:: กระทู้ดาราศาสตร์ :: New Horizons ยานสำรวจไขปริศนาแห่ง Pluto


ขอขอบคุณ บทความโดยคุณ Partita  จากพันทิป
http://pantip.com/topic/33774069



สวัสดีครับ  เพื่อน ๆ ห้องหว้ากอที่รักทุกท่าน  วันนี้ผม Partita ขอเสนอเนื้อหาดาราศาสตร์ เรื่อง ยานสำรวจอวกาศ New Horizons

New Horizons คือ  ยานสำรวจอวกาศขององค์การ NASA  ออกแบบเพื่อทำภารกิจสำรวจดาวเคราะห์แคระ Pluto
การที่ผมนำเสนอเรื่องของ New Horizons ในช่วงเดือนนี้  มีความสำคัญมากเพราะว่าเธอกำลังจะเข้าใกล้ และ เฉียดดาว Pluto
ในวันที่ 14 กรกฏาคม ที่จะถึงนี้เองครับ  ดังนั้นอีกเพียง 1 เดือนจากนี้เราก็จะเห็นภาพถ่ายของอดีตดาวเคราะห์ที่ห่างไกลที่สุด
และสำรวจยากที่สุด  โดย New Horizons จะนำเสนอภาพดาว Pluto ที่มีความชัดเจนมากด้วยอุปกรณ์ทันสมัยของเธอ ....
ดังน้น  เรามารู้จักยาน New Horizon ตั้งแต่แรกกันดีกว่าครับ

การเริ่มโครงการ
New Horizons เป็นยานลำแรกในโครงการ New Frontiers   ซึ่งเป็นโครงการสำรวจอวกาศขนาดกลางของ NASA
งบประมาณโครงการไม่เกิน 700 ล้าน USD   โดยที่โครงการ  New Horizons นี้ในช่วง 15 ปีแรกคือตั้งแต่ปี 2001 - 2015
ได้ใช้งบประมาณไปแล้ว 650 ล้าน USD   รวมทั้งหมดตั้งแต่การออกแบบ  การสร้าง  การวิเคราะห์ข้อมูล  การศึกษาวิจัย

  New Horizons  ออกแบบ  วิจัย  และสร้างโดยห้องปฏิบัติการ Applied Physics Laboratory (APL) ของ Johns Hopkins University
โดยทาง NASA ได้วาง concept  และศึกษาโครงการมาตั้งแต่ต้นปี 2001  จนมาถึงเดือนมิถุนายน 2001  ทาง NASA
ได้เลือกโครงการนี้และเป็นจุดเริ่มต้นในการดำเนินการต่อไป


วัตถุประสงค์ และ เป้าหมายของโครงการ
New Horizons ออกแบบเพื่อสำรวจดาว Pluto และดวงจันทร์ทั้ง 4 ดวงของเธอ  ซึ่งการสำรวจนี้ประกอบด้วย
หัวข้อสำรวจเรื่องชั้นบรรยากาศ  อุณหภูมิ  องค์ประกอบทางเคมี  และเลยต่อไปยังการสำรวจวัตถุใน Kuiper belt
รายละเอียดของการสำรวจ Pluto มีดังนี้

- สำรวจ และ ทำ mapping ลักษณะทางพื้นผิวของ Pluto - Charon
- แยกแยะคุณสมบัติทางธรณีวิทยา และ โครงสร้างของ Pluto - Charon
- ค้นหาชั้นบรรยากาศของดวงจันทร์ Charon
- ทำ mapping อุณหภูมิของ Pluto - Charon
- ค้นหาดวงจันทร์ และ วงแหวน (ที่อาจมีเพิ่มเติม) รอบ ๆ Pluto


โครงสร้างของยาน New Horizons
  New Horizons  เป็นยานสำรวจรูปทรงคล้าย Grand Piano หนัก 470 กิโลกรัม  โครงสร้างทำจาก Aluminium alloy
โดยมีส่วนของจาน Parabola ขนาดใหญ่สำหรับสื่อสารดังเช่นยานสำรวจทุกลำ  New Horizons มีอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์
ที่สำคัญตามภาพล่างนี้ครับ

1. Radioisotope Thermoelectric Generator (RTG)
อุปกรณ์นี้ไม่ใช่อุปกรณ์วิทยาศาสตร์  แต่มันสำคัญที่สุดในยาน  เพราะมันคือแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้อุปกรณ์ทั้งหมด
RTG คือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยอาศัยความร้อนที่เกิดจากสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี  ส่งความร้อนต่อไปยังคู่โลหะ
Thermoelectric เพื่อกำเนิดไฟฟ้า DC จากแผ่นโลหะ Thermoelectric นี้ครับ   RTG ของยาน New Horizons นี้
มีขนาด 250 วัตต์  ที่ 30Vdc   ซึ่งระบบกำเนิดไฟฟ้าแบบ RTG นี้  จะมีการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีไปเรื่อย ๆ
ซึ่งก็ทำให้พลังงานลดลงไปเรื่อย ๆ  โดยจะลดลง 5% ทุก ๆ 4 ปี   RTG เครื่องนี้บรรจุ Plutonium-238 ปริมาณ 10.9 กิโลกรัม

2. Flight computer
ระบบคอมพิวเตอร์ของยาน New Horizons นั้น  จะมี 2 ระบบ คือ Command and Data Handling system
และ  Guidance and Control processor  ทั้งสองระบบนี้วางการทำงานในรูปแบบ redundancy คือทำงานขนานกัน
เพื่อความเชื่อถือได้สูงสุดนั่นเอง  Processor นั้นใช้ CPU รุ่น R-3000 ที่พัฒนาโดย  MIPS Computer Systems
ความเร็ว Clock 12MHz  โดยบรรจุ Mainboard ลงในกล่องเหล็กมิดชิดเพื่อปกป้องเต็มที่  เรียกว่า  " Radiation - Hardened "

ภาพแสดงถึงลักษณะการทำ Radiation - Hardened  โดยข้างในจะเป็น mainboard ของ Flight Computer

3. Telecommunications
ระบบที่มีความสำคัญมาก ๆ อย่างหนึ่งของยานสำรวจทุกลำ คือ ระบบ Telecommunications
เพราะยานสำรวจอวกาศ นั้น  ถือว่าปล่อยไปแล้วไม่มีทางหวนคืนมา  หากระบบสื่อสารบกพร่องทุกอย่างก็จะจบสิ้นครับ
ระบบ Telecommunications ของ New Horizons นั้น  ประกอบด้วยเครื่องส่งวิทยุย่าน X-Band  โดยสื่อสารกับโลก
ด้วย speed 38Kbps ในขณะที่ระยะดาวพฤหัส  และเมื่อออกไปไกลถึง Pluto  speed ก็จะเหลือเพียง 1 Kbps
speed แค่ 1Kbps นี้  คือความช้าขนาดว่าจะส่งรูปแมว 1 รูปขนาดไฟล์ 50KB  ยังต้องส่งนานถึง 6 นาทีครึ่ง !!
แต่เรื่องนี้ก็เป็นเรื่องธรรมดาของการส่ง data ในระยะทางไกลถึงขอบระบบสุริยะนะครับ  จึงมีข้อจำกัดขนาดนี้

การรับสัญญาณจาก New Horizons ที่โลกจะใช้เครือข่าย Deep Space Network (DSN)
ซึ่งมีเนื้อหายาวครับ  คลิกอ่านใน Spoil ได้เลย

DSN คือระบบสื่อสารด้วยจานสายอากาศขนาดยักษ์ที่มีตำแหน่งจานรับสัญญาณ 3 จุดบนโลก
ออกแบบมาเพื่อสื่อสารกับ Probe อวกาศที่เราส่งไปทั้งหมด ตั้งแต่ Pioneer , Voyager ---- ไปจนถึง
Probe ใหม่ ๆ ที่ส่งไปใม่นานมานี้ เช่น Cassini , New Horizon , Juno  ฯลฯ
ตามภาพนี้คือตำแหน่งของสถานี DSN  3 จุด  ที่ California ,USA  -  Madrid ,Spain  -  Canberra ,Australia

ในแต่ละสถานีจะครอบคลุมมุมต่าง ๆ ในอวกาศจนหมด ตามภาพนี้ครับ

จาน Parabola ที่รับสัญญาณจาก space probe แสนไกลเหล่านี้จะมีขนาดใหญ่มากครับ
เส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ถึง 70 - 90 เมตร ซึ่งจานใหญ่ระดับนี้จะมีเกณฑ์ขยายสัญญาณสูงมาก (ท้งรับ - ส่ง)
จึงสามารถรับสัญญาณอ่อน ๆ จาก space probe พวกนี้ได้ครับ  เพราะ probe หลายตัว
ก็อยู่ห่างออกไปในหน่วย "พันล้าน" กิโลเมตรจากเราครับ
และกำลังส่งของสถานี DSN ทั้ง 3 ที่ก็จะสูงมากเฉลี่ย 20,000 - 50,000 วัตต์
เพื่อให้แน่ใจว่าจะยังคงประสิทธิภาพสูงอยู่ แม้ระยะทางจะไกลนับพันล้านกิโลเมตร

ภาพจานรับสัญญาณขนาด 70 เมตร ที่  Goldstone Deep Space Communications Complex

นี่คือภาพจาน Parabola ขนาด 2.1 เมตร  มีเกณฑ์ขยายสูงถึง 42 dBi

4. Science payload
Science payload คือ  อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ที่ใช้เทคโนโลยีสูง  และออกแบบมาเพื่อการนี้โดยเฉพาะครับ
Science payload  ที่สำคัญมีดังนี้

4.1 Long Range Reconnaissance Imager (LORRI)
LORRI นี้  เป็นกล้องถ่ายภาพย่าน Visible light ที่มีระยะ focus ไกล  มีความละเอียดสูง
4.2 Solar Wind At Pluto (SWAP)
SWAP คือ อุปกรณ์วิเคราะห์ประจุไฟฟ้า  ใช้สำหรับวัดค่าต่าง ๆ ของลมสุริยะในย่าน Pluto  ว่ายังมีค่าเท่าใด
4.3 Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation (PEPSSI)
PEPSSI คือ ION - Electron sensor  สำหรับวัดวิเคราะห์ค่าของอนุภาคพลังงานสูงในย่านนี้
โดย PEPSSI จะทำงานคล้ายกับ SWAP  แต่จะวัดค่าได้สูงกว่ามาก
4.4 Alice คือ อุปกรณ์ spectometer ย่าน UV  โดยออกแบบให้วัดวิเคราะห์ค่าต่าง ๆ ในบรรยากาศของ Pluto
4.5 Ratph telesope คือ  อุปกรณ์ที่ทำงานเหมือนกล้องโทรทรรศน์  โดยจะมี 2 ย่านรับแสง
คือย่าย visible light  และ  ย่าน Near Infrared
4.6 Radio Science Experiment (REX)  REX คือ ส่วนของแผงวงจรที่ทำหน้าที่ควบคุมการสื่อสารทั้งหมด
และยังทำหน้าที่ส่งสัญญาณเพื่อวิเคราะห์สภาพชั้นบรรยากาศของ Pluto - Chraon ด้วย


การเริ่มภารกิจ
New Horizons ปล่อยขึ้นสู่อวกาศเมื่อวันที่ 19 มกราคม 2006 จาก Kennedy Space Center  ด้วยจรวด  Atlas V 551
ซึ่งเป็นของบริษัท  Lockheed Martin   หลังจากส่งขึ้นสู่เส้นทางแล้ว  การเดินทางของ New Horizons มีส่วนที่สำคัญดังนี้ครับ

1. เริ่มเข้าใกล้ดาวพฤหัสในเดือนกันยายน 2006 และถ่ายภาพแรก คือ ภาพดาวพฤหัสในระยะ 291 ล้านกิโลเมตร
หลังจากนั้น  ก็ได้เข้าสู่ขั้นตอนที่เรียกว่า  " gravity assist "  คือการบินเฉียดวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงสูง  ทำให้ยานสำรวจมีความเร็ว
เพิ่มขึ้นจากแรงโน้มถ่วงของดาวดวงนั้น   การ gravity assist เกิดขึ้นในวันที่ 28 กุมภาพันธ์โดยบินเฉียดดาวพฤหัส
ในระยะ 2.3 ล้านกิโลเมตร  ซึ่งทำให้เพิ่มความเร็วของเธอขึ้นไปเป็น 23 กิโลเมตร/วินาที  ซึ่งย่นเวลาไป Pluto ได้นานถึง 3 ปี
จากการ gravity assist ในครั้งนี้ครับ

ภาพแสดงการ Gravity assist โดยดาวพฤหัส

นี่คือภาพแรกของดาวพฤหัสในระยะ 291 ล้านกิโลเมตร

ภาพนีถ่ายโดยอุปกรณ์ LORRI  เมื่อวันที่ 8 มกราคม 2007  ในระยะ 81 ล้านกิโลเมตร

2. หลังพ้นจากดาวพฤหัสด้วยการ gravity assist แล้ว  ยานจะเดินทางยาวเป็นเส้นตรงนานมากถึง 8 ปี
คือในช่วงปี 2007 - 2015  โดยในช่วงนี้  ยานจะมีการเข้าสู่ Hibernate Mode  คือ mode ประหยัดพลังงาน
เพราะเป็นช่วงเดินทางไกลมากโดยไม่ต้องบันทึกภาพ หรือ วิเคราะห์วัตถุใด ๆ เลย  การ hibernate จะมีการ
เริ่มเป็นช่วง ๆ ดังนี้
- 28 มิถุนายน 2007
- 16 ธันวาคม 2008
- 27 สิงหาคม 2009  
- 29 สิงหาคม 2014

   ระหว่างการ Hibernate นี้  ระบบ Flight computer จะทำการตรวจสอบระบบท้งหมดสัปดาห์ละ 1 ครั้ง
โดยส่งสัญญาณกลับมายังโลกในรูปแบบ Green code - Red code  โดยหากระบบเครื่องมือทุกอย่างในยาน OK
ก็จะส่งมาเป็น green code  แต่หากมี error ใด ๆ ที่จะต้องปรับแก้  ก็จะส่ง red code ...... และระหว่างช่วงเดินทางไกลนี้  
ยานได้เดินทางตัดเส้นโคจรของดาวเสาร์วันที่ 8 มิถุนายน 2008  และตัดเส้นโคจรของดาว Uranus วันที่ 18 มีนาคม 2011

3. หลังจากผ่านการเดินทางอันยาวนาน  ยาน New Horizons เริ่มถ่ายภาพ Pluto วันที่ 1 - 3 กรกฏาคม 2013
หลังจากนั้นก็ได้ภาพที่มีชื่อเสียงมาก คือ ภาพของ Pluto - Charon โคจรรอบกันใน bary center ที่เห็นได้ชัดเจนมาก

4. เริ่มเข้าสู่ย่าน Pluto
ภารกิจ Pluto operations เริ่มขึ้นเมื่อ 4 มกราคม 2015 ที่ผ่านมานี้เอง  โดยอุปกรณ์ LORRI ได้บันทึกภาพ Pluto
เป็นระยะ ๆ  ในจำนวนนี้มีภาพชุดหนึ่ง  โดยเป็นภาพย่อย 6 ภาพที่นำมารวมกันคือเป็นภาพของ Pluto - Charon โคจรรอบกัน
โดย New Horizon บันทึกใว้ระหว่าง 25 - 31 มกราคมที่ผ่านมาที่ระยะห่างประมาณ 200 ล้านกิโลเมตร

ภาพนี้บันทึกระหว่าง 27 มกราคม - 8 กุมภาพันธ์  เป็นภาพ GIF แสดงถึง Pluto และ ดวงจันทร์ NIX - Hydra
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/63/New_Horizons_Distant_View_of_Nix_and_Hydra.gif

สุดท้าย .... วันที่ตั้งกระทู้นี้คือ 11 มิถุนายน 2558  ซึ่งก็เหลืออีกเพียง 1 เดือน 3 วัน เท่านั้นที่ New Horizons
จะเดินทางเฉียด Pluto ในระยะเพียง 10,000 กิโลเมตร  ซึ่งภาพที่เราจะเห็นดาวเคราะห์แคระอันลึกลับนี้
จะต้องน่าตื่นตะลึงแน่นอน

นี่เป็นภาพรวมของการเดินทางอันยาวนานของ New Horizons

ภาพสุดท้าย คือ  ภาพแผนการเดินทางสุดท้ายที่จะเฉียด Pluto ระยะ 10,000 กิโลเมตร

จบแล้วครับ ขอบคุณที่ติดตามอ่านครับ
เนื้อหาแปลจาก  http://en.wikipedia.org/wiki/New_Horizons  และ  http://pluto.jhuapl.edu/

ขอขอบคุณ บทความโดยคุณ Partita  จากพันทิป
http://pantip.com/topic/33774069