การกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศไม่ว่าจะเป็นชั้นบรรยากาศโลก ชั้นบรรยากาศดาวอังคาร หรือชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์อื่น ๆ นั้นเต็มไปด้วยอุปสรรคมากมายที่วิศวกรออกแบบยานจะต้องคำนึงถึงเมื่อต้องการให้ยานที่กลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศนั้นอยู่รอดปลอดภัย
หนึ่งในอุปสรรคที่สำคัญที่สุดต่อการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศก็คือความร้อน หลาย ๆ ครั้งในห้องเรียนจะสอนเราว่าการเผาไหม้ของวัตถุที่กลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศนั้น มาจากการเสียดสีของวัตถุกับชั้นบรรยากาศ ซึ่งเป็นความเชื่อที่ผิด
เมื่อวัตถุใด ๆ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ แรงอัดจากความเร็วนี้จะทำให้อากาศใต้วัตถุมีแรงดันสูงจนอากาศเกิดการเผาไหม้ขึ้นเป็นพลาสมาจากความดันมหาศาล แม้การเสียดสีกับชั้นบรรยากาศมีผลต่อความร้อนที่เกิดขึ้นเช่นเดียวกัน แต่ก็ส่งผลน้อยจนไม่มีนัยสำคัญหากเปรียบเทียบกับความเร็ว
ดังนั้นยานอวกาศที่จำเป็นต้องกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศจึงถูกออกแบบมาให้มีเกราะกันความร้อน (heat shield) สำหรับการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโดยเฉพาะ เกราะกันความร้อนนี้มีสองหน้าที่ 1. คือการป้องกันยานจากความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ 2. คือการต้านอากาศให้มากที่สุดเพื่อชะลอความเร็วของยานและลดความร้อนลง เมื่อความเร็วของยานลดลงมากพอจนความร้อนไม่ส่งผลต่อยานแล้ว เกราะกันความร้อนเหล่านี้นมักจะถูกสลัดทิ้งเพื่อลดน้ำหนักของยานลง
เกราะกันความร้อนสำหรับยานที่กลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกนั้นเรียกได้ว่าสมบูรณ์แบบที่สุด เนื่องจากเป็นสมดุลระหว่างการป้องกันความร้อนและการลดความเร็ว หากแต่ในที่ที่ชั้นบรรยากาศบางมากอย่างดาวอังคารนั้น แม้เกราะกันความร้อนจะสามารถป้องกันยานจากความร้อนได้ แต่ไม่สามารถลดความเร็วของยานได้มากพอ ยานที่ลงจอดบนดาวอังคารจึงมีหลายกลไกในการชะลอความเร็วของยานลงก่อนลงจอด เช่น ร่มชะลอความเร็วขนาดใหญ่ การใช้จรวดในการช่วยชะลอความเร็ว และการลงจอดด้วยจรวด (powered landing)
LOFTID (Low-Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator) เป็นโครงการสาธิตเทคโนโลยีเกราะกันความร้อนแบบพองได้ขนาดใหญ่ จุดประสงค์หลักเพื่อช่วยสร้างแรงต้านอากาศมหาศาล และชะลอความเร็วของยานลงในดาวที่มีความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศต่ำ
เกราะกันความร้อน LOFTID นั้นมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวถึง 6 เมตร นอกจากจะสามารถช่วยกันความร้อนระหว่างการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้มากถึง 1,600 องศาเซลเซียส แล้ว LOFTID ยังสามารถทำหน้าที่เป็นร่มขนาดใหญ่เพื่อชะลอความเร็วของยานได้อีกด้วย นอกจากนี้ ขนาดของ LOFTID ยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามความต้องการตั้งแต่ขนาดเล็กที่เส้นผ่านศูนย์กลาง 3 เมตร ไปจนถึง 12 เมตร สำหรับวัตถุขนาดใหญ่ เช่น ยานลงจอดบนดาวอังคาร
LOFTID ถูกนำไปสาธิตจริงเมื่อวันที่ 10 พฤศจิกายน ค.ศ. 2022 บนจรวด Atlas-V พร้อมกับการปล่อยดาวเทียม Joint Polar Satellite System-2 (JPSS-2) เมื่อดาวเทียม JPSS-2 ถึงวงโคจรแล้ว LOFTID ถูกกางออกและปรับวงโคจรให้ตกกลับสู่โลกจากวงโคจรโลกต่ำ (low-earth orbit) ก่อนที่จะตกลงทะเลในมหาสมุทรแปซิฟิก ผลการทดสอบพบว่า LOFTID นั้นมีความเร็วสูงสุดที่ 25 มัค หรือ 25 เท่าของความเร็วเสียง ก่อนที่จะลดความเร็วลงมาเหลือที่ 980 กิโลเมตร/ชั่วโมง หรือ 0.8 เท่าของความเร็วเสียง จากนั้นจึงกางร่มชะลอความเร็วและตกลงสู่มหาสมุทรแปซิฟิก ซึ่งถือว่าผลการทดสอบนั้นสำเร็จไปด้วยดี
LOFTID จึงถือว่าเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีอวกาศใหม่ที่น่าสนใจ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการส่งวัตถุหรือยานลงจอดขนาดใหญ่ไปสำรวจดาวเคราะห์ที่มีชั้นบรรยากาศเบาบางอย่างดาวอังคาร ด้วยขนาดมหึมาของ LOFTID รวมกับความสามารถในการชะลอความเร็ว LOFTID สามารถช่วยให้วัตถุขนาดใหญ่ชะลอความเร็วได้มากพอที่จะลงจอดบนดาวอังคารและไม่โหม่งดาวอังคารเสียก่อน
ปัจจุบัน มนุษย์ยังไม่มีโครงการสำรวจดาวอังคารที่จำเป็นต้องใช้เกราะป้องกันขนาดใหญ่ LOFTID จึงอาจจะยังไม่ถูกนำมาใช้ในปัจจุบัน แต่เมื่อวันที่เราต้องส่งวัตถุขนาดใหญ่ใด ๆ ไม่ว่าจะเป็นยานลงจอด ยานสำหรับลูกเรือมนุษย์ หรือหุ่นยนต์สำรวจดาว LOFTID น่าจะเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศที่จะถูกนำมาใช้
ที่มาภาพ: NASA
ที่มาข้อมูล: NASA
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech