Exo-Brake เทคนิคที่ NASA จะใช้ส่งของจากสถานีอวกาศกลับโลกด้วยไม่ต้องใช้ยานอวกาศ

หากใครที่เคยอ่านบทความเรื่อง ไปสถานีอวกาศนานาชาติด้วยยาน Soyuz จะทราบว่า แม้ว่าเราจะมียานอวกาศมากมายหลายรุ่นทั้งที่ใช้ส่งคนขึ้นไปอย่าง Soyuz หรือใช้ส่งเสบียงเช่น Dragon และ Progress แต่ยานอวกาศที่สามารถนำสิ่งของต่าง ๆ กลับลงมาได้มีเพียงแค่ 2 รุ่นเท่านั้น ก็คือยาน Soyuz ที่นำสิ่งของกลับลงมาพร้อมคน (ทำให้นำกลับมาไม่ได้มากเท่าไหร่) กับยานเสบียง Dragon ของ SpaceX ที่ออกแบบมาให้สามารถทั้งส่งของขึ้นไป และส่งของกลับลงมา ลงจอดในมหาสมุทรแปซิฟิกอย่างนิ่มนวลโดยมีร่มชูชีพช่วยพยุง

แล้วทำไมถึงทำได้แค่ 2 รุ่นล่ะ ?

เหตุผลเป็นเรื่องของวัสดุที่ใช้ทำยานอวกาศ เนื่องจากในการกลับมาที่โลก ยานจะต้องผ่านเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ และมีการเสียดสีกับชั้นบรรยากาศอย่างรุนแรง จำเป็นต้องใช้แผ่นกันความร้อนในจัดการในส่วนนี้ ทำให้ยานอวกาศที่ถูกออกแบบมาสำหรับส่งเสบียงเท่านั้นอย่าง Progress ของรัสเซีย HTV ของ JAXA และ ATV ของ ESA ถูกออกแบบมาสำหรับการส่งเสบียงขึ้นไปเท่านั้น เพื่อให้สามารถส่งของขึ้นไปได้เยอะ ๆ ส่วนตอนขาลง ยานจะทำการ Undock กับสถานีและจุดเครื่องยนต์ลดความเร็วลง เพื่อให้วงโคจรต่ำลงเรื่อย ๆ และเผาไหม้ไปในชั้นบรรยากาศ พร้อมกับ “ขยะ” อื่น ๆ ที่สถานีไม่ต้องการใช้แล้ว

CRS-5

ทำไมต้องส่งของกลับ ?

อย่าลืมว่านอกจากของใช้ประจำวันอย่าง อาหาร น้ำดื่ม หรืออะไรก็ตามที่เป็นของใช้สอยของนักบินอวกาศแล้ว เรายังมีการส่ง “ชุดการทดลอง” และ “โครงงานวิทยาศาสตร์” จากทั้งของ NASA เอง และของนักเรียน highschool และมหาวิทยาลัยต่าง ๆ เพื่อให้ขึ้นไปทดลองในสภาพไร้น้ำหนัก บนสถานีด้วย รวมถึงพวกวัสดุ ตัวอย่าง และอุปกรณ์ทางการแพทย์ (ปัสสาวะของนักบินอวกาศ, ตัวอย่างเลือด) ต่าง ๆ ที่จะส่งกลับมาให้นักวิจัยบนโลกทำงานต่อ เพื่อวินิฉัยโรคและตรวจสุขภาพให้กับนักบินอวกาศบนสถานีด้วย ดังนั้นสิ่งที่ส่งลงมาก็มีความสำคัญไม่ต่างไปกับของที่ส่งขึ้นไปเลย

ส่งของกลับลงมายากแค่ไหน ?

ง่ายกว่าตอนขึ้นแน่นอน เพราะหากทุกคนอ่านเรื่อง สิ่งที่เราเข้าใจผิดเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง แล้วเราจะรู้ว่าการเดินทางขึ้นไป dock กับสถานีต้องใช้การ burn หลายขั้นตอน เพื่อค่อย ๆ ปรับความเร็วของยานให้เท่ากับตัวสถานี ในเวลา ความสูง และพิกัดให้เท่ากันทั้งหมด ทำให้มีตัวแปรที่ต้องคำนวณเยอะมาก แต่ในการกลับลงมาเราเพียงแค่คำนวณจุดตกเพื่อให้ทีมเก็บกู้สามารถไปยังพื้นที่ได้

Orbital Science's Cygnus Orbital-2 spacecraft

การที่จะขึ้นไปในวงโคจรที่สูงขึ้นเราก็ต้องเพิ่มความเร็วให้กับยาน ในทางตรงกันข้ามหากเราต้องการให้วัตถุที่โคจรอยู่ตกกลับลงมายังโลก เราก็ต้องลดความเร็วให้กับมัน ด้วยการจุดจรวด เรียกว่า retro-boost หรือ retro fire อะไรก็ตาม ที่เป็นการจุดเครื่องยนต์ไปในทางตรงข้ามการเคลื่อนที่ เราจะเรียกว่า retro

ในการยิงนั้นเราไม่จำเป็นต้องยิงมากเท่ากับตอนขึ้นเพราะอย่าลืมว่ายิ่งวงโคจรต่ำมากเท่าไหร่ก็จะยิ่งมี “โมเลกุลของชั้นบรรยากาศ” มาเป็นแรงเสียดทานการเคลื่อนที่ของยานทำให้ยานค่อย ๆ ช้าลงของมันเองเป็นความหน่วง เราเรียกตรงนี้ว่า Orbital Decay แม้สถานีอวกาศจะอยู่สูง 400 กิโลเมตรขึ้นไป แต่ก็ได้รับผลกระดับจาก Orbital Decay นี้เช่นเดียวกัน ทำให้ในทุก ๆ ปี ต้องมีการส่งยานขึ้นไปจุดจรวดเร่งความเร็วให้กับตัวสถานี ไม่เช่นนั้นสถานีจะลดความเร็วลงต่ำเรื่อย ๆ และตกสู่โลกในที่สุด (เหมือนกับสถานีเทียนกง 1 ของประเทศจีน)

นอกจากนี้ยังมีเรื่องราวน่าสนใจเกี่ยวกับเรื่องของระบบ LDSD หรือ Low Density Supersonic Decerarator ซึ่ง NASA ได้มีแนวคิดที่จะใช้การเกิด Orbital Deacy นี้ในการลดความเร็วของยานที่จะส่งไปลงจอดบนดาวอังคารด้วยการออกแบบส่วนเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ ให้มีพื้นที่ผิวสัมผัสกับอากาศมากขึ้น

รู้จักกับ Exo-Break

ในต้นปี 2017 NASA จะทำการ Demonstration การใช้งานระบบ Exo-Brake ที่จะทำให้สามารถส่งสิ่งของต่าง ๆ กลับลงมาบนโลก ด้วยยานอวกาศที่คล้ายกับร่มชูชีพขนาดเล็ก (NASA เขียนเอาไว้ว่า Spacecraft ซึ่งผู้เขียนคิดว่า ไม่สามารถเทียบกับคำว่า ยานอวกาศได้ ต่อไปนี้จึงจะไม่ขอเรียก Exo-Break ว่าเป็นยานอวกาศแบบ Spaceship แต่ให้เป็น Spacecraft ตาม NASA แทน เพราะไม่ว่าจะดาวเทียมหรืออะไรก็ตามก็สามารถเรียกว่า Spacecraft ได้ - ความเห็นส่วนตัว)

ตัวอุปกรณ์จะถูกติดตั้งไปกับดาวเทียม CubeSat ชื่อ TechEdSat-5 โดย Exo-Break จะทำหน้าที่คล้ายกับร่มชูชีพที่จะกางออกและสร้างแรง Drag ทำให้ตัว Exo-Break เคลื่อนที่ช้าลงและลดความสูงโคจรลง โดยที่ไม่ต้องจุดเครื่องยนต์ Retro-fire โดยจะมีการนำค่าต่าง ๆ ไปคำนวณร่วมกับคอมพิวเตอร์ ไว้ทำ simulation เพื่อหาจุดตกของ Exo-Break อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถส่ง recovery team ไปเก็บกู้ได้โดยง่าย ระบบนี้เป็นผลงานของ Ames Research Center ของ NASA ในแคลิฟอร์เนีย

ชุดทดสอบ Exo-Break ตัวที่จะทดสอบนี้ถูกส่งขึ้นไปแล้วกับยาน HTV ของ JAXA ที่เพิ่งส่งไปในวันที่ 9 ธันวาคมที่ผ่านมา และ NASA จะมีแผนทดสอบในเดือนมกราคมที่จะถึงนี้ (หรืออาจจะกุมภา ก็ไม่ทราบต้องติดตามข่าวกันต่อไป) ในครั้งนี้จะเป็นการ demo เฉย ๆ เพื่อแสดงความสามารถและโชว์ว่าเทคนิคดังกล่าวใช้งานได้จริง ซึ่งในปี 2012 ก็ได้มีการทดสอบไปแล้ว โดยส่งตัว Exo-Break ขึ้นไปกับจรวดแบบ Sub-orbital และก็ยังมีการทดสอบกับดาวเทียม TechEdSat-3p ที่เป็น cube sat ในปี 2013 แล้วเช่นกัน

ในการปล่อย NASA จะปล่อยออกจากสถานีอวกาศนานาชาติด้วยเทคนิคเดียวกับการปล่อยดาวเทียม Cubesat หรือดาวเทียมขนาดเล็กที่ขนขึ้นไปกับยานส่งเสบียงเช่น Dragon หรือ HTV (ดาวเทียม SpaceBox Step 1 ของคนไทยเราก็จะใช้วิธีการปล่อยแบบนี้ในอนาคต) โดยปกติในสถานีจะมีช่องเอาไว้สำหรับใส่ดาวเทียมพวกนี้ แล้วยิงออกไปอยู่แล้ว

สิ่งที่ NASA จะได้รับจากการทำแบบนี้ก็คือในอนาคตเราจะสามารถส่งสิ่งของกลับมาได้โดยง่าย เมื่อไหร่ก็ได้ ไม่ต้องรอคิวส่งกลับพร้อมกับยานอวกาศลำใหญ่ ๆ อย่าง Soyuz หรือ Dragon ซึ่งนาน ๆ (เป็นเดือน) กว่าจะมีรอบขึ้นลงซักที ซึ่งหากการทดลองที่ต้องรีบส่งลงมาอย่างเร่งด่วน เช่น ที่เกี่ยวกับพืช หรืออะไรที่เป็นเชิงชีววิทยา แล้วต้องส่งผลกลับมาอย่างรวดเร็ว ก็สามารถใช้เทคนิคนี้ได้ แถมอุปกรณ์ Exo-Break ยังสามารถนำขึ้นไปได้หลายตัวในการส่งเสบียงขึ้นครั้งเดียวด้วย