หลักการส่งวัตถุขึ้นสู่อวกาศ

        เมื่อสามร้อยปีมาแล้ว  เซอร์ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ผู้คิดค้นทฤษฎีเรื่องแรงโน้มถ่วงของโลก อธิบายว่า หากเราขึ้นไปอยู่บนที่สูง และปล่อยวัตถุให้หล่นจากมือ วัตถุก็จะตกลงสู่พื้นในแนวดิ่ง เมื่อออกแรงขว้างวัตถุออกไปในทิศทางขนานกับพื้น วัตถุจะเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้ง (A)   เนื่องจากแรงลัพธ์ซึ่งเกิดขึ้นจากแรงที่เราขว้างและแรงโน้มถ่วงของโลกรวมกัน วัตถุจึงมีวิถีการเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้งดังในภาพที่ 1   ถ้าหากเราออกแรงมากขึ้น วิถีการเคลื่อนที่ของวัตถุจะโค้งน้อยลง ก้อนหินจะยิ่งตกไกลขึ้น (B)   และหากเราออกแรงมากจนวิถีของวัตถุขนานกับความโค้งของโลก วัตถุก็จะไม่ตกสู่พื้นโลกแต่จะโคจรรอบโลกเป็นวงโคจรรูปวงกลม (C) เราเรียกการตกในลักษณะนี้ว่า “การตกอย่างอิสระ” (Free fall)   นี่เองคือหลักการส่งยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจรรอบโลก หากเราเพิ่มแรงให้กับวัตถุมากขึ้นไปอีกก็จะได้วงโคจรเป็นรูปวงรี (D)   และถ้าเราออกแรงขว้างวัตถุไปด้วยความเร็ว 11.2 กิโลเมตรต่อวินาที วัตถุจะไม่หวนกลับคืนมาแต่จะเดินทางออกสู่ห้วงอวกาศ (E) เราเรียกความเร็วนี้ว่า “ความเร็วหลุดพ้น” (Escape velocity) และนี่คือหลักการส่งยานอวกาศไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น

ภาพที่ 1 หลักการส่งยานอวกาศ

        เราสามารถคำนวณหาความเร็วหลุดพ้นได้โดยประยุกต์  กฎความโน้มถ่วงแห่งเอกภพของนิวตัน (Newton's Law of Universal Gravitation) “วัตถุสองชิ้นดึงดูดกันด้วยแรงซึ่งแปรผันตามมวลของวัตถุ แต่แปรผกผันกับระยะทางระหว่างวัตถุยกกำลังสอง” กับสูตรพลังงานจลน์ ได้ดังนี้ 

    พลังงานจลน์เนื่องจากการเคลื่อนที่ของวัตถุ = พลังงานศักย์โน้มถ่วงของดาวเคราะห์ (จากกฎความโน้มถ่วง)

                                          1/2 mves2         = G (Mm/r) 

                                               ves         =  (2GM/r)1/2 

โดยที่ ves = ความเร็วหลุดพ้นของยานอวกาศ

          M = มวลของดาวเคราะห์ 

          m = มวลของยานอวกาศ

          r = ระยะทางระหว่างศูนย์กลางของดาวเคราะห์กับยานอวกาศ​ 

          G = ค่าคงที่ของแรงโน้มถ่วง = 6.67 x 10-11 Nm2/kg2

       เมื่อแทนค่าสูตรข้างต้นด้วยมวลและรัศมีของดาวแต่ละดวงในระบบสุริยะ จะได้ผลลัพธ์ในตารางที่ 1  จะพบว่า ความเร็วหลุดพ้นของดาวมวลมากมีค่ามากกว่าความเร็วหลุดพ้นของดาวมวลน้อย 

ตารางที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างมวลของดาวกับความเร็วหลุดพ้น

        โลกมีมวลมากกว่าดวงจันทร์จึงมีแรงโน้มถ่วงมากกว่าดวงจันทร์ ในการส่งยานอวกาศไปยังดวงจันทร์จะต้องทำความเร็วหลุดพ้น 11.2 กิโลเมตร/วินาที เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลกที่มีต่อยานอวกาศ  แต่ในการเดินทางออกจากพื้นผิวดวงจันทร์ ยานอวกาศต้องทำความเร็วหลุดพ้น 2.4 กิโลเมตร/วินาที เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงที่ดวงจันทร์มีต่อยานอวกาศ  ภาพที่ 2 เป็นแผนภาพแสดงการเดินทางไปกลับระหว่างโลกกับดวงจันทร์ของยานอะพอลโล (Apollo) จะเห็นว่า การเดินทางจากโลกไปยังดวงจันทร์จะต้องใช้จรวดแซทเทิร์น 5 (Saturn V) ซึ่งประกอบด้วยจรวดเชื้อเพลิงเหลวจำนวน 3 ท่อนสร้างความเร่งเพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก  แต่ในขากลับจากดวงจันทร์ไปยังโลก ใช้เพียงจรวดเชื้อเพลิงเหลวขนาดเล็กซึ่งติดตั้งอยู่ท้ายห้องนักบินอวกาศเพียงท่อนเดียว ก็สามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ และใช้แรงโน้มถ่วงของโลกดึงยานกลับมา 

ภาพที่ 2 วิถีของยานอะพอลโล

(ที่มา: Smithsonion)

        ส่วนในการส่งยานอวกาศไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่นที่อยู่ห่างไกล เช่น การเดินทางไปยังดาวเสาร์ของยานแคสสินี (Cassini spacecraft) ไม่สามารถเดินทางจากโลกไปยังดาวเสาร์ได้โดยตรง เนื่องจากดาวเสาร์อยู่ไกลมาก เชื้อเพลิงที่จรวดบรรทุกได้ไม่มากพอ  นักวิทยาศาสตร์จึงออกแบบให้ยานอวกาศเดินทางไปโคจรรอบดวงอาทิตย์ก่อน 2 รอบ เพื่อสร้างโมเมนตัมเพิ่มความเร็ว แล้วใช้แรงเหวี่ยงจากดาวศุกร์ เหวี่ยงให้ยานเคลื่อนที่ไปยังโลก ต่อจากนั้นก็ใช้แรงเหวี่ยงจากโลกส่งให้ยานเคลื่อนที่ไปยังดาวพฤหัสบดี แล้วใช้แรงเหวี่ยงจากยานพฤหัสบดี ส่งให้ยานโคจรไปยังดาวเสาร์  รวมเป็นระยะทาง 3.5 พันล้านกิโลเมตร โดยใช้เวลาเกือบ 7 ปี  หลักการส่งยานอวกาศโดยใช้แรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์เหวี่ยงต่อๆ กันไปเช่นนี้เรียกว่า "Swing by" ดังที่แสดงในภาพที่ 3 

ภาพที่ 3 วิถีของยานแคสสินี

(ที่มา: NASA)