Poon's blog: Curiosity's 7 Minute Of Terror

หลังจากเดินทางมุ่งหน้าไปยังดาวอังคารมาแล้วถึง 7 เดือน ตอนนี้ก็เหลือเวลาอีกเพียงไม่ถึงเดือนที่หุ่นยนต์สำรวจดาวอังคาร Curiosity ที่เดินทางไปกับจรวด Atlas V จะเดินทางถึง Gale Crater จุดหมายของมัน และเริ่มทำการสำรวจ ซึ่งมีวัตถุประสงค์ที่ต้องการศึกษาว่าสภาพแวดล้อมบนอังคารทั้งในอดีต และปัจจุบัน สามารถเกื้อหนุนให้มีสิ่งมีชีวิตบนดาวอังคารหรือไม่ แต่อย่างไรก็ตามช่วงเวลาที่อันตรายที่สุดของภารกิจนี้จะเริ่มขึ้นในช่วงเวลา 7 นาทีก่อนที่เจ้า Curiosity จะลงสัมผัสพื้นต่างหาก!

ถึงแม้ว่า Curiosity จะได้รับการออกแบบ และทดสอบเป็นอย่างดีโดยกลุ่มวิศวกรจาก NASA ซึ่งร่วมมือกับบริษัท Boeing และ Lockheed Martin ในการพัฒนา อีกทั้งมีประสบการณ์จากการส่งหุ่นยนต์สำรวจอวกาศคู่แฝด Spirit และ Opportunity มาแล้ว ขั้นตอนการลงจอดของ Curiosity ก็ยังถือว่าเป็นอะไรที่ "สุดโต่ง" มาก ๆ เลยทีเดียว

การส่งหุ่นยนต์ขนาดใหญ่อย่าง Curiosity ซึ่งมีขนาดใหญ่พอ ๆ กับรถ mini Cooper หนึ่งคัน มีน้ำหนักมากกว่าเจ้า Spirit และ Opportunity ถึง 5 เท่า ย่อมเป็นอะไรที่ไม่ธรรมดาแน่นอน นาย Bobby Braun อดีต Chief Technologist ของ NASA ได้กล่าวเอาไว้ในเอกสารทางวิชาการในหัวข้อชื่อ Mars Exploration Entry, Descent, and Landing Challenges ว่า ด้วยเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบัน เราไม่สามารถส่งอะไรที่มีขนาดใหญ่ หรือน้ำหนักที่มากไปกว่านี้ได้อีกแล้ว รวมถึงโครงการที่จะส่งมนุษย์ไปเหยียบดาวอังคารซึ่งต้องบรรทุกสัมภาระไปด้วยเยอะกว่านี้มาก ดังนั้นภารกิจในครั้งนี้ก็ถือเป็นจุด "สุดขีด" ของเทคโนโลยีสำรวจอวกาศในขณะนี้แล้วด้วยนั่นเอง! ความยากลำบากแทบทั้งหมดของภารกิจนี้เป็นผลจากการที่ชั้นบรรยากาศของดาวอังคารที่น้อยกว่าโลกถึง 100 เท่า ทำให้การลดความเร็วเพื่อเข้าสู่พื้นผิวดาวอังคารเป็นไปได้ยากมาก

ด้วยความที่สัญญาณวิทยุที่ส่งจากดาวอังคารต้องใช้เวลาถึง 14 นาทีกว่าจะเดินทางมาถึงโลก ในขณะที่ขั้นตอนการลงจอดทั้งหมด หรือที่เรียกว่า EDL (Enter, Descent, Landing) ใช้เวลาเพียง 7 นาทีเท่านั้น ซึ่งเท่ากับว่า NASA จะไม่สามารถสื่อสารกับ Curiosity ในขณะที่อยู่ในขั้นตอน EDL ได้เลย กระบวนการทั้งหมดจะต้องทำด้วยระบบอัตโนมัติ และข้อผิดพลาดเพียงเล็กน้อยที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาดังกล่าวจะสร้างผลกระทบอย่างรุนแรงต่อภารกิจ รายละเอียดขั้นตอนการลงจอดจะอธิบายโดยละเอียด แบ่งเป็น 4 ส่วนหลัก ๆ ดังต่อไปนี้ครับ

ขั้นที่ 1 : การเข้าสู่วงโคจร
ในขั้นตอนการลงจอด Curiosity จะบรรจุอยู่ใน aeroshell เกราะกันความร้อนที่เกิดจากการเสียดสีกับชั้นบรรยากาศของดางอังคารที่ความเร็ว 5.3 - 6 กิโลเมตรต่อวินาที หรือประมาณ 19,080 - 21,600 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ทำให้เกิดความร้อนสูงถึง 871 องศาเซสเซียส ที่ผิวภายนอก เทคโนโลยี aeroshell นี้ถือว่าเป็นเทคโนโลยีที่ใช้กันมาตั้งแต่ NASA ส่งหุ่นยนต์สำรวจดาวอังคารตัวแรก Viking (รูปที่ 10 จากเอกสารทางวิชาการ ของนาย Bobby Braun) โดย aeroshell ที่ใช้ในภารกิจนี้มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยสร้างมาเช่นกัน การแก้ไขเส้นทางการลงจอดที่ผิดพลาดไปเนื่องจากการเสียดสีกับชั้นบรรยากาศอย่างรุนแรงในขั้นตอนนี้ จะใช้ไอพ่นขนาดเล็ก (reaction control system) จำนวนสี่ตัวที่ติดอยู่รอบ aeroshell ในการเปลี่ยนทิศทางของแรงยกที่เกิดจาก aeroshell เอง ให้ไปในตำแหน่งลงจอดตามต้องการ

หลังจากขั้นตอนนี้ ชิ้นส่วนที่เป็นฉนวนกันความร้อนด้านหน้าที่อยู่ด้านหน้าของ aeroshell จะถูกปลดออก และมีความเร็วลดลงเหลือเพียงสองเท่าของความเร็วเสียง หรือประมาณ 680 กิโลเมตรต่อชั่วโมง และอยู่สูงจากพื้นผิวดาวอังคาร 10 กิโลเมตร

ขั้นที่ 2 : ปล่อยร่มชูชีพอีกครั้งหนึ่งที่ขนาด และน้ำหนักของ Curiosity ได้เข้ามาทำให้การปล่อยร่มชูชีพเพื่อชะลอความเร็วลงไปอีกมีความยุ่งยากมากขึ้น ในภารกิจที่ผ่านมาน้ำหนักของหุ่นยนต์ (Viking, Spirit, Opportunity) มีน้ำหนักน้อยกว่ามาก ทำให้ร่มชูชีพช่วยลดความเร็วก่อนที่จะลงสู่พื้นผิวได้ แต่สำหรับ Curiosity ที่มีน้ำหนักมากกว่า Opportunity ถึง 5 เท่าทำให้ร่มชูชีพที่ใช้ต้องมีขนาดใหญ่เป็นพิเศษ ถ้าจะใช้ร่มชูชีพที่ใช้เทคโนโลยีแบบเดียวกันกับภารกิจก่อนหน้านี้ ร่มชูชีพของ Curiosity อาจจะต้องมีขนาดใหญ่ถึง 19.7 เมตร มากกว่าสองเท่าที่ใช้ในภารกิจ MER (Mars Exploration Rover, Spirit และ Opportunity) ที่ใช้ร่มชูชีพขนาด 8.9 เมตร นอกจากนี้ร่มชูชีพแบบดังกล่าวได้รับการทดสอบถึงความเร็วที่ 1.8 เท่าของความเร็วเสียงเท่านั้น (ใช้งานจริงที่ 1.2 เท่าของความเร็วเสียง) สรุปก็คือ ด้วยเทคโนโลยีเก่านี้ NASA จะต้องใช้ร่มชูชีพที่ใหญ่กว่าเดิมมาก และเริ่มการปล่อยร่มชูชีพที่ระดับต่ำกว่าเดิม (เพราะต้องปล่อยตอนที่ความเร็วจากขั้นตอนแรกลดลงถึง 1.8 เท่าของความเร็วเสียง แทนที่จะเป็น 2.0 เท่า) ซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อน และความเสี่ยงของภารกิจมากขึ้นไปอีก

NASA จึงร่วมมือกับบริษัท ILC Dover เพื่อพัฒนาร่มชูชีพที่ใช้เทคโนโลยี IAD (Inflatable Aerodynamic Decelerator) ซึ่งต่างจากวัสดุของร่มชูชีพธรรมดาที่เป็นฟิล์มบาง ที่อุปกรณ์ IAD นี้จะแข็งตัวเมื่อกางออก มีความทนทานและแข็งแรงพอที่จะทนความร้อนของขั้นตอนการลงจอดในส่วนนี้ได้ โดยอุปกรณ์ที่นำมาใช้ในภารกิจนี้จะเป็นเทคโนโลยีที่เรียกว่า SIAD (Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator) เพราะสามารถที่จะใช้งานที่ความเร็วสูงสุดที่ 2.2 เท่าของความเร็วของเสียงได้ นอกจากนี้ขนาดของร่มชูชีพก็จะสามารถลดขนาดลงเหลือเพียง 16 เมตร เท่านั้น ขณะที่ร่มกาง aeroshell จะต้องรับแรงกระแทกที่มากถึง 9 เท่าของแรงดึงดูดโลก ก่อนที่จะเริ่มสำรวจพื้นผิวดาวอังคารเพื่อยืนยันจุดลงจอดโดยใช้อุปกรณ์เรดาร์ สแกนด้วยความถี่ 5 เฟรมต่อวินาที ที่ระดับความสูงตั้งแต่ 3.7 กิโลเมตรจากพื้นผิว เป็นระยะเวลาสองนาที

ขั้นที่ 3 : ลดความเร็วโดยใช้จรวดขับดันตอนนี้ความเร็วของ Curiosity ลดเหลือเพียง 6 กิโลเมตรต่อวินาที ที่ความสูง 1.8 กิโลเมตร แต่ความเร็วก็ยังสูงเกินไปสำหรับการลงจอด ในขั้นตอนนี้ aeroshell จะถูกปลดออก เหลือเพียงอุปกรณ์ช่วยลงจอดที่ติดอยู่กับ Curiosity ซึ่งประกอบด้วยจรวดขับดัน 8 ตัวที่ใช้ชื่อว่า Mars Landing Engine (MLE) แต่ละตัวสามารถให้แรงขับตั้งแต่ 400 ถึง 3,100 นิวตัน ช่วยลดความเร็วของ Curiosity ลงจนอยู่ในระดับความเร็วที่มันสามารถควบคุมทิศทางได้ ในขณะที่มันลอยอยู่นั้นมันก็จะเริ่มหย่อน Curiosity ที่ตอนนี้ได้เปลี่ยนจากท่าทางที่มันคุดคู้อยู่ใน aeroshell มาอยู่ในท่าที่เตรียมจะลงสัมผัสกับพื้นผิวดาวอังคารแล้ว

ขั้นที่ 4 : การลงสัมผัสพื้นด้วยลักษณะของ Curiosity ที่ถูกห้อยลงมาจากอุปกรณ์ช่วยลงจอดที่กำลังลอยตัวอยู่ทำให้ อุปกรณ์ช่วยลงจอดในขั้นตอนนี้ถูกเรียกว่า Sky Crane หรือ "ปั้นจั่นลอยฟ้า" นั่นเอง ในขั้นตอนนี้ Sky Crane ยังทำหน้าที่แก้ไขความผิดพลาดของตำแหน่งลงจอดให้น้อยที่อยู่ เมื่อถึงตำแหน่งที่สามารถลงจอดได้แล้ว Sky Crane จะลดระดับความสูงลงเหลือประมาณ 7.5 เมตร และเริ่มหย่อน Curiosity ลงจนสัมผัสพื้น หลังจากที่ Curiosity ได้ส่งคำสั่งยืนยันว่าตัวมันได้ลงถึงพื้นแล้ว Sky Crane จะรออยู่อีกประมาณ 2 วินาที ก่อนที่มันจะตัดสายที่ใช้หย่อน Curiosity ลงมา และสายส่งสัญญาณอื่น ๆ ออกโดยใช้อุปกรณ์ pyro ซึ่งเป็นวัตถุระเบิดขนาดเล็ก ก่อนที่จะบอกลา และบินออกไปให้ไกลจาก Curiosity ให้ได้มากที่สุดเพื่อความปลอดภัย

หลังจากขั้นตอนนี้ Curiosity ก็อยู่บนพื้นผิวดาวอังคารและพร้อมที่จะสำรวจสภาพแวดล้อมของดาวอังคาร เพื่อวิเคราะห์ว่าสภาพแวดล้อมทั้งในอดีต และปัจจุบันของดาวอังคารสามารถเกื้อหนุนสิ่งมีชีวิตได้หรือไม่ และยังเป็นการเก็บข้อมูลเพื่อที่จะเตรียมความพร้อมสำหรับภารกิจการส่งมนุษย์ไปเหยียบพื้นผิวดาวอังคารในอนาคตอีกด้วย

แม้ว่านี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่ NASA จะส่งหุ่นยนต์ไปถึงดาวอังคาร อีกทั้งระบบ และอุปกรณ์หลาย ๆ อย่างที่ใช้ในภารกิจนี้ก็พัฒนาต่อขึ้นมาจากสมัยของภารกิจ Viking แต่ระบบ Sky Crane นี้เป็นระบบที่ไม่เคยมีการใช้งานจริงมาก่อนและกำลังจะได้รับการพิสูจน์ในอีกไม่กี่วันข้างหน้านี้แล้ว

เพื่อความไม่สับสน ตามไปดู clip video อธิบายขั้นตอนการลงจอดแบบ animation กันเลยดีกว่าครับ