บทที่ 8 เทคโนโลยีอวกาศ
เทคโนโลยีอวกาศ
8.1กล้องโทรทรรศน์
8.2 การขนส่งและการโคจรของดาวเทียม
ฐานส่งจรวดทั่วโลกจะต้องคำนึงถึงความปลอดภัยต่ออุบัติเหตุที่อาจเกิดขึ้นได้นับตั้งแต่ก่อนการจุดของจรวด ไปจนกระทั่งจรวดพาดาวเทียมเข้าสู่วงโคจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงที่จรวดท่อนแรกใช้งานจนเชื้อเพลิงหมดแล้วต้องสลัดจรวดท่อนนี้ลงมา นอกจากนี้จะต้องพิจารณาวงโคจรที่ต้องการส่งดาวเทียมด้วย เพราะถ้าวงโคจรไม่เหมาะสมกับตำแหน่งของฐานส่งจรวดก็จะทำใก้เกิดความผิดพลาดในการส่งดาวเทียมเข้าสู่วงโคจรที่ต้องการได้เนื่องจากเชื้อเพลิงไม่พอเพียง ในปัจจุบันนี้ทั่วโลกมีฐานส่งจรวดอยู่ 22 แห่ง
8.3 ระบบการขนส่งอวกาศ
8.4 การใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีอวกาศ
8.1กล้องโทรทรรศน์
 |
| กล้องโทรทรรศน์ แบบหักเหแสง |
 |
| กล้องโทรทรรศน์ แบบสะท้อนแสง |
 |
| กล้องฯแบบ Schmidt-Cassegrain |
ฐานส่งจรวดทั่วโลกจะต้องคำนึงถึงความปลอดภัยต่ออุบัติเหตุที่อาจเกิดขึ้นได้นับตั้งแต่ก่อนการจุดของจรวด ไปจนกระทั่งจรวดพาดาวเทียมเข้าสู่วงโคจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงที่จรวดท่อนแรกใช้งานจนเชื้อเพลิงหมดแล้วต้องสลัดจรวดท่อนนี้ลงมา นอกจากนี้จะต้องพิจารณาวงโคจรที่ต้องการส่งดาวเทียมด้วย เพราะถ้าวงโคจรไม่เหมาะสมกับตำแหน่งของฐานส่งจรวดก็จะทำใก้เกิดความผิดพลาดในการส่งดาวเทียมเข้าสู่วงโคจรที่ต้องการได้เนื่องจากเชื้อเพลิงไม่พอเพียง ในปัจจุบันนี้ทั่วโลกมีฐานส่งจรวดอยู่ 22 แห่ง
8.3 ระบบการขนส่งอวกาศ
8.4 การใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีอวกาศ
 |
| ภาพเซลล์เชื้อเพลิง |
 |
| ภาพเซลล์สุริยะ |
 |
| ภาพถ่ายเมฆจากดาวเทียม GMS-5 (ถ่ายเมื่อ 3 ก.พ. 2546) ดาวเทียมสำรวจทรัพยากรโลก |
 |
| ภาพถ่ายดาวเทียมบริเวณโรงกรองน้ำ และผลิตน้ำประชาชื่น และนอร์ธปาร์ค จากดาวเทียม IRS-ID ถ่ายเมื่อ 24 ก.พ. 2544 หลอมกับภาพจาก Landsat-7 ETM + ถ่ายเมื่อ 24 ม.ค. 2545 |
แม้ว่าตาของคนเรา สามารถมองเห็นท้องฟ้า แต่การใช้อุปกรณ์ประเภทกล้องสองตา หรือกล้องโทรทรรศน์ จะช่วยให้ตาเราสามารถรับแสงได้มากยิ่งขึ้น ทำให้มองเห็นวัตถุที่มีความสว่างน้อย หรือจางได้สว่าง หรือชัดเจนมากขึ้น กล้องโทรทรรศน์ (Telescopes) เป็นอุปกรณ์ช่วยดูดาวประเภทหนึ่ง ที่ช่วยให้นักดูดาว สามารถศึกษาท้องฟ้า ได้มากกว่ากล้องสองตา
คุณลักษณะของกล้องโทรทรรศน์
1. ขนาดของหน้ากล้อง (Aperture): ตัวแปรที่สำคัญที่สุด ของกล้องโทรทรรศน์ คือ ขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลาง ของกล้อง ซึ่งหมายถึงขนาดของเลนส์วัตถุ (ในกล้องโทรทรรศน์ แบบหักเหแสง) หรือขนาดของกระจกสะท้อนแสง (ในกล้องโทรทรรศน์ แบบสะท้อนแสง) ทั้งนี้ก็เพราะว่า การที่วัตถุมองไม่ค่อยเห็น เกิดจากวัตถุนั้นๆจาง หรือได้รับแสงจากวัตถุนั้นน้อย ไม่ได้เกิดจากวัตถุเล็ก แล้วต้องการกำลังขยายมาก ดังนั้น ขนาดของหน้ากล้องที่มาก จะทำให้กล้องได้รับแสงมากกว่า กล้องที่มีขนาดหน้ากล้องน้อย แต่อย่าลืมว่า กล้องที่มีขนาดใหญ่มาก น้ำหนักและการเคลื่อนย้าย ก็อาจเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานได้
2. กำลังขยาย (Power or Magnification): กำลังขยาย ไม่ใช่ ตัวแปรหรือปัจจัยที่สำคัญมากนัก ปกติแล้ว กำลังขยายสูงสุด จะไม่เกิน 50 เท่าของ(ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ)กล้อง ในหน่วยนิ้ว (หรือกำลังขยายสูงสุด จะไม่เกิน 2 เท่าของกล้อง ในหน่วยมิลลิเมตร) เช่น กล้องขนาด 6 นิ้ว (6-inch) ควรจะมีกำลังขยายสูงสุดไม่เกิน 300x (300 เท่า) เป็นต้น
ประเภทของกล้องโทรทรรศน์ กล้องโทรทรรศน์ แบ่งออกได้ 3 ประเภท คือ
1. กล้องโทรทรรศน์ แบบหักเหแสง (Refractor Telescope) เป็นกล้องโทรทรรศน์ ที่อาศัยหลักการหักเหของแสง ผ่านเลนส์วัตถุ (Objective Lens) แล้วหักเหอีกครั้ง ผ่านเลนส์ตา (Eye piece) กล้องชนิดนี้ ค้นพบก่อนที่กาลิเลโอจะนำมาพัฒนา และนิยมใช้จนแพร่หลาย ในสมัยของกาลิเลโอ ซึ่งเหมาะสำหรับ สำรวจพื้นผิวของดวงจันทร์, ดาวเคราะห์, วงแหวนและดาวบริวารของดาวเคราะห์ เป็นต้น
ข้อดี ของกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงนี้ เหมาะสำหรับมือใหม่ เนื่องจาก ราคาถูก (เมื่อเทียบกับแบบอื่น), เคลื่อนย้าย, ประกอบใช้งานง่าย, และเนื่องจากไม่ต้องตั้งอะไรมากนัก ทำให้บำรุงรักษาง่าย นอกจากนี้ โครงสร้างของกล้อง ก็ป้องกันฝุ่นในตัวอยู่แล้ว
ข้อเสียคือ ขนาดสูงสุดของเลนส์วัตถุไม่มากนัก ซึ่งทั่วไปจะมีขนาดประมาณ 3-5 นิ้ว ดังนั้น จึงไม่สามารถสังเกตวัตถุที่จางมากๆ นอกจากนี้ ขนาดของเลนส์วัตถุที่ใใหญ่มาก จะทำให้ภาพที่ได้มีสีเพี้ยน เนื่องจากการหักเหของแต่ละสี ในสเปคตรัมของแสงไม่เท่ากัน ทำให้ต้องมีการเคลือบเลนส์ (Coating) เพื่อแก้ไข ทำให้ราคาสูงขึ้นอีก และกล้องโทรทรรศน์ชนิดนี้ มักมากับกระจกสะท้อน (The Right-angle Mirror or Diagonal Mirror) เพื่อช่วยให้สะดวกในการดูดาว ทำให้ภาพที่ได้ กลับจากซ้ายไปชวา ทำให้มือใหม่ ยากต่อการเปรียบเทียบกับแผนที่ฟ้าได้
2. กล้องโทรทรรศน์ แบบสะท้อนแสง (Refrector Telescope) เป็นกล้องโทรทรรศน์ ที่อาศัยหลักการสะท้อนของแสง ผ่านกระจกโค้ง (Concave Objective Mirror) แล้วหักเหอีกครั้ง ผ่านเลนส์ตา (Eye piece) กล้องชนิดนี้ พัฒนาโดยไอแซ็ค นิวตัน จึงมีอีกชื่อหนึ่ง คือ กล้องโทรทรรศน์แบบนิวตัน (Newtonian Telescope) ซึ่งเหมาะสำหรับ การสำรวจกระจุกดาว, เนบิวลา, วัตถุท้องฟ้า หรือกาแล็กซี่ที่ค่อนข้างจาง เป็นต้น
กระจกโค้ง จะสะท้อนแสง ให้แสงรวมกันยังจุดโฟกัส จุดเดียว เพื่อทำให้ภาพที่ได้มีความคมชัด ดังนั้น กระจกสะท้อน จึงต้องมีความโค้งแบบพาราโบลา (Parabola) ไม่ใช่โค้งแบบส่วนหนึ่งของทรงกลม (Sphere) (ดูภาพข้างล่างประกอบ)
ตัวเลข f/ratio (Focal Ratio)
กล้องแบบนี้ จะมีตัวเลข f/ratio เช่น f/5, f/6, f/16 เป็นต้น ซึ่งตัวเลขหลัง f/ เป็นตัวเลขบอก อัตราส่วนระหว่าง ระยะโฟกัส (ระยะจากกระจกโค้ง ถึงจุดรวมแสง หรือเลนส์ตา) ต่อขนาดของกล้อง
เช่น กล้องขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 นิ้ว มีระยะโฟกัสเท่ากับ 40 นิ้ว จะมีค่า f/ratio เท่ากับ f/10 เป็นต้น
ตัวเลขที่น้อย เช่น f/5, f/6 กล้องจะมีความยาวน้อยกว่า แต่คุณภาพจะดีสู้กล้องที่มีตัวเลขมากกว่า เช่น f/10 ไม่ได้ แต่กล้องที่มีตัวเลขมากกว่า จะมีความยาวกล้องมากกว่า ทำให้เคลื่อนย้ายลำบากกว่า
และกล้องโทรทรรศน์แบบ Catadioptric ก็อาศัยหลักคำนวณแบบเดียวกัน เพียงแต่ระยะโฟกัส เป็นระยะที่เกิดจากการสะท้อน และหักเหผ่านเลนส์ตาแล้ว เท่านั้น
ข้อดี ของกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงนี้ เหมาะสำหรับทั่วไป เนื่องจาก ภาพที่ได้มีคุณภาพดี, ราคาไม่สูงมาก นอกจากนี้ ภาพที่ได้ก็เหมือนจริง (ไม่กลับข้าง) นอกจากนี้ ขนาดของหน้ากล้อง ซึ่งมีความสำคัญต่อการรับแสง กล้องชนิดนี้ ก็มีขนาดให้เลือกมากกว่า
ข้อเสียคือ กระจกสะท้อนที่สอง (Secondary Mirror or Reflecting Mirror) ที่อยู่ภายในกล้อง ที่ทำหน้าที่สะท้อนภาพมายังเลนส์ตานั้น จะลดพื้นที่รับแสงของกล้องแบบนี้ ทำให้เมื่อขนาดของหน้ากล้องเท่ากัน กล้องแบบหักเหแสงจะรับแสงได้มากกว่า ทำให้เห็นภาพวัตถุที่จางกว่าได้ (แต่กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง มีขนาดของหน้ากล้องที่ใหญ่กว่าให้เลือกแทน) และกล้องแบบนี้ ก็ต้องการการดูแลรักษา โดยเฉพาะการป้องกันฝุ่น หรือน้ำค้าง เนื่องจากด้านหน้าของกล้อง เปิดออกรับแสงโดยตรง โดยไม่มีอะไรมาปิดไว้
3. กล้องโทรทรรศน์ แบบ Catadioptric (Catadioptric Telescope) เป็นกล้องโทรทรรศน์ ที่อาศัยทั้งหลักการสะท้อนและการหักเหของแสง เข้าไว้ด้วยกัน ซึ่งกล้องชนิดนี้ ใช้ทั้งกระจกโค้งสะท้อน และเลนส์ในการหักหของแสง และเรียกกล้องชนิดนี้ว่า “Catadioptric” หมายถึง กระจก-เลนส์ (mirror-lens) ตัวอย่างเช่น กล้องแบบ Schmidt-Cassegrain, Maksutov-Cassegrain เป็นต้น กล้องชนิดนี้ จำหน่ายครั้งแรกในยุค ค.ศ. 1970s (ประมาณ 20-30 ปีที่ผ่านมาเท่านั้น) กล้องชนิดนี้ เหมาะสำหรับ การสำรวจกระจุกดาว, เนบิวลา, วัตถุท้องฟ้า หรือกาแล็กซี่ที่ค่อนข้างจาง เป็นต้น
ข้อดี ของกล้องโทรทรรศน์แบบนี้ ทำให้มีขนาดเล็ก (ขณะที่หน้ากล้องใหญ่ขึ้น) ทำให้เคลื่อนย้ายสะดวก, ขนาดที่ของกล้องสั้น ทำให้ติดตั้งมอเตอร์ติดตามดาวได้ง่าย เนื่องจากน้ำหนักสมดุลกว่า และติดตั้งอุปกรณ์ประกอบได้ง่าย เช่น กล้อง CCD สำหรับถ่ายภาพ เป็นต้น
ข้อเสียคือ ราคาที่สูงกว่ากล้องแบบอื่นๆ (ในขนาดที่เท่ากัน) และภาพที่ได้ มีความคมสู้แบบสะท้อนแสงไม่ได้ (ในขนาดที่เท่ากัน) เนื่องจาก เลนส์ตาที่ทำหน้าที่หักเหแสง และกล้องโทรทรรศน์ชนิดนี้ มักมากับกระจกสะท้อน (The Right-angle Mirror or Diagonal Mirror) เพื่อช่วยให้สะดวกในการดูดาว ทำให้ภาพที่ได้ กลับจากซ้ายไปชวา เช่นเดียวกับกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง ทำให้ยากต่อการเปรียบเทียบ กับแผนที่ฟ้าได้
ปัจจุบันความก้าวหน้าด้านวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีด้านการโคจรภายใต้แรงดึงดูดระหว่างมวล ถูกนำมาประยุกต์ใช้เพื่อช่วยพัฒนาองค์ความรู้ต่างๆ ทั้งทางด้านวิทยาศาสตร์ เศรษฐกิจ สังคม อุตุนิยมวิทยา ภูมิศาสตร์ หรือแม้แต่ช่วยอำนวยความสะดวกด้านการติดต่อสื่อสารอย่างทั่วถึงและรวดเร็ว ดังเช่นในยุคข้อมูลไร้พรมแดนอย่างทุกวันนี้ ตัวอย่างของวัตถุที่มีการโคจรภายใต้แรงดึงดูดระหว่างมวล เช่น ดาวเทียม กล้องโทรทรรศน์อวกาศ สถานีอวกาศ เป็นต้น พื้นฐานของการโคจรภายใต้แรงดึงดูดระหว่างมวลจำเป็นต้องอาศัยความรู้เกี่ยวกับเรขาคณิตของเส้นโค้งซึ่งเป็นรูปร่างของเส้นทางการเคลื่อนที่ โดยเฉพาะเรขาคณิตของวงรี ซึ่งได้กล่าวไว้คร่าวๆ แล้วในบทที่ 4 เส้นทางการเคลื่อนที่แบบวงรีสามารถอธิบายได้ด้วยกฎของ เคปเลอร์ 3 ข้อ ดังต่อไปนี้ คือ
1. ดาวเคราะห์ทั้งหมดจะมีเส้นทางการเคลื่อนที่เป็นวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่ตำแหน่งจุดโฟกัสจุดหนึ่งของวงรี
2. ถ้าลากเส้นตรงเชื่อมระหว่างดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์แล้ว เส้นตรงดังกล่าวจะกวาดพื้นที่ได้ค่าเท่ากันเมื่อช่วงเวลาที่ใช้เท่ากัน
3. สำหรับวงโคจรแบบวงรีของวัตถุท้องฟ้าภายใต้แรงโน้มถ่วงระหว่างกัน คาบการโคจรกับระยะครึ่งแกนยาวจะมีความสัมพันธ์กันโดยที่ คาบการโคจรของวัตถุท้องฟ้า (หน่วยปี) ยกกำลังสอง จะมีค่าเท่ากับระยะครึ่งแกนยาว (ในหน่วย AU) ยกกำลังสาม
กฎของเคปเลอร์ในเบื้องต้นใช้อธิบายเส้นทางการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ ซึ่งเกิดจากแรงดึงดูดระหว่างมวลของดวงอาทิตย์กับดาวเคราะห์ แต่เนื่องจากแรงดังกล่าวเป็นแรงชนิดเดียวกับแรงดึงดูดระหว่างมวลของโลกกับดาวเทียม โลกกับสถานีอวกาศ ดวงอาทิตย์กับยานอวกาศ ฯลฯ จึงสามารถใช้กฎของเคปเลอร์ในการอธิบายเส้นทางการเคลื่อนที่ของวัตถุเหล่านี้ได้
- ดาวเทียม
ปัจจุบันดาวเทียมถูกมนุษย์ส่งไปโคจรรอบโลกจำนวนนับไม่ถ้วน ด้วยประโยชน์ต่างๆมากมาย สามารถแบ่งประเภทของดาวเทียมตามหน้าที่ต่างๆ ได้ดังนี้
(ก) ดาวเทียมสื่อสาร
(ข) ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา
(ค) ดาวเทียมสำรวจทรัพยากร
(ง) ดาวเทียมทางทหาร
(จ) ดาวเทียมสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์
ดาวเทียมถูกส่งขึ้นไปจากโลกโดยยานขนส่งอวกาศ และสามารถโคจรรอบโลกได้อาศัยหลักการโคจรตามแรงดึงดูดระหว่างมวล ซึ่ง ณ ระดับความสูงจากผิวโลกระดับหนึ่ง ดาวเทียมจะต้องมีความเร็วเพียงค่าหนึ่งเท่านั้นจึงสามารถจะโคจรรอบโลกอยู่ได้โดยไม่หลุดจากวงโคจร โดยความเร็วดังกล่าวจะอยู่ในช่วง 7.6-11.2 กิโลเมตรต่อวินาที (รูปแบบการโคจรแบบวงกลมจนกระทั่งถึงรูปแบบการโคจรแบบพาราโบลา) ดังรูปที่ 1 ความเร็วดังกล่าวนี้ถูกควบคุมตั้งแต่เริ่มต้นปล่อยดาวเทียมเข้าสู่วงโคจรเพื่อให้เส้นทางการโคจรของดาวเทียมไม่ซ้อนทับกันกับดาวเทียมดวงอื่นๆ ดังนั้นแม้จะมีดาวเทียมอยู่มากมายแต่ดาวเทียมเหล่านี้จะไม่โคจรชนกันเลย เนื่องจากดาวเทียมแต่ละดวงจะมีสมบัติการเคลื่อนที่เฉพาะตัว
นอกจากนั้นยังสามารถแบ่งประเภทของดาวเทียมตามความสูงในการโคจรเทียบกับพื้นโลกได้ดังนี้คือ
(1) สูงจากพื้นโลกประมาณ 41,157 กิโลเมตร เป็นดาวเทียมที่โคจรหยุดนิ่งกับที่เทียบกับพื้นโลก(Geostationary Satellites) จะลอยอยู่หยุดนิ่งค้างฟ้าเมื่อเทียบกับตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งบนโลก โดยส่วนมากจะเป็นดาวเทียมประเภทดาวเทียมสื่อสาร ตัวอย่างเช่นดาวเทียมไทยคม ดาวเทียมเหล่านี้อยู่เหนือเส้นศูนย์สูตรโลกประมาณ จะวางตัวอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตรโลก และสูงจากพื้นโลกประมาณ 41,157 กิโลเมตร หรือประมาณ 1/10 เท่าของระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์ มีคาบการโคจรประมาณ 24 ชั่วโมง
(3) สูงจากพื้นโลกประมาณ 4,800-9,700 กิโลเมตร เป็นดาวเทียมที่ไม่ได้หยุดนิ่งเทียบกับพื้นโลก (Asynchronous Satellite) ซึ่งเป็นระดับที่ถูกแบ่งวงโคจรไว้สำหรับดาวเทียมสำหรับการสำรวจ และสังเกตการณ์ทางวิทยาศาสตร์ อาทิเช่น การวิจัยเกี่ยวกับพืช-สัตว์ การติดตามร่องรอยของสัตว์ป่า เป็นต้น ดาวเทียมที่ระดับดังกล่าวมีคาบการโคจรประมาณ 100 นาที
(4) สูงจากพื้นโลกประมาณ 130-1940 กิโลเมตร เป็นดาวเทียมที่ไม่ได้หยุดนิ่งเทียบกับพื้นโลก (Asynchronous Satellite) โดยส่วนมากจะเป็นดาวเทียมที่ใช้ในการสำรวจทรัพยากรบนโลกรวมไปถึงดาวเทียมด้านอุตุนิยมวิทยา
- กล้องโทรทรรศน์อวกาศ
ในการสังเกตการณ์วัตถุท้องฟ้าทางดาราศาสตร์ซึ่งอยู่ไกล นักดาราศาสตร์จำเป็นต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ จึงมีกล้องโทรทรรศน์กระจายอยู่ทั่วทุกมุมโลก แต่เนื่องจากกว่าที่แสงจากวัตถุท้องฟ้าเหล่านั้นจะเข้ามาสู่กล้องโทรทรรศน์บนโลกได้ต้องผ่านชั้นบรรยากาศโลกซึ่งมีบางช่วงความยาวคลื่นที่ถูกดูดกลืนหรือกระเจิงออกไปทำให้ผลการสังเกตการณ์ต้องคิดถึงค่าการรบกวนจากชั้นบรรยากาศ จึงมีแนวความคิดในการส่งดาวเทียมซึ่งติดตั้งกล้องโทรทรรศน์สังเกตการณ์ในอวกาศ และในปี พ.ศ. 2533 องค์การนาซาได้ส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble Space Telescope) ขึ้นไปประจำในวงโคจรรอบโลกที่ความสูง 600 กิโลเมตรเหนือผิวโลก บรรยากาศที่ความสูงดังกล่าวนี้เบาบางเทียบได้กับสภาวะสุญญากาศ ในการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ที่ระดับความสูงดังกล่าวจึงไม่มีผลกระทบจากบรรยากาศ
กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเป็นกล้องชนิดสะท้อนแสง มีขนาดความกว้างของกระจกปฐมภูมิ 2.4 เมตร โคจรรอบโลกทุกๆ 97 นาทีรวมน้ำหนักของตัวกล้องและอุปกรณ์ต่างๆ หนักถึง 11 ตัน มีขนาดความกว้าง 4.3 เมตร ยาว 13.3 เมตร ใช้พลังงานจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ปีกทั้งสองข้าง กระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้จะถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่นิเกิล-ไฮโดรเจนขนาดใหญ่ ตัวเพื่อใช้งานขณะที่กล้องโคจรไปอยู่ในเงาของโลกขณะไม่ได้รับแสง อุปกรณ์สำคัญที่ติดตั้งไปกับกล้องคือระบบคอมพิวเตอร์ กล้องถ่ายภาพมุมกว้าง เครื่องตรวจวัดสเปกตรัม เครื่องปรับทิศทางของกล้อง เป็นต้น ภาพถ่ายจากกล้องจะได้รับการวิเคราะห์โดยสถาบันวิทยาศาสตร์เพื่อใช้เป็นข้อมูลในทางดาราศาสตร์
กล้องบนโลกนั้นสามารถส่องวัตถุท้องฟ้าได้ไกลราว 2 พันล้านปีแสง แต่กล้องฮับเบิลสามารถส่องได้ไกลถึง 14,000 ล้านปีแสง ข้อมูลที่ได้จากกล้องฮับเบิลเพียงระยะเวลาสั้นๆ สามารถแสดงให้เห็นถึงรายละเอียดต่างๆ ของวัตถุท้องฟ้าที่มนุษย์ไม่เคยเห็นมาก่อน กล้องฮับเบิลมีอายุการใช้งานนานถึง 20 ปี โดยคาดว่านาซาจะปลดระวางในปี พ.ศ. 2553
นอกจากนั้นยังมีกล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีเอกซ์จันทรา (Chandra X-Ray Observatory) ซึ่งถูกส่งขึ้นสู่อวกาศเมื่อวันที่ 23 กรกฎาคม 2543 ปฏิบัติภารกิจบนวงโคจรสูงจากผิวโลก โดยระยะห่างจากผิวโลกมากที่สุด 133,000 กิโลเมตร
ในอนาคตองค์การนาซาวางแผนจะสร้างและส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศตัวใหม่เพื่อทดแทนกล้องฮับเบิล ชื่อว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เว็บบ์ (James Webb Space Telescope) คาดว่าจะส่งขึ้นไปประมาณปี 2554 โดยกล้องดังกล่าวมีขนาดกระจกปฐมภูมิใหญ่ 6.5 เมตร ซึ่งใหญ่กว่ากล้องฮับเบิลประมาณ2-3 เท่า
1. ทฤษฏีของจรวด
ในการดำเนินกิจกรรมทางด้านอวกาศจำเป็นต้องมีพาหนะที่จะนำพาสิ่งที่มนุษย์สร้างขึ้นเช่น ดาวเทียม หรือนำพามนุษย์เองเดินทางจากโลกขึ้นสู่ชั้นอวกาศ พาหนะที่ใช้จะมีหลักการแตกต่างจากการบินทั่วไป เพราะเมื่อเครื่องบินมีแรงฉุดไปข้างหน้า (Thrust) อากาศจะไหลผ่านด้านบนและล่างของปีก จากรูปร่างของปีกที่มีระยะผิวด้านบนสูงกว่าด้านล่างจะทำให้ความเร็วเหนือปีกสูงกว่าที่ใต้ปีก ความดันอากาศเหนือปีกจึงต่ำกว่าใต้ปีก ทำให้เกิดแรงแรงพยุงที่ปีก (Lift) เพื่อต้านแรงดึงดูดของโลก (Weight) ถ้าแรงพยุงปีกมากกว่าน้ำหนักของเครื่องบินก็จะทำให้เครื่องบินลอยอยู่ได้ ขณะที่เครื่องบินเคลื่อนที่ไปข้างหน้าจะมีแรงต้านการเคลื่อนที่ขณะแหวกผ่านอากาศ (Drag) ยิ่งใกล้พื้นโลกแรงนี้ก็จะยิ่งมากขึ้น แต่การดำเนินกิจกรรมอวกาศที่ต้องให้อวกาศยานเข้าสู่อวกาศซึ่งไม่มีอากาศ จึงไม่มีแรงพยุงจากปีก ดังนั้นการเคลื่อนที่ของอวกาศยานจะต้องอาศัยแรงขับโดยตรง ซึ่งแรงขับนี้เป็นไปตามกฏการเคลื่อนที่ของนิวตัน อวกาศยานที่เราใช้ในการเข้าสู่อวกาศคือจรวด
2. กฏการเคลื่อนที่สามข้อของนิวตัน
กฏการเคลื่อนที่ของนิวตันข้อที่ 1
วัตถุที่เคลื่อนที่อยู่อย่างสม่ำเสมอจะคงสภาวะการเคลื่อนที่นั้นต่อไป นอกจากจะมีแรงภายนอกมากระทำ
กฏการเคลื่อนที่ของนิวตันข้อที่ 2
ความสัมพันธ์ระหว่างมวลของวัตถุ (m) ความเร่ง (a) และแรงที่กระทำ
(F) คือ F = ma
อัตราเร่งและแรงเป็นเวคเตอร์ ทิศทางของแรงและความเร่งมีทิศทางเดียวกัน กฏข้อนี้เป็นกฏที่สำคัญในการคำนวณปริมาณที่เป็นพลศาสตร์ เพื่อหาความเร็วที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีแรงมากระทำ
กฏการเคลื่อนที่ของนิวตันข้อที่ 3
ทุกแรงกระทำจะมีแรงปฏิกิริยาขนาดเดียวกันแต่ทิศทางตรงข้าม
3. การทำงานของจรวด
จรวดทำงานตามกฏข้อที่ 3 ของนิวตันไม่ใช่อย่างที่คนจำนวนมากยังเข้าใจว่าจรวดเคลื่อนที่เนื่องจากแรงขับของก๊าซที่ผลักกับพื้นช่วยยกตัวจรวดขึ้น หลังจากนั้นก๊าซผลักดับกับบรรยากาศให้จรวดลอยตัวสูงขึ้น เพราะถ้าเป็นเช่นนั้นจรวดจะไม่สามารถทำงานได้ในอวกาศ แต่ที่จริงแล้วจรวดทำงานได้ดีขึ้นในอวกาศที่ไม่มีแรงต้านของอากาศ
ที่จริงแล้วจรวดทำงานโดยให้ก๊าซจำนวนมหาศาลพ่นออกด้วยความเร็วสูงจากห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์จรวดผ่านหัวฉีดที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ความเร็วของก๊าซนี้สูงถึงราว 2.7 กิโลเมตรต่อวินาทีและการที่ก๊าซพ่นออกมานี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมของก๊าซขณะเกิดการเผาไหม้ เกิดเป็นแรงที่ทำให้ก๊าซถูกผลักออกมา แรงนี้คือแรงกระทำตามกฏข้อที่สามของนิวตันและกระทำให้เกิดแรงปฏิกิริยาขนาดเดียวกันในทิศทางตรงข้ามเรียกว่า Thrust ที่เร่งความเร็วจรวด
4. ฐานส่งจรวด
5. การคำนวณค่าจ้างจรวดส่งดาวเทียม
ค่าจ้างส่งดาวเทียมมีมูลค่าที่สูงมากและเป็นตัวหนึ่งที่ทำให้การดำเนินกิจการอวกาศไม่สามารถพัฒนาไปได้เร็วเท่าที่ควร อย่างไรก็ตามวิธีคิดค่าส่งดาวเทียมเป็นเรื่องที่ซับซ้อนและรายละเอียดมาก ในปัจจุบันนี้ตัววัดของการคิดค่าส่งดาวเทียมต่อน้ำหนักกำลังได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้น แต่ก็เป็นตัววัดที่ไม่ได้คำนึงถึงความเสี่ยง และจรวดแต่ละแบบก็มีความแตกต่างของขนาดและน้ำหนักบรรทุกด้วย จึงเป็นการยากที่จะเปรียบเทียบด้วยวิธีดังกล่าว แต่วิธีนี้ก็ยังมีประโยชน์สำหรับการเปรียบเทียบในช่วงการออกแบบ (Design phase) แม้ว่าการคิดค่าใช้จ่ายต่อหน่วยน้ำหนักจะตรงไปตรงมาแต่ก็ทำได้หลายวิธี วิธีหนึ่งคือเอาต้นทุนของจรวดหารด้วยน้ำหนักบรรทุก ค่าใช้จ่ายในรูปแบ่งตามขนาดของจรวดเป็น 3 กลุ่ม ซึ่งเป็นค่าใช้จ่ายในช่วงปี ค.ศ.1990 ราคานี้ไม่รวมค่าใช้จ่ายของจรวดขับดันปรับตำแหน่ง
6. การเตรียมก่อนส่งดาวเทียม
หลังจากที่ดาวเทียมถูกสร้างเสร็จแล้วจะต้องทดสอบการทำงานตามวัตถุประสงค์ของดาวเทียม และจะต้องทดสอบดาวเทียมในสภาวะที่เกิดขึ้น นับตั้งแต่ออกจากห้องปฏิบัติการ การขนส่ง เก็บรักษา ติดตั้งในจรวด จนกระทั่งดาวเทียมถูกปล่อยออกจากจรวด
7.องค์กรที่เกี่ยวข้อง
กิจกรรมด้านอวกาศเป็นกิจกรรมที่เกี่ยวข้องกับหลายประเทศ สำนักงานเลขาธิการของ Committee on the Peaceful Uses of Outer Space (COPUOS) คือ The United Nations Office for Outer Space Affairs (UNOOSA) เป็นหน่วยงานหลักที่พัฒนากฏหมายและบทบาทการใช้อวกาศ มีสนธิสัญญา (Treaty)
การส่งดาวเทียมนอกจากต้องปฏิบัติตามกฏหมายอวกาศแล้ว ยังต้องปฏิบัติตามข้อตกลงระหว่างประเทศในเรื่องการใช้ความถี่ และถ้าเป็นดาวเทียมค้างฟ้าจะต้องมีการขออนุญาตตำแหน่งในวงโคจรเพื่อไม่ให้เกิดการรบกวนกันจากสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (International Telecommunication Union, ITU)
8. การจองตำแหน่งและความถี่
ITU ใช้กลไกของการกำหนดความถี่เพื่อควบคุมการใช้ตำแหน่งในวงโคจรค้างฟ้า โดยกระบวนการของ การจัดสรรตำแหน่งจะใช้แนวคิด “first come, first served” กระบวนการนี้จะต้องดำเนินการประสานงานก่อนใช้งานโดยมีหลักพื้นฐานว่าสิทธิในการใช้ตำแหน่งดาวเทียมจะได้สิทธิมาด้วยการเจรจากับผู้ที่ใช้สิทธิในวงโคจรนั้น ถ้าถูกต้องเรียบร้อยแล้วก็จะเป็นขั้นตอนขององค์กรระดับชาติในการกำหนดความความถี่และตำแหน่งในวงโคจร ครอบคลุมถึงสถานีภาคพื้นดิน และโครงข่าย จากนั้นจะต้องยื่นข้อมูลตามแบบฟอร์มที่กำหนดต่อ ITU-R ผ่านทางองค์กรของประเทศ
เป็นโครงการที่ถูกออกแบบให้สามารถนำชิ้นส่วนบางส่วนที่ใช้ไปแล้วกลับมาใช้ใหม่อีกเพื่อเป็นการประหยัดและมีประสิทธิภาพมากที่สุด ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก คือ จรวดเชื้อเพลิงแข็ง ถังเชื้อเพลิงภายนอก (สำรองไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจนเหลว) และยานอวกาศ
ระบบขนส่งอวกาศมีน้ำหนักรวมเมื่อขึ้นจากฐานปล่อยประมาณ 2,041,200 กิโลกรัม โดยจรวดเชื้อเพลิงแข็งจะถูกขับเคลื่อนจากฐานปล่อยให้นำพาทั้งระบบขึ้นสู่อวกาศด้วยความเร็วที่มากกว่าค่าความเร็วหลุดพ้น เมื่อถึงระดับหนึ่งจรวดเชื้อเพลิงแข็งทั้งสองข้างจะแยกตัวออกมาจากระบบ จากนั้นถังเชื้อเพลิงภายนอกจะแยกตัวออกจากยานอวกาศ โดยตัวยานอวกาศจะเข้าสู่วงโคจรเพื่อปฏิบัติภารกิจต่อไป ดังรูป
การปฏิบัติภารกิจสำหรับระบบขนส่งอวกาศมีหลากหลายหน้าที่ ตั้งแต่การทดลองทางวิทยาศาสตร์ (ในสภาวะไร้น้ำหนัก) การส่งดาวเทียม การประกอบกล้องโทรทรรศน์อวกาศ การส่งมนุษย์ไปบนสถานีอวกาศ ฯลฯ ยานอวกาศจึงถูกออกแบบสำหรับบรรทุกคนได้ประมาณ 7-10 คน ปฏิบัติภารกิจได้นานตั้งแต่ไม่กี่ชั่วโมงหรืออาจใช้เวลาถึง 1 เดือน สำหรับโครงการขนส่งอวกาศขององค์การนาซามีอยู่ด้วยกัน 6 โครงการ คือ
1. โครงการเอนเตอร์ไพรส์
2. โครงการโคลัมเบีย
3. โครงการดิสคัฟเวอรี
4. โครงการแอตแลนติส
5. โครงการแชลแลนเจอร์
6. โครงการเอนเดฟเวอร์
ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันว่าโครงการแชลแลนเจอร์และโครงการโคลัมเบียประสบความสูญเสียครั้งร้ายแรง เมื่อยานทั้งสองเกิดระเบิดขึ้นขณะอยู่บนท้องฟ้า โดยระบบขนส่งอวกาศแชลแลนเจอร์ระเบิดเมื่อวันที่ 28 มกราคม 2529 ระหว่างเดินทางขึ้นสู่อวกาศไม่เพียงกี่นาทีด้วยสาเหตจากการรั่วไหลของก๊าซเชื้อเพลิงอุณหภูมิสูงจากรอยต่อของจรวดเชื้อเพลิงแข็งด้านขวาของตัวยาน ทำให้ก๊าซอุณหภูมิสูงดังกล่าวลามไปถึงถังเชื้อเพลิงภายนอกที่บรรจุไฮโดรเจนเหลว จึงเกิดการเผาไหม้อย่างรุนแรงและเกิดระเบิดขึ้น คร่าชีวิตนักบินอวกาศ 7 คน ส่วนระบบขนส่งอวกาศโคลัมเบียเกิดระเบิดขึ้นเมื่อวันที่ 1 กุมภาพันธ์ 2546 (17 ปี หลังการระเบิดของยานแชลแลนเจอร์) โดยวิศวกรนาซาเชื่อว่าอาจเพราะตัวยานมีการใช้งานยาวนานจนอาจทำให้แผ่นกันความร้อนที่หุ้มยานชำรุด ทำให้เกิดระเบิดขึ้นหลังจากนักบินกำลังพยายามร่อนลงสู่พื้นโลก แต่ทั้งสองเหตุการณ์ในสหรัฐอเมริกายังไม่ร้ายแรงเท่าเหตุการณ์ระเบิดของจรวดของสหภาพโซเวียตขณะยังอยู่ที่ฐาน เมื่อวันที่ 24 ตุลาคม 2503 โดยมีผู้เสียชีวิตจากเหตุการณ์ดังกล่าวถึง 165 คน โศกนาฏกรรมเหล่านี้ที่เกิดขึ้นแม้จะทำให้เกิดความสูญเสียทั้งชีวิตและทรัพย์สิน แต่มนุษย์ก็ยังไม่เลิกล้มโครงการอวกาศ ยังมีความพยายามคิดและสร้างเทคโนโลยีใหม่ๆ เพื่อความปลอดภัยและลดค่าใช้จ่ายให้มากขึ้น ด้วยเป้าหมายหลักของโครงการขนส่งอวกาศในอนาคตคือการสร้างสถานีอวกาศถาวรและการทดลองทางวิทยาศาสตร์อื่นๆ
1. มีการใช้ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ในการศึกษา พัฒนา และประดิษฐ์อุปกรณ์ถ่ายภาพในช่วงคลื่น ๆ จากระยะไกล
2. ทำให้เครื่องรับและส่งสัญญาณมีประสิทธิภาพมากขึ้น แล้วนำอุปกรณ์และเครื่องส่งสัญญาณไปประกอบเป็นดาวเทียม ที่ถูกส่งขึ้นไปโคจรจรอบโลก
3. ทำให้สามารถสังเกตสิ่งต่าง ๆ บนโลกได้ระยะไกลในเวลาอันรวดเร็ว
4. ได้เรียนรู้สิ่งต่าง ๆ เกี่ยวกับเอกภพ โลก ดวงจันทร์ และดาวอื่น ๆ
5. ความก้าวหน้าด้านเทคโนโลยีอวกาศ ช่วยเปิดเผยความลี้ลับในอดีต และก่อให้เกิดประโยชน์ต่อมนุษย์ในด้านต่าง ๆ มากมาย
ความก้าวหน้าของการสำรวจอวกาศอาจทำให้เกิดผลดี ดังนี้
-มนุษย์มีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ดีขึ้น และช่วยเปิดเผยความลี้ลับของวัตถุท้องฟ้าในอดีต
-เทคโนโลยีอวกาศได้รับการพัฒนาและนำมาใช้ในชีวิตประจำวัน เช่น เซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) เซลล์สุริยะ (solar cell) เป็นต้น
ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา
เป็นดาวเทียมที่มีอุปกรณ์ถ่ายภาพเมฆ และเก็บข้อมูลของบรรยากาศในระดับสูง ช่วยให้ได้ข้อมูลที่สำคัญในการพยากรณ์อากาศได้อย่างถูกต้อง รวดเร็วรวมถึงการเฝ้าสังเกตการก่อตัว การเปลี่ยนแปลง และการเคลื่อนตัวของพายุที่เกิดขึ้นบนโลก ช่วยป้องกันหรือบรรเทาความเสียหายรุนแรงที่เกิดขึ้นได้อย่างมาก ข้อมูลจากดาวเทียมเป็นข้อมูลสำคัญมากในการพยากรณ์อากาศ
เป็นดาวเทียมที่มีอุปกรณ์สำรวจแหล่งทรัพยากรณ์ที่สำคัญ นอกจากนี้ยังเฝ้าสังเกตสภาพแวดล้อมที่เกิดบนโลก ช่วยเตือนอุทกภัย และความแห้งแล้งที่เกิดขึ้น การตัดไม้ทำลายป่า การทับถมของตะกอนปากแม่น้ำ รวมไปถึงแหล่งที่มีปลาชุกชุม และอื่นๆ อีกมาก
ดาวเทียมสังเกตการณ์ดาราศาสตร์
เป็นดาวเทียมที่มีกล้องโทรทรรศน์และอุปกรณ์ดาราศาสตร์สำหรับศึกษาวัตถุท้อง ฟ้า ดาวเทียมสังเกตการณ์ดาราศาสตร์มีทั้งหมดที่โคจรอยู่รอบโลกและประเภทที่โคจร ผ่านไปใกล้ดาวเคราะห์ หรือลงสำรวจดาวเคราะห์ ซึ่งเรีกยอีกอย่างว่ายานอวกาศ เช่นยานอวกาศวอยเอเจอร์ที่เดินทางผ่านเฉียดดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูล เป็นต้น
ดาวเทียมสื่อสาร
เป็นดาวเทียมที่มีอุปกรณ์สื่อสารติดตั้งอยู่ เช่น ดาวเทียมอินเทลแซท (ภาพ 7.6 ) ดาวเทียมชุดนี้อยู่ในวงโคจรรอบโลก 3 แห่ง คือเหมือนมหาสมุทรอินเดียเพื่อการติดต่อระหว่างทวีปยุโรปเหนือมหาสมุทร แปซิฟิกเพื่อการติดต่อระหว่างทวีปเอเชียกับทวีปอเมริกา และและเหนือมหาสมุทรแอตแลนติกเพื่อการติดต่อระหว่างทวีปอเมริกากับทวีป ยุโรป เมื่อรวมทั้งระบบจึงสามารถติดต่อกันได้ทั่วโลก
