ทำความรู้จัก laser retroreflector arrays(LRAs) อุปกรณ์ เล็ก เบา ถูก ทน แต่มากประโยชน์ด้านอวกาศ
เจ้าอุปกรณ์ขนาดเล็กกว่าฝ่ามือที่เห็นในรูปนี้คือตัวสะท้อนแสงเลเซอร์ ทำหน้าที่เหมือนกับแถบสะท้อนแสงบนป้ายทางจราจรในยามค่ำคืน และกำลังจะกลายเป็นอุปกรณ์มาตราฐานติดไปกับยาน Lander ทุกลำในอนาคตของ NASA
ก่อนไปต่อขออนุญาตอธิบายความแตกต่างของยาน Lander, Rover และยาน Orbiter
- ยาน Lander คือยานสำรวจที่ถูกส่งลงไปยังภาคพื้นดินบนดาวเคราะห์ต่าง ๆ เพื่อเก็บข้อมูลตลอดช่วงเวลาที่ทำภารกิจ บางลำออกแบบให้สามารถยิงบางส่วนของยานกลับขึ้นวงโคจรเพื่อกลับโลกได้ เช่น ยาน lunar module (LM) ที่ใช้ในภารกิจ Apollo หรือยาน Venera Venus Lander ของอดีตสหภาพโซเวียต ซึ่งภาพพื้นผิวดาวศุกร์ที่ดีที่สุดที่เรามีก็ได้มาจากยานตระกูล Venera นี้เอง
ภาพพื้นผิวดาวศุกร์จากยาน Venera-14 ถ่ายไว้เมื่อปี 1982
- ยาน Rover ก็คือยานสำรวจภาคพื้นดินเหมือนกับ Lander เพิ่มเติมคือถูกออกแบบให้วิ่งสำรวจไปตามภูมิประเทศต่าง ๆ ตามที่ต้องการได้ ตัวอย่างก็เช่น ยาน Perseverance rover ยาน Curiosity
- ยาน Orbiter ยานสำรวจที่จะโคจรรอบวัตถุหรือดาวเคราะห์เป้าหมายเหมือนกับดาวเทียม ทำหน้าที่คอยสำรวจเก็บข้อมูลของดาวเคราะห์จากวงโคจร และยังทำหน้าที่คอยสื่อสารและอำนวยการให้กับยาน Lander และยาน Rover อีกด้วย
ยาน Lunar Reconnaissance Orbiter (LOR) ของ NASA ที่ปัจจุบันก็ยังโคจรรอบดวงจันทร์และคอยติดตามความเป็นไปที่เกิดขึ้นบนดวงจันทร์ ทั้งภาพถ่ายตำแหน่งตกของยานจันทรายาน 2 ของอินเดีย ภาพตำแหน่งลงจอดของยาน SLIM ของญี่ปุ่น
กลับมาที่ตัวอุปกรณ์สะท้อนแสงเลเซอร์ที่พูดถึงในบทความว่ามันมีความสำคัญอย่างไรสำหรับภารกิจการสำรวจอวกาศ
ไอเดียการประยุกต์และทดสอบใช้อุปกรณ์สะท้อนแสงเลเซอร์นี้มีมาแล้วกว่า 50 ปี โดยชุดอุปกรณ์ The Lunar Laser Ranging Retroreflector Array ถูกนำขึ้นไปวางไว้บนดวงจันทร์มาตั้งแต่ครั้งแรกที่มนุษย์เราเหยีบบเท้าลงบนดวงจันทร์ในภารกิจ Apollo 11
ชุดสะท้อนเลเซอร์ที่ถูกวางไว้ข้างยาน Lunar Module
แผ่นชุดสะท้อนเลเซอร์นี้ยังถูกนำไปวางไว้บนดวงจันทร์ในจุดลงจอดของภารกิจ Apollo อื่น ๆ ที่ตามมาอีกหลายจุด และการทดสอบการวัดระยะห่างระหว่างโลกกับดวงจันทร์ที่มีความแม่นยำในระดับมิลลิเมตรก็เริ่มขึ้น
เทคนิคการวัดระยะทางนี้เรียกว่า Laser Ranging หลักการก็คือยิงเลเซอร์ไปสะท้อนเป้าที่ต้องการวัดระยะทางและจับเวลาที่แสงวิ่งไป-กลับ หักลบปัจจัยคลาดเคลื่อนของการเคลื่อนที่ผ่านชั่นบรรยากาศเราก็จะได้ข้อมูลระยะห่างในระดับความคลาดเคลื่อนไม่เกินมิลลิเมตร
แสงเลเซอร์ที่ยิงไปจากหอสังเกตการณ์บนโลกเมื่อไปถึงผิวดวงจันทร์จะมีความกว้างกว่า 2 กิโลเมตรและเมื่อสะท้อนกลับมายังโลกลำแสงเลเซอร์ก็จะกระจายกลายเป็นวงกว้างกว่า 15 กิโลเมตร แต่อุปกรณ์รับแสงที่หอสังเกตการณ์ก็ยังสามารถรับแสงที่สะท้อนกลับมานี้ได้
ผลที่ได้จากการทดสอบเทคโนโลยี Laser Ranging นี้ทำให้เรารู้ว่า
- ดวงจันทร์กำลังลอยออกห่างจากโลกของเราเพิ่มขึ้นปีละ 3.8 เซนติเมตร
- ดวงจันทร์อาจมีแกนกลางเป็นของเหลว
- สนามแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์เสถียรมาก มีการเปลี่ยนแปลงแค่ 1 ในล้านส่วนนับตั้้งแต่เริ่มเก็บข้อมูลมาเมื่อ 53 ปีก่อน
หัวใจสำคัญของเทคนิคนี้คือชุดอุปกรณ์สะท้อนแสงเลเซอร์ที่จะต้องประกอบด้วยตัวสะท้อนแสงที่สามารถสะท้อนแสงกลับไปในแนวเดิมกับที่แสงตกกระทบ แม้ว่าแสงจะมาจากมุมตกกระทบที่ไม่ใช่มุมฉาก(ไม่เช่นนั้นเราก็แค่เอากระจกเงาไปวางไว้บนดวงจันทร์แล้วใช่ไหมละ)
corner cubes reflector คือปริซึมที่มีการเจียรรูปทรงแบบพิเศษทำให้สามารถสะท้อนแสงกลับไปในแนวเดิมไม่ว่าแสงจะตกกระทบกับตัวสะท้อนในมุมไหนก็ตาม
หลังจากประสบความสำเร็จในการทดสอบไอเดียและชุดอุปกรณ์ที่สามารถทำงานได้ดีแม้อยู่ในภาวะสุดโต่งทั้งร้อนจัดและเย็นจัดก็ยังให้แนวการสะท้อนที่มีความคลาดเคลื่อนน้อยมาก ๆ จึงได้มีการพัฒนาต่อยอดมาเป็น laser retroreflector arrays(LRAs) แบบโดมขนาดเล็กและเบาแถมยังทนทานไม่กินพลังงานที่สามารถติดตั้งไปกับยาน Lander หรือ Rover ได้โดยไม่เพิ่มภาระ
LRAs เริ่มพัฒนาใช้ครั้งแรกกับภารกิจยานของ Mars Lander ที่จะใช้งานร่วมกับ orbiting lidar ที่ติดตั้งบนยาน Orbiter ที่โคจรรอบดาวอังคารในช่วงปี 2000
หน้าตาแบบชัด ๆ ของ LRAs เทียบกับไม้บรรทัด
เจ้า LRAs นี้ประกอบด้วย corner cubes reflector ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 1.27 เซนติเมตรจำนวน 8 ชิ้นติดตั้งกระจายตัวอยู่บนโครงอลูมิเนียมรูปโดม ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 5 เซนติเมตรสูง 1.6 เซนติเมตร หนักเพียง 21 กรัมเท่านั้น สามารถทำหน้าที่ของมันได้ทุกสภาวะอากาศและช่วงอุณหภูมิโดยไม่ต้องอาศัยแหล่งพลังงานภายนอกแค่แปะติดไว้ที่ตัวยานด้านนอกก็พอ
ด้วยการออกแบบมาอย่างดีทำให้เจ้า LRAs นี้สามารถสะท้อนแสงเลเซอร์ที่เข้ามาตกกระทบด้วยมุมตั้งแต่ 30 องศาจากแนวราบได้ ทำให้มันสามารถสื่อสารตำแหน่งกับยาน Orbiter ได้ครอบคลุมพื้นที่ส่วนใหญ่ของท้องฟ้าที่อยู่เหนือยาน Lander ได้
ตำแหน่งของ LRAs บนยาน Perseverance Rover
** การประยุกต์ใช้ LRAs **
หลายคนอาจยังคงสงสัยว่าแล้วมันจะมีประโยชน์อันใดเหรอ แค่สะท้อนแสงได้มุมกว้างเนี่ยนะ?
ให้นึกถึงการใช้ LRAs กับระบบ Lidar บนยาน Orbiter ที่เป็นเหมือนกับระบบ GPS นั่นแหละครับ เพียงแต่เปลี่ยนมาใช้ข้อมูลการสะท้อนแสงจาก LRAs ซึ่งเป็น Marker สำหรับระบุตำแหน่งที่แน่นอนบนผิวดาวเคราะห์
การใช้ LRAs บนยาน Lander เป็นจุด Marker ให้กับยาน Orbiter เมื่อมันบินผ่านยาน Lander
เมื่อ Orbiter บินผ่านยาน Lander ข้อมูลจากระบบ Lidar บนยานก็จะทำให้สามารถรู้ตำแหน่ง ความเร็วและแนวการเคลื่อนที่ของยาน Orbiter ได้อย่างแม่นยำและเป็นปัจจุบัน
และกลับกัน เมื่อยาน Orbiter สามารถรู้ตำแหน่งและความเร็วของตัวเองได้อย่างแม่นยำมันก็จะทำหน้าที่เป็นดาวเทียม GPS สำหรับระบุตำแหน่งและติดตามแนวการเคลื่อนที่ของยาน Rover ได้อย่างแม่นยำด้วยเช่นกัน
LRAs ที่ติดอยู่บนยาน Lander ลำก่อนหน้าก็จะทำหน้าที่เป็นไฟนำทางในการร่อนลงจอดให้กับยาน Lander และ Rover ที่จะตามมาทีหลังด้วย
รวมถึงเมื่อมี LRAs ที่ติดอยู่บนยาน Lander ลำก่อนหน้ากระจายจอดอยู่ทั่วผิวดวงจันทร์มันก็จะทำหน้าที่เป็นเหมือนไฟนำทางในการร่อนลงจอดให้กับยาน Lander และ Rover ที่จะตามมาทีหลังด้วย
เพราะด้วยระบบ Lidar บนยานที่กำลังลงจอดที่ยิงสัญญาณสะท้อนกับ LRAs ที่อยู่ด้านล่างทำให้ยานที่กำลังลงจอดสามารถรู้ข้อมูลตำแหน่งและความเร็วของยานที่แม่นยำ ทำให้สามารถทำการลงจอดลงบนจุดหมายที่ต้องการทำได้อย่างแม่นยำมากยิ่งขึ้น
ใช้ LRAs เป็นเหมือนแผ่นสะท้อนแสงแปะให้ทั่วผิวดาวซะเราก็จะรู้วิถีการหมุนควงของดาวหางได้
ต่อยอดขึ้นไปอีก อย่างที่กล่าวไปเจ้า LRAs นั้นทำหน้าที่เป็นเหมือน Marker ไว้บอกตำแหน่งบนพื้นผิววัตถุที่เรากำลังต้องการศึกษา
ดังนั้นหากเราเอาตัวสะท้อนนี้ไปวางไว้บนผิวของดาวเคราะห์น้อยหรือดาวหางในตำแหน่งสำคัญรอบตัวมันและใช้ยาน Orbiter บินวนรอบคอยเก็บข้อมูลตำแหน่ง LRAs ที่กระจายตัวอยู่บนผิวดาวเคราะห์น้อย เราก็จะสามารถรู้ถึงวิถี แนวการหมุนควง ความเร็วในการหมุนของวัตถุที่เรากำลังสนใจติดตามศึกษาได้
ภาพการทดสอบ Laser Ranging ที่แสดงให้เห็นลำเลเซอร์ที่ยิงจากหอสังเกตการณ์ ของ NASA’s Goddard Space Fight Center ไปยังยาน Lunar Reconnaissance Orbiter ที่โคจรอยู่รอบดวงจันทร์
LRAs เป็น 1 ใน 6 อุปกรณ์สาธิตและทดสอบเทคโนโลยีของ NASA ที่จะถูกติดตั้งไปกับยาน Odysseus ของภารกิจ Nova-C lunar lander ที่กำลังมุ่งหน้าสู่ดวงจันทร์โดยมีกำหนดการลงจอดบนดวงจันทร์วันที่ 22 กุมภาพันธ์ที่จะถึงนี้
โดย 6 เทคโนโลยีสาธิตนี้ประกอบไปด้วย
1. LRAs แถบสะท้อนแสงอวกาศอย่างที่ได้เล่าไป
2. NDL (Navigation Doppler Lidar for Precise Velocity and Range Sensing) ระบบ Lidar Sensing ซึ่งจะประยุกต์ใช้ร่วมกับ LRAs ด้วย ตัว Lidar เองสามารถตรวจสอบและวัดระยะ/ความเร็วของยานได้เองอยู่แล้วแต่ถ้ามี LRAs ด้วยก็จะยิ่งแม่น
3. LN-1 (Lunar Node 1 Navigation Demonstrator) Package ระบบนำทางและสื่อสารที่พัฒนาขึ้นมาใหม่
4. RFMG (Radio Frequency Mass Gauge) ระบบอ่านวัดปริมาณเชื้อเพลิงในถังเก็บเชื้อเพลิง อย่าลืมว่าในภาวะไร้น้ำหนักนั้นเชื้อเพลิงเหลวจะลอยฟุ้งกระจายอยู่ในถัง การวัดปริมาณเชื้อเพลิงที่เหลืออยู่อย่างแม่นยำจึงไม่ใช่เรื่องง่าย
5. ROLSES (Radio-wave Observations at the Lunar Surface of the Photoelectron Sheath) เสาอากาศตรวจวัดคลื่นวิทยุที่มีอยู่บนผิวดวงจันทร์ และศึกษาผลกระทบของคลื่นวิทยุจากอุปกรณ์สื่อสารของมนุษย์
6. SCALPSS (Stereo Cameras for Lunar Plume-Surface Studies) กล้องวีดีโอและภาพนิ่งสำหรับถ่ายบันทึกเพื่อศึกษา กลุ่มฝุ่นควันขณะที่ยาน Lander ลงจอด
ภาพเซฟฟี่กับโลกของยาน Odysseus ที่เห็นตัวถังเชื้อเพลิงของยาน
รวมถึงยาน Lander อื่น ๆ ที่จะเข้าร่วมภารกิจ NASA’s Commercial Lunar Payload Service initiative(CLPS) ซึ่งจะทำหน้าที่ขนส่งอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์และสัมภาระต่าง ๆ ไปยังดวงจันทร์ ทั้งของ NASA เองและยาน Lander ของเอกชนที่เข้าร่วมโครงการ
ในอนาคต LRAs คงจะได้เป็นอุปกรณ์มาตราฐานที่น่าจะถูกติดตั้งไปกับยาน Lander ทุกลำเพราะอรรถประโยชน์ของแถบสะท้อนแสงอวกาศมันมีมากกว่าที่เราคิด . . .
อ้างอิง:
- 12
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
