หากให้พูดถึงหลักการทำงานของการสร้างแรงขับของเครื่องยนต์จรวด อาจจะต้องเทียบกับสิ่งที่เรารู้จักกันอยู่แล้ว ทุกวันนี้ในอุตสาหกรรมจรวด เครื่องยนต์จรวดที่มีการใช้งานจริงตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบันล้วนแล้วแต่เป็นเครื่องยนต์ที่มี Nozzle หน้าตาคล้ายระฆังคว่ำ ที่จะมีการสร้างแก๊สแรงดันสูงที่ส่วนต้นของตัว Nozzle ก่อนที่จะถูกบีบโดยอาศัยหลักการทำงานของ Venturi effect ที่หากของไหลไหลเข้าสู่ทางไหลที่มีหน้าตัดเล็กลงจะเพิ่มความเร็วการไหลของของไหลในอุปกรณ์ชิ้นนั้น ในขณะเดียวกันพวกแก๊สแรงดันสูงที่เกิดจากการเผาไหม้จะมีคุณสมบัติที่เรียกว่า Compressible fluid ซึ่งให้เกิด Choked flow ได้
Choked flow นับได้ว่าเป็นปรากฏการณ์อย่างหนึ่งที่สามารถเกิดขึ้นได้กับของไหลในสถานะ Compressible fluid ที่เมื่อถึงจุดจุดหนึ่ง ความเร็วในการไหลจะไม่สามารถถูกเร่งให้มีความเร็วในการไหลมากกว่านี้ได้อีกแล้ว ซึ่งโดยปกติแล้วมันจะถูกจำกัดให้มีความเร็วได้เพียงความเร็วเสียงในสภาพแวดล้อมบริเวณนั้น แน่นอนว่าจากการสร้างแรงของจรวดจะเกิดจากการที่เราพ่นมวลหรืออะไรซักอย่างที่ดูจะมีน้ำหนักออกจากจรวด เพื่อผลักตัวจรวดไปในทิศตรงกันข้ามตามกฎข้อที่สามของ Newton ทีนี้การพ่นมวลที่ความเร็วเสียงหรือ 1 Mach มันดูจะพอหากเทียบกับเครื่องยนต์เจ็ทเครื่องบินเชิงพาณิชย์ทั่วไป แต่มันกลับไม่พอกับจรวดที่ต้องการแรงขับมหาศาลเพื่อผลักจรวดหนีจากแรงโน้มถ่วงนี่สิ
แต่ในโลกใบนี้ เรารู้กันอยู่ว่ามนุษย์ไม่เคยยอมแพ้ต่อข้อจำกัดอะไรพวกนี้ เพราะในเวลาต่อมาก็ได้มีการค้นพ้บว่าหากเราขยายพื้นที่หน้าตัดต่ออกมาจากบริเวณที่ทำให้เกิด Choked flow กลับกลายเป็นว่าความเร็วของแก๊สสามารถเร่งให้ไหลได้เร็วกว่าความเร็วเสียงได้ ทำให้สุดท้ายเราก็สามารถยิงมวลแก๊สที่มีความเร็วระดับ Supersonic ออกมาเพื่อสร้างแรงขับได้ในที่สุด หลักการนี้ได้รับการตั้งชื่อตามผู้คิดค้นของมันในชื่อ de Laval nozzle (Convergent-Divergent nozzle) ซึ่งสร้างประโยชน์อย่างมากต่ออุตสาหกรรมโดยเฉพาะโรงผลิตกำลังสำหรับสร้างพลังงานไฟฟ้า ก่อนที่ต่อมาหลักการนี้จะถูกนำมาประยุกต์กับการพัฒนาจรวดที่ใช้มาอย่างยาวนานจนมาถึงปัจจุบัน
อะไรคือเครื่องยนต์ Aerospike
จริง ๆ เราควรจะสรุปแบบสั้นว่าหลักการทำงานของเครื่องยนต์จรวดทรงระฆังคว่ำมันก็แค่สร้างแก๊สแล้วเร่งให้มันมีความเร็วสูงเพื่อสร้างโมเมนตัมที่มากพอในการผลักจรวดสู่อวกาศ แต่จากที่อธิบายมาสามย่อหน้าถือเป็นเรื่องพื้นฐานที่ควรรู้สำหรับการทำความเข้าใจ Fluid dynamics เพื่อเอาไปใช้ประยุกต์ต่อในโลกของวิศวกรรม เอาเป็นว่ามาดูฝั่งของเครื่องยนต์แบบ Aerospike กันบ้างดีกว่า
หลักการทำงานของเครื่องยนต์แบบ Aerospike เรียกได้ว่าเป็นการต่อยอดมาจากเครื่องยนต์ทรงระฆังคว่ำ แต่ก็ตามชื่อ “Spike” มันต้องมีอะไรซักอย่างแหลม ๆ มาประยุกต์ด้วยกันเข้ากับ Aerodynamic โดยมันจะมีประโยชน์ในการเสริมแรงขับให้กับตัวจรวด โดยดั้งเดิมแล้วมันเป็นแนวคิดของการพยายามนำแก๊สไอพ่นที่ออกมาจากเครื่องยนต์จรวดมาใช้ต่อ ด้วยการตั้งมุม Nozzle หันหากำแพงที่มีทรงคล้ายปลายแหลมในรูปแบบสมมาตร แก๊สไอพ่นตรงนี้จะไปปะทะกับพื้นผิวของชิ้นส่วนดังกล่าว ซึ่งทุก ๆ การชนของโมเลกุลแก๊สจะทำให้เกิดการเปลี่ยนทิศทางการไหล การชนเหลานี้จะสร้างโมเมนตัมเพื่อสร้างแรงขับเพิ่มเติม
ทีนี้จากความแตกต่างของความดันในชั้นบรรยากาศตามระดับความสูง ทำให้ Aerospike มีประโยชน์ที่ต่างกันออกไป โดยที่ระดับความสูงต่ำ จากการที่ความดันของบรรยากาศโดยรอบจะมีความดันที่สูงกว่าไอพ่นของจรวด ทำให้มันมีแรงดันของบรรยากาศบีบไอพ่นให้เข้าหา Spike ที่ถูกรายล้อมไปด้วย Nozzle พวกนี้ ทำให้จากเดิมที่ความดันของมวลอากาศในบริเวณช่วงด้านล่างของตัวจรวดจะมีความดันน้อยกว่าความดันบรรยากาศจะถูกชดเชยด้วยความดันของไอพ่นให้มีค่าที่ใกล้เคียงกับความดันภายนอก ซึ่งเหมือนเป็นการสร้างสมดุลกับ Drag ที่ถูกสร้างโดยความดันบรรยากาศที่กระทำกับด้านบนของตัวจรวด ทำให้ที่ระดับความสูงต่ำแม้มันจะไม่มีผลในเรื่องของแรงขับอย่างมีนัยยะสำคัญแต่มันก็ช่วยลดการเกิดภาวะความดันต่ำของด้านล่างจรวดที่มีแต่จะต้านการเคลื่อนที่ของจรวด
ในส่วนของที่ระดับความสูงที่อยู่สูงขึ้นไป ตรงนี้แหละที่เราจะเห็นความแตกต่างในการสร้างแรงขับระหว่างเครื่องยนต์ทรงระฆังคว่ำและเครื่องยนต์แบบ Aerospike อย่างมีนัยยะสำคัญ ที่ระดับความสูงถัดขึ้นไปเรารู้กันอยู่แล้วความความดันบรรยากาศจะมีแต่น้อยลงไปเรื่อย ๆ ทำให้แรงดันที่จะคอยต้านการขยายตัวของแก๊สไอพ่นก็จะมีแต่น้อยลงไป และจากการขยายตัวในสภาวะความดันต่ำไปจนถึงภาวะสุญญากาศ แก๊สสามารถขยายตัวได้เรื่อย ๆ หากมีอะไรมาปิดกั้นการขยายตัวของแก๊สก็จะสามารถเกิดโมเมนตัมเพื่อสร้างแรงผลักได้อีก ทำให้ Aerospike มีข้อได้เปรียบที่ Nozzle ทรงระฆังคว่ำไม่สามารถทำได้อย่างการมีชิ้นส่วนเสริมมารองรับการขยายตัวของแก๊สเพื่อสร้างขับอีกต่อ
เอาจริงแล้วนิยามของเครื่องยนต์ Aerospike นั้นไม่ตายตัวขนาดนั้น ดังนั้นเราจะลองหนึ่งในหยิบไอเดียที่ได้รับความสนใจมาพูดคุยกันในส่วนต่อจากนี้
แนวคิด Aerospike แม้เคยไม่ Practical แต่ก็ได้รับความสนใจเรื่อยมา
ทีนี้เมื่อสองปีก่อนเราเคยเขียนเกี่ยวกับ Stoke Space ในบทความ รู้จักกับ Stoke Space บริษัทจรวดรายใหม่ที่มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาจรวดท่อนบนเป็นอันดับแรก ว่าบริษัทแห่งนี้มีการนำแนวคิดแบบ Aerospike มาใช้สำหรับจรวดท่อนบนของจรวดของ Stoke แต่แล้ว Stoke ก็ไม่ใช่บริษัทแห่งเดียวในศตวรรษที่ 21 ที่มีแนวคิดในการนำ Aerospike มาใช้กับจรวดระดับวงโคจร เพราะในช่วงเวลาเดียวกันบริษัทอวกาศอีกแห่งอย่าง Blue Origin ก็ได้ออก Paper ที่มีแนวคิดการนำเครื่องยนต์แบบ Aerospike มา Integrate เข้ากับจรวด New Glenn ในฐานะจรวดท่อนบน
เมื่อปี 2022 ทาง Blue Origin ได้ออก Paper ในชื่อ Reusable Upper Stage Rocket with Aerospike Engine ที่มีไอเดียคล้ายกับจรวดท่อนบนของจรวด Nova ของฝั่ง Stoke Space แต่กลับมีไอเดียการออกแบบที่แตกต่างออกไปเล็กน้อย และก็ต้องบอกไว้ก่อนว่า Paper ตัวนี้เป็นเพียง Concept paper ที่เขียนขึ้นเพื่อเป็นไอเดียว่าหากทาง Blue Origin ต้องการพัฒนาท่อนจรวดเครื่องยนต์ Aerospike ขึ้นมาจริง ๆ การออกแบบจะเป็นไปในทิศทางไหน และไม่ได้มีการลงลึกถึงรายละเอียดระดับการคำนวณ Parameter ต่าง ๆ ตั้งแต่ขนาดโดยรวมไปจนถึง Trajectory ของตัวจรวด
แต่จากชื่อ Paper ก็บอกได้ว่าการมันจะออกมาในรูปแบบของท่อนจรวดที่สามารถใช้ซ้ำได้ ซึ่งก็เป็นสิ่งที่บริษัทจรวดหลายแห่งพยายามทำกันอยู่ โดยมีการระบุถึงไอเดียโดยรวมว่ามันจะมีการใช้ Thruster ขนาดเล็กเป็นจำนวนมากตั้งวงกันเป็นวงกลมคล้ายกับการวาง Thruster ของจรวดท่อนบนของ Nova แต่กลับมีความแตกต่างกันตรงที่ Thruster ทั้งหมดจะวางในมุมเอียงที่หากลากเส้นจากจุดกึ่งกลางของ Thruster ตามแนวยาวในแต่ตัว มันจะมาบรรจบกันที่จุดจุดเดียวกันคล้ายกับรูปทรงของโคนไอศครีม ในขณะที่จรวดท่อนบนของจรวด Nova ได้มีการวางให้ Thruster ขนานกันและชี้ด้านท้ายไปที่ด้านล่างของตัวจรวด
การวาง Thruster หันหากันไปที่จุดใดจุดหนึ่งแบบนี้แน่นอนว่าตัว Nozzle จะต้องมีรูปร่างพิเศษที่สามารถรองรับการไหลของแก๊สได้นั่นคือ Scarfed nozzle ซึ่งเป็นการทำให้ Nozzle จากเดิมที่เป็นทรงระฆังแบบสมมาตรรอบแกนมาตัดบางส่วนออกเฉียงทำมุมกับแนวแกน สาเหตุที่ต้องทำแบบนี้เพราะในไอเดียของการออกแบบมีระบุเพิ่มเติมอีกว่าตัวท่อนจรวดจะต้องมีเกราะกันความร้อนในมีลักษณะเหมือนกับส่วนหนึ่งของพื้นผิวทรงกลมสำหรับการฝ่ากลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ ทำให้หากนำ Thruster ไปวางแล้วจะต้องเฉือนเอา Nozzle บางส่วนออกเพื่อให้พลาสมาในชั้นบรรยากาศขณะเสียดสีกับแผ่นเกราะกันความร้อนสามารถไหลผ่านไปสะดวกขึ้น และจากที่มีการทำ Thruster ตามลักษณะที่ได้อธิบายไป เมื่อมองในภาพรวมแล้วพื้นผิวของ Scarfed nozzle ส่วนหนึ่งของ Thruster แต่ละอันจะทำตัวเหมือนเป็นพื้นผิวของส่วนแหลมคล้ายกับลักษณะของเครื่องยนต์แบบ Aerospike
พูดถึงเรื่องของเกราะกันความร้อน ตรงนี้จะมีความคล้ายคลึงกับการออกแบบของจรวด Nova ตรงที่ใต้แผ่นเพราะอาจจะจำเป็นต้องพึ่งพาระบบหล่อเย็นสำหรับการฝ่าเข้าชั้นบรรยากาศ โดยตัวท่อนจรวดอาจจะต้องมีชุด Turbopump สูบเชื้อเพลิงอย่างน้อยหนึ่งชุดเพื่อจ่ายเชื้อเพลิงให้กับ Thruster ที่มีจำนวนอยู่มาก และแม้ไม่ระบุแต่ก็ดูเหมือนว่าระบบของเครื่องยนต์จะมาในลักษณะของ Expander cycle โดยอาจจะใช้ระบบ Turbopump ของ เครื่องยนต์ BE-3U โดยมันเป็นระบบที่จะใช้แก๊สเชื้อเพลิงความดันสูงจากการแลกเปลี่ยนความร้อนและขยายตัวมาหมุน Turbine เพื่อจ่ายสูบเชื้อเพลิงเข้าสู่เครื่องยนต์ โดยใน Paper ได้ระบุว่ามันอาจจะมีการนำแก๊สความดันสูงส่วนนี้มาใช้ประโยชน์ในลักษณะของการเสริมแรงขับจากการแบ่งจ่ายไปออกตามรูเล็ก ๆ ที่วางรอบแผ่นเกราะเป็นวงกลมคล้ายกับการวาง Thruster ซึ่งได้มีการเรียกรูจ่ายแก๊สพวกนี้ว่า Secondary fluid injector
ใน Paper ได้มีการระบุว่าตัวเกราะกันความร้อนจะใช้ Cobalt-based alloy ขึ้นรูป เป็นวัสดุหลัก ส่วนสำหรับ Secondary fluid injetor นอกจากเสริมแรงขับบางส่วนร่วมกับ Thruster หลักของท่อนจรวดแล้วอาจจะสามรถพ่นแก๊สวร้างเป็นชั้นบาง ๆ คลุมพื้นผิวของเกราะอีกชั้นช้างนอกได้ เหมือนฝั่ง Stoke Space ที่เกราะกันความร้อนถูกทำขึ้นจากโลหะโดยระบบหล่อเย็นจะรับความร้อนขณะเสียดสีชั้นบรรยากาศซึ่งจะทำให้สารหล่อเย็นที่เป็นเชื้อเพลิงขยายตัวและเกิดแรงดันซึ่งจะถูกส่งเข้าปั๊มไปสูบเชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิต่ำมาแทนที่เชื้อเพลิงที่เพื่อทำการหล่อเย็นต่อ และเชื้อเพลิงที่ใช้หมุนปั๊มจะถูกส่งออกจากจรวดผ่านรูเล็ก ๆ ของแผ่นเกราะซึ่งแก๊สตรงนี้ยังมีความเย็นและความดันที่มากพอที่จะเกิดเป็นพื้นผิวบาง ๆ ปกคลุมพื้นผิวของเกราะ
อย่างไรก็ตามเมื่อพูดถึงการใช้ซ้ำ และจากไอเดียที่ว่าตัวท่อนจรวดสามารถฝ่ากลับชั้นบรรยากาศเข้ามาได้ ก็ต้องพูดถึงวิธีการเก็บกู้ โดยในไอเดียมีการเขียนไว้ว่าอาจจะทำให้มันสามารถลงจอดบนพื้นในแนวดิ่งได้เหมือนกับจรวดใช้ซ้ำรุ่นอื่น ๆ นั่นแปลว่าตัวท่อนจรวดจำเป็นต้องมีขาสำหรับลงจอดเหมือนกัน แต่ก็ยังไม่มีรายระเอียดที่แน่ชัดว่าขาหรือระบบช่วยลงจอดจะมีกลไกแบบไหน
แต่ที่น่าสนใจคือขณะการลงจอด จากการที่ Thruster ทุกตัวถูกวางให้ชี้หากันไปที่จุดเดียวกัน แล้วมันจะควบคุมตำแหน่งการลงจอดให้แม่นยำอย่างไรทั้งที่ Surface control ก็กลับไม่มี (ในขณะที่ฝั่งของ Stoke space แม้จะไม่มี Surface control จำพวก Flap แต่ก็สามารถอาศัยประโยชน์จากความไม่สมมาตรของแผ่นเกราะผลักตัวท่อยจรวดให้ไหลผ่านอากาศได้) โดยมันจะอาศัยการควบคุมแรงขับของ Thruster ในแต่ละเครื่องแยกกันให้มีแรงรับที่แตกต่างกันกับ Thruster ที่อยู่ฝั่งตรงข้ามเพื่อสร้างแรงผลักให้ท่อนจรวดเคลื่อนที่ไปยังทิศทางที่ต้องการ เพราะอย่าลืมว่าจากการที่ Thruster ถูกวางเอียงแบบนั้น แรงที่เกิดขึ้นส่วนหนึ่งจะถูกส่งไปในแกนตามแนวระดับทำให้มันเสมือนเป็น Reaction control system ในยานอวกาศที่สามารถผลักใหัตัวยานสามารถไปอยู่ในตำแหน่งที่ต้องการได้
จากที่เล่ามายังมีอีกหลายจุดที่ชวนตั้งคำถามและยังมีปัญหาอีกหลายจุดที่ต้องโฟกัสกัน โดยเฉพาะกับปัญหาที่ว่าเครื่องยนต์แบบ Aerospike มีน้ำหนักที่สูงเกินไปเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ทรงระฆัง รวมทั้งการพัฒนาเครื่องยนต์แบบนี้ก็แทบจะต้องพัฒนาท่อนจรวดขึ้นมาใหม่เพื่อใหัท่อนจรวดจะต้องถูกออกแบบใหม่เพื่อใช้สำหรับการฝ่าเข้าชั้นบรรยากาศและต้องมีการลงจอดซึ่งมันจะมี Load มากระทำกับตัวท่อนจรวดที่สูงพอสมควร ทำให้งบประมาณในการพัฒนาจำเป็นต้องใช้เงินทุนมหาศาลขึ้นไปอีก ซึ่งก็ต้องรอดูว่าหาก Blue Origin อยากหยิบไอเดียนี้มาทำจริง ๆ จะมีการพัฒนาออกมาในรูปแบบใดเพื่อให้ New Glenn เข้าใกล้ความเป็นไปได้ในการทำจรวดแบบ Fully reusable
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
