การขนส่งและการโคจรของดาวเทียม
ดาวเทียมที่โคจรอยู่รอบโลกเรานั้น เรามีการส่งออกสู่วงโคจรโดยการใช้ จรวด (Rocket) หรือส่งด้วยการบรรทุกไปกับกระสวยอวกาศ (Space shuttle) ในโลกนี้มีอยู่หลายประเทศที่มีศักยภาพในการส่งดาวเทียมออกสู่อวกาศ ยกตัวอย่างเช่น สหรัฐอเมริกา, รัสเซีย, จีน ฯลฯ
รูปโครงการจรวดส่งสถานีอวกาศนานาชาติโซยูส
ในการปล่อยดาวเทียมด้วยจรวดขับดัน เป้าหมายที่ต้องการก็คือการส่งจรวดที่บรรจุดาวเทียมให้พุ่งทะยานผ่านความหนาของชั้นบรรยากาศ โดยให้มีความเร็วในการพุ่งขึ้นให้เร็วมากที่สุด และจะต้องเผาผลาญเชื้อเพลิงให้น้อยที่สุด
หลังจากปล่อยจรวดทะยานขึ้นฟ้าไปแล้ว กัปตันผู้ควบคุมยานจะคอยควบคุมกลไก ระบบนำทางเฉื่อย (Inertial guidance system) เพื่อใช้ในการปรับหัวฉีดของจรวด บังคับทิศทางทิศทางจรวด ให้เป็นไปตามแผนการบิน (Flight plan) แผนการบินส่วนใหญ่จะนำจรวดพุ่งไปทางทิศตะวันออก เพราะว่าโลกหมุนไปทางทิศตะวันออก (เหตุผลง่าย ๆ ก็คือเป็นการเสริมแรงให้กับจรวดที่ปล่อย เพื่อให้จรวดพุ่งไปโดยเผาผลาญเชื้อเพลิงได้น้อย เปรียบเหมือนกับการที่เราเหวี่ยงลูกตุ้มและปล่อยลูกตุ้มออกไป) นอกจากแรงเสริมของการหมุนของโลกแล้ว ตัวจรวดจะมีตัวบูสต์ (Boost:ตัวเสริม) เสริมแรงให้จรวดมีความแรงอีกทางด้วย
วิดีโอจำลองตัวอย่างการส่งดาวเทียมไปวนดวงจันทร์
ฐานปล่อยจรวดที่ดีจะตั้งไว้ที่แนวเส้นหรือใกล้เส้นศูนย์สูตร ซึ่งเป็นจุดที่โลกมีระยะเส้นรอบวงที่มากที่สุด และหมุนเร็วแรงที่สุด (ข้อน่าสังเกต: โลกมีสัณฐานเป็นทรงกลมแบน) อุ้ยอ้ายรอบตรงกลาง
ณ จุดหนึ่งบนพื้นผิวโลกที่เส้นศูนย์สูตร จะมีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 1,669 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (1,038 ไมล์ต่อชั่วโมง) (ตลอดเวลาเราเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 1,669 กิโลเมตรต่อชั่วโมงเชียวนะ!!) ฐานปล่อยยานอวกาศฐานหนึ่งได้แก่ ฐานปล่อยจรวดที่แหลมคานาเวรอล (Canaveral) รัฐฟลอริดา (Florida) สหรัฐอเมริกา จะมีความเร็วของโลกค่านี้อยู่ที่เหมาะในการปล่อยยานอวกาศ โดยไม่จำเป็นต้องเสริมตัวบูสต์ขนาดใหญ่มาก แต่จะใช้ความเร็วในการหมุนตัวของโลกเข้าช่วย
ในอเมริกายังมีอีกที่หนึ่งได้แก่ จุดปล่อยยาน 39-A (Launch complex 39-A) ที่ศูนย์อวกาศเคเนดี้ (Kennedy space center) เป็นที่ที่หนึ่งที่สามารถปล่อยยานได้อย่างดี ตำแหน่งที่ตั้งคือ ที่ 28 องศา 36 นาที 29.7014 วินาที ละติจูดเหนือ มีความเร็วการหมุนของโลกอยู่ที่ค่า 1,440 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (894 ไมล์ต่อชั่วโมง) จะเห็นได้ว่าความเร็วการหมุนของโลกต่ำกว่าที่แหลมคานาเวรอลนิดหนึ่ง
รูปจุดปล่อยยานอวกาศ39-A ณ ศูนย์อวกาศเคเนดี้
จุดปล่อย 39-A (Launch complex 39-A) ศูนย์อวกาศเคเนดี้ (Kennedy space center) เป็นที่แห่งหนึ่งของการปล่อยอย่างสะดวกสบาย คือตำแหน่งที่ 28 องศา 36 นาที 29.7014 วินาที ละติจูดเหนือ มีความเร็วการหมุนของโลกอยู่ที่ค่าประมาณ 1,440 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (894 ไมล์ต่อชั่วโมง) ความแตกต่างในความเร็วพื้นผิวโลกระหว่างเส้นศูนย์สูตร และศูนย์อวกาศเคเนดี้ มีค่าประมาณ 229 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (144 ไมล์ต่อชั่วโมง)
ทีนี้มาพิจารณาที่จรวดสามารถทำความเร็วได้เป็นพันไมล์ต่อชั่วโมง คุณอาจสงสัยว่าทำไมมีความแตกต่างกัน 144 ไมล์ต่อชั่วโมงในภารกิจที่กระทำ คำตอบก็คือจรวด มีบินไปพร้อมกับน้ำมันเชื้อเพลิง และน้ำหนักบรรทุก มีความหนักมาก ดูตัวอย่าง 11 กุมภาพันธ์ ปี 2000 มีการปล่อยยานอวกาศเอนเดเวอร์ (Endeavor) พร้อมกับ “ปฏิบัติการยานอวกาศเรดาร์ทำแผนที่” มีความต้องการยกน้ำหนักทั้งหมด 2,050,447 กิโลกรัม (4,520,415 ปอนด์) มันมีขนาดมหึมาที่ต้องทำการทะยานขึ้นเพื่อเอาชนะน้ำหนักทั้งหมด, ความโน้มถ่วงของโลก และความเร็วการหมุนของโลก ที่ 144 ไมล์ต่อชั่วโมง เมื่อเป็นเช่นนั้นจะต้องมีเชื้อเพลิงที่มากเพียงพอ ที่จะปล่อยจากเส้นศูนย์สูตรได้จริง
ทันทีที่จรวดพุ่งขึ้นสู่อากาศ ประมาณ 193 กิโลเมตร (120 ไมล์) ขึ้นไป ระบบนำทางของจรวดจะจุดจรวดขนาดเล็ก ตอนนี้เพียงพอที่จะกลับปล่อยเครื่องยนต์ไปสู่ตำแหน่งแนวนอน ดาวเทียมก็จะถูกปล่อยจากจุดนี้ จรวดจะติดเครื่องยนต์อีกครั้งเพื่อให้แน่ใจถึงในการแยกออกระหว่าง ยานจรวด และดาวเทียม
ระบบนำทางเฉื่อย (Inertial Guidance Systems: IGS)
จรวดจะต้องควบคุมอย่างแม่นยำที่จะปล่อยยานดาวเทียมไปสู่วงโคจร ระบบนำทางเฉื่อยภายในจรวดทำหน้าที่ควบคุมให้เป็นไปได้ IGS ทำให้ตำแหน่งของจรวดพุ่งไปอย่างถูกต้อง และแม่นยำเที่ยงตรง ตรงตามเป้าหมายที่จะไป ภายใน IGS มีอุปกรณ์ที่สำคัญสองส่วนดังนี้
ไจโรสโคป (Gyroscopes) หรือเครื่องมือวัดการหมุนวน หน้าที่ของมันคือ ท้าทายแรงดึงดูดของโลก ทำไว้สำหรับเป็นเข็มทิศให้กับอากาศยาน และยานอวกาศ เพื่อไม่ให้หลงทิศทางรายละเอียดลึก ๆ จะยังไม่กล่าวในที่นี้
รูปไจโรสโคปอย่างง่าย
วิดีโอแสดงหลักการทำงานของไจโรสโคปก่อนที่จะมีการพัฒนานำมาใช้ในการบิน และอวกาศ
มิเตอร์วัดความเร่ง (Accelerometers) ซึ่งตั้งอยู่ในวงแหวนอยู่กับที่ ในแกนไจโรสโคป อยู่ในทิศทางที่เหมือนกัน ไจโรสโคปจะเสถียร ตั้งอยู่บนแท่นที่บรรจุมิเตอร์วัดความเร่ง การเปลี่ยนแปลงความเร่งในแนวแกน 3 แกน ทำให้รู้ถึงทิศทางอย่างแน่ชัดที่จรวดถูกปล่อยไป และทราบถึงความเร่งของจรวดในขณะที่บินอยู่
ดังนั้น IGS สามารถคำนวณตำแหน่งจรวด และเป้าหมายในอวกาศได้อย่างแม่นยำ
การออกแบบวงโคจรของดาวเทียมขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งานดาวเทียม ระดับความสูงของดาวเทียมมีความสัมพันธ์กับคาบเวลาในวงโคจรตามกฎของเคปเลอร์ข้อที่ 3 (กำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเทียม แปรผันตาม กำลังสามของระยะห่างจากโลก) ดังนั้น ณ ระดับความสูงจากผิวโลกระดับหนึ่ง ดาวเทียมจะต้องมีความเร็วในวงโคจรค่าหนึ่ง มิฉะนั้นดาวเทียมอาจตกสู่โลกหรือหลุดจากวงโคจรรอบโลก ดาวเทียมวงโคจรต่ำเคลื่อนที่เร็ว ดาวเทียมวงโคจรสูงเคลื่อนที่ช้า
ดังนั้น IGS สามารถคำนวณตำแหน่งจรวด และเป้าหมายในอวกาศได้อย่างแม่นยำ
การออกแบบวงโคจรของดาวเทียมขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งานดาวเทียม ระดับความสูงของดาวเทียมมีความสัมพันธ์กับคาบเวลาในวงโคจรตามกฎของเคปเลอร์ข้อที่ 3 (กำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเทียม แปรผันตาม กำลังสามของระยะห่างจากโลก) ดังนั้น ณ ระดับความสูงจากผิวโลกระดับหนึ่ง ดาวเทียมจะต้องมีความเร็วในวงโคจรค่าหนึ่ง มิฉะนั้นดาวเทียมอาจตกสู่โลกหรือหลุดจากวงโคจรรอบโลก ดาวเทียมวงโคจรต่ำเคลื่อนที่เร็ว ดาวเทียมวงโคจรสูงเคลื่อนที่ช้า
ในการออกแบบวงโคจรของดาวเทียม นอกจากความสูงของวงโคจรแล้ว ยังต้องคำนึงถึงทิศทางของวงโคจร เนื่องโลกหมุนรอบตัวเอง นักวิทยาศาสตร์จะต้องคำนึงถึงพื้นที่บนพื้นผิวโลกที่ต้องการให้ดาวเทียมเคลื่อนที่ผ่าน เราสามารถจำแนกประเภทของวงโคจร ตามระยะสูงของวงโคจรได้ดังนี้
- วงโคจรระยะต่ำ (Low Earth Orbit “LEO”) อยู่สูงจากพื้นโลกไม่เกิน 1,000 กม. เหมาะสำหรับการถ่ายภาพรายละเอียดสูง ติดตามสังเกตการณ์อย่างใกล้ชิด แต่เนื่องจากวงโคจรประเภทนี้อยู่ใกล้พื้นผิวโลกมาก ภาพถ่ายที่ได้จึงครอบคลุมพื้นที่เป็นบริเวณแคบ และไม่สามารถครอบคลุมบริเวณใดบริเวณหนึ่งได้นาน เนื่องจากดาวเทียมต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก ดาวเทียมวงโคจรต่ำจึงนิยมใช้วงโคจรขั้วโลก (Polar Orbit) หรือใกล้ขั้วโลก (Near Polar Orbit) ดาวเทียมจะโคจรในแนวเหนือ-ใต้ ขณะที่โลกหมุนรอบตัวเอง ดาวเทียมจึงเคลื่อนที่ผ่านเกือบทุกส่วนของพื้นผิวโลก
- วงโคจรระยะปานกลาง (Medium Earth Orbit “MEO”) อยู่ที่ระยะความสูงตั้งแต่ 1,000 กิโลเมตร จนถึง 35,000 กิโลเมตร สามารถถ่ายภาพและส่งสัญญาณวิทยุได้ครอบคลุมพื้นที่ได้เป็นบริเวณกว้างกว่าดาวเทียมวงโคจรต่ำ แต่หากต้องการสัญญาณให้ครอบคลุมทั้งโลกจะต้องใช้ดาวเทียมหลายดวงทำงานร่วมกันเป็นเครือข่ายและมีทิศทางของวงโคจรรอบโลกทำมุมเฉียงหลายๆ ทิศทาง ดาวเทียมที่มีวงโคจรระยะปานกลางส่วนมากเป็นดาวเทียมนำร่อง เช่น เครือข่ายดาวเทียม GPS ประกอบด้วยดาวเทียมจำนวน 24 ดวง ทำงานร่วมกันดังภาพที่ 3 โดยส่งสัญญาณวิทยุออกมาพร้อมๆ กัน ให้เครื่องรับที่อยู่บนพื้นผิวโลกเปรียบเทียบสัญญาณจากดาวเทียมแต่ละดวง เพื่อคำนวณหาตำแหน่งพิกัดที่ตั้งของเครื่องรับ
- วงโคจรประจำที่ (Geosynchonus Earth Orbit “GEO”) อยู่สูงจากพื้นโลกประมาณ 35,786 กม. มีเส้นทางโคจรอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตร (Equatorial Orbit) ดาวเทียมจะหมุนรอบโลกด้วยความเร็วเชิงมุมเท่ากับโลกหมุนรอบตัวเองทำให้ดูเหมือนลอยนิ่งอยู่เหนือพื้นผิวโลกตำแหน่งเดิมอยู่ตลอดเวลา จึงถูกเรียกว่า “ดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้า” (Geo-stationary Earth Orbit “GSO”) เนื่องจากดาวเทียมวงโคจรชนิดนี้อยู่ห่างไกลจากโลกและสามารถลอยอยู่เหนือพื้นโลกตลอดเวลา จึงนิยมใช้สำหรับการถ่ายภาพโลกทั้งดวง เฝ้าสังเกตการณ์เปลี่ยนแปลงของบรรยากาศ และใช้ในการโทรคมนาคมข้ามทวีป อย่างไรก็ตามดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้าจะต้องลอยอยู่ที่ระดับสูง 35,786 กิโลเมตรเท่านั้น วงโคจรแบบนี้จึงมีดาวเทียมอยู่หนาแน่น และกำลังจะมีปัญหาการแย่งพื้่นที่ในอวกาศ
- วงโคจรูปวงรี (Highly Elliptical Orbit “HEO”) เป็นวงโคจรออกแบบสำหรับดาวเทียมที่ปฏิบัติภารกิจพิเศษเฉพาะกิจ เนื่องจากดาวเทียมความเร็วในวงโคจรไม่คงที่ เมื่ออยู่ใกล้โลกดาวเทียมจะเคลื่อนที่ใกล้โลกมาก และเคลื่อนที่ช้าลงเมื่อออกห่างจากโลกตามกฎข้อที่ 2 ของเคปเลอร์ ดาวเทียมวงโคจรรูปวงรี ส่วนมากเป็นดาวเทียมที่ปฏิบัติงานด้านวิทยาศาสตร์ เช่น ศึกษาสนามแม่เหล็กโลก เนื่องจากสามารถมีระยะห่างจากโลกได้หลายระยะดังภาพที่ 5 หรือเป็นดาวเทียมจารกรรมซึ่งสามารถบินโฉบเข้ามาถ่ายภาพพื้นผิวโลกด้วยระยะต่ำมากและปรับวงโคจรได้
