กระสวยอวกาศ

จรวดเป็นอุปกรณ์ราคาแพง เมื่อถูกส่งขึ้นสู่อวกาศแล้วไม่สามารถนำมาใช้ใหม่ได้ การส่งจรวดแต่ละครั้งจึงสิ้นเปลืองมาก นักวิทยาศาสตร์จึงพัฒนาแนวคิดในการสร้างยานขนส่งขนาดใหญ่ที่สามารถเดินทางขึ้นสู่อวกาศแล้วเดินทางกลับสู่โลกให้นำมาใช้ใหม่ได้หลายครั้ง เรียกว่า "กระสวยอวกาศ" (Space Shuttle) มีองค์ประกอบประกอบ 3 ส่วนตามภาพที่ 1 ดังนี้  จรวดเชิ้อเพลิงแข็ง (Solid Rocket Booster) จำนวน 2 ชุด ติดตัั้งขนาบกับถังเชื้อเพลิงภายนอกทั้งสองข้าง มีหน้าที่ขับดันให้ยานขนส่งอวกาศทั้งระบบทะยานขึ้นสู่อวกาศ  ถังเชื้อเพลิงภายนอก (External Tank) จำนวน 1 ถัง ติดตั้งอยู่ตรงกลางระหว่างจรวดเชื้อเพลิงแข็งทั้งสองด้าน มีหน้าที่บรรทุกเชื้อเพลิงเหลว ซึ่งมีท่อลำเลียงเชื้อเพลิงไปทำการสันดาปในเครื่องยนต์ซึ่งติดตั้งอยู่ทางด้านท้ายของกระสวยอวกาศ  ยานขนส่งอวกาศ (Orbiter) ทำหน้าที่เป็นยานอวกาศ ห้องทำงานของนักบิน ห้องปฏิบัติการของนักวิทยาศาสตร์ และบรรทุกสัมภาระที่จะไปปล่อยในวงโคจรในอวกาศ เช่น ดาวเทียม หรือชิ้นส่วนของสถานีอวกาศ เป็นต้น  เมื่อปฏิบัติภารกิจสำเร็จแล้ว ยานขนส่งอวกาศจะทำหน้าที่เป็นเครื่องร่อน นำนักบินอวกาศและนักวิทยาศาสตร์กลับสู่โลกโดยร่อนลงสนามบิน  ด้วยเหตุนี้ยานขนส่งอวกาศจึงต้องมีปีกไว้สำหรับสร้างแรงยก แรงต้านทาน และควบคุมท่าทางการบินขณะที่กลับสู่ชั้นบรรยากาศของโลก  ยานขนส่งอวกาศสามารถนำมาใช้ใหม่ได้หลายครั้ง  ภาพที่ 1 ส่วนประกอบของกระสวยอวกาศ ขั้นตอนการทำงานของกระสวยอวกาศ  กระสวยอวกาศยกตัวขึ้นจากพื้นโลก โดยใช้กำลังขับดันหลักจากจรวดเชื้อเพลิงแข็ง 2 ชุด และใช้แรงดันจากเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลวซี่งติดตั้งอยู่ทางด้านท้ายของยานขนส่งอวกาศเป็นตัวควบคุมวิถีของกระสวยอวกาศ ดังภาพที่ 2  หลังจากทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้าได้ 2 นาที ได้ระยะสูงประมาณ 46 กิโลเมตร เชื้อเพลิงแข็งถูกสันดาปหมด จรวดเชื้อเพลิงแข็งถูกปลดออกให้ตกลงสู่พื้นผิวมหาสมุทร โดยกางร่มชูชีพเพื่อชะลออัตราการร่วงหล่น และมีเรือมารอลากกลับ เพื่อนำมาทำความสะอาดและบรรจุเชื้อเพลิงเพื่อใช้ในภารกิจครั้งต่อไป  กระสวยอวกาศยังคงทะยานขึ้นสู่อวกาศต่อไปยังระดับความสูงของวงโคจรที่ต้องการ โดยเครื่องยนต์หลักที่อยู่ด้านท้ายของยานขนส่งอวกาศจะดูดเชื้อเพลิงเหลวจากถังเชื้อเพลิงภายนอก มาสันดาปจนหมดภายในเวลา  5 นาที แล้วสลัดถังเชื้อเพลิงภายนอกทิ้งให้เสียดสีกับชั้นบรรยากาศจนลุกไหม้หมดก่อนตกถึงพื้นโลก ณ เวลานั้นยานขนส่งอวกาศจะอยู่ในระดับความสูงของวงโคจรที่ต้องการเป็นที่เรียบร้อยแล้ว ภาพที่ 2 ขั้นตอนการส่งกระสวยอวกาศ  ยานขนส่งอวกาศเข้าสู่วงโคจรอบโลกด้วยแรงเฉื่อย โดยมีเชื้อเพลิงสำรองภายในยานเพียงเล็กน้อยเพื่อใช้ในการปรับทิศทาง เมื่อถึงตำแหน่ง ความเร็ว และทิศทางที่ต้องการ จากนั้นนำดาวเทียมที่เก็บไว้ในห้องเก็บสัมภาระออกมาปล่อยเข้าสู่วงโคจร ซึ่งจะเคลื่อนที่โดยอาศัยแรงเฉื่อยจากยานขนส่งอวกาศนั่นเอง  ภาพที่ 3 แสดงให้เห็นยานขนส่งอวกาศกำลังใช้แขนกลยกกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลออกจากห้องเก็บสินค้าที่อยู่ด้านบน เพื่อส่งเข้าสู่อวงโคจรรอบโลก ภาพที่ 3 ยานขนส่งอวกาศกำลังส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเข้าสู่วงโคจร จากนั้นยานขนส่งอวกาศจะเคลื่อนที่จากออกมา  โดยยานขนส่งอวกาศสามารถปรับท่าทางการบินโดยใช้เครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลวขนาดเล็ก ซึ่งเรียกว่า "ทรัสเตอร์" (Thrusters) หลายชุดซึ่งติดตั้งอยู่รอบยาน ดังในภาพที่ 3  ยกตัวอย่างเช่น หากต้องการให้ยานก้มหัวลง ก็จะจุดทรัสเตอร์หัวยานด้านบนและทรัสเตอร์ท้ายยานด้านล่างพร้อมๆ กัน เมื่อได้ทิศทางที่ต้องการก็จะจุดทรัสเตอร์ในทิศตรงการข้ามเพื่อหยุดการเคลื่อนไหว   หากต้องการหันยานไปทางขวามือ ก็จุดทรัสเตอร์หัวยานด้านซ้ายและทรัสเตอร์ท้ายยานด้านขวาพร้อมๆ กัน เมื่อได้ทิศทางที่ต้องการจุดทรัสเตอร์ในทิศตรงการข้ามเพื่อหยุดการเคลื่อนไหว ภาพที่ 4 การปรับทิศทางของกระสวยอวกาศ เมื่อเสร็จสิ้นภารกิจในวงโคจร ยานขนส่งอวกาศจะใช้ปีกในการต้านทานอากาศเพื่อชะลอความเร็ว และสร้างแรงยกเพื่อร่อนลงสู่สนามบินในลักษณะคล้ายเครื่องร่อนซึ่งไม่มีแรงขับเคลื่อนใดๆ  นอกจากแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อตัวยาน ดังนั้นเมื่อตัดสินใจจะทำการลงแล้วต้องลงให้สำเร็จ ยานขนส่งอวกาศจะไม่สามารถเพิ่มระยะสูงได้อีก  หลังจากที่ล้อหลักแตะพื้นสนามบินก็จะปล่อยร่มชูชีพเพื่อชะลอความเร็ว เพื่อให้ใช้ระยะทางบนทางวิ่งสั้นลง ดังภาพที่ 5 ภาพที่ 5 ยานขนส่งอวกาศกางร่มชูชีพเพื่อชะลอความเร็วขณะลงจอด ที่มา   http://www.lesa.biz/space-technology/space-shuttle จรวดและยานอวกาศ         อวกาศอยู่สูงเหนือศีรษะขึ้นไปเพียงหนึ่งร้อยกิโลเมตร แต่การที่จะขึ้นไปถึงมิใช่เรื่องง่าย เซอร์ไอแซค นิวตัน นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ผู้คิดค้นทฤษฎีเรื่องแรงโน้มถ่วงของโลกและการเดินทางสู่อวกาศเมื่อสามร้อยปีมาแล้ว ได้อธิบายไว้ว่า หากเราขึ้นไปอยู่บนที่สูง และปล่อยก้อนหินให้หล่นจากมือ ก้อนหินก็จะตกลงสู่พื้นในแนวดิ่ง เมื่อออกแรงขว้างก้อนหินออกไปให้ขนานกับพื้น (ภาพที่ 3) ก้อนหินจะเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้ง (A) เนื่องจากแรงลัพธ์ซึ่งเกิดจากแรงที่เราขว้างและแรงโน้มถ่วงของโลกรวมกัน หากเราออกแรงมากขึ้น วิถีการเคลื่อนที่ของวัตถุจะโค้งมากขึ้น และก้อนหินจะยิ่งตกไกลขึ้น (B) และหากเราออกแรงมากจนวิถีของวัตถุขนานกับความโค้งของโลก ก้อนหินก็จะไม่ตกสู่พื้นโลกอีก แต่จะโคจรรอบโลกเป็นวงกลม (C) เราเรียกการตกในลักษณะนี้ว่า “การตกอย่างอิสระ” (free fall) และนี่เองคือหลักการส่งยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจรรอบโลก หากเราเพิ่มแรงให้กับวัตถุมากขึ้นไปอีก เราจะได้วงโคจรเป็นรูปวงรี (D) และถ้าเราออกแรงขว้างวัตถุไปด้วยความเร็ว 11.2 กิโลเมตรต่อวินาที วัตถุจะไม่หวนกลับคืนอีกแล้ว แต่จะเดินทางออกสู่ห้วงอวกาศ (E) เราเรียกความเร็วนี้ว่า “ความเร็วหลุดพ้น” (escape speed) และนี่คือหลักการส่งยานอวกาศไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น ภาพที่ 1 หลักการส่งยานอวกาศ หมายเหตุ: ในทางปฏิบัติเราไม่สามารถยิงจรวดขึ้นสู่อวกาศในแนวราบได้ เพราะโลกมีบรรยากาศห่อหุ้มอยู่ ความหนาแน่นของอากาศจะต้านทานให้จรวดเคลื่อนที่ช้าลงและตกลงเสียก่อน ดังนั้นเราจึงส่งจรวดขึ้นสู่ท้องฟ้าในแนวดิ่ง แล้วค่อยปรับวิถีให้โค้งขนานกับผิวโลก เมื่ออยู่เหนือชั้นบรรยากาศในภายหลัง จรวด (Rocket)เมื่อพูดถึงจรวด เราหมายถึงอุปกรณ์สำหรับสร้างแรงขับดันเท่านั้น หน้าที่ของจรวดคือ การนำยานอวกาศ ดาวเทียม หรืออุปกรณ์ประเภทอื่นขึ้นสู่อวกาศ แรงโน้มถ่วง (Gravity) ของโลก ณ พื้นผิวโลกมีความเร่งเท่ากับ 9.8 เมตร/วินาที 2 ดังนั้นจรวดจะต้องมีแรงขับเคลื่อนสูงมาก เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก จรวดทำงานตามกฎของนิวตัน ข้อที่ 3 “แรงกริยา = แรงปฏิกิริยา” จรวดปล่อยก๊าซร้อนออกทางท่อท้าย (แรงกริยา) ทำให้จรวดเคลื่อนที่ไปข้างหน้า (แรงปฏิกิริยา) เราแบ่งประเภทของจรวดตามชนิดของเชื้อเพลิงออกเป็น 2 ประเภท คือ  จรวดเชื้อเพลิงแข็ง มีโครงสร้างไม่สลับซับซ้อน แต่เมื่อการเผาไหม้เชื้อเพลิงเกิดขึ้นแล้ว ไม่สามารถหยุดได้  จรวดเชื้อเพลิงเหลว มีโครงสร้างสลับซับซ้อน เพราะต้องมีถังเก็บเชื้อเพลิงเหลว และออกซิเจนเหลว (เพื่อช่วยให้เกิดการสันดาป) ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง และยังต้องมีท่อและปั๊มเพื่อลำเลียงเชื้อเพลิงเข้าสู่ห้องเครื่องยนต์เพื่อทำการเผาไหม้ จรวดเชื้อเพลิงเหลวมีข้อดีคือ สามารถควบคุมปริมาณการเผาไหม้ และปรับทิศทางของกระแสก๊าซได้ ภาพที่ 3 จรวดเชื้อเพลิงเหลว และจรวดเชื้อเพลิงแข็ง จรวดหลายตอน           การนำจรวดขึ้นสู่อวกาศนั้นจะต้องทำการเผาไหม้เชื้อเพลิงจำนวนมาก เพื่อให้เกิดความเร่งมากกว่า 9.8 เมตร/วินาที2 หลายเท่า ดังนั้นจึงมีการออกแบบถังเชื้อเพลิงเป็นตอนๆ เราเรียกจรวดประเภทนี้ว่า “จรวดหลายตอน” (Multistage rocket) เมื่อเชื้อเพลิงตอนใดหมด ก็จะปลดตอนนั้นทิ้ง เพื่อเพิ่มแรงขับดัน (Force) โดยการลดมวล (mass) เพื่อให้จรวดมีความเร่งมากขึ้น (กฎของนิวตัน ข้อที่ 2:ความเร่ง = แรง / มวล) ความแตกต่างระหว่างเครื่องบินไอพ่น และจรวด          เครื่องยนต์ของเครื่องบินไอพ่นดูดอากาศภายนอกเข้ามาอัดแน่น และทำการสันดาป (เผาไหม้) ทำให้เกิดแรงดันไปข้างหน้า จนปีกสามารถสร้างแรงยก (ความดันอากาศบนปีกน้อยกว่าความดันอากาศใต้ปีก) ทำให้เครื่องลอยขึ้นได้ ส่วนจรวดบรรจุเชื้อเพลิงและออกซิเจนไว้ภายใน เมื่อทำการสันดาปจะปล่อยก๊าซร้อนพุ่งออกมา ดันให้จรวดพุ่งไปในทิศตรงกันข้าม จรวดไม่ต้องอาศัยอากาศภายนอก มันจึงเดินทางในอวกาศได้ ส่วนเครื่องบินต้องอาศัยอากาศทั้งในการสร้างแรงยก และการเผาไหม้           อากาศยานบางชนิดมีคุณสมบัติทั้งความเป็นจรวดและเครื่องบินในตัวเอง อย่างเช่น X-15, SR-71และ กระสวยอวกาศ (Space Shuttle) หากดูอย่างผิวเผินเราแทบจะแยกแยะไม่ออกเลยว่า อากาศยานเหล่านี้คือ จรวด หรือเครื่องบินกันแน่ ยกตัวอย่าง เช่น  SR-71 มีรูปร่างคล้ายจรวด แต่เป็นเครื่องบินไอพ่นที่บินได้เร็วที่สุดในโลก มีความเร็วเหนือเสียง 3 เท่า  X-15 เป็นเครื่องบินที่ใช้เครื่องยนต์จรวดที่บินได้เร็วที่สุดในโลก มีความเร็วเหนือเสียง 6.7 เท่า  กระสวยอวกาศ มีรูปร่างคล้ายเครื่องบินปีกสามเหลี่ยมโดยทั่วไป ทว่าเป็นยานอวกาศที่ติดตั้งเครื่องยนต์จรวดไว้ภายใน กระสวยอวกาศไม่ใช้ปีกเมื่ออยู่ในอวกาศ แต่ขับเคลื่อนและเปลี่ยนทิศทางด้วยเครื่องยนต์ขนาดเล็ก ซึ่งอยู่รอบตัว (ภาพที่ 5) ปีกของกระสวยอวกาศทำหน้าที่สร้างแรงต้านและแรงยก ในขณะที่ร่อนกลับสู่พื้นโลก ภาพที่ 5 การปรับทิศทางของกระสวยอวกาศ อุปกรณ์ที่จรวดนำขึ้นไป (Payload)           ดังที่กล่าวไปแล้ว จรวดเป็นเพียงตัวขับเคลื่อนขึ้นสู่อวกาศ สิ่งที่จรวดนำขึ้นไปมีมากมายหลายชนิด ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์หรือภารกิจ ซึ่งอาจจะมีทั้งการทหาร สื่อสารโทรคมนาคม หรืองานวิจัยทางวิทยาศาสตร์            ขีปนาวุธ (Missile) เป็นคำที่เรียกรวมของจรวดและหัวรบ เนื่องจากจรวดมีราคาสูง และมีพิกัดบรรทุกไม่มาก หัวรบที่บรรทุกขึ้นไปจึงมีขนาดเล็ก แต่มีอำนาจการทำลายสูงมาก เช่น หัวรบนิวเคลียร์            ดาวเทียม (Satellite) หมายถึง อุปกรณ์ที่ส่งขึ้นไปโคจรรอบโลก เพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ เช่น ถ่ายภาพ โทรคมนาคม ตรวจสภาพอากาศ หรืองานวิจัยทางวิทยาศาสตร์            ยานอวกาศ (Spacecraft) หมายถึง ยานพาหนะที่โคจรรอบโลก หรือเดินทางไปยังดาวดวงอื่น อาจจะมีหรือไม่มีมนุษย์เดินทางไปด้วยก็ได้ เช่น ยานอะพอลโล่ ซึ่งนำมนุษย์เดินทางไปดวงจันทร์            สถานีอวกาศ (Space Station) หมายถึง ห้องปฏิบัติการในอวกาศ ซึ่งมีปัจจัยสนับสนุนให้มนุษย์สามารถอาศัยอยู่ในอวกาศได้นานนับเดือน หรือเป็นปี สถานีอวกาศส่วนมากถูกใช้เป็นห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ เพื่อประโยชน์ในการวิจัย ทดลอง และประดิษฐ์คิดค้นในสภาวะไร้แรงโน้มถ่วง สถานีอวกาศที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน ได้แก่ สถานีอวกาศนานาชาติ ISS  สภาพแวดล้อมในอวกาศ           อวกาศเป็นสภาวะไร้อากาศและแรงโน้มถ่วง ดังนั้นการเคลื่อนที่จึงไร้แรงเสียดทานและความเร่ง ยานอวกาศหรือนักบินอวกาศเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ด้วยการจุดจรวดขนาดเล็ก และจุดจรวดด้านตรงข้ามด้วยแรงที่เท่ากันเมื่อต้องการจะหยุด (ภาพที่ 5)บนอวกาศเต็มไปด้วยรังสีคลื่นสั้นซึ่งมีพลังงานสูง ดาวเทียมและยานอวกาศอาศัยพลังงานเหล่านี้ด้วยการใช้เซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม รังสีคลื่นสั้นเหล่านี้มีอานุภาพในการกัดกร่อนสสาร ดังจะเห็นว่ายานอวกาศและดาวเทียมส่วนมากถูกห่อหุ้มด้วยโลหะพิเศษ สีเงิน หรือสีทอง อุปกรณ์ทุกอย่างที่ใช้ในอวกาศถูกสร้างขึ้นด้วยวัสดุชนิดพิเศษ จึงมีราคาแพงมาก           บนพื้นผิวโลกมีบรรยากาศคอยทำหน้าที่กรองรังสีคลื่นสั้นที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต แต่ในอวกาศไม่มีเกราะกำบัง ในขณะที่นักบินอวกาศออกไปทำงานข้างนอกยาน พวกเขาจะต้องสวมใส่ชุดอวกาศ ซึ่งออกแบบมาเพื่อจำลองสภาพแวดล้อมที่อยู่บนโลก กล่าวคือ ปรับอุณหภูมิให้พอเหมาะ มีออกซิเจนให้หายใจ มีแรงดันอากาศเพื่อป้องกันมิให้เลือดซึมออกตามผิวหนัง และรังสีจากดวงอาทิตย์  ที่มาhttp://www.atom.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/rocket/rocket.htm