จรวดและยานอวกาศ

        อวกาศอยู่สูงเหนือศีรษะขึ้นไปเพียงหนึ่งร้อยกิโลเมตร แต่การที่จะขึ้นไปถึงมิใช่เรื่องง่าย เซอร์ไอแซค นิวตัน นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ผู้คิดค้นทฤษฎีเรื่องแรงโน้มถ่วงของโลกและการเดินทางสู่อวกาศเมื่อสามร้อยปีมาแล้ว ได้อธิบายไว้ว่า หากเราขึ้นไปอยู่บนที่สูง และปล่อยก้อนหินให้หล่นจากมือ ก้อนหินก็จะตกลงสู่พื้นในแนวดิ่ง เมื่อออกแรงขว้างก้อนหินออกไปให้ขนานกับพื้น (ภาพที่ 3) ก้อนหินจะเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้ง (A) เนื่องจากแรงลัพธ์ซึ่งเกิดจากแรงที่เราขว้างและแรงโน้มถ่วงของโลกรวมกัน หากเราออกแรงมากขึ้น วิถีการเคลื่อนที่ของวัตถุจะโค้งมากขึ้น และก้อนหินจะยิ่งตกไกลขึ้น (B) และหากเราออกแรงมากจนวิถีของวัตถุขนานกับความโค้งของโลก ก้อนหินก็จะไม่ตกสู่พื้นโลกอีก แต่จะโคจรรอบโลกเป็นวงกลม (C) เราเรียกการตกในลักษณะนี้ว่า “การตกอย่างอิสระ” (free fall) และนี่เองคือหลักการส่งยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจรรอบโลก
หากเราเพิ่มแรงให้กับวัตถุมากขึ้นไปอีก เราจะได้วงโคจรเป็นรูปวงรี (D) และถ้าเราออกแรงขว้างวัตถุไปด้วยความเร็ว 11.2 กิโลเมตรต่อวินาที วัตถุจะไม่หวนกลับคืนอีกแล้ว แต่จะเดินทางออกสู่ห้วงอวกาศ (E) เราเรียกความเร็วนี้ว่า “ความเร็วหลุดพ้น” (escape speed) และนี่คือหลักการส่งยานอวกาศไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น

หมายเหตุ: ในทางปฏิบัติเราไม่สามารถยิงจรวดขึ้นสู่อวกาศในแนวราบได้ เพราะโลกมีบรรยากาศห่อหุ้มอยู่ ความหนาแน่นของอากาศจะต้านทานให้จรวดเคลื่อนที่ช้าลงและตกลงเสียก่อน ดังนั้นเราจึงส่งจรวดขึ้นสู่ท้องฟ้าในแนวดิ่ง แล้วค่อยปรับวิถีให้โค้งขนานกับผิวโลก เมื่ออยู่เหนือชั้นบรรยากาศในภายหลัง

จรวด (Rocket)
เมื่อพูดถึงจรวด เราหมายถึงอุปกรณ์สำหรับสร้างแรงขับดันเท่านั้น หน้าที่ของจรวดคือ การนำยานอวกาศ ดาวเทียม หรืออุปกรณ์ประเภทอื่นขึ้นสู่อวกาศ แรงโน้มถ่วง (Gravity) ของโลก ณ พื้นผิวโลกมีความเร่งเท่ากับ 9.8 เมตร/วินาที 2 ดังนั้นจรวดจะต้องมีแรงขับเคลื่อนสูงมาก เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก

จรวดทำงานตามกฎของนิวตัน ข้อที่ 3 “แรงกริยา = แรงปฏิกิริยา” จรวดปล่อยก๊าซร้อนออกทางท่อท้าย (แรงกริยา) ทำให้จรวดเคลื่อนที่ไปข้างหน้า (แรงปฏิกิริยา)

จรวดหลายตอน
          การนำจรวดขึ้นสู่อวกาศนั้นจะต้องทำการเผาไหม้เชื้อเพลิงจำนวนมาก เพื่อให้เกิดความเร่งมากกว่า 9.8 เมตร/วินาที2 หลายเท่า ดังนั้นจึงมีการออกแบบถังเชื้อเพลิงเป็นตอนๆ เราเรียกจรวดประเภทนี้ว่า “จรวดหลายตอน” (Multistage rocket) เมื่อเชื้อเพลิงตอนใดหมด ก็จะปลดตอนนั้นทิ้ง เพื่อเพิ่มแรงขับดัน (Force) โดยการลดมวล (mass) เพื่อให้จรวดมีความเร่งมากขึ้น (กฎของนิวตัน ข้อที่ 2: ความเร่ง = แรง / มวล)

ความแตกต่างระหว่างเครื่องบินไอพ่น และจรวด
         เครื่องยนต์ของเครื่องบินไอพ่นดูดอากาศภายนอกเข้ามาอัดแน่น และทำการสันดาป (เผาไหม้) ทำให้เกิดแรงดันไปข้างหน้า จนปีกสามารถสร้างแรงยก (ความดันอากาศบนปีกน้อยกว่าความดันอากาศใต้ปีก) ทำให้เครื่องลอยขึ้นได้ ส่วนจรวดบรรจุเชื้อเพลิงและออกซิเจนไว้ภายใน เมื่อทำการสันดาปจะปล่อยก๊าซร้อนพุ่งออกมา ดันให้จรวดพุ่งไปในทิศตรงกันข้าม

จรวดไม่ต้องอาศัยอากาศภายนอก มันจึงเดินทางในอวกาศได้ ส่วนเครื่องบินต้องอาศัยอากาศทั้งในการสร้างแรงยก และการเผาไหม้

อุปกรณ์ที่จรวดนำขึ้นไป (Payload)
          ดังที่กล่าวไปแล้ว จรวดเป็นเพียงตัวขับเคลื่อนขึ้นสู่อวกาศ สิ่งที่จรวดนำขึ้นไปมีมากมายหลายชนิด ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์หรือภารกิจ ซึ่งอาจจะมีทั้งการทหาร สื่อสารโทรคมนาคม หรืองานวิจัยทางวิทยาศาสตร์
          - ขีปนาวุธ (Missile) เป็นคำที่เรียกรวมของจรวดและหัวรบ เนื่องจากจรวดมีราคาสูง และมีพิกัดบรรทุกไม่มาก หัวรบที่บรรทุกขึ้นไปจึงมีขนาดเล็ก แต่มีอำนาจการทำลายสูงมาก เช่น หัวรบนิวเคลียร์
          - ดาวเทียม (Satellite) หมายถึง อุปกรณ์ที่ส่งขึ้นไปโคจรรอบโลก เพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ เช่น ถ่ายภาพ โทรคมนาคม ตรวจสภาพอากาศ หรืองานวิจัยทางวิทยาศาสตร์
          - ยานอวกาศ (Spacecraft) หมายถึง ยานพาหนะที่โคจรรอบโลก หรือเดินทางไปยังดาวดวงอื่น อาจจะมีหรือไม่มีมนุษย์เดินทางไปด้วยก็ได้ เช่น ยานอะพอลโล่ ซึ่งนำมนุษย์เดินทางไปดวงจันทร์
          - สถานีอวกาศ (Space Station) หมายถึง ห้องปฏิบัติการในอวกาศ ซึ่งมีปัจจัยสนับสนุนให้มนุษย์สามารถอาศัยอยู่ในอวกาศได้นานนับเดือน หรือเป็นปี สถานีอวกาศส่วนมากถูกใช้เป็นห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ เพื่อประโยชน์ในการวิจัย ทดลอง และประดิษฐ์คิดค้นในสภาวะไร้แรงโน้มถ่วง สถานีอวกาศที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน ได้แก่ สถานีอวกาศนานาชาติ ISS (International Space Station)