05 01

 

การเปลี่ยนวงโคจรแบบโฮมันน์: วิธีไปให้ถึงดวงจันทร์

Hohmann Transfer Orbit

สมมติว่าเราจะต้องเดินทางจากโลกไปยังดวงจันทร์ เราควรจะเลือกเส้นทางไหน?

บนพื้นโลกนั้น หากเราต้องการเคลื่อนที่จากจุด A ไปยังจุด B ให้รวดเร็ว และสิ้นเปลืองพลังงานน้อยที่สุด เราสามารถทำได้โดยการหันพาหนะของเราไปยังเป้าหมาย จากนั้นก็เหยียบคันเร่ง จนกว่าจะถึงที่หมาย

แต่ในอวกาศนั้น แม้ว่าการเดินทางเป็นเส้นตรงจะเป็นเส้นทางที่สั้นที่สุด แต่นั่นไม่ใช่ทางที่สิ้นเปลืองพลังงานน้อยที่สุดเสมอไป สาเหตุหลักๆ ที่ทำให้การเดินทางในอวกาศนั้นต่างออกไปโดยสิ้นเชิง นั้นสืบเนื่องมาจากว่าในอวกาศนั้นไม่มีแรงเสียดทานนั่นเอง

แม้ว่าโดยผิวเผินนั้นเราอาจจะคิดว่าการไม่มีแรงเสียดทานในอวกาศน่าจะเป็นเรื่องที่ทำให้การเดินทางง่ายขึ้น เพราะเมื่อเราทำความเร็วแล้ว ความเร็วนั้นก็ย่อมที่จะคงที่ไปเสมอโดยไม่สูญเสียไป มันก็น่าจะง่ายขึ้นสิ จริงไหม?

ในทางตรงกันข้าม ถ้าหากว่าความเร็วไม่มีการสูญเสียไป ก็หมายความว่าเราไม่สามารถ “เบรค” หรือกำจัดความเร็วที่เกินไปในอวกาศได้เช่นกัน ดังนั้นหากเราเร่งทำความเร็วเป็นเส้นตรงจากจุด A ไปยังจุด B ในอวกาศ เราอาจจะไปถึงจุด B ได้เร็ว แต่เราก็จะไปถึงจุด B พร้อมกับความเร็วที่สะสมมาทั้งหมด และก็จะเลยเป้าหมายไปอย่างรวดเร็วเช่นเดียวกัน เว้นเสียแต่เราจะชลอความเร็วลง ซึ่งในอวกาศไม่สามารถทำได้โดยง่าย และเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความเร็วต้องใช้เชื้อเพลิง นอกจากเราจะต้องแบกเชื้อเพลิงเป็นจำนวนมากเพื่อเร่งความเร็วแล้ว เราก็ยังจะต้องแบกเชื้อเพลิงอีกส่วนเพื่อไปชะลอความเร็วอีกด้วย ซึ่งทั้งหมดหมายถึงน้ำหนักบรรทุกที่เพิ่มมากขึ้น ทำให้ค่าใช้จ่ายสูงมากขึ้นอย่างทวีคูณ

แต่เราสามารถใช้ประโยชน์จากการที่ในอวกาศไม่มีแรงเสียดทานได้ โดยกอาศัย “วงโคจร” ที่เชื่อมระหว่างจุด A ไปยังจุด B ในกรณีของการเดินทางจากโลกไปยังดวงจันทร์ เราทำได้โดยการเลือกวงโคจรที่เป็นวงรี มีจุดที่ใกล้วงโคจรที่สุดอยู่ในอวกาศรอบๆ โลก และมีจุดที่ไกลวงโคจรที่สุดอยู่ในวงโคจรรอบๆ ดวงจันทร์ ทันทีที่เราสามารถเปลี่ยนความเร็วของยานอวกาศให้อยู่ในวงโคจรนี้ได้ เราก็จะสามารถปิดเครื่องยนต์ และยานอวกาศก็จะค่อยๆ โคจรไปถึงเป้าหมายได้เองโดยไม่ต้องอาศัยเครื่องยนต์เพิ่มเติมแต่อย่างใด ในการเดินทางไปยังวัตถุอื่นๆ ในระบบสุริยะที่ผ่านมาทั้งสิ้น เราอาศัยการเดินทางในลักษณะนี้ โดยทำการเร่งความเร็วเกือบทั้งหมดในช่วงแรกๆ และปล่อยให้ยานอวกาศใช้เวลาส่วนมากในการเดินทางไปตามวงโคจรเองด้วยแรงเฉื่อย โดยไม่ต้องอาศัยเครื่องยนต์เพิ่มเติมอีกต่อไป เป็นการใช้เชื้อเพลิงที่คุ้มค่ามากที่สุด เราเรียกวงโคจรวงรีนี้ว่า Hohmann Transfer Orbit

ในบางครั้งเราอาจจะต้องรอให้โลกและวัตถุเป้าหมาย เช่น ดาวอังคาร เรียงตัวอยู่ในตำแหน่งที่พอเหมาะที่วงโคจรนี้จะตัดกับตำแหน่งของดาวเคราะห์ท้ังสอง การเดินทางไปยังดาวเคราะห์ที่ไกลออกไปจึงอาจจะต้องมีการรอช่วงเวลาที่พอเหมาะ ที่เราเรียกกันว่า “launch window” เป็นสาเหตุว่าทำไมยานอวกาศที่ส่งไปดาวอังคารจากหลายๆ ประเทศจึงมักจะไปถึงในเวลาไล่เลี่ยกัน

แต่อย่างไรก็ตาม ก่อนที่เราจะไปถึงจุดที่เราจะเข้าสู่ Hohmann Transfer Orbit ได้ เราจะต้องนำยานอวกาศของเราไปอยู่ในตำแหน่งที่พอเหมาะเสียก่อน ขั้นตอนแรกของการส่งยานอวกาศใดๆ จึงมักจะเป็นการนำยานอวกาศเข้าไปในวงโคจรรอบโลกเสียก่อน จากนั้นเราจะสามารถรอจังหวะที่ยานอวกาศอยู่ในตำแหน่งที่พอเหมาะ (เช่น อยู่ในตำแหน่งที่จะไปถึงตำแหน่งที่ดวงจันทร์อยู่พอดี) และทำการ “ย้าย” จากวงโคจรรอบโลก ไปยัง Hohmann Transfer Orbit และเมื่อไปถึงยังวัตถุเป้าหมาย ยานอวกาศก็จะสามารถ “ย้าย” จาก Hohmann Transfer Orbit ไปยังวงโคจรที่โคจรรอบวัตถุเป้าหมาย เพื่อที่จะรอตำแหน่งที่เหมาะสมก่อนจะลงจอดหรือปฏิบัติภารกิจต่อไป

เนื่องจากว่า “ตำแหน่ง” และ “ความเร็ว” เป็นเพียงสองสิ่งที่จะกำหนดวงโคจรของวัตถุที่โคจรอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วง เมื่อยานอวกาศไปอยู่ในตำแหน่งที่พอเหมาะแล้ว เพียงแค่ยานอวกาศทำการเปลี่ยน​ “ความเร็ว” ก็จะสามารถเปลี่ยนวงโคจร จากวงโคจรรอบโลก ไปยัง Hohmann Transfer Orbit ไปยังวงโคจรรอบดวงจันทร์ได้ ด้วยความที่วงโคจรที่เป็นวงรีนี้ ทำหน้าที่เหมือนกับการ “ถ่ายโอน” ระหว่างวงโคจรรอบโลก ไปยังวัตถุเป้าหมายนี้เอง จึงเป็นเหตุที่เราเรียกว่า “orbit”

ในการจะย้ายจากวงโคจรหนึ่งไปยังอีกวงโคจรหนึ่งนั้น สิ่งที่ยานอวกาศจะต้องทำก็คือ รอให้อยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม จากนั้นจึงเดินเครื่องจรวดเพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วให้อยู่ในระดับที่พอเหมาะ ยานอวกาศก็จะย้ายจากวงโคจรหนึ่งไปยังอีกวงโคจรหนึ่ง

หากเราต้องการจะส่งยานอวกาศไปยังดวงจันทร์นั้น วิธีหนึ่งที่สามารถทำได้โดยง่าย ก็คือการใช้จรวดส่งยานขึ้นไปสู่วงโคจรของโลก และเมื่ออยู่ในตำแหน่งที่พอเหมาะ จึงจุดเครื่องยนต์จรวดเร่งความเร็วเพื่อเปลี่ยนวงโคจรไปสู่ Hohmann Transfer Orbit และจุดจรวดอีกครั้งชะลอความเร็วเมื่อไปถึงดวงจันทร์ เพื่อให้กลายเป็นวงโคจรรอบดวงจันทร์ ซึ่งนอกจากการเปลี่ยนวงโคจรทั้งสองครั้งนี้แล้ว ยานอวกาศก็ไม่จำเป็นจะต้องใช้เชื้อเพลิงเลยตลอดการเดินทางนี้

 

เรียบเรียง : ดร. มติพล ตั้งมติธรรม - ผู้เชี่ยวชาญดาราศาสตร์ สดร.

#BasicsOfSpaceFlight