กล้องโทรทรรศน์ (Telescope)หรือ กล้องดูดาว เป็นทัศนูปกรณ์ซึ่งประกอบด้วย เลนส์นูนสองชุดทำงานร่วมกัน หรือ กระจกเงาเว้าทำงานร่วมกับเลนส์นูน กล้องโทรทรรศน์ (Telescope) เป็นกล้องส่องทางไกลซึ่งนักดาราศาสตร์ใช้ศึกษาวัตถุท้องฟ้า มีสมบัติที่สำคัญ 2 ประการ คือ อุปกรณ์ที่สำคัญของกล้องโทรทรรศน์คือ เลนส์นูน มีหน้าที่รวมแสงให้มาตกที่จุดโฟกัส (Focus) เราเรียกระยะทางระหว่างจุดกึ่งกลางของเลนส์กับจุดโฟกัสว่า ความยาวโฟกัส (Focal length) - หากใช้เลนส์นูนส่องมองวัตถุที่มีระยะใกล้กว่าความยาวโฟกัส เลนส์นูนจะช่วยในการขยายภาพ - หากใช้เลนส์นูนส่องมองวัตถุที่มีระยะไกลกว่าความยาวโฟกัส เลนส์นูนจะช่วยในการรวมแสง แล้วให้ภาพหัวกลับ ภาพที่ 143 เลนส์นูนหักเหแสงให้ภาพหัวกลับ ภาพที่ 144 การทำงานของเลนส์กล้องโทรทรรศน์ กำลังรวมแสง กำลังขยาย ตัวอย่าง 4.1 เลนส์ของกล้องโทรทรรศน์ ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง มิลลิเมตร กับดวงตาของมนุษย์ 500 (กระจกตาดำ) ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 มิลลิเมตร เลนส์ของกล้องโทรทรรศน์มีอัตราส่วนในการรวมแสงมากกว่าตาของมนุษย์กี่เท่า เลนส์ของกล้องโทรทรรศน์มีขนาดใหญ่กว่าดวงตาของมนุษย์ = 500/5 = 100 เท่า กำลังรวมแสงมากกว่า 1002 = 10,000 เท่า กำลังขยาย ตัวอย่าง 4.2 ถ้าเลนส์ใกล้วัตถุมีความยาวโฟกัส 1000 มิลลิเมตร เลนส์ใกล้ตามีความยาวโฟกัส 10 มิลลิเมตร จะมีกำลังขยายเท่าไหร่ กำลังขยาย 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 กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง (Refractor telescope) - กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงเหมาะสำหรับใช้ศึกษาวัตถุที่สว่างมากแต่ไม่เหมาะสำหรับการสังเกตวัตถุที่มีขนาดใหญ่ แต่สว่างน้อย ภาพที่ 146
กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง 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 กล้องโทรทรรศน์แบบนี้ใช้กระจกเว้าทำหน้าที่เลนส์ใกล้วัตถุแทนเลนส์นูน รวบรวมแสงส่งไปยังกระจกทุติยภูมิซึ่งเป็นกระจกเงาระนาบขนาดเล็กติดตั้งอยู่ในลำกล้อง สะท้อนลำแสงให้ตั้งฉากออกมาที่เลนส์ตาที่ติดตั้งอยู่ที่ด้านข้างของลำกล้อง เนื่องจากกระจกเว้ามีน้ำหนักเบาและราคาถูกกว่าเลนส์อรงค์ นอกจากนั้นกระจกเว้ายังสามารถสร้างให้มีความยาวโฟกัสสั้นได้ง่าย หอดูดาวจึงนิยมติดตั้งกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงขนาดใหญ่ซึ่งมีกำลังรวมแสงสูง ทำให้สามารถสังเกตเห็นวัตถุที่มีความสว่างน้อยและอยู่ไกลมาก เช่น เนบิวลาและกาแล็กซี ภาพที่ 148 กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง เป็นกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงที่ใช้การสะท้อนแสงกลับไปมา เพื่อให้ลำกล้อง มีขนาดสั้นลง โดยใช้กระจกนูนเป็นกระจกทุติยภูมิช่วยบีบลำแสงทำให้ลำกล้องสั้นกระทัดรัด แต่ยังคงกำลังขยายสูง ภาพที่ 149 กล้องโทรทรรศน์ชนิดผสม อย่างไรการทำงานของกระจกนูน ทำให้ภาพที่เกิดขึ้นบนระนาบโฟกัสมีความโค้ง จึงจำเป็นต้องติดตั้งเลนส์ปรับแก้ (Correction plate) ไว้ที่ปากลำกล้องเพื่อทำงานร่วมกับกระจกทุติยภูมิ ในการชดเชยความโค้งของระนาบโฟกัส โดยที่เลนส์ปรับแก้ไม่ได้มีอิทธิพลต่อกำลังรวมแสงและกำลังขยายเลยฐานระบบขอบฟ้า (Alt-azimuth Mount) ภาพที่ 150 ฐานระบบขอบฟ้า 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 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 - 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 ภาพที่ 153 องค์ประกอบของดาวเทียม การออกแบบวงโคจรของดาวเทียม ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งานดาวเทียม ระดับความสูงของดาวเทียมมีความสัมพันธ์กับคาบเวลาในวงโคจรตามกฎของเคปเลอร์ข้อที่ 3 (กำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเทียม แปรผันตาม กำลังสามของระยะห่างจากโลก) ดังนั้น ณ ระดับความสูงจากผิวโลกระดับหนึ่ง ดาวเทียมจะต้องมีความเร็วในวงโคจรค่าหนึ่ง มิฉะนั้นดาวเทียมอาจตกสู่โลกหรือหลุดจากวงโคจรรอบโลก ดาวเทียมวงโคจรต่ำเคลื่อนที่เร็ว ดาวเทียมวงโคจรสูงเคลื่อนที่ช้านักวิทยาศาสตร์คำนวณหาค่าความเร็วในวงโคจรได้โดยใช้ “กฎความโน้มถ่วงแห่งเอกภพของ นิวตัน” (Newton's Law of Universal Gravitation) “วัตถุสองชิ้นดึงดูดกันด้วยแรงซึ่งแปรผันตามมวลของวัตถุ แต่แปรผกผันกับระยะทางระหว่างวัตถุยกกำลังสอง” ดังนี้ แรงสู่ศูนย์กลาง = แรงโน้มถ่วงของโลก โดยที่ v = ความเร็วของดาวเทียม M = มวลของโลก ตัวอย่าง 4.3 ถ้าต้องการส่งดาวเทียมให้โคจรรอบโลกที่ระดับสูง 35,780 กิโลเมตร ดาวเทียมจะต้องมีความเร็วในวงโคจรเท่าไร 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") ภาพที่ 155 ดาวเทียมวงโคจรระยะต่ำ 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 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 เป็นวงโคจรออกแบบสำหรับดาวเทียมที่ปฏิบัติภารกิจพิเศษเฉพาะกิจ เนื่องจากดาวเทียมความเร็วในวงโคจรไม่คงที่ เมื่ออยู่ใกล้โลกดาวเทียมจะเคลื่อนที่ใกล้โลกมาก และเคลื่อนที่ช้าลงเมื่อออกห่างจากโลกตามกฎข้อที่ 2 ของเคปเลอร์ ดาวเทียมวงโคจรรูปวงรี ส่วนมากเป็นดาวเทียมที่ปฏิบัติงานด้านวิทยาศาสตร์ เช่น ศึกษาสนามแม่เหล็กโลก เนื่องจากสามารถมีระยะห่างจากโลกได้หลายระยะ หรือเป็นดาวเทียมจารกรรมซึ่งสามารถบินโฉบเข้ามาถ่ายภาพพื้นผิวโลกด้วยระยะต่ำมากและปรับวงโคจรได้ ภาพที่ 158 วงโคจรรูปวงรีของดาวเทียมสำรวจสนามแม่เหล็กโลก 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 กฏข้อที่ 2 "ความเร่งของจรวดแปรผันตามแรงขับของจรวด
แต่แปรผกผันกับมวลของจรวด" (a = F/m) ดังนั้นจรวดต้องเผาไหม้เชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง เพื่อสร้างความเร่งเอาชนะแรงโน้มถ่วง และเพื่อให้ได้ความเร่งสูงสุด นักวิทยาศาสตร์จะต้องออกแบบให้จรวดมีมวลน้อยที่สุดแต่มีแรงขับดันมากที่สุด ประเภทของจรวด ภาพที่ 160 จรวดเชื้อเพลิงแข็งและจรวดเชื้อเพลิงเหลว 3. จรวดไอออน ไม่ได้ใช้พลังงานจากการสันดาปเชื่้อเพลิงดังเช่นจรวดเชื้อเพลิงแข็งและจรวดเชื้อเพลิงเหลว แต่ใช้พลังงานไฟฟ้ายิงอิเล็กตรอนเข้าใส่อะตอมของแก๊สเฉื่อย เช่น ซีนอน (Xenon) ให้แตกเป็นประจุ แล้วเร่งปฏิกริยาให้ประจุเคลื่อนที่ออกจากท่อท้ายของเครื่องยนต์ด้วยความเร็วสูงเพื่อให้เกิดแรงดัน (แรงกริยา) ผลักจรวดให้เคลื่อนที่ไปด้านหน้า (แรงปฏิกริยา) จรวดไอออนมีขนาดเล็กจึงมีแรงขับเคลื่อนต่ำ แต่มีความประหยัดสูง จึงเหมาะสำหรับใช้ในการเดินทางระหว่างดวงดาวเป็นระยะเวลานาน ภาพที่ 161 จรวดเชื้อเพลิงไอออน ภาพที่ 162 เปรียบเทียบคุณสมบัติของจรวดแต่ละประเภท จรวดหลายท่อน ภาพที่ 163 จรวดหลายท่อน กระสวยอวกาศ ภาพที่ 164 กระสวยอวกาศ ขั้นตอนการทำงานของกระสวยอวกาศ 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 ยานอวกาศ (Spacecraft) หมายถึง ยานพาหนะที่นำมนุษย์หรืออุปกรณ์อัตโนมัติขึ้นไปสู่อวกาศ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อสำรวจโลกหรือเดินทางไปยังดาวดวงอื่น ยานอวกาศมี 2 ประเภท คือ ยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุม และยานอวกาศที่ไม่มีมนุษย์ควบคุม 1. ยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุม มีขนาดใหญ่ เพราะต้องมีปริมาตรพอที่มนุษย์อยู่อาศัยได้ และยังต้องบรรทุกปัจจััยต่างๆ ที่มนุษย์ต้องการ ดังนั้นยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุมจึงมีมวลมาก การขับดันยานอวกาศที่มีมวลมากให้มีอัตราเร่งสูงจำเป็นต้องใช้จรวดที่บรรทุกเชื้อเพลิงจำนวนมาก ซึ่งทำให้มีค่าใช้จ่ายสูงมาก ภาพที่ 166 ยานอะพอลโล มีขนาดเล็กมากเมื่อเปรียบเทียบกับยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุม ยานอวกาศชนิดนี้มีมวลน้อยไม่จำเป็นต้องใช้จรวดนำส่งขนาดใหญ่ จึงมีความประหยัดเชื้อเพลิงมาก ยานอวกาศประเภทนี้จึงต้องมีสมองกลคอมพิวเตอร์และระบบซอฟต์แวร์ซึ่งฉลาดมาก เพื่อให้ยานอวกาศสามารถต้องปฏิบัติภารกิจได้เองทุกประการและแก้ไขปัญหาเฉพาะหน้าได้ทันท่วงที ภาพที่ 167 ยานแคสินี หลักการส่งยานอวกาศ ภาพที่ 168 หลักการส่งยานอวกาศ เราสามารถคำนวณหาความเร็วหลุดพ้นได้โดยประยุกต์ กฎความโน้มถ่วงแห่งเอกภพของนิวตัน (Newton's Law of Universal Gravitation) “วัตถุสองชิ้นดึงดูดกันด้วยแรงซึ่งแปรผันตามมวลของวัตถุ แต่แปรผกผันกับระยะทางระหว่างวัตถุยกกำลังสอง” กับสูตรพลังงานจลน์ ได้ดังนี้ แรงหนีศูนย์กลาง (พลังงานจลน์) =
แรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ (กฎความโน้มถ่วง) โดยที่
ves = ความเร็วหลุดพ้นของยานอวกาศ 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 เราไม่สามารถมองเห็นวัตถุท้องฟ้าจากพื้นโลกได้ทุกความยาวคลื่น
เนื่องจากบรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกเป็นอุปสรรค ทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบางความยาวคลื่นไม่สามารถแผ่ลงมาถึงพื้นโลกได้ จึงมีความจำเป็นต้องส่งกล้องโทรทรรศน์ชนิดต่างๆ ขึ้นไปโคจรเหนือชั้นบรรยากาศโลก ภาพที่ 171 กล้องโทรทรรศน์รังสีแกมมา 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 FUSE เป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศซึ่งทำงานในช่วงความยาวคลื่นของรังสีอัลตรา - ไวโอเล็ตไกลระหว่าง 90.5 - 119.5 นาโนเมตร ซึ่งมีวงโคจรอยู่ที่ระยะสูง 760 กิโลเมตร โคจรรอบโลกใช้เวลาไม่ถึง 100 ชั่วโมง ใช้ ในการศึกษาดิวทีเรียมซึ่งเป็นหลักฐานของทฤษฎีบิกแบง และองค์ประกอบทางเคมีของกาแล็กซี ภาพที่ 173 กล้องโทรทรรศน์รังสีอัลตราไวโอเล็ต 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 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 เราสามารถจำแนกประเภทของดาวเทียมตามประโยชน์การใช้งานได้ดังนี้ ภาพที่ 176 ภาพถ่ายรายละเอียดสูงของดาวเทียมวงโคจรต่ำ 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. ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยามีวงโคจรหลายระดับขึ้นอยู่กับการออกแบบในการใช้งาน ดาวเทียม NOAA มีวงโคจรต่ำถ่ายภาพรายละเอียดสูง ส่วนดาวเทียม GOES และ MTSAT มีวงโคจรค้างฟ้าอยู่ที่ระดับสูงถ่ายภาพมุมกว้างครอบคลุมทวีปและมหาสมุทร ภาพที่ 178 ภาพถ่ายดาวเทียม MTSAT เป็นระบบบอกตำแหน่งพิกัดภูมิศาสตร์บนพื้นโลก ซึ่งประกอบด้วยเครือข่ายดาวเทียมจำนวน 32 ดวง โคจรรอบโลกในทิศทางต่างๆ ที่ระยะสูง 20,000 กิโลเมตรส่งสัญญาณมาบนโลกพร้อมๆ กัน ภาพที่ 179 ดาวเทียมเพื่อการนำร่อง 5. ดาวเทียมโทรคมนาคมเช่น 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 ภาพที่ 181 ดาวเทียมลาดตระเวนทางทหาร
|