ไอดำ ๆ นี่มันอะไรกันนะ พาเข้าใจทำไมไอพ่นจรวดน้ำมันก๊าดถึงเป็นแบบนี้

ในตอนที่แล้วอย่าง ทำไม Falcon 9 มีแสงสีเขียวเวลาจุด เจาะลึกระบบการจุดเครื่องยนต์ของจรวด ซึ่งก็สี่ปีแล้วแหละ เราได้อธิบายปรากฏการณ์แสงสีเขียวในเครื่องยนต์จรวดว่าเกิดอะไรขึ้น ทำไมถึงเป็นแบบนั้น และมักจะเป็นกับจรวดที่ในเชื้อเพลิงในกลุ่มน้ำมันก๊าดหรือพวก RP-1 ด้วย ปรากฏว่าสุดท้ายแล้วมันคือ TEA-TEB สารช่วยทำให้เครื่องยนต์จุดระเบิดง่ายขึ้นเนื่องจากเชื้อเพลิงพวกน้ำมันก๊าดมีจุดที่เกิดการสันดาปเอง (Autoignition) ที่ค่อนข้างสูงและต้องใช้พลังงานที่มากในการจุดให้ติด

เมื่อหลังจากเครื่องยนต์ถูกจุดให้ติดและเครื่องยนต์ก็ทำงานเต็มกำลังพร้อมทะยานออกจากฐานปล่อยแล้ว หนึ่งในจุดที่หลายคนอาจสังเกตจนมีการตั้งคำถามว่า “ไอดำ ๆ ที่ออกมาจากท้ายเครื่องยนต์แล้วกลายเป็นไฟสีเหลืองส้มนี่มันอะไรนะ” แน่ ๆ ในบทความนี้เราจะพาทุกคนมาทำความเข้าใจกรากฏการณ์ดังกล่าวกัน

เจ้าน้ำมันก๊าดนี่อีกแล้ว

ถ้าใครได้เห็นตัวอย่างแรกของ Fantastic Four: First Steps กันไปแล้ว เราจะเห็น Scene สั้น ๆ ที่จะเป็นฉากปล่อยจรวด อยากจะบอกว่าเราค่อนข้างประทับใจในฐานะของคนที่ไม่ใช่แฟน MCU และไม่ค่อยได้ดูหนังเท่าไหร่ คือแหงแหละว่ามันไม่ได้ดูสมจริงขนาดนั้นอาจจะเป็นเรื่องของ Software ทำ Visual effect สำเร็จรูปในอุตสาหกรรมที่ไม่สามารถจำลองการไหลแบบ Supersonic flow ได้ทำให้ไอพ่นในฉากนั้นดูไหลช้าแปลก ๆ แต่จุดที่เราประทำใจคือเรื่องของการที่แบบ “เออ แม้มันเป็นแค่ของสมมติ แต่ก็ยังมองหาอะไรที่มีอยู่จริงมาเป็น Reference ให้ฉากสั้น ๆ แบบนี้” สังเกตได้จากที่บรรยากาศใน Scene นี้ให้ความรู้สึกเหมือนการได้ดูการปล่อยจรวด Saturn V ในยุคโครงการ Apollo ที่รายละเอียดมา (เกือบ) ครบทั้งไอพ่นจรวดที่มีส่วนดำ ๆ ที่เราจะพูดถึงการในบทความนี้ และ Vapor cone ที่เกิดขึ้นจากการสร้าง Shockwave ที่ตัวจรวดทำกับอากาศ

จริง ๆ มันเป็นคำถามที่ตอบได้ง่ายเหมือนกัน แต่เนื่องด้วยเครื่องยนต์จรวดที่ใช้น้ำมันก๊าดมันมีหลายรุ่น ทำให้คำตอบง่าย ๆ ตรงนี้อาจจะยาวหน่อย หรับใครก็มี Short attention span ที่คลิกเข้ามาอ่านแล้วคิดว่า “บทความนี่มันอะไรวะ” ก็จะตอบแบบสั้น ๆ ว่ามันเป็นเรื่องของเชื้อเพลิงที่ตัวน้ำมันก๊าดมีปริมาณคาร์บอนที่เยอะ บวกกับปริมาณสารออกซิไดซ์ไม่เพียงพอเลยทำให้มีคาร์บอนไม่ถูกเผาอยู่มาก ผลที่ตามมาคือเขม่าสีดำที่จะถูกปล่อยออกมาจาก Nozzle ของเครื่องยนต์ ซึ่งไอเขม่าพวกนี้แหละคือคาร์บอนที่ไม่ได้ถูกเผา

เนื่องด้วยว่าตัวเครื่องยนต์จรวดโดยส่วนใหญ่แล้วโดยเฉพาะกับเครื่องยนต์ในกลุ่มระบบเชื้อเพลิงคู่หรือ Bipropellant จะมีอุณหภูมิของการเผาไหม้อยู่ที่ราว 3,200 ถึง 3,500 องศาเซลเซียส แน่นอนว่าถ้าไม่ใช้โลหะกลุ่ม Alloy บางชนิดหรือแม้แต่ Composite ก็ละลายได้ง่าย ๆ เลย ซึ่งอุณหภูมิการเผาไหม้ที่เล่ามาเนี่ยเป็นอุณหภูมิของเครื่องยนต์ที่จ่ายเชื้อเพลิงแบบ Rich อยู่แล้ว ลองคิดดูกันว่าหากจากเชื้อเพลิงในสัดส่วนที่เผาไหม้แล้วหมดพอดีกับสารออกซิไดซ์อุณหภูมิจะสูงมากขึ้นได้แค่ไหน ซึ่งจะยิ่งทำให้การออกแบบระบบหล่อเย็นของเครื่องยนต์มีความท้าทายขึ้นไปอีก และหากจ่ายเชื้อเพลิงแบบ Lean ที่จะมีสารออกซิไดซ์เหลือจากการเผาไหม้ สารที่ว่าก็จะไปสันดาปกับผนังเครื่องยนต์ต่อ ทำความเสียหายใหักับเครื่องยนต์ซึ่งไม่ดีแน่

แน่นอนว่าตัวเลือกที่เหลืออยู่ก็คือการจ่ายเชื้อเพลิงแบบ Rich ซึ่งเป็นตัวเลือกที่เครื่องยนต์แทบจะทุกตัวเลือกใช้ไม่เว้นแม้แต่เครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงมีเทนหรือแม้แต่ไฮโดรเจน ทำให้หากสังเกตดี ๆ ในทุกครั้งที่มีการทดสอบการปล่อยยาน Starship ของ SpaceX เราก็จะเห็นกลุ่มเขม่าออกมาได้เหมือนกันแม้ว่าเชื้อเพลิงที่ใช้อย่างมีเทนจะเป็นสารกลุ่มไฮโดรคาร์บอนที่มีโมเลกุลขนาดเล็กก็ตาม (จริง ๆ พวกสารไฮโดรคาร์บอนถ้าเกิดมีปริมาณมากพอ แม้จะเป็นโมเลกุลขนาดเล็กก็สามารถเกาะกลุ่มกันเป็นเขม่าได้หากเผาไหม้ไม่สมบูรณ์)

เหตุผลของการเกิดเขม่าที่แตกต่างกัน

จริงอยู่ที่การเกิดเขม่าของเครื่องยนต์เกิดจากการจ่ายเชื้อเพลิงแบบ Rich ซึ่งบทความนี้ควรจะจบตั้งแต่ย่อหน้าที่แล้ว แต่เพราะเครื่องยนต์จรวดในแต่ละรุ่นมันใช้ระบบเครื่องยนต์ที่ค่อนข้างหลากหลายทำใหัมันมีเหตุผลและรายละเอียดการเกิดเขม่ามากกว่าแค่การจ่ายเชื้อเพลิงแบบ Rich ซึ่งเราจะยกตัวอย่างเครื่องยนต์ที่เห็นกันบ่อย ๆ หรือถือว่าเป็น Iconic ของวงการ Spaceflight กัน

Rocketdyne F-1 — เมื่อพูดถึงเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำก๊าดหรือ RP-1 แน่นอนอยู่แล้วว่าหนึ่งในเครื่องยนต์ที่เป็น Iconic ที่สุดก็หนีไม่พ้นเครื่องยนต์ F-1 ของจรวดที่พามนุษย์ไปเยือนดวงจันทร์อย่าง Saturn V ส่วนตัวแล้วอยากเล่าเกี่ยวกับหลักการทำงานของมันโดยละเอียดแต่คงจะพาออกทะเลกันไปไกล เลยจะขอสรุปแบบรวบรัดให้ เอาเป็นว่ามันเป็นเครื่องยนต์ระบบ Gas generator ที่จะต้องแบ่ง RP-1 และออกซิเจนเหลวส่วนหนึ่งไปไปเผาไหม้ สร้างแก๊สแรงดันสูงเพื่อหมุนอุปกรณ์อย่างกังหันแก๊สหรือ Gas turbine ซึ่งมันต่อตรงเข้ากับปั๊มของเครื่องยนต์ที่จะใช้สูบเชื้อเพลิงเข้าสู่เครื่องยนต์ ในขณะที่แก๊สที่เกิดถึงจะถูกส่งออกจากเครื่องยนต์ทันที ไม่ได้ต่อท่อย้อนกลับเข้าสู่ Combustion chamber ที่สร้างไอพ่นหลักไว้ขับเครื่องยนต์

แต่เจ้าเครื่องรุ่นนี้ก็กลับมีความพิเศษตรงที่ แก๊สที่ไว้หมุน Turbine จะไม่ได้ปล่อยออกจากเครื่องยนต์ในทันทีแต่จะถูกส่งเข้าสู่ท่อ (Manifold) ที่จะต่อเข้ากับส่วนที่บานออก (Diverging) ของ Nozzle ซึ่งที่การออกแบบเป็นแบบนี้เป็นเพราะแก๊สไอเสียที่มาจากการหมุน Turbine มีอุณหภูมิที่ต่ำกว่าแก๊สไอพ่นหลักของเครื่องยนต์ วิศวกรเลยอาศัยประโยชน์ตรงนี้ในการใช้มันเพื่อช่วยเรื่องของการหล่อเย็น ซึ่งก็ยังช่วยเรื่องการเสริมแรงขับได้อีกระดับหนึ่ง

อย่างไรก็ตาม แก๊สไอเสียจากการใช้หมุน Turbine จะถูกจ่ายแบบ Rich mixture ที่ Rich โคตร ๆ เวลาเผาเลยจะเกิดเขม่าปริมาณมาก โดยการที่มัน Rich ได้ขนาดนี้เป็นเพราะต้องการที่จะถนอม Turbine ไม่ให้ร้อนเกินไป โดยหลังจากที่ไอเสียนี้ออกจาก Manifold แก๊สตรงนี้ก็จะไหลออกมาพร้อมกับแก๊สไอพ่นของเครื่องยนต์ ทำให้เราเห็นเขม่าดำ ๆ ออกมาจากท้ายเครื่องยนต์ก่อนที่จะสัมผัสกับอากาศข้างนอกและถูกเผาไหม้ตามไปในที่สุด

SpaceX Merlin — เมื่อพูดถึงเจ้าพ่อระดับตำนานอย่าง F-1 กันไปแล้ว มีหรือที่จะไม่หยิบม้างานที่ยังมีลมหายใจมาพูดถึง จริง ๆ แล้ว Merlin เนี่ยเป็นเครื่องยนต์ที่โดยหลักการแล้วแทบจะเป็น F-1 ย่อขนาด แต่เกิดมาในยุคที่คอมพิวเตอร์มีกำลังการคำนวณที่สูง และมีงานวิจัยทางด้านวิศวกรรมในแขนงต่าง ๆ เพียบพร้อม ประกอบกับการพยายามอัพเกรดจรวด Falcon 9 มาเรื่อย ๆ ทำให้ Merlin ถือเป็นหนึ่งในเครื่องยนต์เชื้อเพลิงน้ำมันก๊าดที่มีประสิทธิภาพสูงที่สุดเท่าที่เคยมีมา

แม้จะบอกว่าแทบจะเหมือนจับ F-1 มาย่อขนาดแต่ระบบต่าง ๆ และสัดส่วนการจ่ายเชื้อเพลิงกลับต่างกันโดยสิ้นเชิง เนื่องด้วยการออกแบบที่ทันสมัยกว่ายุค 1960 ทำให้การจ่ายเชื้อเพลิงจะมีการจ่ายในสัดส่วนที่ได้รับการ Optimize เพื่อรีดประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ให้ได้มากที่สุด ทำให้การจ่ายเขื้อเพลิงแม้จะยังต้องเป็นแบบ Rich เหมือนเดิมแต่สัดส่วนของออกซิเจนเหลวก็มีมากขึ้น ทำให้จะเหลือ RP-1 ออกมาเป็นเขม่าออกมาน้อยลง ทำให้ส่วนที่เป็นสีดำของไอพ่นก็ดูจะมีน้อยลงเช่นกัน ในขณะเดียวกัน Merlin ก็ไม่ได้ต่อ Manifold ไอเสียจาก Turbine เข้าสู่ Nozzle เหมือนกับ F-1 เลยจะยิ่งทำให้เขม่าดำดูน้อยลงไปอีก

RD-107/RD-108 — มาถึงตาของเครื่องยนต์รัสเซียกันบ้าง เครื่องยนต์สองรุ่นนี้เรียกได้ว่าเป็นพี่น้องกันที่อยู่กันมานานตั้งแต่เที่ยวบินแรกของจรว Saturn V ในภารกิจ Apollo 4 ซึ่งระบบของมันก็เรียกได้ว่าแปลกอยู่เหมือนกันที่อยู่รอดมาจนถึงยุคนี้ได้ เพราะแม้มันจะเป็น Gas generator แบบเครื่องยนต์สองรุ่นก่อนหน้าที่อยู่ข้างบน แต่มันกลับอาศัยเทคโนโลยีเดียวกันกับเครื่องยนต์ของจรวด V-2 ของนาซีเยอรมนีที่จะจ่ายไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์หรือ H₂O₂ ไปทำการ Catalysis เพื่อแตกตัวโมโลกุลให้กลายเป็นไอน้ำและออกซิเจน ซึ่งจะเกิดแรงดันสูงก่อนที่จะถูกส่งไปยังกังหันไอน้ำหรือ Steam turbine ที่ต่อตรงกับระบบปั๊ม ซึ่งจะใช้สูบเชื้อเพลิงเข้าสู่เครื่องยนต์ ในเมื่อไม่มีการแบ่งจ่ายเชื้อเพลิงไปหมุน Turbine นั่นก็หมายความได้ว่าเชื้อเพลิงทุกหยดจะถูกส่งเข้าห้องเผาไหม้โดยตรง แต่ก็ยังหนีไม่พ้นการจ่ายเชื้อเพลิงแบบ Rich อยู่ดีเราจึงยังเห็นกลุ่มเขม่าออกมาจากเครื่องยนต์

YF-100 — เราพูดถึง Gas generator กันไปมากพอแล้ว ลองหยิบระบบอื่นมาดูบ้างดีกว่า แต่ก็เหมือนเดิมแหละว่าเขม่าจะเกิดจากการจ่ายเชื้อเพลิงแบบ Rich เหมือนกับเครื่องยนต์ที่เพิ่งเล่าไป โดยตัวเครื่อง YF-100 ของจีนเนี่ยเป็นเครื่องยนต์ที่ใช้ระบบ Staged combustion ที่อยู่ในหมวดของฝั่ง Oxidizer rich แต่เอ๊ะ ตลอดที่เขียนมาเราย้ำมาเสมอว่าต้องจ่ายให้ฝั่งของเชื้อเพลิง Rich นี่ ทำไมถึงมีการจ่ายสารออกซิไดซ์แบบ Rich อยู่ด้วย ก่อนอื่นเลยเครื่องยนต์รุ่นนี้ก็เป็นอีกหนึ่งรุ่นที่ใช้ RP-1 เป็นเชื้อเพลิงทำให้หากเผาแล้วเหลือส่วนที่เป็นเชื้อเพลิงไว้ก็จะเกิดเขม่าขึ้น

ซึ่งเขม่ามันเป็นอนุภาคเล็ก ๆ เวลาต้องจ่ายแก๊สไว้หมุน Turbine ที่ต้องหมุนในระดับหลักหมื่นรอบต่อนาทีมันก็ไม่ต่างอะไรกับการขว้างหินหากำแพงย้ำ ๆ ซึ่งแน่นอนว่ามันสามารถสร้างความเสียหายให้กับใบพัดของ Turbine ได้ การเผาให้เหลือเขม่าน้อยที่สุดด้วยการจ่ายสารออกซิไดซ์แบบ Rich ประกอบกับมันมีประโยชน์ในเรื่องของประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ จึงเพิ่งมาเริ่มได้รับความนิยมในการพัฒนาเครื่องยนต์ยุคหลังแม้จะมีความซับซ้อนมากกว่าเครื่องยนต์แบบ Gas generator แต่สุดท้ายแล้วก็หนีไม้พ้นการจ่ายเชื้อเพลิงแบบ Rich ในส่วนของ Nozzle ที่สร้างไอพ่นขับเคลื่อนอยู่ดี เพราะอย่างที่เล่าไปว่าเป็นเพราะต้องการถนอมไม่ให้ผนัง Nozzle เกิดการสันดาปกับสารออกซิไดซ์ส่วนเกิน

จริง ๆ นอกจากเทคโนโลยีของเครื่องยนต์จรวด เครื่องยนต์เจ็ทก็ต่างใช้น้ำมันก๊าดเป็นเชื้อเพลิงเหมือนกันไม่ว่าจะเป็น Turbofan หรือแม้แต่ Turbojet แต่จะเป็นน้ำมันก๊าดในเกรดที่ไม่ได้บริสุทธิ์เมื่อเทียบกับ RP-1 ในจรวด (ที่ฮาคือจรวดบางรุ่นก็ใช้น้ำมันก๊าดเกรดเครื่องบินเนี่ยแหละ เพราะมันถูกดี) แต่สุดท้ายแล้วไม่ว่าจะเป็นเครื่องยนต์ที่ใช้ในรถ จรวด หรือแม้แต่เครื่องบินก็ล้วนจ่ายเชื้อเพลิงแบบ Rich อยู่ดี ทำให้เราสามารถเห็นเขม่าได้ แม้ในเครื่องบินรบบางรุ่นอย่าง F-22 และ F-35 จะมีการทุ่มงบประมาณไปที่การออกแบบให้เครื่องยนต์สามารถเผาเชื้อเพลิงให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นเพื่อลดการปล่อยเขม่าซึ่งสามารถลด Heat signature ที่สามารถถูกจับได้ในย่านอินฟราเรดซึ่งเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้เครื่องบินพวกนี้สามารถเรียกได้ว่าเป็นเครื่องบิน Stealth

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co