การส่งยานอวกาศขึ้นสู่ห้วงอวกาศ (Launch) และจรวดตระกูลต่างๆ

Share

การส่งยานอวกาศขึ้นสู่ห้วงอวกาศ (Launch) และจรวดตระกูลต่างๆ

        ภารกิจการส่งยานอวกาศไปสู่ดาวเคราะห์หรือเป้าหมายอื่นๆในระบบสุริยะแบ่งการดำเนินงานได้เป็น 4 ช่วงได้แก่

        1.การส่งยานขึ้นสู่อวกาศ (Launch Phase)

        2.การเดินทาง (Cruise Phase)

        3.การเข้าสู่เป้าหมาย (Encounter Phase)

        4.ส่วนขยายภารกิจ (Extended Operations Phase) ซึ่งการดำเนินงานส่วนนี้ขึ้นอยู่กับสภาพของยานอวกาศขณะนั้นว่าเป็นอย่างไ รวมทั้งงบประมาณที่เหลือของภารกิจด้วย

        ทั้ง 4 ขั้นตอนนี้เป็นส่วนหนึ่งของการดำเนินงานเฟส E ในส่วนที่เรียกว่า การจัดการภารกิจและวิเคราะห์ข้อมูล (Mission Operations and Data Analysis) โดยตอนนี้จะเริ่มอธิบายจากภาพรวมของจรวดขนส่งก่อน

 

จรวดขนส่ง (Launch Vehicles)

        ในการส่งยานอวกาศขึ้นสู่ห้วงอวกาศต้องใช้จรวดในการสร้างแรงขับดัน

        เริ่มจากการที่จรวดทะยานออกนอกชั้นบรรยากาศโลก แล้วเร่งความเร็วขึ้นจนเมื่อจรวดส่วนสุดท้ายเผาไหม้เชื้อเพลิงจนหมด ยานอวกาศจะหลุดออกจากจรวดด้วยความเร็วค่าหนึ่ง ถ้าความเร็วนั้นมีค่ามากกว่าความเร็วหลุดพ้นของโลก ยานอวกาศจะเข้าสู่การเดินทางในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์เพื่อเดินทางสู่เป้าหมาย

 

แนวคิดการใช้ mass driver บนดวงจันทร์

 

        เทคโนโลยีที่ใช้ในการสร้างแรงขับดันของจรวดทุกวันนี้มีเพียงการเผาไหม้เชื้อเพลิงซึ่งเป็นปฏิกิริยาทางเคมี  แนวคิดเรื่อง mass driver ซึ่งเป็นการเร่งความเร็วด้วยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าอาจใช้ในการได้จริงในอนาคต สำหรับการส่งยานอวกาศออกจากดวงจันทร์หรือวัตถุในระบบสุริยะอื่นๆที่มีขนาดเล็กและชั้นบรรยากาศเบาบาง   

        ส่วนเครื่องยนต์ไอออน ซึ่งใช้แหล่งพลังงานจากทั้งเซลล์สุริยะและสารกัมมันตรังสี ยังไม่สามารถใช้สร้างแรงขับได้อย่างรุนแรงในช่วงเวลาสั้นๆอย่างจรวด ตรงกันข้าม เครื่องยนต์ไอออนสร้างแรงขับดันอย่างแผ่วเบา แต่ต่อเนื่องยาวนาน มันจึงใช้ในการเร่งความเร็วของยานอวกาศเมื่อยานเข้าสู่วงโคจรรอบโลกหรือหลังจากหลุดออกจากวงโคจรรอบโลกแล้ว

        ดังนั้นในตอนนี้ เราจึงเน้นไปที่จรวดที่เผาไหม้เชื้อเพลิงซึ่งหลักๆแล้วมีสองชนิด

        คือ จรวดเชื้อเพลิงแข็ง และ จรวดเชื้อเพลิงเหลว

 

จรวดเชื้อเพลิงแข็ง

 

        ในการส่งยานอวกาศส่วนมากจะใช้จรวดร่วมกันทั้งสองแบบ โดยใช้จรวดเชื้อเพลิงแข็งประกบติดเข้ากับจรวดเชื้อเพลิงเหลว จรวดเชื้อเพลิงแข็งนั้นโดยทั่วไปมีลักษณะที่เรียบง่ายกว่าจรวดเชื้อเพลิงเหลว แต่พอเผาไหม้แล้วจะไม่สามารถหยุดได้ ส่วนจรวดเชื้อเพลิงเหลวนั้นมีโครงสร้างที่ซับซ้อน แต่เมื่อเผาไหม้แล้วหยุดได้ บางลำถูกออกแบบมาให้เผาไหม้ใหม่ได้หลังจากหยุดการเผาไหม้ไปแล้ว (นอกจากนี้ยังมีจรวดแบบลูกผสมคือ Hybrid rocket engines ซึ่งใช้ทั้งเชื้อเพลิงแข็งและเชื้อเพลิงเหลวร่วมกัน)

        ระบบการขนส่งแบบ Expendable launch vehicles (หรือ ELV) นั้นเป็นระบบจรวดแบบใช้แล้วทิ้ง ส่วน U.S. Space Transportation System (หรือ STS) ที่พวกเรารู้จักกันในชื่อกระสวยอวกาศนั้นถูกออกแบบมาให้นำกลับมาใช้ซ้ำได้

 

จรวดตระกูลต่างๆ

        จรวดที่ใช้ในการขนส่งในแต่ละภารกิจนั้นมีความแตกต่างกันออกไป โดยเราอาจวัดกำลังของจรวดแต่ละลำได้จากน้ำหนักที่มันสามารถนำขึ้นสู่วงโคจร Geosynchronous Transfer Orbit (GTO) ซึ่งเป็นวงโคจรรอบโลกที่มีลักษณะรีมาก

        1. จรวดเดลตา (Delta)

 

 

        จรวดตระกูลเดลตานั้นเป็นจรวดแบบใช้แล้วทิ้ง ประกอบด้วยจรวดเชื้อเพลิงเหลว 2-3 ท่อน และมีการติดจรวดเชื้อเพลิงแข็งหลายท่อนรอบๆ เริ่มต้นถูกสร้างขึ้นโดยบริษัทแมคดอนเนลล์ดักลาส (McDonnell Douglas)  แต่ปัจจุบันถูกสร้างและทำการส่งโดยบริษัทโบอิงและล็อกฮีดมาร์ติน ร่วมกับ United Launch Alliance

        จรวดเดลตา II ใช้เชื้อเพลิงเหลวเป็น เคโรซีนและออกซิเจนเหลวผสมกัน ประกอบด้วยจรวดส่วนย่อยๆ 2 หรือ 3 ท่อน  แล้วมีจรวดเชื้อเพลิงแข็งที่มีชื่อว่า Graphite-Epoxy Motor ติดเข้าไป 3 หรือ 4 หรือ 9 ลำโดยรอบ จรวดเดลตา II สามารถส่งน้ำหนัก 891กิโลกรัม -2,142 กิโลกรัมขึ้นสู่วงโคจร GTO ได้ (และส่งน้ำหนัก 2.7ตัน - 6 ตันขึ้นสู่วงโคจรระดับต่ำรอบโลกได้)

        จรวดเดลตา II แบบ 2 ท่อน มักจะใช้ส่งสัมภาระสู่วงโคจรระดับต่ำรอบโลก ส่วนจรวดเดลตา  II  แบบ 3 ท่อนจะใช้ส่งสัมภาระสู่วงโคจร GTO หรือไปไกลกว่านั้น เช่น การส่งยานอวกาศไปดาวอังคารโดยองค์การนาซา หรือ การส่งยานไปยังดาวหางหรือดาวเคราะห์น้อยใกล้โลก

        จรวดเดลตา IV สามารถส่งสัมภาระสู่วงโคจร GTO ได้มากถึง 4,210 กิโลกรัม -13,130 กิโลกรัม ซึ่งจรวดเดลตา IV รุ่น Medium-Plus ใช้เครื่องยนต์ตรงกลางเป็น RS-68 (RS ย่อมาจาก Rocket system ) ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจนเหลว สร้างแรงขับได้มากถึง 2,929 กิโลนิวตัน นอกจากนี้ยังติดจรวดเชื้อเพลิงแข็งแบบ  graphite epoxy motor  ที่มีความยาว 1.5 เมตรเข้าไปเพิ่ม 2 หรือ 4 ลำด้วย

        หากนับตั้งแต่ ค.ศ. 1906 จนถึงปี ค.ศ. 2018 จรวดเดลตาใช้ในการส่งดาวเทียมไปจนถึงภารกิจส่งยานไปยังดาวเคราะห์มากกว่า 350 ครั้ง (ล่าสุดในปี ค.ศ. 2018 จรวด Delta IV Heavy ใช้ในการส่งยานปาร์กเกอร์โซลาร์โพรบพลัสไปสำรวจดวงอาทิตย์) โดยสถานที่ที่ใช้ในการส่งจรวดเดลตา IV คือ Space Launch Complex 37 

 

        2. จรวดไททัน (Titan)

 

 

        จรวดตระกูลไททันเป็นจรวดแบบใช้แล้วทิ้ง ถูกส่งขึ้นสู่อวกาศมาแล้ว 368 ครั้ง ตลอดช่วงเวลาตั้งแต่ ปี  ค.ศ. 1959 จนถึง ค.ศ. 2005 ก็ถูกปลดระวาง 

        จรวดไททัน IV ถูกสร้างและดำเนินการส่งสู่อวกาศให้กับกองทัพอากาศสหรัฐฯโดยบริษัทล็อกฮีดมาร์ติน เป็นจรวดที่ทรงพลังที่สุด สามารถส่งน้ำหนัก 18,000 กิโลกรัมขึ้นสู่วงโคจรรอบโลกระดับต่ำ  ส่งน้ำหนักกว่า 14,000 กิโลกรัมสู่ polar orbit และราวๆ 4,500 กิโลกรัมสู่วงโคจร GTO 

        จรวดไททัน IV ประกอบด้วยจรวดเชื้อเพลิงแข็งสองท่อน จรวดเชื้อเพลิงเหลวอีก 2 ท่อนเป็นแกนกลางและส่วนบรรทุกสัมภาระที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 16.7 ฟุต  เมื่อมีการปรับปรุงจรวดเชื้อเพลิงแข็งแล้วสามารถเพิ่มน้ำหนักบรรทุกสูงสุดได้ราวๆ 25%   โดยจรวดไททัน IV ถูกส่งที่ฐาน Vandenberg Air Force Base แคร์ลิฟอร์เนีย หรือที่ฐานทัพอากาศแหลมคานาเวอรัล ฟลอริดา   

        จรวดไททัน III ใช้ในการส่งยานอวกาศไวกิ้งไปยังดาวอังคารในปี ค.ศ. 1975 ประกอบด้วยจรวดเชื้อเพลิงแข็งแบบอัพเกรดแล้ว และ จรวดส่วนบนเซนทอร์ นอกจากนี้ยังใช้ในการส่งยานอวกาศแคสสินีไปยังดาวเสาร์ในปี  ค.ศ. 1997  ส่งยานอวกาศวอยเอเจอร์ 1 และ 2 ในปี ค.ศ. 1977 รวมทั้งยาน Mars Observer spacecraft ในปี ค.ศ. 1992 ด้วย โดยทั้งหมดถูกส่งที่ Kennedy Space Center (KSC) ที่แหลมคานาเวอรัล

 

        3.จรวดแอตลาส (Atlas)

 

 

        จรวดแอตลาส V เป็นจรวดแบบใช้แล้วทิ้ง แต่เดิมถูกสร้างโดยบริษัทลอกฮีดมาร์ติน ต่อมาถูกสร้างโดยบริษัทล็อกฮีด มาร์ตินร่วมกับบริษัทโบอิ้ง  และ United Launch Alliance ส่วนจรวดขับดันได้รับการพัฒนาและผลิตโดยบริษัทแอโรเจ็ท (Aerojet)

        จรวดลำนี้ประกอบด้วย จรวดส่วนแรกซึ่งใช้พลังงานขับดันจากเครื่องยนต์ RD-180 ของรัสเซีย ใช้เชื้อเพลิงเป็นเคโรซีนและออกซิเจนเหลว มีการติดตั้งจรวดส่วนบนเซนทอร์ซึ่งใช้เชื้อเพลิงเป็นออกซิเจนเหลวและไฮโดรเจนเหลว  จรวดแอตลาสบางรุ่นอาจมีการติดจรวดขับดันไว้ด้านข้างด้วย

        จรวดแอตลาส  IIAS  สามารถส่งน้ำหนัก 3,833 กิโลกรัมขึ้นสู่วงโคจร GTO ได้ โดยมันถูกปลดระวางในเดือนธันวาคม ปี ค.ศ. 2002 ส่วนจรวดแอตลาส II ถูกปลดระวางในเดือนมีนาคม ค.ศ. 1998

        หลังจากมีการยกเครื่องปรับปรุงจรวดแอตลาส II ทำให้จรวดแอตลาส III ทำงานได้ดีขึ้นอย่างน้อยๆราว 5%  

        จรวดแอตลาส V ถูกออกแบบโครงสร้างโดยเน้นที่ความมีเสถียรภาพ (ความแข็งแรงทางโครงสร้างของจรวดแอตลาสรุ่นก่อนๆขึ้นอยู่กับตัวเชื้อเพลิงที่ปรับความดันแล้ว) นอกจากนี้ยังมีการติดจรวดเชื้อเพลิงแข็ง 1 ถึง 5 ลำเข้าไปด้านข้างทำให้มันสามารถส่งสัมภาระ 8,670 กิโลกรัมขึ้นสู่วงโคจร GTO ได้

        สถานที่สำหรับการส่งจรวดแอตลาสคือSpace Launch Complex 41 ที่ Kennedy Space Center (KSC) 

 

        4. จรวดอารีอาน (Ariane)

 

 

        ปัจจุบัน บริษัทอารีอานสเปซ  (Arianespace) ทำการผลิตจรวดอารีอาน 5 ไว้ รับงานจากประเทศต่างๆกว่าครึ่งโลก ในการส่งยานอวกาศขึ้นสู่ วงโคจร GTO  

        จรวดอารีอาน 5 ถูกส่งจาก Kourou Space Centerในเฟรนช์เกียนา (French Guiana) สามารถส่งสัมภาระ 6.5 ตันขึ้นสู่วงโคจรแบบ geostationary orbit ได้

        บริษัทนี้ถือกำเนิดขึ้นในปี ค.ศ. 1980 ในรูปแบบการขนส่งทางอวกาศเชิงพานิชย์บริษัทแรกของโลก

        ในปี ค.ศ. 1996 จรวดอารีอาน 5 ล้มเหลวในการส่งขึ้นสู่อวกาศครั้งแรก  แต่ในปี ค.ศ. 1997 จรวดอารีอาน 5 ถูกส่งสำเร็จและยังคงถูกใช้งานมาจนถึงทุกวันนี้

 

5.จรวดโปรตอน  (Proton)

 

 

        จรวดโปรตอนเป็นจรวดประเภทขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงเหลวแบบใช้แล้วทิ้งที่มีขนาดใหญ่ที่สุดของรัสเซียที่ยังใช้การอยู่ สามารถบรรทุกสัมภาระ 20,000 กิโลกรัมไปที่วงโคจรรอบโลกระดับต่ำได้ (LEO) 

        มันถูกสร้างขึ้นครั้งแรกโดย ในโครงการ Interkosmos ของโซเวียต ถูกส่งขึ้นสู่อวกาศที่ไบโคนูร์คอสโมโดรม ประเทศคาซัคสถาน  บริหารจัดการส่งโดย International Launch Services ซึ่งเป็นบริษัทที่ก่อตั้งในปี ค.ศ. 1995 โดย ล็อกฮีด มาร์ติน  ร่วมกับ Khrunichev Enterprises ซึ่งเป็นรัฐวิสาหกิจของรัสเซีย และ บริษัท NPO Energia ซึ่งเป็นบริษัทมหาชนของรัสเซีย

        ที่ผ่านมา จรวดโปรตอนได้เดินทางขึ้นสู่ห้วงอวกาศกว่า 200 ครั้ง โดยใช้จรวดสามท่อนส่งชิ้นส่วนขนาดใหญ่ของสถานีอวกาศทั้งเมียร์และสถานีอวกาศนานาชาติสู่วงโคจรระดับต่ำรอบโลก และใช้จรวดสี่ท่อนในการส่งยานอวกาศสู่วงโคจร GTO และส่งออกสู่วงโคจรระหว่างดาวเคราะห์

 

6.จรวดโซยุซ (Soyuz) 

 

 

        จรวดตระกูลโซยุซได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นหนึ่งในจรวดที่มีประสบความสำเร็จในการส่งสูงที่สุดในโลกและมีการใช้งานบ่อยทีสุดด้วย หากนับตั้งแต่เริ่มใช้งานในปี ค.ศ. 1966 จนถึง มกราคม ค.ศ. 2013  จรวดโซยุซถูกใช้งานกว่า 1,800 ภารกิจ ทั้งส่งดาวเทียมสื่อสาร ดาวเทียมสำรวจอากาศ ดาวเทียมศึกษาภูมิศาสตร์ และภารกิจการทดลองทางวิทยาศาสตร์

        จรวดโซยุซนั้นถือกำเนิดขึ้นมาเพื่อตอบสนองต่อความต้องการของตลาดอย่างแท้จริง สามารถขนส่งสัมภาระหนัก 4,100 กิโลกรัม - 5,500 กิโลกรัม ขึ้นสู่วงโคจรวงกลมที่สูงขึ้นไป 450 กิโลเมตรได้  

        การสร้างและส่งออกนอกโลกถูกบริหารจัดการโดยบริษัท Starsem  ของยุโรปและรัสเซีย

        ปัจจุบันรัฐบาลรัสเซียพยายามมุ่งหน้าไปที่พัฒนายานอวกาศ Federation ซึ่งเป็นการสร้างยานอวกาศแบบนำกลับมาใช้ใหม่ได้บางส่วน ให้เข้ามาแทนจรวดโซยุซซึ่งเป็นแบบใช้แล้วทิ้ง

 

กระสวยอวกาศและจรวดขนาดเล็ก

 

กระสวยอวกาศแอตแลนติส (Space Shuttle Atlantis)

 

        ระบบการขนส่งทางอวกาศ (Space Transportation System หรือ STS) หรือที่รู้จักกันในชื่อ กระสวยอวกาศ (Space Shuttle) เป็นระบบการส่งจรวดที่สามารถนำองค์ประกอบหลักๆของจรวดกลับมาใช้งานใหม่ได้ สิ่งที่นำกลับมาใช้ใหม่ไม่ได้คือ ถังเชื้อเพลิงด้านนอกที่เป็นสีส้มๆ

 

 

        ระบบกระสวยอวกาศใช้เครื่องยนต์หลักเผาไหม้ไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจนเหลว  สามารถนำสัมภาระ 30,000 กิโลกรัมขึ้นสู่วงโคจรรอบโลกระดับต่ำ แต่ถ้าเลือกจรวดส่วนบนอย่างเหมาะสมจะสามารถส่งยานอวกาศเข้าสู่วงโคจร GTO หรือแม้แต่เข้าสู่วงโคจรระหว่างดาวเคราะห์ได้

        ยานกาลิเลโอที่เดินทางไปสำรวจดาวพฤหัสฯ ยานแมคเจลแลนที่เดินทางไปสำรวจดาวศุกร์ ยานยูลิสซีสที่สำรวจดวงอาทิตย์ ล้วนถูกส่งขึ้นสู่อวกาศโดยกระสวยอวกาศ ซึ่งมีการตั้งตั้ง Inertial Upper Stage ซึ่งเป็นจรวดเชื้อเพลิงแข็งสองท่อนด้วย

        นอกจากนี้กระสวยอวกาศยังใช้ในภารกิจเก็บกู้ดาวเทียม , ส่งไปช่วยงานด้านต่างๆของสถานีอวกาศนานาชาติ รวมทั้งทำภารกิจด้านวิทยาศาสตร์หลากหลายตั้งแต่ทำการทดลองเล็กๆจนถึงทำตัวเป็นห้องทดลองที่โคจรรอบโลก

        กระสวยอวกาศถูกปลดระวางในปี ค.ศ. 2011 หลังจากถูกใช้งานมานานถึง 30 ปี แล้วองค์การนาซาก็เปิดตัว Space Launch System หรือ SLS ที่จะมาแทนการใช้กระสวยอวกาศ

 

ยานขนส่งขนาดเล็ก

        การพัฒนาเทคโนโลยีและการออกแบบยังส่งผลให้ยานอวกาศเล็กลงและทำงานต่างๆได้มากกว่าเดิม ส่งผลให้การทดลองขององค์การนาซา รวมทั้งสัมภาระที่จะถูกส่งขึ้นสู่อวกาศทั้งทางการทหารและเชิงพานิชย์มีแนวโน้มจะเล็กลงและมีน้ำหนักลดลงจนอยู่ในช่วง 100-1,300 กิโลกรัม

        กล่าวได้ว่าตลาดของยานขนส่งขนาดเล็กกำลังอยู่ในช่วงเติบโต ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างจรวดขนาดเล็กที่ควรรู้จัก

 

 

        1. จรวดเปกาซัส (Pegasus)

        จรวดเปกาซัสเป็นจรวดขนาดเล็กแบบใช้แล้วทิ้ง  มีปีกช่วยสร้างแรงยกและมีหางช่วยในการควบคุมการเคลื่อนไหวขณะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลก  สามารถขนส่งน้ำหนัก 400 กิโลกรัมขึ้นสู่วงโคจรรอบโลกระดับต่ำ(LEO)ได้ ถูกพัฒนาขึ้นโดยบริษัท Orbital Sciences Corporation

        จรวดเปกาซัส หากดูเผินๆมีลักษณะคล้ายกับจรวดมิสไซล์ ถูกปล่อยจากใต้เครื่องบิน Lockheed L-1011 TriStar  ขณะที่เครื่องบินกำลังบินอยู่ที่ระดับความสูงมากๆ

 

        2.จรวดทอรัส (Taurus) 

        จรวดทอรัส เป็นจรวดของบริษัท Orbital Sciences Corporation ที่ถูกส่งจากพื้นดิน ประกอบด้วยจรวดย่อยๆ 4 ท่อนซึ่งทั้งหมดเป็นจรวดเชื้อเพลิงแข็ง ใช้ระบบ Inertial Guidance ในการบอกตำแหน่งของตัวมัน(เช่นเดียวกับจรวดมิสไซล์) สามารถขนส่งสัมภาระ 1,350 กิโลกรัมขึ้นสู่วงโคจรรอบโลกระดับต่ำ (LEO) หรือ 350 กิโลกรัมขึ้นสู่วงดคจร GTO 

....................................................................

        ปิดท้ายด้วยเรื่องจรวดแซทเทิร์น ไฟว์  (Saturn V) ซึ่งเป็นจรวดระดับตำนานที่ใช้ในภารกิจอะพอลโลกซึ่งส่งมนุษย์ไปเยือนดวงจันทร์ได้สำเร็จ แต่หลังจากนั้น จรวดตระกูบนี้ก็ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นใช้งานอีก มันเป็นจรวดที่ทรงพลังที่สุดขององค์การนาซา แค่เชื้อเพลิงของจรวดท่อนแรกก็หนักกว่ากระสวยอวกาศทั้งลำแล้ว

        จรวดแซทเทิร์น ไฟว์  ถูกพัฒนาโดย Marshall Space Flight Center ขององค์การนาซาภายใต้การกำกับดูแลของ Wernher von Braun ซึ่งเป็นวิศวกรด้านการบินอวกาศและเป็นนักออกแบบยานอวกาศ

 

 

เรียบเรียง โดย อาจวรงค์ จันทมาศ

จาก หนังสือ  Basics of Space Flight

https://solarsystem.nasa.gov/basics/chapter14-1/