Hayabusa ยานอวกาศสายเลือดนักสู้!

ฮายาบูซะ (Hayabusa) ยานอวกาศขนาด 6×4.2×2.8 เมตร น้ำหนัก 500 กิโลกรัม พัฒนาโดยองค์การอวกาศญี่ปุ่น (JAXA) เพื่อใช้ในภารกิจเก็บตัวอย่างจากพื้นผิวอุกกาบาตขนาดเล็กทีโคจรมาใกล้โลก  อิโตกาวา (Itokawa) ซึ่งเป็นอุกกาบาตที่เล็กที่สุดที่เคยถูกสำรวจ ต้องพบกับปัญหามากมายระหว่างการทำภารกิจอันซับซ้อน อุบัติเหตุที่คาดไม่ถึง และการแก้ปัญหาจากเหล่าวิศวกรที่เฝ้าคอยการกลับมาของฮายาบูซะ บนพื้นโลกที่ห่างออกไป 3 ร้อยล้านกิโลเมตร

ฮายาบูซะถูกปล่อยเมื่อวันที่ 9 มีนาคม 2546 เดินทางไปถึงอุกกาบาตอิโตกาวา กลางเดือนกันยายน ปี 2548 และได้ศึกษาถึงลักษณะการหมุน สภาพพื้นผิว สี ส่วนประกอบ ความหนาแน่น และประวัติศาสตร์ของอุกกาบาต ในช่วงหลังของการทำภารกิจ ฮายาบูซะได้ลงจอดบนพื้นผิวอุกกาบาต เก็บตัวอย่างพื้นผิว และส่งตัวอย่างนั้นกลับมายังโลก ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่เคยมีองค์การอวกาศที่ใดทำได้สำเร็จมาก่อน ตัวอย่างที่เก็บมานั้นได้กลับมายังโลกในวันที่ 13 มิถุนายน  2553

ภาพ อุกกาบาต อิโตกาวา

ในขณะที่ภารกิจในลักษณะที่คล้ายคลึงกันโดย องค์การอวกาศของสหรัฐอเมริกา (NASA) ถูกออกแบบให้ลอยอยู่เหนือพื้นผิวอุกกาบาต เพื่อเก็บตัวอย่างที่กระเด็นขึ้นมาจากการยิงกระสุนใส่อุกกาบาตนั้นๆ ฮายาบูซะเป็นภารกิจแรกที่ถูกกำหนดให้  “การลงจอด” และสัมผัสกับพื้นผิวอุกกาบาตโดยตรง  ถึงแม้ว่าในตอนแรกได้ถูกกำหนดไว้ว่าจะทำการลงจอดเป็นระยะเวลาสั้นๆเท่านั้น แต่ในท้ายที่สุดแล้ว มันลงจอดบนพื้นผิวอุกกาบาตนานถึง 30 นาที

Hayabusa front
hayabusa back

ข้อมูลที่ได้จากอุกกาบาตนี้จะสามารถตอบคำถามให้เราได้ว่า ระบบสุริยะของเรามีอายุเท่าไหร่ เพราะว่าอุกกาบาตขนาดเล็กจะเกิดขึ้นได้หลังจากระบบสุริยะได้กำเนิดขึ้นเป็นเวลาไม่นาน และด้วยขนาดที่เล็กของมัน ทำให้ไม่มีการเปลี่ยนแปลงมากนักหลักจากที่มันได้กำเนิดขึ้นมา ไม่เหมือนกับดาวอังคาร หรือโลก ที่พื้นผิวได้มีการเปลี่ยนแปลงตามกาลเวลา ไม่ว่าจะโดยตัวดาวเคราะห์เองหรืออุกกาบาตและวัตถุต่างดาวต่างๆ ที่ตกกระทบยังพื้นผิว

ภารกิจลงจอดบนพื้นผิวอุกกาบาตขนาดเล็กนี้ ต้องใช้ระบบควบคุมและนำทางที่แม่นยำเป็นอย่างมาก ฮายาบูซะใช้แผงเซลสุริยะเป็นแหล่งพลังงานหลัก มีเครื่องยนต์ขับดันด้วยไออน (ion thruster) ปรับองศาได้ จำนวนสี่ชุดเป็นเครื่องยนต์หลัก และระบบขับดันด้วยสารเคมี (chemical thruster) เป็นระบบสำรอง และล้อควบคุมการทรงตัวสามแกน (Three axis reaction wheel)เพื่อใช้ในการควบคุมทิศทางของยานอวกาศ มีงวงสำหรับสัมผัสกับผื้นผิวอุกกาบาต และกระสุนที่จะใช้สำหรับยิงลงไปยังอุกกาบาตเพื่อที่จะเก็บฝุ่นละอองที่ลอยขึ้นมา วัตถุที่เก็บได้จะถูกเก็บลงไปยัง แคปซูลเก็บตัวอย่างที่มีเกราะกันความร้อนและร่มชูชีพ เพื่อใช้ในการกลับลงสู่พื้นโลก

ความท้ายทายแรกที่ฮายาบูซะต้องเผชิญเกิดขึ้นไม่นานหลังจากปล่อยยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจร  ในเดือนพฤศจิกายน 2546 ยานอวกาศก็ได้รับความเสียหายจาก พายุสุริยะที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีการบันทึกมา พายุสุริยะทำให้ ประสิทธิภาพของแผงสุริยะลดลง ซึ่งมีผลทำให้ระบบขับเคลื่อนด้วยไออน ของฮายาบูซะ ซึ่งเป็นระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ไม่สามารถทำงานได้อย่างเต็มที่ ทำให้ยานอวกาศไปเดินทางไปยังจุดหมายได้ช้ากว่ากำหนด นอกจากนี้ 1 ใน 4 ระบบขับเคลื่อนด้วยไอออน  ชื่อว่าเครื่องยนต์ A ไม่สามารถทำงานได้อย่างที่ออกแบบไว้ จึงไม่ได้เปิดใช้งาน อย่างไรก็ตาม ภารกิจนี้ถูกออกแบบให้สามารถทำงานได้โดยเครื่องยนต์ไอออนเพียงสองตัวเท่านั้น ดังนั้นนี่จึงไม่ใช้ปัญหาใหญ่แต่อย่างใด

แม้ว่าเป็นยานอวกาศที่มีขนาดใหญ่ แต่ญี่ปุ่นไม่มีจรวดสำหรับส่งยานอวกาศที่ดีเหมือนอเมริกาและรัสเซีย ที่จะสามารถส่งจรวดขับดันเพิ่มไปยังยานอวกาศได้ เพราะจะทำมีขนาดมากเกินไปและหนักเกินกว่าความสามารถของจรวดจากญี่ปุ่น ประเทศญี่ปุ่นจึงใช้เทคโนโลยีการขับเคลื่อนด้วยไอออน ซึ่งเป็นเครื่องยนต์ขนาดเล็กมากที่สามารถติดไปกับยานอวกาศได้ แม้จะมีกำลังที่น้อยแต่ด้วยอาศัยพลังงานไฟฟ้าที่สามารถสะสมได้จากแผงสุริยะ มันจึงเคลื่อนที่ได้ด้วยความเร่งคงที่เป็นระยะเวลานาน ทำให้ความเร็วสูงสุดของมันอยู่ที่ 4 กิโลเมตรต่อวินาที ประกอบกับการวางแผนที่ดี ทำให้มันสามารถเดินทางไปถึงอุกกาบาตที่อยู่ห่างออกไปถึงสามร้อยล้านกิโลเมตรได้ภายในสองปี

ด้วยระยะทางที่ไกลอย่างมหาศาลนี้ การสื่อสารระหว่างยานอวกาศกับโลกต้องใช้เวลาถึง 16 นาทีซึ่งทำให้ ยานอวกาศมีความจำเป็นต้องมีความสามารถในการค้นหา ตำแหน่งของอุกกาบาตโดยอัตโนมัติ โดยมันจะใช้ภาพถ่ายที่ถ่ายในระยะเวลาไล่เลี่ยกันมาเปรียบเทียบเพื่อหาตำแหน่งของอุกกาบาต โดยใช้หลักการที่ว่า เมื่อเราเข้าใกล้อุกกาบาต อุกกาบาตจะเคลื่อนที่เร็วกว่าดาวบนพื้นหลังที่อยู่ห่างออกไปมาก ทำให้เราสามารถแยกตำแหน่งอุกกาบาตออกจากดาวจำนวนมากได้ ซึ่งฮายาบูซะได้ใช้เทคนิคนี้เมื่ออยู่ห่างจากอุกกาบาต อิโตคาวา 10,000 กิโลเมตร

 

อย่างไรก็ตาม เมื่อมันกำลังเข้าใกล้สู่จุดหมาย หนึ่งในระบบล้อควบคุมการทรงตัวสามแกน (แกน X) เกิดหยุดทำงาน แต่อีกสองแกนที่เหลือก็เพียงพอต่อการควบคุมการทรงตัวได้ในระดับหนึ่ง ในเดือนกันยายน ปี 2548 ยานอวกาศก็สามารถถ่ายภาพระยะใกล้แสดงให้เห็นถึง อุกกาบาตมีรูปทรงคล้ายถั่ว ฮายาบูซะรักษาระยะห่าง 20 กิโลเมตรเหนืออุกกาบาตนี้ไว้เป็นระยะเวลาสองอาทิตย์ เพื่อทำการศึกษาระยะไกล เช่น ศึกษาองค์ประกอบ ถ่ายภาพ และวิดีโอของอุกกาบาต เนื่องจากวงโคจรรอบอุกกาบาตของฮายาบูซะ ถูกออกแบบให้ยานอวกาศหันหลังให้พระอาทิตย์ตลอดเวลา ทำให้มันสามารถถ่ายภาพอุกกาบาต ได้อย่างชัดเจน และในบางภาพเรายังสามารถเห็นเงาของฮายาบูซะที่ทอดอยู่บนอุกกาบาตอีกด้วย

Hayabusa shadow on Itokawa

จากนั้น ยานอวกาศได้เคลื่อนที่เข้าไปใกล้อุกกาบาตมากขึ้น ด้วยความสูง 7 กิโลเมตร เพื่อถ่ายภาพระยะใกล้ แต่ในขณะนั้นเอง ระบบล้อควบคุมการทรงตัวอีกแกนหนึ่ง (แกน Y) ก็ได้รับความเสียหายและหยุดทำงานไป ทำให้ไม่สามารถควบคุมการทรงตัวได้ วิศวกรจึงถูกบังคับให้ใช้ระบบขับเคลื่อนโดยสารเคมี ซึ่งเป็นระบบสำรอง เข้ามาช่วยในการควบคุมการทรงตัวแทนล้อทั้งสองที่เสียหายไป อย่างไรก็ตาม ภารกิจก็ยังคงเดินหน้าต่อไป เมื่อการสำรวจระยะไกลสิ้นสุด ฮายาบูซะก็เข้าใกล้สู่ระยะ 3 กิโลเมตรห่างจากพื้นผิว เพื่อเตรียมตัวการลงจอด

ในระยะ 40 เมตร เหนือพื้นผิว ฮายาบูซะได้ทำการปล่อยทุ่นกำหนดตำแหน่ง ซึ่งจะช่วยนำฮายาบูซะลงจอดในตำแหน่งที่ต้องการโดยอัตโนมัติร่วมกับการทำงานของเลเซอร์วัดระยะทาง เมื่อไปถึงระยะ 17 เมตร ยานอวกาศต้องทำการปรับตำแหน่งของตัวเองเพื่อให้ขนานกับพื้น ทำให้ไม่สามารถหันเสาอากาศที่ใช้ส่งข้อมูลมายังโลกได้ การติดต่อจึงขาดหายไปช่วงเวลาหนึ่ง การลงจอดต้องทำงานทั้งหมดด้วยระบบอัตโนมัติ อีกเพียง 10 เมตรจากพื้นผิว ยานอวกาศได้หยุดการลดระดับลง และค้างอยู่อย่างนั้นเป็นเวลาครึ่งชั่วโมง เพราะว่ายานอวกาศไม่ได้ถูกออกแบบให้อยู่ใกล้พื้นผิวที่ร้อนถึง 100 องศาของอุกกาบาตอิโตกาวาเป็นเวลานาน อุณหภูมิของฮายาบูซะจึงเริ่มร้อนขึ้น วิศวกรภาคพื้นได้ส่งคำสั่งยกเลิกการลงจอดไปยังฮายาบูซะเพื่อที่จะไต่ระดับขึ้นไปยังความสูงที่ปลอดภัยจากความร้อน แต่ก็ไม่ได้รับการตอบสนอง อย่างไรก็ตาม การหมุนของอุกกาบาต ทำให้แผงสุริยะรับพลังงานได้น้อยลง ทำให้ระบบป้องกันตัวอัตโนมัติของยานอวกาศเริ่มทำงานโดยการไต่ระดับขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้สุดท้ายแล้ว ฮายาบูซะอยู่ห่างจากอุกกาบาต 100 กิโลเมตร ซึ่งต้องใช้เวลาหลายวันกว่าจะสามารถติดต่อกับยานอวกาศและเริ่มพยายามลงจอดใหม่ได้อีกครั้ง  หลังจากการวิเคราะห์ข้อมูลในภายหลัง พบว่าแท้จริงแล้วยานอวกาศได้ทำการลงจอดบนพื้นผิวอุกกาบาตตลอดเวลาสามสิบนาทีที่ขาดการติดต่อ

หลายวันต่อมาหลังจากวิศวกรประสบความสำเร็จในการควบคุมตำแหน่งของดาวเทียมกลับมาอีกครั้ง ก็ได้เริ่มการพยายามลงจอดเป็นครั้งที่สอง ในวันที่ 26 พฤศจิกายน  และฮายาบูซะก็ประสบความสำเร็จในการเก็บตัวอย่างจากพื้นผิวอุกกาบาตได้อย่างราบรื่น  ความชื่นชมยินดีดูเหมือนจะเร็วเกินไป สำหรับฮายาบูซะ การเดินทางกลับบ้านอย่างยากลำบากกำลังจะเริ่มต้นขึ้น

หลังจากการเก็บตัวอย่างเสร็จสิ้น ฮายาบูซะได้ไต่ระดับขึ้นด้วยระบบขับดันด้วยสารเคมี แต่ในขณะนั้นเอง ได้มีการรั่วของสารเคมีขึ้น ทำให้ฮายาบูซะสูญเสียการทรงตัวทั้งหมด และเป็นผลทำให้ไม่สามารถชี้เสาอากาศเพื่อทำการสื่อสารกับโลกได้เป็นเวลาหลายวัน

อาทิตย์ต่อมายังคงเต็มไปด้วยความสับสน  ระบบขับดันด้วยสารเคมีทั้งระบบหลักและระบบสำรองไม่สามารถทำงานได้โดยปกติ องค์การอวกาศญี่ปุ่นจึงไม่สามารถควบคุมการทรงตัวของยานอวกาศได้ และแย่ไปกว่านั้น ดูเหมือนว่าระบบเก็บตัวอย่างก็ไม่สามารถทำงานได้อย่างปกติ ความพยายามที่จะควบคุมการทรงตัวนี้บังคับให้องค์การอวกาศญี่ปุ่น เลื่อนกำหนดการเดินทางกลับมายังโลกของฮายาบูซะ เป็นผลทำให้ยานอวกาศพลาดโอกาสที่ดีที่สุดในการเดินทางมาถึงโลก ในปี 2551 และจะเดินทางถึงโลกตามกำหนดการใหม่ในปี 2553 แทน

สถานการณ์ดูสิ้นหวัง องค์การอวกาศญี่ปุ่นไม่สามารถซ่อมแซมระบบการทรงตัวของยานอวกาศได้ และสูญเสียการติดต่อเป็นเวลาหลายอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม ในเดือนมีนาคม 2549 ก็สามารถรับการติดต่อได้อีกครั้ง แต่ยานอวกาศก็ได้สูญเสียระบบขับดันโดยสารเคมีทั้งระบบหลักและระบบสำรอง ที่ใช้ในการควบคุมการทรงตัวแทนระบบล้อที่เสียหายไปทั้งสองแกน และแบตเตอรี่จำนวน 4 ก้อนจากทั้งหมด 11 ก้อนก็ได้รับความเสียหาย

แบตตเตอรี่ที่ใช้ในฮายาบูซะ

ในต้นปี 2550 ทีมภารกิจได้คิดแผนการช่วยเหลือฮายาบูซะ โดยทำการชาร์จแบตเตอรี่ให้แก่แบตเตอรี่ที่เสียหายอย่างช้าๆ เป็นเวลานานจนมีพลังงานมากพอที่จะทำให้สามารถปิดแคปซูลเก็บตัวอย่างได้ และทีมภารกิจก็ยังพัฒนาเทคนิคที่จะสามารถควบคุมการทรงตัวแบบสามแกนขึ้นมาใหม่ โดยการทำงานร่วมกันระหว่าง ระบบล้อควบคุมการทรงตัวที่เหลือ ระบบขับดันไอออน และแรงกระทำจากดวงอาทิตย์ (Solar Pressure)

ในเดือนเมษายน ปี 2550 ฮายาบูซะก็พร้อมสำหรับการเดินทางกลับโลก แม้ว่าจะสูญเสียระบบขับดันด้วยไอออน B ระบบขับดันด้วยไอออน A ก็ไม่ทำงานตั้งแต่เริ่มภารกิจ และ C ก็ไม่ได้ใช้งานเนื่องจากประสิทธิภาพไม่คงที่ ฮายาบูซะจึงต้องเริ่มการเดินทางอันยาวนานด้วยระขับเคลื่อนด้วยไอออนที่เหลืออยู่เพียงเครื่องเดียวคือเครื่องยนต์ D

ในเดือนสิงหาคม โชคก็เข้าข้างองค์การอวกาศญี่ปุ่น เครื่องยนต์ไอออน B และ C กลับมาทำงานได้อีกครั้งแม้ว่าจะเป็นชั่วครั้งคราวเท่านั้น การบินโดยใช้จรวดขับดันส่วนแรกก็เสร็จสิ้นลงในเดือนตุลาคม ยานอวกาศกลับเข้าสู่การทรงตัวด้วยการหมุนรอบตัวเอง (Spin Stabilization) และเคลื่อนที่ต่อไปโดยไม่มีเครื่องยนต์ขับดัน

ขั้นตอนต่อไปในการเดินทางกลับโลก เริ่มต้นในเดือนกุมภาพันธ์ ปี 2551 องค์การอวกาศญี่ปุ่นก็ประสบความสำเร็จในการควบคุมการทรงตัวสามแกนโดยการใช้ล้อควบคุมการทรงตัว การปรับทิศทางของเครื่องยนต์ไอออน และแรงจากดวงอาทิตย์ที่ทำต่อแผงสุริยะของฮายาบูซะ  อย่างไรก็ตามในเดือนพฤศจิกายน ฮายาบูซะก็ได้รับความเสียหายอีกครั้ง เครื่องยนต์ D ซึ่งทำงานได้เป็นอย่างดีตลอดระยะเวลาของการทำภารกิจ ได้พังลงเนื่องจากเลยอายุการทำงานของมันมามาก เครื่องยนต์ B ก็หยุดทำงานลงอีก อีกครั้งที่ฮายาบูซะต้องเหลือเครื่องยนต์ขับเคลื่อนเพียงเครื่องยนต์เดียวคือเครื่องยนต์ C แม้ว่าการเดินทางในช่วงนี้สามารถทำได้ด้วยเครื่องยนต์เพียงเครื่องเดียว แต่ก็ไม่เพียงพอต่อการเดินทางช่วงสุดท้ายที่ต้องใช้แรงขับดันในการปรับแก้เส้นทางการโคจร เพื่อที่จะส่งแคปซูลเก็บตัวอย่างลงมายังโลก

และเป็นอีกครั้งที่วิศวกรขององค์การอวกาศญี่ปุ่นสามารถแก้ปัญหาได้อีกครั้ง โดยการใช้ไอออนจากเครื่องยนต์ A ซึ่งไม่เคยได้ใช้งานเลยตั้งแต่เริ่มภารกิจ ร่วมกับระบบขับดันจากเครื่องยนต์ B ด้วยวิธีนี้ทำให้ฮายาบูซะมีกำลังขับเคลื่อนมากพอที่จะใช้ในการเดินทางขั้นสุดท้าย

หลังจากการปรับแก้วงโคจรอย่างละเอียดจำนวน 5 ครั้ง โดยมีจุดหมายอยู่ที่ทะเลทรายในประเทศออสเตรเลีย สามชั่วโมงก่อนเข้าสู่บรรยากาศโลก ฮายาบูซะจะทำการปล่อยแคปซูลเก็บตัวอย่างออกมา แคปซูลนี้มีขนาด 40 เซนติเมตรพร้อมด้วยระบบส่งสัญญาณวิทยุที่จะช่วยในการหาตำแหน่ง และร่มชูชีพ อย่างไรก็ตาม ฮายาบูซะเดินทางกลับโลกช้ากว่ากำหนดสามปีจึงไม่สามารถคาดเดาได้ว่าแบตเตอรี่ที่จะใช้ในการส่งสัญญาณวิทยุนั้นจะยังทำงานได้หรือไม่ การเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกของแคปซูลจึงทำตอนกลางคืนเพื่อที่จะได้เห็นเปลวไฟจากการเสียดสีกับชั้นบรรยากาศ และตกลงยังทะเลทรายที่หนาวเย็นในหนาวของออสเตรเลีย ทำให้การค้นหาแคปซูลโดยการตรวจจับรังสีความร้อนทำได้ง่ายขึ้น

Hayabusa return home across Australian sky

 

ภาพขณะที่แคปซูลถูกค้นพบ

 

ขณะเก็บกู้แคปซูล
ขณะเก็บกู้แคปซูล

หลังจากนี้ ตัวอย่างที่ถูกเก็บมาก็เดินทางไปยังห้องแล็บในประเทศญี่ปุ่นเพื่อตรวจสอบว่ามีสารปนเปื้อนระหว่างการเก็บกู้หรือไม่ โดยการตรวจสอบสารเคมีที่พบในตัวอย่าง กับข้อมูลที่ได้จากการสำรวจระยะไกลโดยฮายาบูซะ จากนั้นจึงนำไปวิเคราะห์หาอายุของตัวอย่างเพื่อเป็นการประมาณอายุของอุกกาบาตอิโตกาวา ซึ่งคาดว่าจะใกล้เคียงกับอายุของระบบสุริยะของเรา ซึ่งผลออกมาคือ 4.6 พันล้านปี

ในที่สุดภารกิจก็เสร็จสิ้นลง เรื่องราวการเดินทางอันน่าตื่นเต้นของดาวเทียมดวงเล็กๆนี้ได้รับความสนใจอย่างมากจากชาวญี่ปุ่น ถึงกับมีการสร้างหนังที่เล่าเรื่องราวเกี่ยวกับภารกิจครั้งนี้ขึ้นมา ถึงสี่เรื่อง http://asianmediawiki.com/Hayabusa_(Japanese_Movie)

ภารกิจครั้งนี้แสดงให้เห็นถึงความสู้ไม่ถอยขององค์การอวกาศญี่ปุ่น ที่ผลักดันภารกิจครั้งนี้จนสำเร็จ ไม่ว่าจะพบกับอุปสรรคต่างๆมากมาย  ต้องใช้แนวทางการแก้ปัญหาอย่างมีความคิดสร้างสรรค์ และคำนึงถึงรายละเอียดทุกอย่างเท่าที่มี จนเป็นผลสำเร็จที่น่าจดจำ

 

Credit:

LINE it!
Loading Facebook Comments ...
Loading Disqus Comments ...