ่านแถบรังสีที่ล้อมรอบโลกอยู่ ซึ่งแถบรังสีพวกนี้เป็นพวกอนุภาคมีประจุ ถ้าเป็นช่วงกลางวันอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์จะไปชนกับมันทำให้มันมีพลังงานมากกว่าเดิมและอาจจะทำความเสียหายให้กับอุปกรณ์ต่าง ๆ บนยานอวกาศได้

ส่งยานไปดวงอาทิตย์ทำไมถึงยากนักหนา

ถ้าการส่งยานเข้าไปในดาวเคราะห์วงในจากวงโคจรโลกหรือให้โคจรเข้าไปใกล้ดวงอาทิตย์มันยาก ก็ต้องลองถามกลับก่อนว่าทำไมการส่งยานอวกาศไปยังดาวเคราะห์วงนอกของวงโคจรโลกมันง่ายกว่า เหตุผลง่าย ๆ ก็คือ โลกเรากำลังเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ด้วยความเร็ว 30 กิโลเมตรต่อวินาที

เราเรียกความเร็วนี้ว่า ความเร็วสัมพัทธ์กับดวงอาทิตย์ (relative to the sun หรือ respect to the sun) ความเร็วนี้ได้มาตั้งแต่ตอนที่ระบบสุริยะของเราถือกำเนิดขึ้น ทำให้ดาวเคราะห์ต่าง ๆ โคจรรอบดวงอาทิตย์

เนื่องจากกฏของเคปเลอร์บอกเราว่ายิ่งเราอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ ความเร็วโคจรสัมพัทธ์กับดวงอาทิตย์ (respect to the sun) ก็จะยิ่งมากและยิ่งอยู่ในวงโคจรที่ห่างออกไปก็จะยิ่งช้าลง

  • โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยอัตราเร็ว 30 กิโลเมตรต่อวินาที
  • ดาวอังคารโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยอัตราเร็ว 24 กิโลเมตรต่อวินาที
  • ดาวพฤหัสโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยอัตราเร็ว 13 กิโลเมตรต่อวินาที

จะเห็นว่าจากข้อมูลพวกนี้ ยิ่งดาวที่อยู่วงโคจรวงนอกเท่าไหร่ อัตราเร็วของมันก็จะยิ่งช้าลงตามลำดับ ในทางกลับกันเราต้องการให้ยาน Parker Solar Probe ไปอยู่ที่จุด Perihelion (วัตถุใด ๆ โคจรเป็นวงรี Perihelion คือจุดที่รีเข้ามากใกล้ศูนย์กลางที่สุด) ซึ่งมีความห่างจากดวงอาทิตย์อยู่ที่ 6.2 ล้านกิโลเมตร (ใกล้กว่าดาวพุธ 10 เท่า) ซึ่งอยู่ในชั้นโคโรน่าของดวงอาทิตย์ นั่นหมายความว่า ความเร็วโคจรของมันสัมพัทธ์กับดวงอาทิตย์จะต้องมากกว่ายานลำใดในประวัติศาสตร์

ยาน Parker Solar Probe ณ จุดใกล้ดวงอาทิตย์ ที่มา – Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

แน่นอน ด้วยเหตุนี้ทำให้ยาน Parker Solar Probe เมื่อมันโคจรเข้าไปในจุด Perihelion หรือจุดในสุดของวงรีแล้ว มันจะมีความเร็วสูงถึง 200 กิโลเมตรต่อวินาที สมการนี้คิดง่าย ๆ และค่อนข้าง Linear

เอาที่จริงการตอบว่ายากหรือง่ายนั้นขึ้นอยู่ว่าเรานิยามความยากว่าเพราะอะไร เพราะใช้เชื้อเพลิงเยอะกว่า, เพราะใช้การคำนวณที่แม่นยำกว่า หรือเพราะต้องทำ Gravity Assits หลายครั้งกว่า แต่สำหรับ Parker Solar Probe แล้ว ความยากนี้น่าจะเป็นการเอาทุกข้อมารวมกัน (ฮา)

ดังนั้น ถ้าคิดแบบนี้การส่งยานไปดาวเคราะห์ที่อยู่วงนอกของโลกก็คือเราจะต้องทำการลดความเร็วหรือเพิ่มความเร็วกันแน่ ? คำตอบก็คือทิศทางต่างหาก

เร่งเข้าจะทำให้คุณไวขึ้น แต่ถ้าเร่งออกจะทำให้คุณช้าลง

ไม่ว่าจะส่งยานไปสำรวจดาวดวงไหนเราก็ต้องเร่งความเร็วหมดแหละ เพียงแต่ว่า แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ ดังนั้นมันจึงต้องมีทั้งขนาดและทิศทาง ดังนั้นการเร่งความเร็วที่เราพูดถึงคือเราพูดถึง Delta V ไม่ได้พูดถึง สัมพัทธ์กับดวงอาทิตย์

เวลาส่งยานอย่างแรกเลยก็คือเราต้องโคจรรอบโลกให้ได้ก่อน เมื่อโคจรรอบโลกได้แล้วถ้าเราเร่งความเร็วให้เกินความเร็วหลุดพ้น (Escape Velocity) ซึ่งแรงโน้มถ่วงของโลกจะไม่สามารถจับวัตถุนั้นได้อีกต่อไป เราก็จะหลุดจากวงโคจรของโลก (Geocentric) แต่ก็จะอยู่ในวงโคจรระยะห่างเท่ากับที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์อยู่ ซึ่งเราเรียกว่า Heliocentric หรือวงโคจรโคจรรอบดวงอาทิตย์ แต่ Aphelion และ Perihelion จะไม่เท่ากับโลกเป๊ะ เพราะขึ้นอยู่กับทิศทางว่ามัน Burn ออกมาทางไหน (ยานอวกาศหลายลำใช้วงโคจรนี้ เช่น Kepler)

ใช่ ดังนั้นสิ่งที่สำคัญเลยก็คือทิศทาง นึกภาพง่าย ๆ ถ้าเราหลุดออกมาจากแรงโน้มถ่วงของโลกในทิศทางเดียวกับที่โลกโคจร Aphelion ก็จะถูกยกให้สูงขึ้นในขณะที่ Perihelion จะอยู่ที่เดิม (ประมาณ 1 AU)

แต่ ถ้าเราหลุดออกจากวงโคจรโลกมาในทิศทางตรงกันข้ามกับที่โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ Perihelion ของเราก็จะลดลง ในขณะที่ Aphelion ของเราเท่าเดิม เหตุนี่ก็เพราะว่าเราเราหลุดออกมาด้วยการเร่งความเร็วไปในทิศต้านกับที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์

เอาจริงก็พยายามนึกภาพเอาละกัน เรื่องของฟิสิกส์วงโคจรเป็นอะไรที่ต้องใช้จินตนาการและไอเดียเรื่องความสัมพัทธ์เยอะมาก

ยาน Messenger ละ Helios

Messenger ที่เดินทางไปสำรวจดาวพุธ และด้วยการที่มันเป็นยานที่โคจรรอบดาวพุธ ทำให้มันต้องปรับความเร็วให้ได้เท่ากับความเร็วของดาวพุธที่โคจรรอบดวงอาทิตย์คือ 56 กิโลเมตร/วินาที เพื่อให้แรงโน้มถ่วงของดาวพุธจับยาน Messenger ไว้ได้ (จากนั้นมันจะโคจรรอบดาวพุธด้วยความเร็วเท่าไหร่ก็ว่าไป เพราะความเร็วนั้นนับว่าสัมพัทธ์กับดาวพุธ)

วงโคจรของยาน Messenger ก่อนจะเข้าสู่วงโคจรของดาวพุธ ที่มา – Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

แต่ Messenger กลับไม่ใช่ยานที่เข้าไปอยู่ในจุดที่ทำให้มันมีความเร็วมากที่สุด สถิติกลับตกเป็นของยาน Helios 1 และ 2 ที่ถูกส่งไปยังวงโคจรใกล้ดวงอาทิตย์ที่ระยะ 43 ล้านกิโลเมตร ในปี 1976 ซึ่งเป็นครั้งแรกที่มีการส่งยานเข้าไปใกล้กว่าวงโคจรของดาวพุธ แต่ในขณะที่ Perihelion ของมันใกล้ขนาดนั้น แต่ Aphelion ของมันก็ยังอยู่ในระยะของวงโคจรโลกอยู่ (ดังนั้นจากภาพจะเห็นว่าวงโคจรของมันจะมีความรีมากทีเดียว)

ภาพจำลองยาน Helios ที่มา – DFVLR / NASA

ยาน Helios ถูกปล่อยด้วยจรวด Titan IIIE กับ Centaur Upper-stage ซึ่งก็นับว่าเป็นการใช้จรวดที่ใหญ่ที่สุด ณ ตอนนั้นเหมือนกัน ไม่ต่างจากการปล่อย Parker Solar Probe เท่าไหร่ เพียงแต่ว่า สิ่งที่ทำให้การปล่อย Helios ใช้พลังงานเยอะ แต่ได้ผลที่ไม่ Efficient เท่า Parker Solar Probe ก็เพราะว่า Parker Solar Probe ใช้ดาวศุกร์เป็นเครื่องมือเพื่อเร่งความเร็วต่างหาก

ใช้ดาวศุกร์เป็นเครื่องมือในการเร่งความเร็ว

ในขณะที่ยาน Helios ต้องเดินทางสู่ดวงอาทิตย์ด้วยการฝากความหวังทั้งหมดไว้กับจรวด Titan IIIE ยาน Parker Solar Probe ใช้วิธีการที่ฉลาดกว่านั้น หลังจากที่มันเดินทางหลุดออกมาจากวงโคจรของโลกในทิศทางตรงกันข้าม (กับที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์) มันก็ยังทำการ Flyby หรือบินผ่านดาวศุกร์ เพื่อเร่งความเร็วไปในทางตรงกันข้าม (กับที่ดาวศุกร์โคจรรอบดวงอาทิตย์) โดยมันจะเดินทางถึงดาวศุกร์ในวันที่ 2 ตุลาคม แล้วใช้แรงโน้มถ่วงของดาวศุกร์ฉุดรั้งมันเอาไว้ให้ Perihelion เข้าไปใกล้กว่า มันจะทำแบบนี้ทั้งหมด 7 ครั้งด้วยกัน (ใช้การโคจร 24 รอบ และผ่านดาวศุกร์ 7 รอบ) จนทำให้มันไปถึงจุดที่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดในภารกิจคือ 6.2 ล้านกิโลเมตร

แผนที่วิถีการโคจรของยาน Parker Solar Probe ที่มา – NASA Scientific Visualization Studio

ด้วยเหตุนี้ทำให้ Aphelion ของมันจะค่อย ๆ ลดลงเรื่อย ๆ และสุดท้ายจะลดลงมาเหลือแค่ 100 ล้านกิโลเมตรเท่านั้น และใน Final Orbit นี้ยานจะใช้เวลาโคจรรอบดวงอาทิตย์ในเวลาแค่ 88 วัน (เท่ากับดาวพุธเลย)

รวมระยะเวลาที่ใช้ในการปรับวงโคจรเพื่อให้ได้วงโคจร Final Orbit นี้จะใช้เวลาถึง 7 ปีเลยทีเดียว

จงหลงรักศาสตร์แห่งการออกแบบวงโคจร

อย่างที่บอกไปตอนแรกศาสตร์ของการออกแบบวงโคจรเป็นสิ่งที่ยาก และจนถึงทุกวันนี้แม้ว่าเราจะมีคอมพิวเตอร์ช่วยประมวลผล แต่ทั้งหมดก็เกิดมาจากสมการและกรอบวิธีคิดเดิม ๆ คือ กฏของนิวตัน, กฏของเคปเลอร์, สมการจรวดไซคอฟสกี สุดท้ายมารวมกับอัลกอริทึมที่เราเขียนเป็นโปรแกรมใส่คอมพิวเตอร์ไว้ มีการ Optimize ตามหลักทางคณิตศาสตร์เพื่อสร้างโมเดลใหม่ ๆ

แม้ว่าตอนนี้ความรู้เรื่อง Orbital Physics ของเราจะทำให้เราสามารถส่งยานไปสำรวจวัตถุต่าง ๆ ในระบบสุริยะได้อย่างไร้ขีดจำกัด เราส่งคนไปดวงจันทร์ได้ด้วยสมการนิวตัน แต่เราก็เอาสมการนิวตันมาอธิบายวงโคจรของดาวพุธไม่ได้ ถ้าไม่มีทฤษฏีสัมพัทธภาพ

นอกจากนี้ยังมีเรื่องน่าสนใจอื่น ๆ เช่น การออกแบบวงโคจรของยาน TESS คือ การใช้วงโคจรแบบ P/2 Orbit (2:1 lunar resonant orbit) หรือแม้กระทั่งการที่รัสเซียทำการ Optimize อัลกอริทึมการ Burn ของยาน Soyuz ให้มันสามารถเดินทางถึงสถานีอวกาศนานาชาติได้ไวกว่าเดิม ด้วยการทำ Realtime Data Processing

แต่สุดท้ายแล้วอย่างที่บอก ทั้งหมดนี้คือการทำตามอัลกอริทึมและโมเดล ผู้เขียนเชื่อว่าซักวันถ้าเราได้นำ Machine Learning มาใช้ ทำการสร้างสภาพแวดล้อมไว้ให้มันแล้วเทรนมันเรื่อย ๆ เราอาจจะทำลายข้อจำกัดหลาย ๆ อย่างของการออกแบบวงโคจรก็ได้ เราอาจจะไม่ต้องอ้างอิงวิธีคิดแบบเดิม และสุดท้าย มนุษย์เราจะสามารถค้นพบสิ่งใหม่ ๆ ได้ และเดินทางในจักรวาลได้อย่างอิสระ ด้วยศาสตร์การออกแบบวงโคจรที่ดี

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Heliospheric Trajectories of the Helios Mission | Max Planck Institute

HELIOS mission: Mission objectives, mission verification, selected results | ESA

Last modified: August 13, 2018

Where Thai Space Nerds Write.
Pichsinee P., I love you forever.