เทคโนโลยีอวกาศ Space Technology
ความหมายของเทคโนโลยีอวกาศ
เทคโนโลยีอวกาศ (อังกฤษ: Space Technology)
เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ในการสำรวจสิ่งต่างๆ ทั้งในโลกและที่อยู่นอกโลก
ในปัจจุบันเทคโนโลยีอวกาศได้มีการพัฒนาเกิดขึ้นมากมาย โดยองค์การต่างๆ
ใช้ในการสำรวจสิ่งที่ต้องการ ศึกษาสิ่งต่างๆ ในจักรวาล การใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีอวกาศ ในด้านต่างๆ
จรวด (Rocket)
เป็นเครื่องยนต์ที่ใช้ขับเคลื่อนพาหนะสำหรับขนส่งอุปกรณ์หรือมนุษย์ขึ้นสู่อวกาศ จรวดสามารถเดินทางไปในอวกาศ เนื่องจากไม่จำเป็นต้องอาศัยออกซิเจนในบรรยากาศมาใช้ในการสันดาปเชื้อเพลิง ทั้งนี้เพราะว่าจรวดมีถังบรรจุออกซิเจนอยู่ในตัวเอง จรวดที่ใช้เดินทางไปสู่อวกาศจะต้องมีแรงขับเคลื่อนสูงมากและต่อเนื่อง เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก (Gravity) ซึ่งมีความเร่ง 9.8 เมตร/วินาที2 ในการเดินทางจากพื้นโลกสู่วงโคจรรอบโลก จรวดทำงานตามกฎของนิวตัน 3 ข้อดังนี้
- กฎข้อที่ 3 “แรงกริยา = แรงปฏิกิริยา” จรวดปล่อยแก๊สร้อนออกทางท่อท้ายด้านล่าง (แรงกริยา) ทำให้จรวดเคลื่อนที่ขึ้นสู่อากาศ (แรงปฏิกิริยา)
- กฏข้อที่ 2 "ความเร่งของจรวดแปรผันตามแรงขับของจรวด แต่แปรผกผันกับมวลของจรวด" (a = F/m) ดังนั้นจรวดต้องเผาไหม้เชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง เพื่อสร้างความเร่งเอาชนะแรงโน้มถ่วง และเพื่อให้ได้ความเร่งสูงสุด นักวิทยาศาสตร์จะต้องออกแบบให้จรวดมีมวลน้อยที่สุดแต่มีแรงขับดันมากที่สุด
- กฎข้อที่ 1 "กฎของความเฉื่อย" เมื่อจรวดนำดาวเทียมหรือยานอวกาศเข้าสู่วงโคจรรอบโลกแล้ว จะดับเครื่องยนต์เพื่อเคลื่อนที่ด้วยแรงเฉื่อย ให้ได้ความเร็วคงที่ เพื่อรักษาระดับความสูงของวงโคจรให้คงที่
ภาพที่ 1 จรวดอารีอาน นำดาวเทียมไทยคมขึ้นสู่วงโคจร
เราแบ่งประเภทของจรวดตามชนิดของเชื้อเพลิงออกเป็น 3 ประเภท คือ
- จรวดเชื้อเพลิงแข็ง มีโครงสร้างไม่ซับซ้อน แต่เมื่อการเผาไหม้เชื้อเพลิงเกิดขึ้นแล้ว ไม่สามารถหยุดได้ ตัวอย่างของจรวดเชื้อเพลิงแข็งได้แก่ บั้งไฟภาคอีสาน จรวดทำลายรถถัง เป็นต้น
- จรวดเชื้อเพลิงเหลว มีโครงสร้างซับซ้อนกว่าจรวดเชื้อเพลิงแข็ง เพราะต้องมีถังเก็บเชื้อเพลิงเหลว และออกซิเจนเหลว (เพื่อช่วยให้เกิดการสันดาป) ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง และยังต้องมีระบบปั๊มและท่อเพื่อลำเลียงเชื้อเพลิงเข้าสู่ห้องเครื่องยนต์เพื่อทำการเผาไหม้ดังภาพที่ 1 ด้วยเหตุนี้จรวดเชื้อเพลิงเหลวจึงมีราคาสูง อย่างไรก็ตามจรวดเชื้อเพลิงเหลวมีข้อดีคือ สามารถควบคุมปริมาณการเผาไหม้ และปรับทิศทางของกระแสแก๊สได้ ทำให้ปลอดภัย ควบคุมทิศทางและความเร็วได้ง่าย
ภาพที่ 1 จรวดเชื้อเพลิงเหลวและจรวดเชื้อเพลิงแข็ง
- จรวดไอออน ไม่ได้ใช้พลังงานจากการสันดาปเชื่้อเพลิงดังเช่นจรวดเชื้อเพลิงแข็งและจรวดเชื้อเพลิงเหลว แต่ใช้พลังงานไฟฟ้ายิงอิเล็กตรอนเข้าใส่อะตอมของแก๊สเฉื่อย เช่น ซีนอน (Xenon) ให้แตกเป็นประจุ แล้วเร่งปฏิกริยาให้ประจุเคลื่อนที่ออกจากท่อท้ายของเครื่องยนต์ด้วยความเร็วสูงเพื่อให้เกิดแรงดัน (แรงกริยา) ผลักจรวดให้เคลื่อนที่ไปด้านหน้า (แรงปฏิกริยา) จรวดไอออนมีขนาดเล็กจึงมีแรงขับเคลื่อนต่ำแต่มีความประหยัดสูง จึงเหมาะสำหรับใช้ในการเดินทางระหว่างดวงดาวเป็นระยะเวลานาน
ภาพที่ 2 จรวดเชื้อเพลิงไอออน
จรวดแต่ละประเภทมีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันดังข้อมูลในตารางที่ 1 จรวดเชิ้อเพลิงแข็งมีแรงขับดันสูงสุดเนื่องจากการสันดาปเชื้อเพลิงรุนแรง สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมากและปฏิบัติการได้ไม่นาน จึงเหมาะสำหรับใช้ขับเคลื่อนยานอวกาศหรือดาวเทียมขึ้นสู่วงโครรรอบโลก จรวดเชื้อเพลิงเหลวมีแรงขับดันปานกลางมีความปลอดภัยสูง เหมาะสำหรับการใช้งานภายในวงโคจร จรวดไอออนมีแรงขับดันต่ำ ประหยัดเชื้อเพลิง จึงสามารถปฏิบัติการได้เป็นระยะเวลานาน เหมาะสำหรับการเดินทางระยะไกลระหว่างดาว ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงของดาวช่วยอยู่แล้ว
ตารางที่ 1 เปรียบเทียบคุณสมบัติของจรวดแต่ละประเภท
| จรวดเชื้อเพลิงแข็ง | จรวดเชื้อเพลิงเหลว | จรวดไอออน |
โครงสร้าง | เรียบง่าย | สลับซับซ้อน | เรียบง่าย |
ขนาด | มีมากมายหลายขนาด | ขนาดใหญ่ เพราะต้องบรรทุกถังออกซิเจนไว้ภายใน | ขนาดเล็ก |
แรงขับดัน | มากที่สุด | มาก | น้อยที่สุด |
ความสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง | สูงที่สุด | สูง | น้อยมาก |
ระยะเวลาที่ใช้สันดาป | สั้นที่สุด | ปานกลาง | นานที่สุด |
พิสัยปฏิบัติการ | ใกล้ที่สุด | ปานกลาง | ไกลที่สุด |
ความปลอดภัยในการเดินทาง | อันตรายมากที่สุด เนื่องจากไม่สามารถควบคุมการสันดาปได | มีท่อทางและวาล์วจำนวนมาก อาจมีการรั่วไหลของเชื้อเพลิง |
ปลอดภัยที่สุด
เพราะใช้แก๊สเฉื่อยเป็นเชื้อเพลิง
|
ภารกิจที่เหมาะสม |
เอาชนะแรงโน้มถ่วงโลก เพื่อทะยานขึ้นสู่วงโคจรรอบโลก
| ขับเคลื่อนในวงโคจร และเดินทางระหว่างโลกกับดวงจันทร์ | การเดินทางระหว่างดาว |
จรวดหลายท่อน
ภารกิจในอวกาศจะต้องเลือกใช้จรวดให้เหมาะสมกับภารกิจ วัตถุประสงค์หลักคือจะต้องใช้ลดมวลของจรวดเพื่อสร้างความเร่งสูงสุดให้แก่จรวดตามกฎของนิวตัน ข้อที่ 2: ความเร่ง = แรง / มวล) ดังนั้นวิศวกรจึงออกแบบสร้างจรวดหลายท่อน (Multistages Rocket) เรียงติดกันแบบอนุกรมหรือยึดติดกันแบบขนาน เมื่อเชื้อเพลิงตอนใดหมดก็จะปลดตอนนั้นทิ้งไปเพื่อให้จรวดมีความเร่งมากขึ้น
ภาพที่่ 3 ตัวอย่างจรวดหลายท่อน
ภาพที่ 3 แสดงขนาดเปรียบเทียบของจรวดหลายท่อนชนิดต่างๆ โดยปกติจรวดหลายท่อนจะนิยมใช้จรวดเชื้อเพลิงเหลวจำนวน 1 - 2 ท่อนเรียงต่อกันแบบอนุกรม ดังเช่น จรวด Falcon 9 เนื่องจากจรวดเชื้อเพลิงเหลวให้แรงขับสูงและมีความปลอดภัย อย่างไรก็ตามเพื่อให้เกิดความเร่งสูงขณะทะยานขึ้นจากพื้นโลก จึงมักจะติดตั้งจรวดเชื้อเพลิงแข็งซึ่งมีแรงขับดันสูงเรียกว่า "บูสเตอร์" (Booster) ประกบแบบขนาน ดังเช่น Falcon 9 Heavy เชื้อเพลิงในจรวดบูสเตอร์จะถูกสันดาปหมดอย่างรวดเร็วภายในระยะเวลา 2-3 นาทีแรก หลังจากทะยานขึ้นจากพื้นโลก ก็จะถูกปลดทิ้งไป เพื่อให้จรวดท่อนที่เหลือเคลื่อนที่ต่อไปด้วยความเร่งสูงสุด สำหรับการขนส่งอุปกรณ์ขนาดใหญ่เช่น ยานอวกาศ จำเป็นต้องใช้จรวดขนาดใหญ่ซึ่งมีบูสเตอร์เป็นจรวดเชื้อเพลิงเหลว เช่น Falcon X heavy ดังภาพรองสุดท้ายด้านขวามือ โดยยานอวกาศซึ่งบรรจุอยู่ในกระเปาะส่วนบนสุดจะติดตั้งเครื่องยนต์จรวดไอออนไว้ภายใน เพื่อใช้ในการขับเคลื่อนออกจากวงโคจรโลกเพื่อเดินทางต่อไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น สำหรับการส่งยานอวกาศซึ่งมีมนุษย์ไปยังดวงจันทร์นั้น NASA เลือกใช้จรวดแซทเทอร์น 5 ซึ่งอยู่ด้านซ้ายสุด เป็นจรวดเชื้อเพลิงเหลว 3 ท่อน เนื่องจากมีแรงขับดันสูงและมีความปลอดภัยสูง
|
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น