ดาวเทียมอยู่บนอวกาศได้อย่างไร? รู้จักกับวงโคจรต่าง ๆ รอบโลกของเรา
หลังจากที่ดาวเทียมและยานอวกาศ ได้รับการนำส่งขึ้นจากฐานปล่อย และเร่งความเร็วโดยจรวดส่วนต่าง ๆ ได้มากเพียงพอแล้ว วัตถุเหล่านี้จะเดินทางเข้าสู่ ‘วงโคจร’ รอบโลกของเรา ก่อนเริ่มปฏิบัติภารกิจเป็นลำดับถัดไป
แต่วงโคจรคืออะไร? ทำไมยานอวกาศและดาวเทียมถึงอยู่บนอวกาศได้เป็นเวลายาวนาน? และวงโคจรแต่ละประเภทมีอะไรบ้าง? ทำความรู้จักกับเรื่องราวของวงโคจรได้ในบทความนี้
แม้อยู่ในอวกาศ แต่แรงโน้มถ่วงของโลกก็ยังมีอิทธิพลต่อยานอวกาศ ดาวเทียม สถานีอวกาศ และวัตถุต่าง ๆ ในอวกาศ ที่ทำให้มันกำลังตกลงสู่โลก แต่ด้วยความเร็วที่มากพอของวัตถุเหล่านี้ ทำให้เกิดสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงและโมเมนตัม จนสามารถอยู่ในวงโคจรรอบโลกได้ โดยที่การตกลงสู่โลกจะโค้งตามไปกับเส้นสมมติของวงโคจรพอดี
นั่นคือการที่นักบินอวกาศสัมผัสสภาวะไร้น้ำหนัก ระหว่างปฏิบัติงานอยู่บนสถานีอวกาศนานาชาติ หรือ ISS ไม่ใช่เพราะว่าบนอวกาศไม่มีแรงโน้มถ่วง แต่เป็นเพราะทั้งเขาและสถานีอวกาศต่างกำลังตกลงสู่พื้นโลกในอัตราเดียวกัน ด้วยความเร็วในวงโคจรประมาณ 27,000 กิโลเมตร/ชั่วโมง ทำให้ ISS อยู่ในสภาวะการตกอย่างอิสระอย่างต่อเนื่อง แต่ก็ยังอยู่ในวงโคจรที่ความสูงราว 400 กิโลเมตรจากพื้นดินได้
แม้ว่านิยามของอวกาศ คือความสูง 100 กิโลเมตรจากพื้นโลก หรือเหนือจากเส้น Karman Line แต่ยานสำรวจและดาวเทียมที่อยู่ในวงโคจรสูงไปไม่เกิน 600 กิโลเมตรจากพื้นดิน จะพบกับแรงต้านอากาศจากการปะทะกับโมเลกุลในบรรยากาศโลกอยู่เล็กน้อย มีผลทำให้ความเร็วในการโคจรของวัตถุเหล่านี้ลดลง และเกิดการลดระดับความสูงวงโคจรอยู่บ่อยครั้ง ทำให้ดาวเทียมและยานอวกาศที่สำรวจในวงโคจรดังกล่าว ต้องมีการเดินเครื่องยนต์เพื่อยกระดับวงโคจรอยู่เสมอ
ในปัจจุบัน ข้อมูลจากระบบดาวเทียม Space Based Space Surveillance ของกองทัพอวกาศสหรัฐฯ และองค์การอวกาศยุโรป หรือ ESA ระบุว่ามีวัตถุไม่น้อยกว่า 29,000 ชิ้น ประกอบด้วย ยานอวกาศ สถานีอวกาศ ชิ้นส่วนจรวด ดาวเทียมดวงที่ยังทำงานอยู่ และดวงที่ไม่สามารถใช้งานได้แล้ว อันมีขนาดมากกว่า 10 เซนติเมตร กำลังโคจรอยู่รอบโลกที่ความสูงแตกต่างกัน
สำหรับวงโคจรของดาวเทียมและยานอวกาศ จะถูกส่งขึ้นไปยังวงโคจรที่แตกต่างกัน ตามวัตถุประสงค์และเป้าหมายของภารกิจนั้น ๆ โดยประกอบด้วย วงโคจรใกล้โลก หรือ Low Earth Orbit ที่สถานีอวกาศนานาชาติ สถานีอวกาศเทียนกง กล้องฮับเบิล และดาวเทียม THEOS-2 ต่างโคจรอยู่รอบ เป็นวงโคจรที่มีความสูงระหว่าง 160-2,000 กิโลเมตรจากพื้นโลก เหมาะสมสำหรับการเดินทางไปสู่อวกาศของมนุษย์ รวมถึงดาวเทียมสำรวจโลก ดาวเทียมสื่อสาร และการศึกษาทางดาราศาสตร์ เป็นต้น
วงโคจรถัดมา คือ วงโคจรปานกลาง หรือ Medium Earth Orbit ที่ความสูงระหว่าง 2,000-35,786 กิโลเมตร หรืออยู่ระหว่างวงโคจรใกล้โลก และวงโคจรค้างฟ้า โดยมักเป็นวงโคจรของเครือข่ายดาวเทียมนำทาง ดาวเทียมสื่อสาร และดาวเทียมสำรวจโลกบางดวง ตัวอย่างเช่น เครือข่ายดาวเทียมนำทาง GPS, Galileo, และ BeiDou หรือเครือข่ายดาวเทียมสื่อสาร OneWeb เป็นต้น
สำหรับวงโคจรค้างฟ้า หรือ Geostationary Orbit เป็นวงโคจรของดาวเทียมที่อยู่สูง 35,786 กิโลเมตร เหนือเส้นศูนย์สูตรโลก ซึ่งมีคาบการโคจรสอดคล้องกับอัตราการหมุนรอบตัวเองของโลกพอดี ทำให้เหมือนกับอยู่ในจุด ‘ค้างฟ้า’ ตลอดเวลา โดยมักเป็นวงโคจรของดาวเทียมสื่อสาร ดาวเทียมพยากรณ์อากาศ และดาวเทียมนำทาง เป็นต้น
อีกหนึ่งวงโคจรที่คล้ายกับวงโคจรค้างฟ้า คือ วงโคจรพ้องคาบโลก หรือ Geosynchronous Orbit ที่อยู่ในความสูง 35,786 กิโลเมตรเช่นกัน ต่างแค่ไม่จำเป็นต้องโคจรอยู่เหนือเส้นศูนย์สูตรโลก
ข้อมูลในข้างต้น เป็นเพียงบางส่วนของวงโคจรชนิดต่าง ๆ ที่ดาวเทียมและยานอวกาศประจำการอยู่รอบโลกของเรา โดยยังมีวงโคจรแบบ Sun-synchronous Orbit, Polar Orbit, Highly Elliptical Orbit, หรือ วงโคจรรอบจุดลากรองจ์ (Lagrange Points) ระหว่างโลก-ดวงอาทิตย์ ทั้งนี้ วงโคจรบางชนิดอาจมีความรีมากน้อยต่างกัน ซึ่งคำว่า Apogee ใช้เรียกจุดไกลสุดของวงโคจร และ Perigee ใช้เรียกจุดใกล้สุดของวงโคจร
ด้วยแนวโน้มการมีวัตถุในวงโคจรเพิ่มมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้สำนักงานพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศและภูมิสารสนเทศ (องค์การมหาชน) หรือ GISTDA ได้พัฒนาระบบจัดการจราจรอวกาศ ชื่อ ZIRCON เพื่อตรวจตราและแจ้งเตือนความเสี่ยงการชนระหว่างวัตถุอวกาศ กับดาวเทียมไทยโชต, THEOS-2, และ THEOS-2A รวมถึงต่อยอดให้บริการกับผู้ประกอบการดาวเทียมรายอื่นที่สนใจ โดย ZIRCON เป็นระบบที่พัฒนาและคิดค้นโดยบุคลากรชาวไทยทั้งหมด และได้เริ่มให้บริการข้อมูลมาตั้งแต่ ค.ศ. 2022 ที่ผ่านมา