หลักการส่งจรวด
อวกาศอยู่สูงเหนือพื้นโลกขึ้นไปไม่กี่ร้อยกิโลเมตร แต่การที่จะขึ้นไปถึงมิใช่เรื่องง่าย เมื่อสามร้อยปีมาแล้ว เซอร์ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ผู้คิดค้นทฤษฎีเรื่องแรงโน้มถ่วงของโลก อธิบายว่า หากเราขึ้นไปอยู่บนที่สูงแล้วปล่อยวัตถุให้หล่นลงมา วัตถุจะตกลงสู่พื้นในแนวดิ่ง เมื่อออกแรงขว้างวัตถุออกไปในทิศทางขนานกับพื้น วัตถุจะเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้ง (A) ดังแสดงในภาพที่ 1 แรงลัพธ์ซึ่งเกิดขึ้นจากแรงที่เราขว้างและแรงโน้มถ่วงของโลกรวมกันทำให้วัตถุเคลื่อนที่เป็นวิถีโค้ง ถ้าเราออกแรงมากขึ้น วิถีการเคลื่อนที่ของวัตถุจะโค้งน้อยลง วัตถุจะยิ่งตกไกลขึ้น (B) และหากเราออกแรงมากจนวิถีของวัตถุขนานกับความโค้งของโลก วัตถุจะไม่ตกสู่พื้นโลกแต่จะเป็นการตกอย่างต่อเนื่อง (C) เราเรียกการตกในลักษณะเช่นนี้ว่า “การตกอย่างอิสระ” (Free fall) และนี่คือหลักการส่งยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจรโลก หากเราเพิ่มแรงให้กับวัตถุมากขึ้นไปอีก วิถีของวงโคจรเป็นรูปวงรี (D) และถ้าส่งวัตถุด้วยความเร็ว 11.2 กิโลเมตรต่อวินาที วัตถุจะไม่หวนกลับคืนมา แต่จะเดินทางออกสู่ห้วงอวกาศ (E) เราเรียกความเร็วนี้ว่า “ความเร็วหลุดพ้น” (Escape speed) และนี่คือหลักการส่งยานอวกาศไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น
หมายเหตุ: ในทางปฏิบัติเราไม่สามารถส่งวัตถุขึ้นสู่อวกาศในแนวราบได้ เพราะโลกมีบรรยากาศห่อหุ้มอยู่ ความหนาแน่นของอากาศจะต้านทานให้วัตถุเคลื่อนที่ช้าลงและตกสู่พื้นเสียก่อนที่จะเข้าสู่วงโคจร ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์จึงออกแบบวิถีของจรวดให้ขึ้นสู่ท้องฟ้าในแนวดิ่ง แล้วค่อยปรับวิถีให้โค้งขนานกับผิวโลกเมื่อเหนือชั้นบรรยากาศในภายหลัง
ภาพที่ 1 หลักการส่งยานอวกาศ
นักวิทยาศาสตร์คำนวณหาความเร็วหลุดพ้นได้โดยประยุกต์ “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
แรงสู่ศูนย์กลาง = แรงโน้มถ่วงของโลก
mv2/r = G (Mm/r2)
v = (GM/r)1/2
โดยที่ v = ความเร็วของดาวเทียม
M = มวลของโลก
m = มวลของดาวเทียม
r = ระยะทางระหว่างศูนย์กลางของโลกกับดาวเทียม
G = ค่าคงที่ของแรงโน้มถ่วง = 6.674 x 10-11 Nm2/kg2
เมื่อแทนค่าสูตรข้างบนด้วยมวลและรัศมีของดาวแต่ละดวงในระบบสุริยะ จะได้ผลลัพธ์ในตารางที่ 1 ซึ่งแสดงว่า ความเร็วหลุดพ้นของดาวมวลมาก มีค่ามากกว่าความเร็วหลุดพ้นของดาวมวลน้อย
โลกมีมวลมากกว่าดวงจันทร์จึงมีแรงโน้มถ่วงมากกว่าดวงจันทร์ ในการส่งยานอวกาศไปยังดวงจันทร์ต้องทำความเร็วหลุดพ้น 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
ส่วนในการส่งยานอวกาศไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่นที่อยู่ห่างไกล เช่น การเดินทางไปยังดาวเสาร์ของยานแคสสินี (Cassini spacecraft) ไม่สามารถเดินทางจากโลกไปยังดาวเสาร์ได้โดยตรง เนื่องจากดาวเสาร์อยู่ไกลมาก เชื้อเพลิงที่จรวดบรรทุกได้ไม่มากพอ นักวิทยาศาสตร์จึงออกแบบวงโคจรให้ยานอวกาศเดินทางไปโคจรรอบดวงอาทิตย์ก่อน 2 รอบ เพื่อสร้างโมเมนตัมเพิ่มความเร็วเหวี่ยงไปยังดาวศุกร์ แล้วใช้แรงเหวี่ยงจากดาวศุกร์ เหวี่ยงให้ยานเคลื่อนที่ไปยังโลก ต่อจากนั้นก็ใช้แรงเหวี่ยงจากโลกส่งให้ยานเคลื่อนที่ไปยังดาวพฤหัสบดี แล้วใช้แรงเหวี่ยงจากยานพฤหัสบดี ส่งให้ยานโคจรไปยังดาวเสาร์ รวมเป็นระยะทาง 3.5 พันล้านกิโลเมตร โดยใช้เวลาเกือบ 7 ปี หลักการส่งยานอวกาศโดยใช้แรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์เหวี่ยงต่อๆ กันไปเช่นนี้เรียกว่า "Swing by" ดังที่แสดงในภาพที่ 3
