03 01

 

ลองหยิบก้อนหินขึ้นมาก้อนหนึ่ง แล้วโยนขึ้นไปบนฟ้า ก้อนหินก้อนนี้จะใช้เวลาสักพักหนึ่งก่อนที่จะตกกลับลงมา หากเราโยนก้อนหินนี้อีกครั้ง ด้วยความเร็วต้นที่เร็วขึ้น เราจะพบว่าก้อนหินก้อนนี้ใช้เวลานานขึ้น และลอยขึ้นไปสูงกว่าเดิม ก่อนที่จะตกลงมาใหม่ และถ้าเราโยนเร็วขึ้นไปอีก ก็จะใช้เวลานานขึ้นๆๆๆๆ จนกระทั่งถึงความเร็วหนึ่ง ก้อนหินนี้ก็จะใช้เวลานานมากเสียจนไม่ตกกลับลงมาอีกเลย

เราเรียกความเร็วนี้ว่า “อัตราเร็วหลุดพ้น”

สำหรับบนพื้นโลกนั้น อัตราเร็วหลุดพ้นอยู่ที่ 11.2 กม./วินาที นั่นหมายความว่าหากเรายิงอะไรขึ้นไปด้วยอัตราเร็วตั้งแต่ 11.2 กม./วินาที เป็นต้นไป วัตถุนั้นควรจะหลุดออกไปจากแรงโน้มถ่วงของโลก และไม่กลับลงมาอีก

หมายความว่าหากเราจะส่งจรวด เราจะต้องส่งจรวดขึ้นไปด้วยอัตราเร็ว 11.2 กม./วินาทีใช่หรือไม่?

ความจริงแล้วนี่เป็นสิ่งที่หลายๆ คนมักจะเข้าใจกันผิดๆ ว่าจรวดจะต้องขึ้นจากฐานด้วยอัตราเร็วหลุดพ้น วิธีพิสูจน์ง่ายๆ ว่าจรวดขึ้นไปด้วยอัตราเร็วหลุดพ้นหรือไม่ ก็คือลองเปิดดูวีดีโอจรวดใดก็ตามที่ขึ้นจากฐาน และถ้าหากเรากระพริบตาหนึ่งครั้งแล้วเรายังเห็นจรวดนั้นอยู่ที่ฐานได้ ก็แสดงว่าจรวดนั้นไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วหลุดพ้นแล้ว แน่นอนว่าไม่มีจรวดใดที่ขึ้นไปด้วยความเร็วขนาดนั้น (และในความเป็นจริงแล้วอาจจะเคยมีเพียงวัตถุเดียวที่มนุษย์ส่งขึ้นไปจากโลกด้วยอัตราเร็วสูงกว่าอัตราเร็วหลุดพ้น นั่นก็คือ “ฝาท่อ” ในการทดลองนิวเคลียร์ อ่านเพิ่มเติมได้ที่ [1])

นี่เป็นเพราะว่าอัตราเร็วหลุดพ้น 11.2 กม./วินาทีนั้นเป็นอัตราเร็วที่สูงมาก เทียบเท่าถึง 40,000 กม./ชั่วโมง เลยทีเดียว เร็วเกินกว่ายานพาหนะใดๆ ที่มนุษย์เคยสร้างมาทั้งหมด (เพราะอะไรที่เร็วขนาดนั้นก็จะหลุดออกไปนอกโลกแล้ว) อัตราเร็วหลุดพ้นนั้นเป็นเพียงขอบเขตทางทฤษฎีที่จะระบุว่าเราจะต้องมีความสามารถในการเร่งวัตถุได้เร็วถึงเท่าใด ก่อนที่เราจะสามารถนำมันออกไปจากแรงโน้มถ่วงของโลกได้

อัตราเร็วหลุดพ้นนั้นมีประโยชน์ในการคำนวณทางทฤษฎี เช่น พลังงานที่เราจะต้องใช้ในจรวดในการขับดันมวลให้หลุดไปจากแรงโน้มถ่วงของโลกนั้นจะใกล้เคียงกับพลังงานที่จะต้องใช้ในการเร่งวัตถุให้มีความเร็วเท่ากับความเร็วหลุดพ้น อย่างไรก็ตาม ในการส่งจรวดนั้นเราไม่จำเป็นต้องเร่งจรวดให้ถึงอัตราเร็วหลุดพ้นด้วยเหตุผลสองประการด้วยกัน

  1. อัตราเร็วหลุดพ้น ใช้สำหรับวัตถุที่ไม่มีความเร่งอีกตลอดการเดินทาง เช่น หากเราต้องการจะยิงกระสุนปืนใหญ่ไปให้ถึงดวงจันทร์ (อย่างในนิยายวิทยาศาสตร์คลาสสิคเรื่อง From the Earth to the Moon: A Direct Route in 97 Hours, 20 Minutes ของ Jules Verne) แต่ในการส่งจรวดนั้นเราสามารถบรรทุกเครื่องยนต์ที่จะคอยเร่งความเร็วของจรวดไปตลอดการเดินทางได้ เราจึงไม่จำเป็นต้องเริ่มด้วยความเร็วต้นที่สูงมากได้
  1. อัตราเร็วหลุดพ้น ไม่ได้คำนึงถึงแรงต้านของอากาศ ประเด็นนี้นั้นเป็นส่วนที่ค่อนข้างสำคัญสำหรับการส่งจรวด แรงต้านอากาศนั้นจะขึ้นอยู่กับพื้นที่หน้าตัด รูปทรงของยานพาหนะ อัตราเร็ว และความหนาแน่นของอากาศ หากเราเริ่มออกเดินทางด้วยอัตราเร็วหลุดพ้นนั้น ยานพาหนะของเราจะต้องพบกับแรงต้านอากาศที่สูง และช้าลงอย่างรวดเร็ว พร้อมกับความร้อนที่เกิดจากการต้านของอากาศ

เพื่อลดแรงต้านของอากาศ ยานอวกาศจำเป็นต้องมีพื้นที่หน้าตัดที่เล็ก (เป็นเหตุผลที่ทำไมจรวดจึงเป็นทรงกระบอกยาวๆ) เป็นรูปทรงที่มี aerodynamics ที่ดี (หัวจรวดจึงเป็นรูปทรงกรวย) และจำเป็นต้องใช้อัตราเร็วที่ต่ำ แต่อย่างไรก็ตามอัตราเร็วที่ช้าจนเกินไปก็หมายความว่าจรวดนั้นจะต้องใช้เวลาเดินทางที่นาน และจะต้องสูญเสียเชื้อเพลิงเป็นอย่างมาก จรวดจึงจำเป็นที่จะต้องพยายามรักษาความเร็วให้อยู่ในช่วงที่พอเหมาะ ไม่เร็วจนเกินไปเสียจนสูญเสียพลังงานส่วนมากไปกับแรงต้านของอากาศ และไม่ช้าจนเกินไปเสียจนสูญเสียพลังงานส่วนมากในการลอยอยู่กับที่คล้ายกับเฮลิคอปเตอร์

อย่างไรก็ตาม ยิ่งจรวดอยู่สูงจากพื้นดินขึ้นไปเท่าใด อากาศก็จะยิ่งเบาบางลงเท่านั้น และแรงต้านอากาศก็จะเป็นปัญหาน้อยลง เราจึงสามารถที่จะเร่งความเร็วได้สูงขึ้น เมื่อจรวดลอยสูงพ้นชั้นบรรยากาศอันหนาทึบเบื้องล่างไปแล้ว ด้วยเหตุนี้จรวดจึงออกจากฐานด้วยความเร่งที่ไม่สูงมาก และจึงค่อยๆ สูงขึ้นเรื่อยๆ เมื่อจรวดขึ้นไปอยู่ในชั้นบรรยากาศที่สูงขึ้นไป จนกระทั่งพยายามเร่งให้เร็วที่สุดในช่วงสุดท้ายเพื่อไปให้ถึงอวกาศให้เร็วที่สุด

 

เรียบเรียง : ดร. มติพล ตั้งมติธรรม - ผู้เชี่ยวชาญดาราศาสตร์ สดร.

#BasicsOfSpaceFlight