พอดีวันนี้ไปเจอข่าวสาร ด้านวิทยาศาตร์ เรื่องนอกโลก ดวงดาว อุกาบาต เลยทำให้เกิดแรงบันดาลใจที่จะทำบล็อก หมวด วิทยาศตร์ ขึ้นมาอีกครั้ง

การไปเจอเนื้อหาการสำรวจ ดาวอังคาร เมื่อหาข้อมูลไปเรื่อยๆ ได้ไปเจอ กับ Aerocapture ท่านใดสนใจ ก็ลองค่อยๆตามมาดูนะครับ





Aerocapture เป็นกลยุทธการถ่ายโอนวงโคจรซึ่งยานอวกาศใช้แรงลากทางอากาศพลศาสตร์จากการเคลื่อนผ่านชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์เพียงครั้งเดียวเพื่อลดความเร็วและบรรลุการแทรกวงโคจร




Aerocapture ใช้ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์หรือดวงจันทร์เพื่อบรรลุแผนการแทรกวงโคจรที่ใกล้ไร้จรวดอย่างรวดเร็ว เพื่อวางยานอวกาศในวงโคจรทางวิทยาศาสตร์ การซ้อมรบทางอากาศเริ่มขึ้นเมื่อยานอวกาศเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของวัตถุเป้าหมายจากวิถีโคจรเข้าใกล้ดาวเคราะห์ แรงลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นเมื่อยานพาหนะร่อนลงสู่ชั้นบรรยากาศทำให้ยานอวกาศช้าลง หลังจากที่ยานอวกาศช้าลงพอที่ดาวเคราะห์จะจับได้ ยานอวกาศจะออกจากชั้นบรรยากาศและทำการเผาแบบขับดันเล็กน้อยที่จุดเกิดอะพอปซิสครั้งแรกเพื่อขยายวงรอบนอกชั้นบรรยากาศ อาจจำเป็นต้องมีการเผาไหม้ขนาดเล็กเพิ่มเติมเพื่อแก้ไข apoapsis และข้อผิดพลาดในการกำหนดเป้าหมายการเอียงก่อนที่จะสร้างวงโคจรวิทยาศาสตร์เริ่มต้น






เมื่อเปรียบเทียบกับการแทรกวงโคจรแบบขับดันแบบเดิม วิธีการลดความเร็วแบบแทบไม่ใช้เชื้อเพลิงนี้สามารถลดมวลของยานอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ลงได้อย่างมาก เนื่องจากมวลของยานอวกาศส่วนใหญ่มักถูกใช้ในการเผาไหม้การแทรกของวงโคจร การประหยัดมวลของจรวดทำให้สามารถเพิ่มเครื่องมือวิทยาศาสตร์ในภารกิจได้มากขึ้น หรือช่วยให้มียานอวกาศขนาดเล็กลงและราคาไม่แพง และอาจเป็นไปได้ว่ายานปล่อยมีขนาดเล็กลงและราคาไม่แพง








เนื่องจากความร้อนตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นระหว่างการผ่านชั้นบรรยากาศ ยานอวกาศจึงต้องบรรจุภายในแอโรเชลล์ (หรือระบบทางเข้าที่ปรับใช้ได้) ที่มีระบบป้องกันความร้อน ยานพาหนะยังต้องการคำแนะนำแบบวงปิดอัตโนมัติในระหว่างการเคลื่อนที่เพื่อให้ยานพาหนะสามารถกำหนดเป้าหมายวงโคจรการจับภาพที่ต้องการและสั่งให้ยานพาหนะออกจากชั้นบรรยากาศเมื่อพลังงานกระจายไปเพียงพอ การตรวจสอบให้แน่ใจว่ายานพาหนะมีอำนาจในการควบคุมเพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้ยานอวกาศทะลุทะลวงเข้าไปในชั้นบรรยากาศลึกเกินไปหรือออกก่อนเวลาอันควรโดยไม่สูญเสียพลังงานเพียงพอ จำเป็นต้องใช้ทั้ง Aeroshell ที่ยกขึ้นหรือระบบ Drag-Modulation ซึ่งสามารถเปลี่ยนพื้นที่ผลิตการลากของยานได้ในระหว่าง เที่ยวบิน.







Aerocapture แสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ที่ Venus, Earth, Mars และ Titan โดยใช้ยานพาหนะเข้าที่มีอยู่และวัสดุระบบป้องกันความร้อน จนกระทั่งเมื่อเร็วๆ นี้ ยานพาหนะระดับกลาง L/D (ยกเพื่อลาก) ได้รับการพิจารณาว่าจำเป็นสำหรับการจับภาพทางอากาศที่ดาวยูเรนัสและดาวเนปจูน เนื่องจากความไม่แน่นอนอย่างมากในสถานะการเข้าสู่และโปรไฟล์ความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศ อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าในการนำทางระหว่างดาวเคราะห์และเทคนิคการนำทางในชั้นบรรยากาศได้แสดงให้เห็นว่า aeroshells ที่มี L/D ต่ำ เช่น Apollo มีอำนาจในการควบคุมที่เพียงพอสำหรับการจับภาพทางอากาศที่ดาวเนปจูน การถ่ายภาพทางอากาศที่ดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ถือเป็นเป้าหมายระยะยาว เนื่องจากหลุมแรงโน้มถ่วงขนาดใหญ่ของหลุมเหล่านี้ส่งผลให้มีความเร็วเข้าที่สูงมากและสภาพแวดล้อมที่มีความร้อนทางอากาศที่รุนแรง ทำให้การถ่ายภาพทางอากาศเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจน้อยลง และอาจเป็นไปไม่ได้ที่จุดหมายปลายทางเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ที่จะใช้เครื่องช่วยแรงโน้มถ่วงที่ไททันเพื่อแทรกยานอวกาศรอบดาวเสาร์






ประวัติโดยย่อของ Aerocapture

Aerocapture ได้รับการศึกษาสำหรับภารกิจของดาวเคราะห์ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1960 บทความบุกเบิกของลอนดอนเกี่ยวกับการใช้การหลบหลีกแอโรไดนามิกเพื่อเปลี่ยนระนาบของดาวเทียมในวงโคจรของโลก แทนที่จะใช้การหลบหลีกแบบขับเคลื่อนนั้นถือเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับแนวคิดของแอโรแคปเจอร์ จากนั้นแนวคิดของแอโรแคปเจอร์ถูกเรียกว่าเบรกแอโรไดนามิกหรือ "แอโรเบรกกิ้ง" และ ได้รับการตรวจสอบว่าเป็นวิธีการแทรกวงโคจรที่เป็นไปได้สำหรับภารกิจของดาวอังคารและดาวศุกร์โดย Repic et al ในคำศัพท์สมัยใหม่ aerobraking หมายถึงการซ้อมรบ "aeroassist" ที่แตกต่างกันและไม่ควรสับสนกับ aerocapture บทความในปี 1979 ของครูซเป็นบทความแรกที่ใช้คำว่า aerocapture และตามมาด้วยชุดการศึกษาที่มุ่งเน้นไปที่การประยุกต์ใช้กับ Mars Sample Return (SR)





ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 Aeroassist Flight Experiment (AFE) ได้รับการคิดให้ใช้น้ำหนักบรรทุกที่ปล่อยกระสวยอวกาศเพื่อสาธิตการบินบนพื้นโลก โครงการดังกล่าวส่งผลให้เกิดการพัฒนาที่สำคัญหลายอย่างรวมถึงซอฟต์แวร์นำทางการบิน แต่ในที่สุดก็ถูกยกเลิกเนื่องจากต้นทุนที่สูงเกินไปและไม่เคยบิน ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 aerocapture ได้รับการพิจารณาสำหรับภารกิจ Mars Odyssey (จากนั้นเรียกว่า Mars 2001 Surveyor) แต่ภายหลังถูกเลิกใช้ aerobraking เนื่องจากเหตุผลด้านต้นทุนและมรดกจากภารกิจ Mars อื่นๆ ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 Aerocapture ถูกระบุว่าเป็นพื้นที่โฟกัสโดยโครงการ NASA In-Space Propulsion Technology (ISPT) ทีมวิเคราะห์ระบบการถ่ายภาพทางอากาศแบบหลายศูนย์ (ASAT) ถูกรวบรวมภายใต้โครงการนี้เพื่อกำหนดภารกิจอ้างอิงการถ่ายภาพทางอากาศที่ปลายทางต่างๆ ของระบบสุริยะ และระบุช่องว่างทางเทคโนโลยีที่จะต้องปิดก่อนที่จะดำเนินการในโครงการการบิน ทีม ASAT ที่นำโดย Mary Kae Lockwood จาก NASA Langley Research Center ได้ศึกษารายละเอียดเกี่ยวกับแนวคิดเกี่ยวกับภารกิจการจับภาพทางอากาศของดาวศุกร์ ดาวอังคาร ไททัน และดาวเนปจูน ตั้งแต่ปี 2559 เป็นต้นมา มีความสนใจในการถ่ายภาพทางอากาศอีกครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับการแทรกวงโคจรของดาวเทียมขนาดเล็กที่ดาวศุกร์และดาวอังคาร และภารกิจระดับเรือธงไปยังดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนในทศวรรษหน้า






ประโยชน์ของการถ่ายภาพทางอากาศ
นักเทคโนโลยีของ NASA กำลังพัฒนาวิธีการวางยานอวกาศหุ่นยนต์เข้าสู่วงโคจรทางวิทยาศาสตร์ที่มีระยะเวลายาวนานรอบๆ จุดหมายปลายทางของระบบสุริยะที่อยู่ห่างไกล โดยไม่จำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงจำนวนมากซึ่งเคยจำกัดประสิทธิภาพของยานพาหนะ ระยะเวลาภารกิจ และมวลที่มีให้สำหรับการบรรทุกทางวิทยาศาสตร์





การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการใช้การจับภาพทางอากาศเหนือวิธีที่ดีที่สุดถัดไป (การเผาจรวดและการเบรกด้วยอากาศ) จะช่วยให้น้ำหนักบรรทุกทางวิทยาศาสตร์เพิ่มขึ้นอย่างมากสำหรับภารกิจตั้งแต่ดาวศุกร์ (เพิ่มขึ้น 79%) ไปจนถึงไททัน (เพิ่มขึ้น 280%) และดาวเนปจูน (เพิ่มขึ้น 832%) . นอกจากนี้ การศึกษายังแสดงให้เห็นว่าการใช้เทคโนโลยีการบินสามารถช่วยให้ภารกิจที่เป็นประโยชน์ทางวิทยาศาสตร์ไปยังดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์






เทคโนโลยี Aerocapture ยังได้รับการประเมินเพื่อใช้ในภารกิจดาวอังคารที่มีลูกเรือ และพบว่ามีประโยชน์อย่างมากต่อมวล อย่างไรก็ตาม สำหรับแอปพลิเคชันนี้ วิถีการเคลื่อนที่จะต้องถูกจำกัดเพื่อหลีกเลี่ยงภาระการชะลอความเร็วที่มากเกินไปบนลูกเรือ แม้ว่าจะมีข้อจำกัดที่คล้ายกันในวิถีการเคลื่อนที่สำหรับภารกิจของหุ่นยนต์ แต่โดยทั่วไปแล้ว ขีดจำกัดของมนุษย์จะเข้มงวดกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของผลกระทบของสภาวะไร้น้ำหนักเป็นเวลานานต่อค่าความคลาดเคลื่อนในการเร่งความเร็ว







การออกแบบยานอวกาศ Aerocapture
การซ้อมรบทางอากาศสามารถทำได้ด้วยระบบพื้นฐานสามประเภท ยานอวกาศสามารถปิดล้อมได้ด้วยโครงสร้างที่หุ้มด้วยวัสดุป้องกันความร้อนหรือที่เรียกว่าการออกแบบเปลือกอวกาศแบบแข็ง ทางเลือกอื่นในทำนองเดียวกันคือให้ยานพาหนะติดตั้งอุปกรณ์จับอากาศในอากาศ เช่น แผงกันความร้อนแบบเป่าลมได้ ซึ่งเรียกว่าการออกแบบเปลือกหอยแบบเป่าลม ตัวเลือกการออกแบบหลักประการที่สามคือบัลลูตแบบเป่าลมได้ ซึ่งเป็นบอลลูนและร่มชูชีพที่ประกอบขึ้นจากวัสดุที่บางและทนทานซึ่งถูกลากไปด้านหลังยานพาหนะหลังจากติดตั้งในสุญญากาศของอวกาศ




ลำตัวทื่อ ระบบแอโรเชลล์ที่แข็งห่อหุ้มยานอวกาศไว้ในเกราะป้องกัน เปลือกนี้ทำหน้าที่เป็นพื้นผิวแอโรไดนามิก ช่วยยกและลาก และให้การปกป้องจากความร้อนที่รุนแรงซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการบินในชั้นบรรยากาศด้วยความเร็วสูง เมื่อยานอวกาศถูกจับขึ้นสู่วงโคจร



NASA ได้ใช้ระบบ aeroshell แบบทื่อในอดีตสำหรับภารกิจเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ ตัวอย่างล่าสุดคือ Mars Exploration Rovers, Spirit and Opportunity ซึ่งเปิดตัวในเดือนมิถุนายนและกรกฎาคม 2546 และลงจอดบนพื้นผิวดาวอังคารในเดือนมกราคม 2547 อีกตัวอย่างหนึ่งคือ Apollo Command Module โมดูลนี้ใช้สำหรับเที่ยวบินอวกาศที่ไม่มีลูกเรือ 6 เที่ยวบินตั้งแต่เดือนกุมภาพันธ์ 1966 ถึงเดือนเมษายน 1968 และภารกิจ 11 ภารกิจจาก Apollo 7 ในเดือนตุลาคม 1968 จนถึงภารกิจสุดท้ายของ Apollo 17 บนดวงจันทร์ในเดือนธันวาคม 1972 เนื่องจากมีมรดกตกทอดมามากมาย การออกแบบระบบ Aeroshell จึงเป็นที่เข้าใจกันดี . การดัดแปลงแอโรเชลล์จากการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศไปจนถึงการจับภาพทางอากาศจำเป็นต้องมีการปรับแต่งเฉพาะภารกิจของวัสดุป้องกันความร้อนเพื่อรองรับสภาพแวดล้อมการให้ความร้อนที่แตกต่างกันของการบิน นอกจากนี้ ยังต้องการกาวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าและโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบาและมีอุณหภูมิสูงเพื่อลดมวลของระบบจับยึดอากาศ




การออกแบบเปลือกหอยทำให้พองได้
การออกแบบแอโรเชลล์แบบเป่าลมนั้นดูคล้ายกับการออกแบบแอโรเชลล์หรือตัวทู่มาก Aeroshell แบบเป่าลมมักถูกเรียกว่าระบบไฮบริด โดยมีส่วนจมูกที่แข็งและตัวชะลอความเร็วแบบพองตัวเพื่อเพิ่มพื้นที่การลาก ก่อนที่จะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ เปลือกอวกาศพองได้จะยื่นออกมาจากส่วนจมูกที่แข็งและให้พื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้นเพื่อทำให้ยานอวกาศช้าลง ทำจากวัสดุฟิล์มบางและเสริมด้วยผ้าเซรามิก การออกแบบแอโรเชลล์แบบเป่าลมสามารถนำเสนอข้อดีและฟังก์ชันการทำงานหลายอย่างเช่นเดียวกับการออกแบบบัลลูตต่อท้าย แม้ว่าจะไม่ใหญ่เท่ากับ ballute ส่วนท้าย แต่ aeroshell ที่เป่าลมได้นั้นใหญ่กว่าระบบ aeroshell แบบแข็งประมาณสามเท่า และทำการเคลื่อนตัวของ aerocapture สูงขึ้นในชั้นบรรยากาศ ช่วยลดภาระความร้อน เนื่องจากระบบเป็นแบบเป่าลม ยานอวกาศจึงไม่ปิดล้อมระหว่างการปล่อยและแล่น ซึ่งช่วยให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในระหว่างการออกแบบและปฏิบัติการยานอวกาศ





การออกแบบ ballute ต่อท้าย
หนึ่งในเทคโนโลยีการชะลอการพองตัวหลักคือการกำหนดค่า ballute ต่อท้าย การออกแบบมีตัวชะลอความเร็วรูปวงแหวนหรือโดนัทที่ทำจากวัสดุฟิล์มบางน้ำหนักเบา บัลลูตมีขนาดใหญ่กว่ายานอวกาศมาก และถูกลากไปด้านหลังยาน เหมือนกับร่มชูชีพ เพื่อให้ยานช้าลง การออกแบบ "การต่อท้าย" ยังช่วยให้สามารถถอดออกได้ง่ายหลังจากการซ้อมรบในอากาศเสร็จสิ้น การออกแบบบัลลูตต่อท้ายมีข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพเหนือกว่าการออกแบบแอโรเชลล์แบบแข็ง เช่น ไม่จำกัดขนาดและรูปร่างของยานอวกาศ และทำให้ยานรับภาระทางอากาศพลศาสตร์และความร้อนที่ต่ำกว่ามาก เนื่องจากบัลลูตต่อท้ายมีขนาดใหญ่กว่ายานอวกาศมาก การจับภาพทางอากาศจึงเกิดขึ้นสูงในชั้นบรรยากาศซึ่งมีความร้อนน้อยกว่ามาก บัลลูตใช้แรงแอโรไดนามิกและความร้อนเป็นส่วนใหญ่ ทำให้สามารถใช้การป้องกันความร้อนรอบๆ ยานอวกาศได้น้อยที่สุด ข้อดีหลักประการหนึ่งของโครงแบบ ballute คือมวล ในกรณีที่ aeroshell แข็งอาจมีสัดส่วน 30–40% ของมวลยานอวกาศ เศษส่วนมวลของ ballute อาจมีเพียง 8–12% ซึ่งช่วยประหยัดมวลสำหรับภาระงานด้านวิทยาศาสตร์ที่มากขึ้น




ในทางปฏิบัติ
Aerocapture ยังไม่ได้ถูกทดลองในภารกิจของดาวเคราะห์ แต่การกลับเข้ามาใหม่โดย Zond 6 และ Zond 7 เมื่อมีการกลับคืนสู่ดวงจันทร์เป็นการซ้อมรบในการบิน เนื่องจากพวกมันเปลี่ยนวงโคจรไฮเปอร์โบลิกเป็นวงรี ในภารกิจเหล่านี้ เนื่องจากไม่มีความพยายามที่จะยกขอบวงโคจรให้สูงขึ้นหลังการจับภาพทางอากาศ ผลที่ได้คือวงโคจรยังคงตัดกับชั้นบรรยากาศ

เดิมที Aerocapture วางแผนไว้สำหรับยานโคจร Mars Odyssey แต่ต่อมาได้เปลี่ยนเป็น aerobraking ด้วยเหตุผลด้านต้นทุนและความเหมือนกันกับภารกิจอื่นๆ

Aerocapture ได้รับการเสนอและวิเคราะห์สำหรับการมาถึงดวงจันทร์ไททันของดาวเสาร์




In fiction ในนิยาย
สามารถอ่าน Aerocapture ภายในนิยายได้ในนวนิยายของ Arthur C. Clarke เรื่อง 2010: Odyssey Two ซึ่งยานอวกาศสองลำ (รัสเซีย 1 ลำ จีน 1 ลำ) ต่างก็ใช้ Aerocapture ในชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีเพื่อลดความเร็วส่วนเกินและวางตำแหน่งตัวเองในการสำรวจดาวเทียมของดาวพฤหัสบดี สิ่งนี้สามารถมองได้ว่าเป็นเอฟเฟ็กต์พิเศษในเวอร์ชันภาพยนตร์ซึ่งมีเพียงยานอวกาศของรัสเซียเท่านั้นที่เข้ารับการควบคุมการบิน (ในภาพยนตร์เรียกว่า aerobraking อย่างไม่ถูกต้อง)

ผู้เล่นวิดีโอเกม Kerbal Space Program มักจะใช้การบินโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสำรวจดาวเทียมของ Jool (ก๊าซยักษ์ที่ทำหน้าที่เป็นแอนะล็อกดาวพฤหัสบดีของเกม)



ในซีรีส์ทางโทรทัศน์เรื่อง Stargate Universe ระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติของเรือ Destiny ใช้การจับภาพทางอากาศภายในบรรยากาศของก๊าซยักษ์ที่ขอบของระบบดาว สิ่งนี้ทำให้ยานมุ่งตรงไปยังดวงดาวที่ศูนย์กลางของระบบ

ในนิยายไซไฟเรื่อง Delta-v คนงานเหมืองดาวเคราะห์น้อยใช้ยานเก็บกักอากาศที่สร้างขึ้นโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อพยายามอย่างยิ่งยวดที่จะกลับสู่โลกจากดาวเคราะห์น้อยริวกู


Aerocapture เป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มเทคโนโลยี "aeroassist" ที่ NASA พัฒนาขึ้นสำหรับภารกิจทางวิทยาศาสตร์ไปยังดาวเคราะห์ทุกดวงที่มีชั้นบรรยากาศที่ประเมินค่าได้ จุดหมายปลายทางเหล่านี้อาจรวมถึงดาวอังคาร ดาวศุกร์ และดวงจันทร์ไททันของดาวเสาร์ รวมทั้งดาวเคราะห์ชั้นนอก

Aerobraking เป็นอีกหนึ่งกลยุทธ์การบินแบบ Aeroassist ที่มีความคล้ายคลึงกันบางประการ แต่ก็มีข้อแตกต่างที่สำคัญบางประการกับ Aerocapture ในขณะที่การจับภาพทางอากาศจะใช้สำหรับการแทรกยานอวกาศเข้าสู่วงโคจรจากวิถีโคจรแบบไฮเปอร์โบลิก การเบรกโดยใช้อากาศจะใช้เพื่อลดการหลุดของยานอวกาศที่อยู่ในวงโคจรแล้ว




เครดิต ภาพและข้อมูล Wikipedia, the free encyclopedia

ของแต่งบล็อก โดย ญามี่