กล้องโทรทรรศน์ที่ใช้ในการศึกษาวัตถุท้องฟ้าในช่วงความยาวคลื่นต่าง ๆ

กล้องโทรทรรศน์ (Telescope)

หรือ กล้องดูดาว เป็นทัศนูปกรณ์ซึ่งประกอบด้วย เลนส์นูนสองชุดทำงานร่วมกัน หรือ กระจกเงาเว้าทำงานร่วมกับเลนส์นูน

กล้องโทรทรรศน์ (Telescope) เป็นกล้องส่องทางไกลซึ่งนักดาราศาสตร์ใช้ศึกษาวัตถุท้องฟ้า มีสมบัติที่สำคัญ 2 ประการ คือ

1. ความสามารถในการรวมแสง - กล้องโทรทรรศน์สามารถรวมแสงได้มากกว่าดวงตาของมนุษย์ ช่วยให้สามารถมองเห็นวัตถุซึ่งมีความสว่างน้อย เช่น เนบิวลา และกาแล็กซี

2. ความสามารถในการขยาย - กล้องโทรทรรศน์ช่วยขยายขนาดของภาพ ทำให้มองเห็นรายละเอียดของวัตถุได้มากขึ้น เช่น หลุมบนดวงจันทร์ ดาวเคราะห์ ดาวคู่ เป็นต้น

อุปกรณ์ที่สำคัญของกล้องโทรทรรศน์คือ เลนส์นูน มีหน้าที่รวมแสงให้มาตกที่จุดโฟกัส (Focus) เราเรียกระยะทางระหว่างจุดกึ่งกลางของเลนส์กับจุดโฟกัสว่า ความยาวโฟกัส (Focal length)

- หากใช้เลนส์นูนส่องมองวัตถุที่มีระยะใกล้กว่าความยาวโฟกัส เลนส์นูนจะช่วยในการขยายภาพ

- หากใช้เลนส์นูนส่องมองวัตถุที่มีระยะไกลกว่าความยาวโฟกัส เลนส์นูนจะช่วยในการรวมแสง แล้วให้ภาพหัวกลับ

ภาพที่ 143 เลนส์นูนหักเหแสงให้ภาพหัวกลับ
ที่มา : http://www.lesa.biz/astronomy/telescope/telescope-principle

ในยุคต่อมาได้ปรับปรุงกล้องโทรทรรศน์โดยใช้เลนส์นูน 2 ชุด เลนส์ชุดหน้ามีขนาดใหญ่หันไปยังวัตถุที่ต้องการจะดูเรียกว่า "เลนส์ใกล้วัตถุ" (Objective Lens) มีหน้าที่รวบรวมแสง เลนส์ชุดหลังมีขนาดเล็กใช้สำหรับมองเรียกว่า "เลนส์ใกล้ตา" (Eyepieces) มีหน้าที่เพิ่มกำลังขยาย

ภาพที่ 144 การทำงานของเลนส์กล้องโทรทรรศน์
ที่มา : http://www.lesa.biz/astronomy/telescope/telescope-principle

กำลังรวมแสง

เลนส์

ของกล้องโทรทรรศน์มีพื้นที่รับแสงได้มากกว่าดวงตาของมนุษย์ จึงมีกำลังรวมแสงมากกว่า อย่างไรก็ตามเราไม่สามารถกำหนดค่ากำลังรวมแสงของเลนส์เป็นค่าเฉพาะได้ หากแต่กำหนดด้วยการเปรียบเทียบเป็นอัตราส่วนระหว่างเลนส์สองชุด

กำลังขยาย

นอกจากสมบัติในการรวมแสงแล้ว นักดาราศาสตร์ยังต้องการ กำลังขยาย (Magnification) ในการศึกษารายละเอียดของวัตถุท้องฟ้า เช่น ลักษณะของดาวเคราะห์ ระยะห่างระหว่างดาวคู่ ซึ่งเราสามารถคำนวณกำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์ด้วยสูตร

ตัวอย่าง 4.1 เลนส์ของกล้องโทรทรรศน์ ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง มิลลิเมตร กับดวงตาของมนุษย์ 500 (กระจกตาดำ) ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 มิลลิเมตร เลนส์ของกล้องโทรทรรศน์มีอัตราส่วนในการรวมแสงมากกว่าตาของมนุษย์กี่เท่า

วิธีคิด

เลนส์ของกล้องโทรทรรศน์มีขนาดใหญ่กว่าดวงตาของมนุษย์ = 500/5 = 100 เท่า

กำลังรวมแสงมากกว่า 1002 = 10,000 เท่า

กำลังขยาย

ตัวอย่าง 4.2 ถ้าเลนส์ใกล้วัตถุมีความยาวโฟกัส 1000 มิลลิเมตร เลนส์ใกล้ตามีความยาวโฟกัส 10 มิลลิเมตร จะมีกำลังขยายเท่าไหร่

วิธีคิด

กำลังขยายที่ได้คือ fo/fe = 1000/10 = 100 เท่า

กำลังขยาย

เมื่อเพิ่มกำลังขยายขึ้น 2 เท่า ความสว่างของภาพจะลดลง 4 เท่า ขนาดของเลนส์ใกล้วัตถุเป็นตัวจำกัดกำลังขยายสูงสุด การใช้กำลังขยายสูงโดยที่เลนส์ใกล้วัตถุมีขนาดเล็กเกินไปจะได้ภาพคุณภาพต่ำและมืดเกินไป โดยปกติกำลังขยายสูงสุดที่ใช้งานได้จริงมีค่าประมาณ 50 คูณด้วยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์ใกล้วัตถุซึ่งมีหน่วยเป็นนิ้ว

ภาพที่ 145 เปรียบเทียบกำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์

อัตราส่วนโฟกัส (Focal ratio)

เป็นสมบัติที่สำคัญอีกประการหนึ่งของกล้องโทรทรรศน์ ซึ่งเป็นอัตราส่วนระหว่าง เส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์วัตถุ กับความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุ ซึ่งมักแสดงด้วยอักษร f/ กำกับอยู่บนเลนส์

- เลนส์เส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มิลลิเมตร ความยาวโฟกัส 500 มิลลิเมตร มีอัตราส่วนโฟกัส f/5

- เลนส์เส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มิลลิเมตร ความยาวโฟกัส 1,000 มิลลิเมตร มีอัตราส่วนโฟกัส f/10

การออกแบบกล้องโทรทรรศน์ให้เหมาะสมกับการใช้งาน ขึ้นอยู่กับการเลือกใช้เลนส์ใกล้วัตถุที่มีอัตราส่วนโฟกัสดังนี้

- เลนส์นูนหรือกระจกเว้าที่มีค่า f/ น้อย (f/3 - f/7) มีกรวยรับแสงกว้าง ให้กำลังขยายต่ำ แต่ให้ภาพสว่าง เหมาสำหรับใช้ดูวัตถุขนาดใหญ่ที่มีความสว่างน้อย เช่น กาแล็กซี

- เลนส์นูนหรือกระจกเว้าที่มีค่า f/ มาก (f/8 - f/15) มีกรวยรับแสงแคบ ให้กำลังขยายสูง แต่ให้ภาพไม่สว่าง เหมาะสำหรับใช้ดูวัตถุขนาดเล็กที่มีความสว่างมาก เช่น ดาวเคราะห์

กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง (Refractor telescope)

- เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใช้เลนส์นูนในการรวมแสง

- มีขนาดเล็กเนื่องจากเลนส์นูนส่วนใหญ่มีโฟกัสยาว

- กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงเหมาะสำหรับใช้ศึกษาวัตถุที่สว่างมากแต่ไม่เหมาะสำหรับการสังเกตวัตถุที่มีขนาดใหญ่ แต่สว่างน้อย

ภาพที่ 146 กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง
ที่มา : http://www.lesa.biz/astronomy/telescope/telescope-type

เลนส์ที่ใช้ในกล้องโทรทรรศน์เป็นเลนส์อรงค์ (Achromatic lens) ซึ่งมีสมบัติในการแก้ความคลาดสี แสงที่ตาเห็น (Visible light) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีความยาวคลื่นตั้งแต่ 400 - 700 นาโนเมตร สีม่วงมีความยาวคลื่นสั้นที่สุด สีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด เมื่อแสงมีความยาวคลื่นไม่เท่ากันถูกหักเหผ่านเลนส์ จุดโฟกัสที่เกิดขึ้นจึงไม่ใช่จุดเดียวกันทำให้เกิด "ความคลาดสี" (Chromatic aberration) เมื่อนำมาส่องก็จะมองเห็นขอบวัตถุเป็นสีรุ้ง ดังนั้นหากนำมาส่องมองดาวก็จะไม่ทราบเลยว่า ดาวที่ดูอยู่นั้นแท้ที่จริงเป็นสีอะไร ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงออกแบบเลนส์อรงค์ขึ้นมาโดยใช้แก้วคราวน์ (Crown) และแก้วฟลินท์ (Flint) ซึ่งมีดัชนีการหักเหแสงตรงข้ามกัน มาประกบกันเพื่อทำให้แสงทุกความยาวคลื่นหักเหมารวมที่จุดโฟกัสเดียวกัน เลนส์อรงค์มีน้ำหนักมากและราคาแพงมาก การประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่จึงเลี่ยงไปใช้กระจกเว้าแทน

ภาพที่ 147 ความคลาดสีซึ่งเกิดขึ้นจากเลนส์เดี่ยว
ที่มา : http://www.lesa.biz/astronomy/telescope/telescope-type

กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง (Reflector telescope)

กล้องโทรทรรศน์แบบนี้ใช้กระจกเว้า

ทำหน้าที่เลนส์ใกล้วัตถุแทนเลนส์นูน รวบรวมแสงส่งไปยังกระจกทุติยภูมิซึ่งเป็นกระจกเงาระนาบขนาดเล็กติดตั้งอยู่ในลำกล้อง สะท้อนลำแสงให้ตั้งฉากออกมาที่เลนส์ตาที่ติดตั้งอยู่ที่ด้านข้างของลำกล้อง เนื่องจากกระจกเว้ามีน้ำหนักเบาและราคาถูกกว่าเลนส์อรงค์ นอกจากนั้นกระจกเว้ายังสามารถสร้างให้มีความยาวโฟกัสสั้นได้ง่าย หอดูดาวจึงนิยมติดตั้งกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงขนาดใหญ่ซึ่งมีกำลังรวมแสงสูง ทำให้สามารถสังเกตเห็นวัตถุที่มีความสว่างน้อยและอยู่ไกลมาก เช่น เนบิวลาและกาแล็กซี

ภาพที่ 148 กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง
ที่มา : http://www.lesa.biz/astronomy/telescope/telescope-type

กล้องโทรทรรศน์แบบผสม (Catadioptic telescope)

เป็นกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงที่ใช้การสะท้อนแสงกลับไปมา เพื่อให้ลำกล้อง มีขนาดสั้นลง โดยใช้กระจกนูนเป็นกระจกทุติยภูมิช่วยบีบลำแสงทำให้ลำกล้องสั้นกระทัดรัด แต่ยังคงกำลังขยายสูง

ภาพที่ 149 กล้องโทรทรรศน์ชนิดผสม
ที่มา : http://www.lesa.biz/astronomy/telescope/telescope-type

อย่างไรการทำงานของกระจกนูน

ทำให้ภาพที่เกิดขึ้นบนระนาบโฟกัสมีความโค้ง จึงจำเป็นต้องติดตั้งเลนส์ปรับแก้ (Correction plate) ไว้ที่ปากลำกล้องเพื่อทำงานร่วมกับกระจกทุติยภูมิ ในการชดเชยความโค้งของระนาบโฟกัส โดยที่เลนส์ปรับแก้ไม่ได้มีอิทธิพลต่อกำลังรวมแสงและกำลังขยายเลย

ฐานระบบขอบฟ้า (Alt-azimuth Mount)

มีแกนหมุน 2 แกนตามระบบพิกัดขอบฟ้า คือ แกนหมุนในแนวนอนในแนวระดับสำหรับปรับค่ามุมทิศ (Azimuth) และแกนหมุนในแนวดิ่งสำหรับปรับค่ามุมเงย (Altitude) ฐานตั้งกล้องชนิดนี้เหมาะสำหรับการใช้งานทั่วไปที่ไม่ต้องการกำลังขยายสูง สามารถใช้มือหันกล้องไปยังเป้าหมายที่ต้องการ

ภาพที่ 150 ฐานระบบขอบฟ้า
ที่มา : http://www.lesa.biz/astronomy/telescope/telescope-mount

ฐานระบบศูนย์สูตร (Equatorial Mount)

มีแกนหมุน 2 แกนตามระบบศูนย์สูตร การติดตั้งฐานครั้งแรกจะต้องตั้งให้แกน ไรท์แอสเซนชัน (RA) ชึ้ไปยังจุดขั้วฟ้าเหนือ ซึ่งเป็นจุดศูนย์กลางทรงกลมฟ้า (ใกล้ดาวเหนือ) ส่วนแกนเดคลิเนชัน (Dec) จะติดตั้งกล้องโทรทรรศน์ส่องไปยังเป้าหมายที่ต้องการ เมื่อใช้งาน แกน RA จะหมุนด้วยความเร็วเท่ากับโลกหมุนรอบตัวเองเพื่อติดตามดาวให้อยู่กลางภาพตลอดเวลา ป้องกันมิให้ดาวเคลื่อนหนีกล้อง ฐานระบบศูนย์สูตรจึงมีกลไกสลับซับซ้อนกว่าฐานระบบขอบฟ้า ทำให้มีขนาดใหญ่และน้ำหนักมากไม่สะดวกในการเคลื่อนย้าย ฐานระบบศูนย์สูตรเหมาะกับ การใช้งานกำลังขยายสูงและงานถ่ายภาพติดตามดาว แต่ไม่เหมาะสำหรับส่องดูวิวบนพื้นโลก เนื่องจากไม่สามารถกวาดกล้องในแนวขนานกับพื้นดิน

ภาพที่ 151 ฐานระบบศูนย์สูตร
ที่มา : http://www.lesa.biz/astronomy/telescope/telescope-mount

วัตถุแต่ละชนิดมีอุณหภูมิไม่เท่ากัน จึงแผ่รังสีเข้มที่ความยาวคลื่นแตกต่างกันตามกฎการ แผ่รังสีของวีน (Wein'slaw) วัตถุที่มีอุณหภูมิสูง เช่น หลุมดำ ดาวระเบิด ดาวฤกษ์เกิดใหม่ แผ่รังสีคลื่นสั้น เช่น รังสีแกมมา รังสีเอกซ์ และรังสีอัลตราไวโอเล็ต วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ เช่น เนบิวลา แผ่รังสีคลื่นยาว เช่น รังสีอินฟราเรด วัตถุที่หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูง เช่น ดาวนิวตรอน หลุมดำ แผ่คลื่นวิทยุ ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงจำเป็นต้องศึกษาวัตถุต่างๆ ในทุกความยาวคลื่น ไม่ใช่เฉพาะแสงที่ตามองเห็น (Visible light) เท่านั้น

ภาพที่ 152 ภาพถ่ายของกาแล็กซีทางช้างเผือกในช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน
ที่มา : http://www.lesa.biz/astronomy/telescope/multiwavelength-telescopes

- รังสีแกมมา (Gamma Ray)

ที่พลังงาน >100eV แสดงให้เห็นถึง บริเวณที่เป็นดาวเกิดใหม่มีอุณหภูมิสูง ในใจกลางของทางช้างเผือก

- รังสีเอกซ์ (X-Ray)

ที่พลังงาน 0.25, 0.75, 1.5 keV แสดงให้เห็นถึง บริเวณที่เป็นดาวเกิดใหม่ มีอุณหภูมิสูง ที่อยู่รอบๆ ทางช้างเผือก

- แสงที่ตามองเห็น (Optical) แสดงให้เห็นความสว่างของทางช้างเผือกตามที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า

- รังสีอินฟราเรดใกล้ (Near Infrared) แสดงให้เห็นแก๊สและฝุ่นทึบแสงที่มีอุณหภูมิต่ำ ภายใน ใจกลางของระนาบทางช้างเผือก

- รังสีอินฟราเรด (Infrared)

แสดงให้เห็นแก๊สและฝุ่นทึบแสงที่มีอุณหภูมิต่ำ ที่อยู่ในแขนกังหันของทางช้างเผือก

- คลื่นวิทยุความถี่ 115 GHz (Molecular Molecule) แผ่ออกมาจากโมเลกุลของไฮโดรเจนที่อยู่ในบริเวณใจกลางของทางช้างเผือก

- คลื่นวิทยุความยาวคลื่น 21 cm (Atomic Hydrogen) แผ่ออกมาจากอะตอมของไฮโดรเจนที่อยู่ในแขนกังหันของทางช้างเผือก

- คลื่นวิทยุความถี่ 408 MHz (Radio Continuum) แผ่มากจากบริเวณรอบๆ ทางช้างเผือก

ดาวเทียม (Satellite) คือ อุปกรณ์ที่มนุษย์สร้างขึ้นแล้วปล่อยไว้ในวงโคจรรอบโลก เพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ เช่น ถ่ายภาพตรวจอากาศ โทรคมนาคม และปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ เป็นต้น ปัจจุบัน ได้มีการส่งดาวเทียมขึ้นสู่วงโคจรรอบโลกมากกว่า 30,000 ดวง เพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ดาวเทียมทั้งหลายจึงมีขนาด รูปร่าง ลักษณะแตกต่างกัน อย่างไรก็ตามดาวเทียม ส่วนใหญ่มีองค์ประกอบหลักที่คล้ายคลึงกัน ดังนี้

- ระบบนำร่อง เป็นระบบคอมพิวเตอร์และไจโรสโคป ซึ่งมีหน้าที่ตรวจสอบตำแหน่งของดาวเทียม โดยการเปรียบเทียบกับตำแหน่งของดาวฤกษ์ สัญญาณวิทยุจากสถานีบนโลกหรือสัญญาณจากดาวเทียมจีพีเอส

- ระบบควบคุมและสื่อสาร ประกอบด้วย คอมพิวเตอร์ที่เก็บรวมรวมข้อมูล และประมวลผลคำสั่งต่างๆ ที่ได้รับจากส่วนควบคุมบนโลก โดยมีอุปกรณ์วิทยุและเสาอากาศ เพื่อใช้ในการรับส่งข้อมูล

- ระบบเซ็นเซอร์ และอุปกรณ์วิทยาศาสตร์อื่นๆ ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของภารกิจ เช่น ดาวเทียมสำรวจโลกติดตั้งเซ็นเซอร์ตรวจจับช่วงคลื่นต่างๆ, ดาวเทียมปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ติดตั้งห้องทดลอง, ดาวเทียมทำแผนที่ติดตั้งเรดาร์และกล้องถ่ายภาพ ข้อมูลที่ได้จากระบบนี้จะถูกส่งกลับสู่โลกโดยใช้เสาอากาศส่งคลื่นวิทยุ

- ระบบพลังงาน ทำหน้าที่ผลิตพลังงานและกักเก็บไว้เพื่อแจกจ่ายไปยังระบบไฟฟ้าของดาวเทียม โดยมีแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar cells) ไว้รับพลังงานจากแสงอาทิตย์เพื่อเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า แต่ดาวเทียมขนาดใหญ่อาจมีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

- ระบบเครื่องยนต์ ดาวเทียมขนาดใหญ่ที่มีอายุใช้งานยาว จะมีเครื่องยนต์ซึ่งทำงานคล้ายกับเครื่องอัดอากาศ และปล่อยออกทางปลายท่อ มีหน้าที่สร้างแรงขับดันเพื่อรักษาระดับความสูงของวงโคจร เนื่องจากที่ระดับวงโคจรในอวกาศยังคงมีโมเลกุลอยู่อย่างเบาบาง แต่ดาวเทียมโคจรด้วยความเร็วสูง โมเลกุลอากาศสามารถสร้างแรงเสียดทานให้ดาวเทียมเคลื่อนที่ช้าลงและเคลื่อนที่ต่ำลง หากไม่รักษาระยะสูงไว้ ในที่สุดดาวเทียมก็จะตกลงสู่พื้นโลก

ภาพที่ 153 องค์ประกอบของดาวเทียม
ที่มา : http://www.thaitelecomkm.org/TTE/

การออกแบบวงโคจรของดาวเทียม

ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งานดาวเทียม ระดับความสูงของดาวเทียมมีความสัมพันธ์กับคาบเวลาในวงโคจรตามกฎของเคปเลอร์ข้อที่ 3 (กำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเทียม แปรผันตาม กำลังสามของระยะห่างจากโลก) ดังนั้น ณ ระดับความสูงจากผิวโลกระดับหนึ่ง ดาวเทียมจะต้องมีความเร็วในวงโคจรค่าหนึ่ง มิฉะนั้นดาวเทียมอาจตกสู่โลกหรือหลุดจากวงโคจรรอบโลก ดาวเทียมวงโคจรต่ำเคลื่อนที่เร็ว ดาวเทียมวงโคจรสูงเคลื่อนที่ช้า

นักวิทยาศาสตร์คำนวณหาค่าความเร็วในวงโคจรได้โดยใช้ “กฎความโน้มถ่วงแห่งเอกภพของ นิวตัน” (Newton's Law of Universal Gravitation) “วัตถุสองชิ้นดึงดูดกันด้วยแรงซึ่งแปรผันตามมวลของวัตถุ แต่แปรผกผันกับระยะทางระหว่างวัตถุยกกำลังสอง” ดังนี้

แรงสู่ศูนย์กลาง = แรงโน้มถ่วงของโลก
mv2/r = G (Mm/r2)
v = (GM/r)1/2

โดยที่
v = ความเร็วของดาวเทียม M = มวลของโลก

m = มวลของดาวเทียม r = ระยะทางระหว่างศูนย์กลางของโลกกับดาวเทียม

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

ตัวอย่าง 4.3 ถ้าต้องการส่งดาวเทียมให้โคจรรอบโลกที่ระดับสูง 35,780 กิโลเมตร ดาวเทียมจะต้องมีความเร็วในวงโคจรเท่าไร
r = 6,380 km (รัศมีโลก) + 35,786 km (ระยะสูงของวงโคจร) = 4.23 x 107 km

วิธีคิด
v = (GM/r)1/2

= {(6.67 x 10-11 Nm2/kg2)(5.98 x 1028 kg)/(4.23 x 107)} 1/2

= 11,052 กิโลเมตร

ภาพที่ 154 ความสัมพันธ์ระหว่างระดับสูงของดาวเทียมกับคาบวงโคจรรอบโลก

- ถ้าต้องการให้ดาวเทียมมีวงโคจรต่ำ ดาวเทียมจะต้องเคลื่อนที่เร็วมาก เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วง ของโลก ดาวเทียมวงโคจร ดาวเทียมวงโคจรต่ำจึงโคจรรอบโลกใช้เวลาน้อยที่สุด

- ดาวเทียมวงโคจรสูงมีความเร็วในวงโคจรช้ากว่าวงโคจรต่ำ ทั้งนี้เนื่องจากสูงขึ้นไป ยิ่งอยู่ห่างจากศูนย์กลางแรงโน้มถ่วง ดาวเทียมวงโคจรสูงจึงโคจรรอบโลกใช้เวลามากกว่าดาวเทียมวงโคจรต่ำ

- ถ้าต้องการให้ดาวเทียมโคจรไปพร้อมๆ กับที่โลกหมุนรอบตัวเอง ดาวเทียมจะลอยค้างอยู่เหนือพิกัดภูมิศาสตร์ที่ระบุบนพื้นผิวโลกตลอดเวลา จะต้องส่งดาวเทียมให้อยู่ที่ความสูง 35,786 กิโลเมตร เหนือพื้นผิวโลก วงโคจรระดับนี้เรียกว่า "วงโคจรค้างฟ้า" (Geo-Stationary orbit) ซึ่งเหมาะสำหรับใช้ในการสะท้อนสัญญาณโทรคมนาคม และการถ่ายภาพที่ครอบคลุมบริเวณกว้าง

ในการออกแบบวงโคจรของดาวเทียม นอกจากความสูงของวงโคจรแล้ว ยังต้องคำนึงถึงทิศทางของ วงโคจร เนื่องโลกหมุนรอบตัวเอง นักวิทยาศาสตร์จะต้องคำนึงถึงพื้นที่บนพื้นผิวโลกที่ต้องการให้ดาวเทียมเคลื่อนที่ผ่าน เราสามารถจำแนกประเภทของวงโคจร ตามระยะสูงของวงโคจรได้ดังนี้

- วงโคจรระยะต่ำ (Low Earth Orbit "LEO")

วงโคจรระยะต่ำ (Low Earth Orbit "LEO") อยู่สูงจากพื้นโลกไม่เกิน 1,000 กม . เหมาะสำหรับการถ่ายภาพรายละเอียดสูง ติดตามสังเกตการณ์อย่างใกล้ชิด แต่เนื่องจากวงโคจรประเภทนี้อยู่ใกล้พื้นผิวโลกมาก ภาพถ่ายที่ได้จึงครอบคลุมพื้นที่เป็นบริเวณแคบ และไม่สามารถครอบคลุมบริเวณใดบริเวณหนึ่งได้นาน เนื่องจากดาวเทียมต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก ดาวเทียม วงโคจรต่ำจึงนิยมใช้วงโคจรขั้วโลก (Polar Orbit) หรือใกล้ขั้วโลก (Near Polar Orbit) ดาวเทียม จะโคจรในแนวเหนือ-ใต้ ขณะที่โลกหมุนรอบตัวเอง ดาวเทียมจึงเคลื่อนที่ผ่านเกือบทุกส่วน ของพื้นผิวโลก

ภาพที่ 155 ดาวเทียมวงโคจรระยะต่ำ
ที่มา : http://www.lesa.biz/space-technology/satellite/orbits

- วงโคจรระยะปานกลาง (Medium Earth Orbit "MEO")

อยู่ที่ระยะความสูงตั้งแต่ 1,000 กิโลเมตร จนถึง 35,000 กิโลเมตร สามารถถ่ายภาพและส่งสัญญาณวิทยุได้ครอบคลุมพื้นที่ได้เป็นบริเวณกว้างกว่าดาวเทียมวงโคจรต่ำ แต่หากต้องการสัญญาณให้ครอบคลุมทั้งโลกจะต้องใช้ดาวเทียมหลายดวงทำงานร่วมกันเป็นเครือข่าย และมีทิศทางของวงโคจรรอบโลกทำมุมเฉียงหลายๆ ทิศทาง ดาวเทียมที่มีวงโคจรระยะ ปานกลางส่วนมากเป็นดาวเทียมนำร่อง เช่น เครือข่ายดาวเทียม GPS ประกอบด้วยดาวเทียมจำนวน 24 ดวง ทำงานร่วมกันดังภาพที่ 3 โดยส่งสัญญาณวิทยุออกมาพร้อมๆ กัน ให้เครื่องรับที่อยู่บนพื้นผิวโลกเปรียบเทียบสัญญาณจากดาวเทียมแต่ละดวง เพื่อคำนวณหาตำแหน่งพิกัดที่ตั้งของเครื่องรับ

ภาพที่ 156 เครือข่ายดาวเทียม GPS
ที่มา : http://www.lesa.biz/space-technology/satellite/orbits

- วงโคจรประจำที่ (Geostationary Earth Orbit "GEO")

อยู่สูงจากพื้นโลกประมาณ 35,786 กม. มีเส้นทางโคจรอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตร (Equatorial Orbit) ดาวเทียมจะหมุนรอบโลกด้วยความเร็วเชิงมุมเท่ากับโลกหมุนรอบตัวเอง ทำให้ดูเหมือนลอยนิ่งอยู่เหนือพื้นผิวโลกตำแหน่งเดิมอยู่ตลอดเวลา จึงถูกเรียกว่า "ดาวเทียมวงโคจรสถิต หรือ วงโคจรค้างฟ้า" เนื่องจากดาวเทียมวงโคจรชนิดนี้อยู่ห่างไกลจากโลกและสามารถลอยอยู่เหนือพื้นโลกตลอดเวลา จึงนิยมใช้สำหรับการถ่ายภาพโลกทั้งดวง เฝ้าสังเกตการณ์เปลี่ยนแปลงของบรรยากาศ และใช้ในการโทรคมนาคมข้ามทวีป อย่างไรก็ตามดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้าจะต้องลอยอยู่ที่ระดับสูง 35,786 กิโลเมตรเท่านั้น วงโคจรแบบนี้จึงมีดาวเทียมอยู่หนาแน่น และกำลังจะมีปัญหาการแย่งพื้่นที่ในอวกาศ

ภาพที่ 157 ดาวเทียมวงโคจรประจำที่
ที่มา : http://www.lesa.biz/space-technology/satellite/orbits

- วงโคจรรูปวงรี (Highly Elliptical Orbit "HEO")

เป็นวงโคจรออกแบบสำหรับดาวเทียมที่ปฏิบัติภารกิจพิเศษเฉพาะกิจ เนื่องจากดาวเทียมความเร็วในวงโคจรไม่คงที่ เมื่ออยู่ใกล้โลกดาวเทียมจะเคลื่อนที่ใกล้โลกมาก และเคลื่อนที่ช้าลงเมื่อออกห่างจากโลกตามกฎข้อที่ 2 ของเคปเลอร์ ดาวเทียมวงโคจรรูปวงรี ส่วนมากเป็นดาวเทียมที่ปฏิบัติงานด้านวิทยาศาสตร์ เช่น ศึกษาสนามแม่เหล็กโลก เนื่องจากสามารถมีระยะห่างจากโลกได้หลายระยะ หรือเป็นดาวเทียมจารกรรมซึ่งสามารถบินโฉบเข้ามาถ่ายภาพพื้นผิวโลกด้วยระยะต่ำมากและปรับวงโคจรได้

ภาพที่ 158 วงโคจรรูปวงรีของดาวเทียมสำรวจสนามแม่เหล็กโลก
ที่มา : http://www.lesa.biz/space-technology/satellite/orbits

จรวด (Rocket)

เป็นเครื่องยนต์ที่ใช้ขับเคลื่อนพาหนะสำหรับขนส่งอุปกรณ์หรือมนุษย์ขึ้นสู่อวกาศ จรวดสามารถเดินทางไปในอวกาศ เนื่องจากไม่จำเป็นต้องอาศัยออกซิเจนในบรรยากาศมาใช้ในการสันดาปเชื้อเพลิง ทั้งนี้เพราะว่าจรวดมีถังบรรจุออกซิเจนอยู่ในตัวเอง จรวดที่ใช้เดินทางไปสู่อวกาศจะต้องมีแรงขับเคลื่อนสูงมากและต่อเนื่อง เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก (Gravity)

ซึ่งมีความเร่ง 9.8 เมตร/วินาที2 ในการเดินทางจากพื้นโลกสู่วงโคจรรอบโลก จรวดทำงานตามกฎของนิวตัน 3 ข้อคือ

ข้อที่ 3“แรงกริยา = แรงปฏิกิริยา” จรวดปล่อยแก๊สร้อนออกทางท่อท้ายด้านล่าง (แรงกริยา) ทำให้จรวดเคลื่อนที่ขึ้นสู่อากาศ (แรงปฏิกิริยา)

ภาพที่ 159 กฏข้อที่ 3 ของนิวตัน
ที่มา : https://m.curiosity.com/topics/a-history-of-space-shuttles-qQB-3DO1/

กฏข้อที่ 2 "ความเร่งของจรวดแปรผันตามแรงขับของจรวด แต่แปรผกผันกับมวลของจรวด" (a = F/m) ดังนั้นจรวดต้องเผาไหม้เชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง เพื่อสร้างความเร่งเอาชนะแรงโน้มถ่วง และเพื่อให้ได้ความเร่งสูงสุด นักวิทยาศาสตร์จะต้องออกแบบให้จรวดมีมวลน้อยที่สุดแต่มีแรงขับดันมากที่สุด

กฎข้อที่ 1 "กฎของความเฉื่อย" เมื่อจรวดนำดาวเทียมหรือยานอวกาศเข้าสู่วงโคจรรอบโลกแล้ว จะดับเครื่องยนต์เพื่อเคลื่อนที่ด้วยแรงเฉื่อย ให้ได้ความเร็วคงที่ เพื่อรักษาระดับความสูงของวงโคจรให้คงที่

ประเภทของจรวด

เราแบ่งประเภทของจรวดตามชนิดของเชื้อเพลิงออกเป็น 3 ประเภท คือ

1. จรวดเชื้อเพลิงแข็ง มีโครงสร้างไม่ซับซ้อน แต่เมื่อการเผาไหม้เชื้อเพลิงเกิดขึ้นแล้ว ไม่สามารถหยุดได้ ตัวอย่างของจรวดเชื้อเพลิงแข็งได้แก่ บั้งไฟภาคอีสาน จรวดทำลายรถถัง เป็นต้น

2. จรวดเชื้อเพลิงเหลว มีโครงสร้างซับซ้อนกว่าจรวดเชื้อเพลิงแข็ง เพราะต้องมีถังเก็บเชื้อเพลิงเหลว และออกซิเจนเหลว (เพื่อช่วยให้เกิดการสันดาป) ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง และยังต้องมีระบบปั๊มและท่อเพื่อลำเลียงเชื้อเพลิงเข้าสู่ห้องเครื่องยนต์เพื่อทำการเผาไหม้1 ด้วยเหตุนี้จรวดเชื้อเพลิงเหลวจึงมีราคาสูง อย่างไรก็ตามจรวดเชื้อเพลิงเหลวมีข้อดีคือ สามารถควบคุมปริมาณ การเผาไหม้ และปรับทิศทางของกระแสแก๊สได้ ทำให้ปลอดภัย ควบคุมทิศทางและความเร็วได้ง่าย

ภาพที่ 160 จรวดเชื้อเพลิงแข็งและจรวดเชื้อเพลิงเหลว
ที่มา : http://www.lesa.biz/space-technology/rocket-types

3. จรวดไอออน ไม่ได้ใช้พลังงานจากการสันดาปเชื่้อเพลิงดังเช่นจรวดเชื้อเพลิงแข็งและจรวดเชื้อเพลิงเหลว แต่ใช้พลังงานไฟฟ้ายิงอิเล็กตรอนเข้าใส่อะตอมของแก๊สเฉื่อย เช่น ซีนอน (Xenon) ให้แตกเป็นประจุ แล้วเร่งปฏิกริยาให้ประจุเคลื่อนที่ออกจากท่อท้ายของเครื่องยนต์ด้วยความเร็วสูงเพื่อให้เกิดแรงดัน (แรงกริยา) ผลักจรวดให้เคลื่อนที่ไปด้านหน้า (แรงปฏิกริยา) จรวดไอออนมีขนาดเล็กจึงมีแรงขับเคลื่อนต่ำ แต่มีความประหยัดสูง จึงเหมาะสำหรับใช้ในการเดินทางระหว่างดวงดาวเป็นระยะเวลานาน

ภาพที่ 161 จรวดเชื้อเพลิงไอออน
ที่มา : http://whyfiles.org/shorties/ion_thruster.html

ภาพที่ 162 เปรียบเทียบคุณสมบัติของจรวดแต่ละประเภท

จรวดหลายท่อน

ภารกิจในอวกาศจะต้องเลือกใช้จรวดให้เหมาะสมกับภารกิจ วัตถุประสงค์หลักคือจะต้องใช้ลดมวลของจรวดเพื่อสร้างความเร่งสูงสุดให้แก่จรวด ดังนั้นวิศวกรจึงออกแบบสร้างจรวดหลายท่อน (Multistages Rocket) เรียงติดกันแบบอนุกรมหรือยึดติดกันแบบขนาน เมื่อเชื้อเพลิงตอนใดหมดก็จะปลดตอนนั้นทิ้งไปเพื่อให้จรวดมีความเร่งมากขึ้น

ภาพที่ 163 จรวดหลายท่อน
ที่มา : http://nextbigfuture.com/2010_08_01_archive.html

กระสวยอวกาศ

นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาแนวคิดในการสร้างยานขนส่งขนาดใหญ่ที่สามารถเดินทางขึ้นสู่อวกาศแล้วเดินทางกลับสู่โลก ให้นำมาใช้ใหม่ได้หลายครั้ง เรียกว่า "กระสวยอวกาศ" (Space Shuttle) มีองค์ประกอบประกอบ 3 ส่วนดังนี้

1. จรวดเชื้อเพลิงแข็ง (Solid Rocket Booster)

จำนวน 2 ชุด ติดตัั้งขนาบกับถังเชื้อเพลิงภายนอกทั้งสองข้าง มีหน้าที่ขับดันให้ยานขนส่งอวกาศทั้งระบบทะยานขึ้นสู่อวกาศ

2. ถังเชื้อเพลิงภายนอก (External Tank) จำนวน 1 ถัง

ติดตั้งอยู่ตรงกลางระหว่างจรวดเชื้อเพลิงแข็งทั้งสองด้าน มีหน้าที่บรรทุกเชื้อเพลิงเหลว ซึ่งมีท่อลำเลียงเชื้อเพลิงไปทำการสันดาปในเครื่องยนต์ซึ่งติดตั้งอยู่ทางด้านท้ายของกระสวยอวกาศ

3. ยานขนส่งอวกาศ (Orbiter)

ทำหน้าที่เป็นยานอวกาศ ห้องทำงานของนักบิน ห้องปฏิบัติการของนักวิทยาศาสตร์ และบรรทุกสัมภาระที่จะไปปล่อยในวงโคจรในอวกาศ

ภาพที่ 164 กระสวยอวกาศ
ที่มา : http://www.lesa.biz/space-technology/space-shuttle

ขั้นตอนการทำงานของกระสวยอวกาศ

1. กระสวยอวกาศยกตัวขึ้นจากพื้นโลก โดยใช้กำลังขับดันหลักจากจรวดเชื้อเพลิงแข็ง 2 ชุด และ ใช้แรงดันจากเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลวซี่งติดตั้งอยู่ทางด้านท้ายของยานขนส่งอวกาศเป็นตัวควบคุมวิถีของกระสวยอวกาศ

2. หลังจากทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้าได้ 2 นาที ได้ระยะสูงประมาณ 46 กิโลเมตร เชื้อเพลิงแข็งถูกสันดาปหมด จรวดเชื้อเพลิงแข็งถูกปลดออกให้ตกลงสู่พื้นผิวมหาสมุทร โดยกางร่มชูชีพเพื่อชะลออัตราการร่วงหล่น และมีเรือมารอลากกลับ เพื่อนำมาทำความสะอาดและบรรจุเชื้อเพลิงเพื่อใช้ในภารกิจครั้งต่อไป

3. กระสวยอวกาศยังคงทะยานขึ้นสู่อวกาศต่อไปยังระดับความสูงของวงโคจรที่ต้องการ โดยเครื่องยนต์หลักที่อยู่ด้านท้ายของยานขนส่งอวกาศ จะดูดเชื้อเพลิงเหลวจากถังเชื้อเพลิงภายนอก มาสันดาปจนหมดภายในเวลา 5 นาที แล้วสลัดถังเชื้อเพลิงภายนอกทิ้งให้เสียดสีกับชั้นบรรยากาศจนลุกไหม้หมดก่อนตกถึงพื้นโลก ณ เวลานั้นยานขนส่งอวกาศจะอยู่ในระดับความสูงของวงโคจรที่ต้องการเป็นที่เรียบร้อยแล้ว

4. ยานขนส่งอวกาศเข้าสู่วงโคจรอบโลกด้วยแรงเฉื่อย โดยมีเชื้อเพลิงสำรองภายในยานเพียงเล็กน้อยเพื่อใช้ในการปรับทิศทาง เมื่อถึงตำแหน่ง ความเร็ว และทิศทางที่ต้องการ จากนั้นนำดาวเทียมที่เก็บไว้ในห้องเก็บสัมภาระออกมาปล่อยเข้าสู่วงโคจร ซึ่งจะเคลื่อนที่โดยอาศัยแรงเฉื่อยจากยานขนส่งอวกาศนั่นเอง

5. จากนั้นยานขนส่งอวกาศจะเคลื่อนที่จากออกมา โดยยานขนส่งอวกาศสามารถปรับท่าทางการบินโดยใช้เครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลวขนาดเล็ก ซึ่งเรียกว่า "ทรัสเตอร์" (Thrusters) หลายชุดซึ่งติดตั้งอยู่รอบยาน ยกตัวอย่างเช่น หากต้องการให้ยานก้มหัวลง ก็จะจุดทรัสเตอร์หัวยานด้านบนและทรัสเตอร์ท้ายยานด้านล่างพร้อมๆ กัน เมื่อได้ทิศทางที่ต้องการก็จะจุดทรัสเตอร์ในทิศตรง ข้ามเพื่อหยุดการเคลื่อนไหว หากต้องการหันยานไปทางขวามือ ก็จุดทรัสเตอร์หัวยานด้านซ้ายและทรัสเตอร์ท้ายยานด้านขวาพร้อมๆ กัน เมื่อได้ทิศทางที่ต้องการจุดทรัสเตอร์ในทิศตรง\ข้ามเพื่อหยุดการเคลื่อนไหว

6. เมื่อเสร็จสิ้นภารกิจในวงโคจร ยานขนส่งอวกาศจะใช้ปีกในการต้านทานอากาศเพื่อชะลอความเร็ว และสร้างแรงยกเพื่อร่อนลงสู่สนามบินในลักษณะคล้ายเครื่องร่อนซึ่งไม่มีแรงขับเคลื่อนใดๆ นอกจากแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อตัวยาน ดังนั้นเมื่อตัดสินใจจะทำการลงแล้วต้องลงให้สำเร็จ ยานขนส่งอวกาศจะไม่สามารถเพิ่มระยะสูงได้อีก หลังจากที่ล้อหลักแตะพื้นสนามบินก็จะปล่อยร่มชูชีพเพื่อชะลอความเร็ว เพื่อให้ใช้ระยะทางบนทางวิ่งสั้นลง

ภาพที่ 165 ขั้นตอนการทำงานของกระสวยอวกาศ
ที่มา : http://www.lesa.biz/space-technology/space-shuttle

ยานอวกาศ

ยานอวกาศ (Spacecraft) หมายถึง ยานพาหนะที่นำมนุษย์หรืออุปกรณ์อัตโนมัติขึ้นไปสู่อวกาศ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อสำรวจโลกหรือเดินทางไปยังดาวดวงอื่น ยานอวกาศมี 2 ประเภท คือ ยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุม และยานอวกาศที่ไม่มีมนุษย์ควบคุม

1. ยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุม

มีขนาดใหญ่ เพราะต้องมีปริมาตรพอที่มนุษย์อยู่อาศัยได้ และยังต้องบรรทุกปัจจััยต่างๆ ที่มนุษย์ต้องการ ดังนั้นยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุมจึงมีมวลมาก การขับดันยานอวกาศที่มีมวลมากให้มีอัตราเร่งสูงจำเป็นต้องใช้จรวดที่บรรทุกเชื้อเพลิงจำนวนมาก ซึ่งทำให้มีค่าใช้จ่ายสูงมาก

ภาพที่ 166 ยานอะพอลโล
ที่มา : https://www.nasa.gov/mission_pages/apollo/index.html

2. ยานอวกาศที่ไม่มีมนุษย์ควบคุม

มีขนาดเล็กมากเมื่อเปรียบเทียบกับยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุม ยานอวกาศชนิดนี้มีมวลน้อยไม่จำเป็นต้องใช้จรวดนำส่งขนาดใหญ่ จึงมีความประหยัดเชื้อเพลิงมาก ยานอวกาศประเภทนี้จึงต้องมีสมองกลคอมพิวเตอร์และระบบซอฟต์แวร์ซึ่งฉลาดมาก เพื่อให้ยานอวกาศสามารถต้องปฏิบัติภารกิจได้เองทุกประการและแก้ไขปัญหาเฉพาะหน้าได้ทันท่วงที

ภาพที่ 167 ยานแคสินี
ที่มา : https://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/main/index.html

หลักการส่งยานอวกาศ

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

ภาพที่ 168 หลักการส่งยานอวกาศ
ที่มา : http://www.lesa.biz/space-technology/spacecraft/space-flight

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

แรงหนีศูนย์กลาง (พลังงานจลน์) = แรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ (กฎความโน้มถ่วง)
1/2 mves2 = G (Mm/r2)
ves = (2GM/r)1/2

โดยที่ ves = ความเร็วหลุดพ้นของยานอวกาศ

M = มวลของดาวเคราะห์

m = มวลของยานอวกาศ

r = ระยะทางระหว่างศูนย์กลางของดาวเคราะห์กับยานอวกาศ

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

เมื่อแทนค่าสูตรข้างต้นด้วยมวลและรัศมีของดาวแต่ละดวงในระบบสุริยะ จะพบว่า ความเร็วหลุดพ้นของดาวมวลมากมีค่ามากกว่าความเร็วหลุดพ้นของดาวมวลน้อย

ภาพที่ 169 ความสัมพันธ์ระหว่างมวลของดาวกับความเร็วหลุดพ้น

สถานีอวกาศ

สถานีอวกาศนานาชาติ (International Space Station) หรือ ISS เป็นห้องปฏิบัติการลอยฟ้าซึ่งโคจรรอบโลกที่ระยะสูง 410 กิโลเมตร เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 27,744 กิโลเมตร/ชั่วโมง โคจรรอบโลก 1 รอบใช้เวลา 92 นาที มีวัตถุประสงค์เพื่อทำการค้นคว้าและทดลองทางวิทยาศาสตร์หลากหลายสาขาได้แก่ ดาราศาสตร์ อุตุนิยมวิทยา วัสดุศาสตร์ ชีววิทยา เคมี และฟิสิกส์ เนื่องจากสถานีอวกาศอยู่ในสภาพไร้แรงโน้มถ่วง นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถทำการทดลองหรือประดิษฐ์ผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ ซึ่งไม่สามารถกระทำบนพื้นผิวโลก สถานีอวกาศนานาชาติมีลักษณะเป็นโมดุลสำเร็จรูปหลายๆ ห้องเชื่อมต่อโดยใช้ทรัพยากรร่วมกัน

ในสองปีแรกสถานีอวกาศยังไม่สามารถให้มนุษย์อยู่อาศัยได้ จนกระทั่งปี 2543 รัสเซียได้ส่งโมดุลที่สามซึ่งมีชื่อว่า "สเวซดา" (Zvezda) ขึ้นไปเชื่อมต่อ ทำให้สถานีอวกาศนานาชาติมีปัจจัยที่เกื้อกูลต่อการดำรงชีพ

ภาพที่ 170 กระสวยอวกาศกำลังเชื่อมต่อยูนิตีเข้ากับซาร์ยา
ที่มา : http://www.lesa.biz/space-technology/spacecraft/iss?tmpl=%2Fsystem%2Fapp%2Ftemplates%2Fprint%2F&showPrintDialog=1

เราไม่สามารถมองเห็นวัตถุท้องฟ้าจากพื้นโลกได้ทุกความยาวคลื่น เนื่องจากบรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกเป็นอุปสรรค ทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบางความยาวคลื่นไม่สามารถแผ่ลงมาถึงพื้นโลกได้ จึงมีความจำเป็นต้องส่งกล้องโทรทรรศน์ชนิดต่างๆ ขึ้นไปโคจรเหนือชั้นบรรยากาศโลก

กล้องโทรทรรศน์รังสีแกมมา Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST)

GLAST เป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศซึ่งทำงานในช่วงความยาวคลื่นของรังสีแกมมา มีวงโคจรรอบโลกอยู่ที่ระยะสูง 550 กิโลเมตร โคจรรอบโลกใช้เวลา 90 นาที นักดาราศาสตร์ใช้ GLAST ในการศึกษาแอคทีฟกาแล็กซี สสารมืด ดาวนิวตรอน และการประทุจ้าของดวงอาทิตย์

ภาพที่ 171 กล้องโทรทรรศน์รังสีแกมมา
ที่มา : http://fermigamma-rayspacetelescope.weebly.com/facts.html

กล้องโทรทรรศน์รังสีเอ็กซ์ Chandra X-ray Observatory (CXO)

Chandra เป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศซึ่งทำงานในช่วงความยาวคลื่นของรังสีเอ็กซ์ มีวงโคจรรูปวงรี ระยะใกล้ที่สุดอยู่ห่างจากโลก 16,000 กิโลเมตร ระยะไกลที่สุดอยู่ห่างจากโลกเท่ากับ 1/3 ของระยะทางไปยังดวงจันทร์ Chandra โคจรรอบโลกใช้เวลา 64 ชั่วโมง 18 นาที นักดาราศาสตร์ใช้ Chandra ในการศึกษาดาวนิวตรอน หลุมดำ ซูเปอร์โนวา

ภาพที่ 172 กล้องโทรทรรศน์รังสีเอ็กซ์
ที่มา : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chandra_X-ray_Observatory.jpg

กล้องโทรทรรศน์รังสีอัลตราไวโอเล็ต Far Ultraviolet Space Explorer (FUSE)

FUSE เป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศซึ่งทำงานในช่วงความยาวคลื่นของรังสีอัลตรา - ไวโอเล็ตไกลระหว่าง 90.5 - 119.5 นาโนเมตร ซึ่งมีวงโคจรอยู่ที่ระยะสูง 760 กิโลเมตร โคจรรอบโลกใช้เวลาไม่ถึง 100 ชั่วโมง ใช้ ในการศึกษาดิวทีเรียมซึ่งเป็นหลักฐานของทฤษฎีบิกแบง และองค์ประกอบทางเคมีของกาแล็กซี

ภาพที่ 173 กล้องโทรทรรศน์รังสีอัลตราไวโอเล็ต
ที่มา : https://archive.stsci.edu/fuse/reports/miss_rep89.html

กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล Hubble Space Telescope (HST)

HST ถูกส่งขึ้นไปโคจรอยู่เหนือชั้นบรรยากาศโลกที่ระยะสูง 559 กิโลเมตร เพื่อให้บันทึกภาพได้คมชัดกว่ากล้องโทรทรรศน์ที่อยู่บนพื้นผิวโลก โคจรรอบโลกใช้เวลา 97 นาที HST เป็นกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง ใช้กระจกปฐมภูมิขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.4 เมตร สามารถบันทึกภาพได้ในช่วงรังสีที่ตามองเห็น (Visible light) รังสีอินฟราเรดใกล้ (Near infrared) และยังติดตั้งอุปกรณ์ สเปกโตรกราฟ เพื่อวิเคราะห์สเปกตรัมของวัตถุในห้วงอวกาศ

ภาพที่ 174 กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล
ที่มา : https://starparty.com/topics/astronomy/telescopes/the-hubble-space-telescope/

กล้องโทรทรรศน์รังสีอินฟราเรด Spitzer Space Telescope (SST)

กล้องโทรทรรศน์อินฟราเรดมีคุณสมบัติในการตรวจจับวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ เช่น ดาวเคราะห์ ฝุ่น แก๊ส น้ำแข็ง แต่เนื่องจากโลกมีความอบอุ่นและแผ่รังสีอินฟราเรด ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องส่งกล้องโทรทรรศน์รังสีอินฟราเรดสปิทเซอร์ (SST) ขึ้นไปโคจรรอบดวงอาทิตย์โดยมีระยะห่างจากโลก 0.1 AU (15 ล้านกิโลเมตร) SST ติดตั้งเกราะขนาดใหญ่เพื่อกำบังรังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกมาจากดวงอาทิตย์ SST เป็นกล้องโทรทรรศน์ชนิดสะท้อนแสงใช้กระจกปฐมภูมิขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.85 เมตร ทำงานที่อุณหภูมิ 5.5 เคลวิน นักดาราศาสตร์จึงใช้ SST ในการศึกษาโครงสร้างของเนบิวลาและกาแล็กซีชนิดต่างๆ

ภาพที่ 175 กล้องโทรทรรศน์รังสีอินฟราเรด
ที่มา : https://appel.nasa.gov/2006/10/01/finding-a-way-the-spitzer-space-telescope-story/

เราสามารถจำแนกประเภทของดาวเทียมตามประโยชน์การใช้งานได้ดังนี้

1. ดาวเทียมทำแผนที่

เป็นดาวเทียมที่มีวงโคจรต่ำ (LEO) ที่ระดับความสูงไม่เกิน 800 กิโลเมตร เพื่อให้ได้ภาพ ที่มีรายละเอียดสูง และเป็นดาวเทียมที่มีวงโคจรใกล้ขั้วโลก (Polar orbit) เพื่อให้สแกนพื้นผิวถ่ายภาพได้ครอบคลุมทุกพื้นที่ของโลก

ภาพที่ 176 ภาพถ่ายรายละเอียดสูงของดาวเทียมวงโคจรต่ำ
ที่มา : http://www.geoeye.com/CorpSite/gallery/detail.aspx?iid=416&gid=11

2. ดาวเทียมสำรวจทรัพยากร

เป็นดาวเทียมวงโคจรต่ำที่มีวงโคจรแบบใกล้ขั้วโลก (Near Polar Orbit) ที่ระยะสูงประมาณ 800 กิโลเมตร จึงไม่มีรายละเอียดสูงเท่าภาพถ่ายที่ได้จากดาวเทียมทำแผนที่ เพราะเน้นการครอบคลุมพื้นที่เป็นบริเวณกว้าง และทำการบันทึกภาพได้ทั้งในช่วงแสงที่ตามองเห็นและรังสีอินฟราเรด ดาวเทียมสำรวจทรัพยากรที่มีชื่อเสียงมากได้แก่ LandSat, Terra และ Aqua (MODIS Instruments) ดาวเทียมสำรวจทรัพยากรของไทยมีชื่อว่า ธีออส (Theos)

ภาพที่ 177 ภาพถ่ายพื้นที่น้ำท่วมของประเทศไทย โดยอุปกรณ์ MODIS ที่ติดตั้งในดาวเทียม Terra

3. ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา

มีวงโคจรหลายระดับขึ้นอยู่กับการออกแบบในการใช้งาน ดาวเทียม NOAA มีวงโคจรต่ำถ่ายภาพรายละเอียดสูง ส่วนดาวเทียม GOES และ MTSAT มีวงโคจรค้างฟ้าอยู่ที่ระดับสูงถ่ายภาพมุมกว้างครอบคลุมทวีปและมหาสมุทร

ภาพที่ 178 ภาพถ่ายดาวเทียม MTSAT
ที่มา : http://www.jma.go.jp/jma/jma-eng/satellite/

4. ดาวเทียมเพื่อการนำร่อง Global Positioning System "GPS"

เป็นระบบบอกตำแหน่งพิกัดภูมิศาสตร์บนพื้นโลก ซึ่งประกอบด้วยเครือข่ายดาวเทียมจำนวน 32 ดวง โคจรรอบโลกในทิศทางต่างๆ ที่ระยะสูง 20,000 กิโลเมตรส่งสัญญาณมาบนโลกพร้อมๆ กัน

ภาพที่ 179 ดาวเทียมเพื่อการนำร่อง

5. ดาวเทียมโทรคมนาคม

เช่น Intelsat, Thaicom ส่วนใหญ่เป็นดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้า (Geo-stationary Orbit) เพื่อถ่ายทอดสัญญาณจากทวีปหนึ่งไปยังอีกทวีปหนึ่ง ข้ามส่วนโค้งของโลก ดาวเทียมค้างฟ้า 1 ดวง สามารถส่งสัญญาณครอบคลุมพื้นที่การติดต่อประมาณ 1/3 ของผิวโลก และถ้าจะให้ครอบคลุมพื้นที่ทั่วโลก จะต้องใช้ดาวเทียมในวงโคจรนี้อย่างน้อย 3 ดวง อย่างไรก็ตามดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้าจะลอยอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตรโลกเท่านั้น ดังนั้นสัญญาณจะไม่สามารถครอบคลุมบริเวณขั้วโลกได้เลย

ภาพที่ 180 ดาวเทียมโทรคมนาคม

6. ดาวเทียมภารกิจพิเศษ

นอกจากดาวเทียมทั่วไปที่ใช้งานเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันตามที่กล่าวไปแล้ว ยังมีดาวเทียมอีกหลายชนิดที่ส่งขึ้นไป เพื่อปฏิบัติภารกิจพิเศษเฉพาะทาง เช่น ดาวเทียมเพื่อการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ กล้องโทรทรรศน์อวกาศ ดาวเทียมจารกรรม ดาวเทียมทางทหาร ดาวเทียมประเภทนี้มีระยะสูงและรูปแบบของวงโคจรต่างๆ กันขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งาน คือ ดาวเทียม Corona ซึ่งใช้สำหรับการลาดตระเวนทางทหาร

ภาพที่ 181 ดาวเทียมลาดตระเวนทางทหาร