ความเร็วที่สามารถทำให้จรวดหลุดพ้นออกจากแรงโน้มถ่วงของโลก( ความเร็วหลุดพ้น ) มีค่าเท่ากับเท่าใด

ลองหยิบก้อนหินขึ้นมาก้อนหนึ่ง แล้วโยนขึ้นไปบนฟ้า ก้อนหินก้อนนี้จะใช้เวลาสักพักหนึ่งก่อนที่จะตกกลับลงมา หากเราโยนก้อนหินนี้อีกครั้ง ด้วยความเร็วต้นที่เร็วขึ้น เราจะพบว่าก้อนหินก้อนนี้ใช้เวลานานขึ้น และลอยขึ้นไปสูงกว่าเดิม ก่อนที่จะตกลงมาใหม่ และถ้าเราโยนเร็วขึ้นไปอีก ก็จะใช้เวลานานขึ้นๆๆๆๆ จนกระทั่งถึงความเร็วหนึ่ง ก้อนหินนี้ก็จะใช้เวลานานมากเสียจนไม่ตกกลับลงมาอีกเลย

เราเรียกความเร็วนี้ว่า “อัตราเร็วหลุดพ้น”

สำหรับบนพื้นโลกนั้น อัตราเร็วหลุดพ้นอยู่ที่ 11.2 กม./วินาที นั่นหมายความว่าหากเรายิงอะไรขึ้นไปด้วยอัตราเร็วตั้งแต่ 11.2 กม./วินาที เป็นต้นไป วัตถุนั้นควรจะหลุดออกไปจากแรงโน้มถ่วงของโลก และไม่กลับลงมาอีก

หมายความว่าหากเราจะส่งจรวด เราจะต้องส่งจรวดขึ้นไปด้วยอัตราเร็ว 11.2 กม./วินาทีใช่หรือไม่?

ความจริงแล้วนี่เป็นสิ่งที่หลายๆ คนมักจะเข้าใจกันผิดๆ ว่าจรวดจะต้องขึ้นจากฐานด้วยอัตราเร็วหลุดพ้น วิธีพิสูจน์ง่ายๆ ว่าจรวดขึ้นไปด้วยอัตราเร็วหลุดพ้นหรือไม่ ก็คือลองเปิดดูวีดีโอจรวดใดก็ตามที่ขึ้นจากฐาน และถ้าหากเรากระพริบตาหนึ่งครั้งแล้วเรายังเห็นจรวดนั้นอยู่ที่ฐานได้ ก็แสดงว่าจรวดนั้นไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วหลุดพ้นแล้ว แน่นอนว่าไม่มีจรวดใดที่ขึ้นไปด้วยความเร็วขนาดนั้น (และในความเป็นจริงแล้วอาจจะเคยมีเพียงวัตถุเดียวที่มนุษย์ส่งขึ้นไปจากโลกด้วยอัตราเร็วสูงกว่าอัตราเร็วหลุดพ้น นั่นก็คือ “ฝาท่อ” ในการทดลองนิวเคลียร์ อ่านเพิ่มเติมได้ที่ [1])

นี่เป็นเพราะว่าอัตราเร็วหลุดพ้น 11.2 กม./วินาทีนั้นเป็นอัตราเร็วที่สูงมาก เทียบเท่าถึง 40,000 กม./ชั่วโมง เลยทีเดียว เร็วเกินกว่ายานพาหนะใดๆ ที่มนุษย์เคยสร้างมาทั้งหมด (เพราะอะไรที่เร็วขนาดนั้นก็จะหลุดออกไปนอกโลกแล้ว) อัตราเร็วหลุดพ้นนั้นเป็นเพียงขอบเขตทางทฤษฎีที่จะระบุว่าเราจะต้องมีความสามารถในการเร่งวัตถุได้เร็วถึงเท่าใด ก่อนที่เราจะสามารถนำมันออกไปจากแรงโน้มถ่วงของโลกได้

อัตราเร็วหลุดพ้นนั้นมีประโยชน์ในการคำนวณทางทฤษฎี เช่น พลังงานที่เราจะต้องใช้ในจรวดในการขับดันมวลให้หลุดไปจากแรงโน้มถ่วงของโลกนั้นจะใกล้เคียงกับพลังงานที่จะต้องใช้ในการเร่งวัตถุให้มีความเร็วเท่ากับความเร็วหลุดพ้น อย่างไรก็ตาม ในการส่งจรวดนั้นเราไม่จำเป็นต้องเร่งจรวดให้ถึงอัตราเร็วหลุดพ้นด้วยเหตุผลสองประการด้วยกัน

1. อัตราเร็วหลุดพ้น ใช้สำหรับวัตถุที่ไม่มีความเร่งอีกตลอดการเดินทาง เช่น หากเราต้องการจะยิงกระสุนปืนใหญ่ไปให้ถึงดวงจันทร์ (อย่างในนิยายวิทยาศาสตร์คลาสสิคเรื่อง From the Earth to the Moon: A Direct Route in 97 Hours, 20 Minutes ของ Jules Verne) แต่ในการส่งจรวดนั้นเราสามารถบรรทุกเครื่องยนต์ที่จะคอยเร่งความเร็วของจรวดไปตลอดการเดินทางได้ เราจึงไม่จำเป็นต้องเริ่มด้วยความเร็วต้นที่สูงมากได้

1. อัตราเร็วหลุดพ้น ไม่ได้คำนึงถึงแรงต้านของอากาศ ประเด็นนี้นั้นเป็นส่วนที่ค่อนข้างสำคัญสำหรับการส่งจรวด แรงต้านอากาศนั้นจะขึ้นอยู่กับพื้นที่หน้าตัด รูปทรงของยานพาหนะ อัตราเร็ว และความหนาแน่นของอากาศ หากเราเริ่มออกเดินทางด้วยอัตราเร็วหลุดพ้นนั้น ยานพาหนะของเราจะต้องพบกับแรงต้านอากาศที่สูง และช้าลงอย่างรวดเร็ว พร้อมกับความร้อนที่เกิดจากการต้านของอากาศ

เพื่อลดแรงต้านของอากาศ ยานอวกาศจำเป็นต้องมีพื้นที่หน้าตัดที่เล็ก (เป็นเหตุผลที่ทำไมจรวดจึงเป็นทรงกระบอกยาวๆ) เป็นรูปทรงที่มี aerodynamics ที่ดี (หัวจรวดจึงเป็นรูปทรงกรวย) และจำเป็นต้องใช้อัตราเร็วที่ต่ำ แต่อย่างไรก็ตามอัตราเร็วที่ช้าจนเกินไปก็หมายความว่าจรวดนั้นจะต้องใช้เวลาเดินทางที่นาน และจะต้องสูญเสียเชื้อเพลิงเป็นอย่างมาก จรวดจึงจำเป็นที่จะต้องพยายามรักษาความเร็วให้อยู่ในช่วงที่พอเหมาะ ไม่เร็วจนเกินไปเสียจนสูญเสียพลังงานส่วนมากไปกับแรงต้านของอากาศ และไม่ช้าจนเกินไปเสียจนสูญเสียพลังงานส่วนมากในการลอยอยู่กับที่คล้ายกับเฮลิคอปเตอร์

อย่างไรก็ตาม ยิ่งจรวดอยู่สูงจากพื้นดินขึ้นไปเท่าใด อากาศก็จะยิ่งเบาบางลงเท่านั้น และแรงต้านอากาศก็จะเป็นปัญหาน้อยลง เราจึงสามารถที่จะเร่งความเร็วได้สูงขึ้น เมื่อจรวดลอยสูงพ้นชั้นบรรยากาศอันหนาทึบเบื้องล่างไปแล้ว ด้วยเหตุนี้จรวดจึงออกจากฐานด้วยความเร่งที่ไม่สูงมาก และจึงค่อยๆ สูงขึ้นเรื่อยๆ เมื่อจรวดขึ้นไปอยู่ในชั้นบรรยากาศที่สูงขึ้นไป จนกระทั่งพยายามเร่งให้เร็วที่สุดในช่วงสุดท้ายเพื่อไปให้ถึงอวกาศให้เร็วที่สุด

เรียบเรียง : ดร. มติพล ตั้งมติธรรม - ผู้เชี่ยวชาญดาราศาสตร์ สดร.

#BasicsOfSpaceFlight

การเดินทางสู่อวกาศ

ความเป็นมาและอนาคตของระบบสุริยะ

การเคลื่อนที่ของนิวตันที่ว่า ทุก ๆ แรงกิริยาจะมีแรงปฏิกิริยาซึ่งมีขนาดเท่ากันกระทำในทิศตรงกันข้าม จรวจมีการเผาไหม้

เชื้อเพลิงขับดันไปข้างหลัง แต่ตัวจรวดจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้า

ในแนวดิ่งอีกแนวหนึ่งด้วยความเร็วของวัตถุที่ตกลงมา จึงประกอบด้วยความเร็วตามแนวราบ   และความเร็วตามแนวดิ่งร่วมกัน 

ถ้าเพิ่มความเร็วตามแนวราบมากขึ้นจนถึงความเร็วขนาดหนึ่ง วัตถุจะไม่ตกลงสู่พื้นโลก ความเร็วขนาดนี้เรียกว่า ความเร็วโคจร

รอบโลก (Orbital Velocity)  ยิ่งสูงขึ้นไปความเร็วโคจรรอบโลก  จะยิ่งช้าลง ที่ระดับความสูง 1,000 กิโลเมตร ความเร็ว 

โคจรรอบโลก 26,452 กิโลเมตรต่อชั่วโมง 1 รอบโลก

หมดแล้วจะสลัดตัวเองหลุดออก  เหลือแต่ท่อนถัดไปพุ่งขึ้นไปอีก ในที่สุดจะเหลือดาวเทียม   หรือยานอวกาศกับจรวจท่อนสุดท้าย

โคจรอยู่ เมื่อความเร็วถึงความเร็วโคจรรอบโลกแล้ว เครื่องยนต์จรวจจะหยุดทำงาน  ปล่อยดาวเทียมหรือยานอวกาศ โคจรต่อไป

และถ้าความเร็วช้าลงหรือผิดเส้นทาง จึงจะใช้เครื่องยนต์จรวจช่วยปรับเส้นทางและความเร็ว

คำนึงถึง สภาพไร้น้ำหนัก ความดันและอุณหภูมิ ตลอดจนการดำรงชีวิต ในลักษณะพิเศษ   สภาพไร้น้ำหนัก เป็นสภาพที่เสมือน 

ว่าไม่มีแรงดึงดูดของโลกกระทำต่อสิ่งมีชีวิตนั้น เกิดขึ้นเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกที่ดึงดูดยาน สมดุลกับแรงหนีศูนย์กลาง 

ที่ยานอวกาศจะหนีจากโลก มนุษย์ในยายจึงเสมือนไม่มีน้ำหนัก   สภาพไร้น้ำหนักก่อให้เกิดอุปสรรคในการดำรงชีวิต เครื่องใช้     

ต่าง ๆ จะลอยไปมา น้ำจะไม่อยู่ในแก้ว  การรับประทานอาหาร ขับถ่าย และนอน จะต้องอยู่ในสภาพผิดจากสภาพบนพื้นโลก

การส่งดาวเทียม  ยานอวกาศ  และสถานีอวกาศ  

การส่งดาวเทียม  ยานอวกาศ  และสถานีอวกาศ  ต้องใช้จ่ายสูงมากในระยะหลังจึงมีการพัฒนายานขนส่งอวกาศ 

ที่ขึ้นสู่อวกาศ แล้วกลับมายังโลกได้อีกเรียกว่า  ยานขนส่งอวกาศหรือกระสวยอวกาศ  (Space  Shuttle)

ยานขนส่งอวกาศ  มีรูปร่างเหมือนเครื่องบินแต่ใช้เครื่องยนต์จรวด  3  เครื่องติดอยู่ส่วนท้าย และมีจรวดขนาดเล็ก 

ติดอยู่รอบตัวยานอีก  44  เครื่อง  สำหรับปรับทิศทางการโคจร  จรวดขนาดเล็กนี้ใช้เชื้อเพลิงในตัวยาน

ยานขนส่งอวกาศขึ้นจากฐานยิงจรวดโดยใช้จรวดเชื้อเพลิงแข็ง  2  เครื่อง  เมื่อขึ้นไปจนเชื้อเพลิงแข็งหมด  

จรวด  2  เครื่องจะแยกตัวออก  ถ้าเชื้อเพลิงภายนอกที่อยู่ตรงกลางจะส่งเชื้อเพลิงให้จรวด  3  เครื่อง  ในยานขับดันต่อไป   

เมื่อถึงวงโคจรรอบโลก  ถ้าเชื้อเพลิงจะกลับตกลงมาสู่บรรยากาศ  ไม่ต้องนำกลับมาใช้อีกยานจะโคจรรอบโลกต่อไป

ภารกิจของยานขนส่งอวกาศ  คือ  การค้นคว้าวิจัยทางวิทยาศาสตร์  ปล่อยดาวเทียม  เก็บดาวเทียมมาซ่อม 

หลังเสร็จภารกิจระร่อนเข้าสู่บรรยากาศของโลก  จะลงจอดเช่นเดียวกับเครื่องบิน

ชีวิตนักบินอวกาศ

ให้ถึงความเร็วหลุดพ้นนั้น  นักบินอวกาศจะถูกดลงกับพื้นด้วยแรงอันเกิดจากการที่จรวดเร่งความเร็วทำให้รู้สึกว่า 

มีน้ำหนักตัวเพิ่มขึ้น  4  ถึง  5  เท่า  ถ้าจะยืนอยู่คงทนไม่ได้  นักบินอวกาศจึงต้องครึ่งนั่งครึ่งนอนหันหน้าสู่ทิศ 

ที่จรวดพุ่งขึ้นไป  ทั้งนี้นักบินอวกาศต้องได้รับการฝึกเพื่อให้ทนต่อแรงจีนี้  โดยมีอุปกรณ์การฝึกเป็นโครงเหล็ก  

เหวี่ยงห้องฝึกหมุนไปอย่างเร็ว ให้นักบันอวกาศอยู่ในห้องฝึกนั้น

คือสภาพที่เหมือนไม่มีแรงโน้มถ่วงกระทำต่อทุกสิ่งในยานอวกาศ  เมื่ออยู่ในสภาพไร้น้ำหนัก  ของใช้ที่จับมาวาง 

ตรงหน้าจะลอยอยู่ได้  แม้แต่ตัวนักบินอวกาศเองก็ลอยไปมาได้  การบังคับตัวเองไม่ให้หมุนคว้างไปชนอะไรจึงต้อง 

มีการฝึกหัดโดยมีการฝึกบนเครื่องบินที่บินโค้งเป็นครึ่งวงกลมอย่างหนึ่ง   และฝึกในอ่างน้ำขนาดใหญ่อีกอย่างหนึ่ง  

นักบินอวกาศจะสวมชุดพิเศษลงไปอยู่ในน้ำ   ชุดนี้จะพยุงให้ตัวนักบินอวกาศมีความหนาแน่นเท่ากับน้ำพอดี  

จึงสามารถล่องลอยไปในน้ำได้เหมือนกับสภาพไร้น้ำหนักที่จะเกิดในอวกาศนั้น

ในที่เงียบสงัด  หรือมืดสนิท  สภาพเช่นนี้ถ้าไม่ได้รับการฝึก  จะส่งผลทางจิตใจแก่นักบินอวกาศมากจึงต้องมีการให้ 

นักบินอวกาศใช้ชีวิตแบบต่าง ๆ  เช่น  อยู่อย่างโดดเดี่ยว   หรืออยู่เป็นหมู่คณะที่ต้องอัธยาศัยเข้ากันได้  ถ้าจะไป 

สู่อวกาศเป็นหมู่   

นอกจากนี้นักบินอวกาศจะได้รับการฝึกให้สามารถแก้ไขปัญหาเฉพาะหน้า  เช่น  กรณีเกิดวงจรไฟฟ้าขัดข้อง หรือ

การแก้ไขเครื่องมือต่าง ๆ  ที่จำเป็น  การดำรงชีวิตในอวกาศก็เป็นอีกเรื่องหนึ่งที่ต้องฝึกหัด  เช่น  การกิน  การนอน  การขับถ่าย 

ซึ่งมีสภาพไม่เหมือนบนพื้นโลก  จะต้องใช้ชุดอวกาศเป็นเพื่อป้องกันรังสีและอุณหภูมิสูงได้

การปฏิบัติงานในยานอวกาศ  นักบินอวกาศสามารถทนต่อสภาพความดันต่ำได้ถึงชั้นบรรยากาศถ้าต่ำกว่านี้ต้องสวม 

ชุดอวกาศ  การปรับอุณหภูมิในยาน  การใช้ออกซิเจน  และการระบายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ก็เป็นระบบที่มีอยู่  แม้กระทั่งขยะ 

ที่มีก็ต้องเก็บด้วยวิธีพิเศษ  เพื่อนำมาทิ้งบนพื้นโลก  ไม่ให้ล่องลอยเป็นมลภาวะในอวกาศ    การปฏิบัติงานนอกยานยิ่งต้องมีวิธีฝึก 

กันอย่างพิเศษ  เช่น  กรณีสายอวกาศของวิทยุติดต่อขัดข้องต้องออกไปแก้ไขกันในอวกาศ  จะมีการสวมชุดอวกาศออกปฏิบัติการ  

ซึ่งอาจมีสายหรือท่อจากยานติดกับนักบินอวกาศนั้นไปด้วย   ซึ่งปฏิบัติการนอกยานนี้มีบ่อยครั้งในกรณีต่าง ๆ  เช่น  ไปถ่ายภาพ  

ไปเก็บวัสดุที่หลุดออกไปไปซ่อมแผงเซลล์สุริยะ   หรือแม้กระทั่งไปเก็บดาวเทียมที่ชำรุดหรือไปซ่อมดาวเทียม

อาหาร มีห้องครัวที่ใช้พลังงานไฟฟ้า  แต่บางกรณีต้องเป็นอาหารใส่ถุงบีบเข้าปากเพื่อกันการฟุ้งกระจายส่วนการขับถ่ายนั้น  

ยานอวกาศขนาดใหญ่มีห้องน้ำห้องส้วมพร้อม  ซึ่งระบบสุญญากาศดูดสิ่งขับถ่ายไปใส่ถุงพลาสติกสำหรับทิ้ง  โดยมีสารซับน้ำ 

อยู่ในถุงด้วย  ในชุดอวกาศก็มีที่เก็บปัสสาวะซึ่งมีสารซับน้ำเช่นกันสรุปว่าการกินอยู่และการขับถ่ายได้รับการดัดแปลงให้เหมาะสม

กับสภาพในอวกาศนั่นเอง