ภารกิจอวกาศที่มีคนบังคับ: ทำไมการกลับมายังโลกยังคงเป็นปัญหาอยู่?

เราตั้งตารอภารกิจประจำในอวกาศอยู่เสมอ แต่วันนี้เราจะมาพูดถึงสาเหตุที่การกลับมาของลูกเรือสู่โลกยังคงเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่

อวกาศดึงดูดผู้คนมาโดยตลอด มันเป็นสิ่งลึกลับที่ยังไม่ได้สำรวจ รุ่งอรุณ ดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลเรียกเรา ส่งเสริมให้เราทำการวิจัย ทดลอง และเที่ยวบินระหว่างดาวเคราะห์ เป็นเรื่องที่ควรค่าแก่การกล่าวว่าเมื่อเร็ว ๆ นี้เที่ยวบินอวกาศแม้ว่าเราจะยังไม่ได้เดินทางในชั้นหนึ่ง แต่ดูเหมือนว่าจะเชี่ยวชาญในระดับเสียงพื้นฐาน ภารกิจ Artemis 1 ไปยังดวงจันทร์ควรจะบินแล้ว แต่เนื่องจากสภาพอากาศ การเปิดตัวถูกเลื่อนออกไปเป็น 2 กันยายน และในขณะที่เรารอการเปิดตัวอย่างใจจดใจจ่อ เราต้องเข้าใจว่าการกลับมาจะเป็นช่วงเวลาที่สำคัญ แม้ว่าจะเป็นภารกิจไร้คนขับก็ตาม

ภารกิจอวกาศสามารถแบ่งออกเป็นสองคลาส ยานอวกาศที่ยานอวกาศจะกลับมาสู่โลกในสักวันหนึ่งส่วนใหญ่เป็นภารกิจประจำ และผู้ที่ได้รับตั๋วเที่ยวเดียว ในที่นี้ เราสามารถพูดถึงภารกิจประจำในอนาคต เช่น ไปยังดาวอังคาร โดย Elon Musk ซึ่งไม่จำเป็นต้องกลับมายังโลก แต่ในความเป็นจริง เครื่องบินลำดังกล่าวยังต้องลงจอดที่ไหนสักแห่ง ปรากฎว่าขั้นตอนการลงจอดเป็นส่วนที่ยากที่สุดของภารกิจดังกล่าว วันนี้เราจะพยายามคิดออก

อ่าน:

• 100 ปีแห่งฟิสิกส์ควอนตัม: จากทฤษฎีช่วงทศวรรษ 1920 สู่คอมพิวเตอร์
• 5 ภารกิจอวกาศในอนาคตที่ต้องคิด

ความปลอดภัยของลูกเรือและอุปกรณ์

นับตั้งแต่ที่มนุษย์บินไปในอวกาศครั้งแรก เราก็กังวลเรื่องสุขภาพของเขาและความสำเร็จโดยรวมของการบิน ในกรณีของเที่ยวบินที่มีคนควบคุม ช่วงเวลาใดอาจเป็นช่วงวิกฤตได้ ความปลอดภัยของลูกเรือและอุปกรณ์บนเรือ หากเป็นภารกิจไร้คนขับ ถือเป็นความสำคัญลำดับต้นๆ เสมอ วิศวกรและผู้นำของภารกิจดังกล่าว เช่นเดียวกับนักบินอวกาศหรือนักบินอวกาศเอง เข้าใจถึงความเสี่ยงทั้งหมดของเที่ยวบินดังกล่าว ไม่ใช่ว่าทุกภารกิจจะประสบความสำเร็จ โดยเฉพาะอย่างยิ่งภารกิจแรก แต่สิ่งสำคัญคือต้องสรุป แก้ไขข้อผิดพลาด และไม่ทำซ้ำอีกในอนาคต

ตัวอย่างเช่น ในระหว่างภารกิจแรกของยานอวกาศอพอลโล ทุกอย่างจบลงอย่างน่าสลดใจในขั้นตอนของการทดสอบก่อนการเปิดตัว ในภารกิจ Apollo 13 ที่มีชื่อเสียง เกิดอุบัติเหตุขึ้นระหว่างเที่ยวบินอันเป็นผลมาจากการที่การลงจอดบนพื้นผิวดวงจันทร์กลายเป็นไปไม่ได้ เป็นการดีที่สามารถช่วยลูกเรือและนำเรือออกจากเรือบรรทุกเครื่องบิน Iwo Jima ได้สำเร็จ 7,5 กม. มีข้อสรุปและเรือภารกิจต่อไปถูกส่งไปยังอวกาศเพียง 5 เดือนต่อมา แม้แต่ภารกิจ Apollo 11 ที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดก็ยังเต็มไปด้วยช่วงเวลาที่ตึงเครียดระหว่างการลงจอดของนักบินอวกาศบนพื้นผิวดวงจันทร์และการขึ้นและกลับสู่โลกในเวลาต่อมา ยานอวกาศโซยุซของโซเวียตก็ประสบอุบัติเหตุหลายครั้งเช่นกัน น่าเสียดายที่สิ่งนี้เคยเป็นและเป็นบรรทัดฐานในอุตสาหกรรมอวกาศ

ใช่ สิ่งเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นสถานการณ์ที่โสดและคาดเดาไม่ได้ อย่างไรก็ตาม ในภารกิจอวกาศที่บรรจุคนที่เกี่ยวข้องกับการกลับมายังโลก มีช่วงเวลาที่น่าทึ่งอยู่เสมอ คุณอาจทราบปัญหาที่คาดเดาไม่ได้ที่เกิดขึ้นเมื่อลงจอดยานพาหนะไร้คนขับบนดาวอังคาร แต่ในกรณีของภารกิจที่มีคนควบคุม ชีวิตมนุษย์อยู่ในความเสี่ยง เราทุกคนจำภัยพิบัติในปี 2003 ได้ - ในระหว่างการลงจอดกระสวย "โคลัมเบีย" ถูกไฟไหม้ในชั้นบรรยากาศที่หนาแน่นลูกเรือทั้งหมดเจ็ดคนเสียชีวิตอย่างน่าเศร้า

ด้านล่างเป็นส่วนจากภาพยนตร์เรื่อง "Apollo-13" ซึ่งแสดงให้เห็นถึงขั้นตอนการลงจอดของนักบินอวกาศบนโลก แน่นอนว่านี่เป็นภาพยนตร์ที่มีกฎเกณฑ์ของตัวเอง ไม่จำเป็นต้องสะท้อนความเป็นจริงได้อย่างแม่นยำ แต่ก็ไม่ได้แตกต่างไปจากนี้มากนัก

อ่าน: กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์: 10 เป้าหมายที่จะสังเกต

เหตุใดปัญหาดังกล่าวจึงกลับมายังโลกอย่างปลอดภัยจากอวกาศ

ดูเหมือนว่าแรงโน้มถ่วงน่าจะช่วยได้ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องพยายามทำให้จรวดช้าลง แต่ความเร็วของมันคือหลายหมื่นกิโลเมตรต่อชั่วโมง ซึ่งเป็นความเร็วที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ที่จะโคจรรอบโลก (ที่เรียกว่าความเร็วจักรวาลแรกคือ 7,9 กม./วินาที) หรือแม้กระทั่งไปไกลกว่านั้น ( ความเร็วจักรวาลที่สอง เช่น 11,2 กม./วินาที) และบินไปยังดวงจันทร์เป็นต้น และนี่คือความเร็วสูงที่เป็นปัญหา

จุดสำคัญเมื่อกลับสู่พื้นโลกหรือเมื่อลงจอดบนดาวเคราะห์ดวงอื่นคือการเบรก สิ่งนี้ยุ่งยากพอๆ กับการเร่งความเร็วของเรือในระหว่างการบินขึ้น ท้ายที่สุด จรวดไม่ได้เคลื่อนที่สัมพันธ์กับโลกก่อนเครื่องขึ้น และจะไม่เกิดขึ้นหลังจากที่เธอลงจอด เช่นเดียวกับเครื่องบินที่เราขึ้นเครื่องที่สนามบิน แม้ว่าเครื่องบินจะบินด้วยความเร็ว 900 กม./ชม. (ความเร็วในการบินของเครื่องบินโดยสารขนาดกลาง) แต่เครื่องบินจะหยุดอีกครั้งหลังจากลงจอด

ซึ่งหมายความว่าจรวดที่กำลังจะลงจอดบนโลกจะต้องลดความเร็วลงเป็นศูนย์ ฟังดูง่าย แต่มันไม่ใช่ เครื่องบินที่ต้องลดความเร็วจาก 900 กม./ชม. เป็น 0 กม./ชม. เมื่อเทียบกับโลก มีภารกิจที่ง่ายกว่าจรวดที่เดินทางด้วยความเร็วประมาณ 28 กม./ชม. นอกจากนี้จรวดไม่เพียงบินด้วยความเร็วที่บ้าคลั่ง แต่ยังเข้าสู่ชั้นบรรยากาศที่หนาแน่นเกือบจะในแนวตั้ง ไม่ทำมุมเหมือนเครื่องบิน แต่เกือบจะเป็นแนวตั้งหลังจากออกจากวงโคจรของโลก

สิ่งเดียวที่สามารถทำให้เครื่องบินช้าลงได้อย่างมีประสิทธิภาพคือชั้นบรรยากาศของโลก และค่อนข้างหนาแน่นแม้ในชั้นนอกและทำให้เกิดแรงเสียดทานบนพื้นผิวของอุปกรณ์จากมากไปน้อยซึ่งภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยอาจนำไปสู่ความร้อนสูงเกินไปและการทำลายล้าง ดังนั้น หลังจากที่ยานอวกาศลดความเร็วลงเป็นความเร็วที่น้อยกว่ายานอวกาศลำแรกเล็กน้อย ยานอวกาศก็เริ่มเคลื่อนตัวลงมาและตกลงสู่พื้นโลก ด้วยการเลือกเส้นทางการบินที่เหมาะสมในชั้นบรรยากาศ ทำให้มั่นใจได้ว่ามีสัมภาระเกิดขึ้นไม่เกินค่าที่อนุญาต อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการลงมา ผนังของเรือสามารถและควรให้ความร้อนสูงถึงอุณหภูมิที่สูงมาก ดังนั้นการร่อนลงสู่ชั้นบรรยากาศของโลกอย่างปลอดภัยจึงเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อมีอุปกรณ์ป้องกันความร้อนพิเศษบนปลอกหุ้มด้านนอก

แม้แต่ชั้นบรรยากาศของดาวอังคารซึ่งบางกว่าโลกถึง 100 เท่าก็ยังเป็นอุปสรรคร้ายแรง สิ่งนี้รู้สึกได้จากอุปกรณ์ทั้งหมดที่ลงสู่พื้นผิวของดาวเคราะห์แดง บ่อยครั้งที่เกิดอุบัติเหตุกับพวกเขาหรือเพียงแค่เผาไหม้ในชั้นบรรยากาศของดาวอังคาร

บางครั้งการเบรกดังกล่าวก็มีประโยชน์ ดังที่เห็นได้จากภารกิจที่บรรยากาศทำหน้าที่เป็นเบรกเพิ่มเติม ซึ่งช่วยให้ยานพาหนะเข้าสู่วงโคจรเป้าหมายของดาวเคราะห์ แต่สิ่งเหล่านี้ค่อนข้างเป็นข้อยกเว้น

ที่น่าสนใจเช่นกัน:

• ทำไมดวงดาวถึงกระพริบตา?
• เหตุใดยานอวกาศจึงติดตั้งโปรเซสเซอร์ในศตวรรษที่ 20

การเบรกในบรรยากาศนั้นได้ผล แต่มีข้อเสียอย่างใหญ่หลวง

ใช่ การเบรกในบรรยากาศค่อนข้างมีประสิทธิภาพ แต่มีข้อเสียอย่างมาก แม้ว่าจะจำเป็นสำหรับการเบรกอย่างมีประสิทธิภาพก็ตาม

การชะลอตัวดังกล่าวในกรณีของภารกิจโคจรไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่นยังไม่สมบูรณ์ และการกลับมายังโลกเกี่ยวข้องกับการชะลอตัวทั้งหมด เช่นเดียวกับการลงจอดของรถแลนด์โรเวอร์บนดาวอังคาร โพรบที่เข้าสู่วงโคจรจะต้องไม่หยุดนิ่ง ไม่เช่นนั้นจะตกลงสู่พื้นผิวของดาวเคราะห์แดง

อุปกรณ์ในอวกาศที่โคจรรอบโลกหรือกำลังกลับจากดวงจันทร์จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมหาศาลที่มอบให้เมื่อเครื่องขึ้น ดังนั้น ตัวอย่างเช่น สถานีอวกาศนานาชาติจะปรับวงโคจรเป็นระยะ ๆ โดยเพิ่มขึ้น เนื่องจากยิ่งสูงเท่าไร ความเร็วที่จำเป็นในการอยู่ในวงโคจรก็ต่ำลงเท่านั้น

เนื่องจากการให้ความเร็วเหล่านี้ต้องใช้พลังงานที่สอดคล้องกัน การเบรกจึงต้องเกี่ยวข้องกับการใช้พลังงานที่คล้ายคลึงกัน ดังนั้น หากทำให้อุปกรณ์ช้าลงก่อนจะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ บินด้วยความเร็วต่ำหรือตกลงสู่พื้นโลกอย่างช้าๆ ก็จะไม่ร้อนขึ้นมากนัก และอันตรายต่อลูกเรือก็ไม่มีนัยสำคัญ

นี่คือสิ่งที่จับอยู่ เที่ยวบินอวกาศต้องใช้ต้นทุนพลังงานมหาศาล มวลของน้ำหนักบรรทุกของจรวดเป็นส่วนเล็ก ๆ ของมวลนำขึ้นทั้งหมดของจรวด ส่วนใหญ่มีเชื้อเพลิงอยู่ตรงกลางจรวดซึ่งส่วนใหญ่จะถูกเผาไหม้ในระยะแรกของทางเดินผ่านชั้นล่างของชั้นบรรยากาศ จำเป็นต้องส่งอุปกรณ์หรือลูกเรือไปในอวกาศ เชื้อเพลิงยังจำเป็นสำหรับการออกจากวงโคจรของโลกในระหว่างการลงจอดและต้องใช้ปริมาณมาก ดังนั้นเวลาเบรกจึงมีความเสี่ยงที่น้ำมันเชื้อเพลิงจะทำให้เรือติดไฟได้ ในกรณีส่วนใหญ่ ถังเชื้อเพลิงจะระเบิดจากอุณหภูมิสูงในระหว่างการลงจอด

ที่น่าสนใจเช่นกัน:

• 10 เรื่องประหลาดที่สุดที่เราได้เรียนรู้เกี่ยวกับหลุมดำในปี 2021
• Terraforming Mars: Red Planet กลายเป็นโลกใหม่ได้หรือไม่?

การลงจอดคล้ายกับการขึ้น - ลงเท่านั้นในทิศทางย้อนกลับ

ในการที่จะลดความเร็วของรถจนเกือบหมดก่อนจะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ จำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงในปริมาณเท่าเดิมระหว่างที่เครื่องขึ้น โดยถือว่ามวลของรถไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญระหว่างภารกิจ อย่างไรก็ตาม เมื่อเราเติมเชื้อเพลิงที่จำเป็นในการยกเรือและสำหรับการเบรกตามน้ำหนักของเรือในครั้งต่อๆ ไป กลับกลายเป็นว่าทวีคูณขึ้นหลายเท่าตัว และนี่คือการคำนวณทางเศรษฐกิจที่น่าเศร้าอย่างแม่นยำซึ่งหมายความว่ายังคงจำเป็นต้องพึ่งพาการยับยั้งชั้นบรรยากาศของโลก

ตัวอย่างเช่น เมื่อลงจอดจรวด SpaceX Falcon 9 เชื้อเพลิงจะถูกใช้ แต่ที่นี่ตัวจรวดเองนั้นเบามาก (ส่วนใหญ่มีเพียงถังเชื้อเพลิงที่กลับสู่พื้นโลก) และการกลับจากวงโคจรที่ห่างไกลจะไม่ถูกดำเนินการ

วิศวกรคำนวณว่าการลงจอดบนพื้นโลกต้องใช้ทรัพยากรเชื้อเพลิงต่อกิโลกรัมเท่ากับการขึ้นสู่วงโคจร นั่นคือมันเกือบจะเหมือนเครื่องขึ้นเฉพาะในทิศทางตรงกันข้ามเท่านั้น

และคงจะเป็นแบบนี้ไปอีกนาน ไม่เพียงแต่ในภารกิจ Artemis 1 เท่านั้น แต่ยังรวมถึงหลังจากที่มนุษย์ไปถึงดาวเคราะห์แดงด้วย เมื่ออุปสรรคนี้ผ่านพ้นไปได้ในระดับหนึ่งแล้ว ก็เป็นไปได้ที่จะกล่าวได้ว่าในที่สุดเราก็เชี่ยวชาญการบินในอวกาศ เพราะทุกคนสามารถขึ้นเครื่องได้ แต่อาจมีปัญหาเรื่องการลงจอด

แต่ประวัติศาสตร์รู้ตัวอย่างมากมายเมื่อนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรของเราสามารถแก้ไขปัญหาที่ซับซ้อนได้ เราหวังว่าในไม่ช้าเที่ยวบินไปยังดวงจันทร์หรือดาวอังคารจะไม่ยากไปกว่าเที่ยวบินจากนิวยอร์กไปยังเคียฟ ด้วยการลงจอดที่น่าพอใจและปลอดภัย

หากคุณต้องการช่วยยูเครนต่อสู้กับผู้ยึดครองรัสเซีย วิธีที่ดีที่สุดคือการบริจาคให้กองทัพยูเครนผ่าน เซฟไลฟ์ หรือทางเพจอย่างเป็นทางการ NBU.

อ่าน:

• การสังเกตดาวเคราะห์สีแดง: ประวัติศาสตร์มายาของดาวอังคาร
• เทเลพอร์ตจากมุมมองทางวิทยาศาสตร์และอนาคต