วันที่ 15 ตุลาคม 2026 ตามเวลาสหรัฐฯ Tesla และ SpaceX เปิดตัว Tesla Roadster รุ่นใหม่ ใน Tesla Roadster Event พร้อมสาธิตการใช้ Cold Gas Thruster ช่วยเร่งความเร็ว ยกตัว และหมุนรถกลางอากาศ ก่อนจะพามันกลับลงมาบนพื้น ซึ่งสำหรับคนที่ติดตามรถยนต์ ภาพนี้อาจจะดูเหมือนหลุดออกมาจากภาพยนตร์ไปหน่อย แต่ถ้าเป็นคนที่ดูจรวดกันอยู่แล้ว เราน่าจะคุ้นกับการพ่นก๊าซเป็นจังหวะแบบนี้เป็นอย่างดี
เพราะเราเห็นสิ่งนี้มาแล้วทั้งบนยานอวกาศ บน Falcon 9 ตอนที่จรวดท่อนแรกหมุนตัวกลับหลังแยกท่อน รวมถึงระบบควบคุมท่าของ Starship ที่ต้องทำงานร่วมกับเครื่องยนต์และ Flap เพื่อพายานกลับมาลงจอด เพียงแต่พอมาอยู่บนรถยนต์ เรากลับรู้สึกว่ามันเป็นเทคโนโลยีที่แปลกใหม่ขึ้นมาทันที ทั้งที่หลักฟิสิกส์ก็ยังเป็นชุดเดียวกันนั่นแหละ
แต่สิ่งที่น่าสนใจก็คือ SpaceX มีประสบการณ์กับการควบคุมแรงจากหัวฉีดเหล่านี้ในงานที่ยากมาก ตั้งแต่การทำให้ Falcon 9 หันกลับมาจุดเครื่องยนต์เพื่อกลับฐาน ไปจนถึงการควบคุม Starship ซึ่งต้องเปลี่ยนท่าทางระหว่างการบินอย่างรวดเร็ว และในอนาคตยังต้องนำความรู้เรื่องการควบคุมยานไปใช้กับการลงจอดบนดวงจันทร์ ที่ไม่มีบรรยากาศให้ใช้ช่วยเหมือนบนโลก
ทีนี้ หลายคนอาจจะสงสัยว่า แล้ว Cold Gas Thruster ต่างอะไรกับ Reaction Control System หรือ RCS ที่เราเคยได้ยินกัน ทำไมบางยานพ่นก๊าซออกมาเฉย ๆ แต่บางยานกลับมีไฟ แล้ว SpaceX ทำอะไรกับเทคโนโลยีนี้ไปบ้าง ในบทความนี้เราจะมาไล่ดูตั้งแต่หลักการทำงาน ประวัติศาสตร์ ไปจนถึงวิธีที่ประสบการณ์จากจรวดเดินทางมาอยู่บนรถยนต์กัน
RCS เมื่อยานอวกาศต้องหันให้ถูกทาง
ก่อนจะไปดูหัวฉีดของ SpaceX เราน่าจะต้องทำความเข้าใจกันก่อนว่า ยานอวกาศหันตัวเองได้อย่างไร ซึ่งตรงนี้เราอยากให้ทุกคนนึกถึงลูกโป่งที่เป่าลมแล้วปล่อยออกมาโดยไม่ผูกปาก เราจะเห็นว่าพอลมพุ่งออกไปทางหนึ่ง ลูกโป่งก็เคลื่อนที่ไปอีกทางหนึ่ง หลักการนี้ก็คือการถ่ายโอนโมเมนตัมระหว่างก๊าซที่ถูกปล่อยออกมากับตัวลูกโป่ง และเป็นหลักการเดียวกับที่เราใช้สร้างแรงขับให้ยานอวกาศ
ถ้าเราเปลี่ยนจากลูกโป่งมาเป็นยาน แล้วติดหัวฉีดให้แนวแรงอยู่ห่างจาก Center of Mass แรงที่เกิดขึ้นก็จะทำให้ยานหมุนได้ด้วย ลองนึกถึงการผลักประตู ถ้าผลักตรงลูกบิด ประตูจะหมุนได้ง่ายกว่าการผลักใกล้บานพับ เพราะระยะแขนของแรงต่างกัน ตำแหน่งของหัวฉีดบนยานก็มีผลในลักษณะเดียวกัน เราเรียกผลที่ทำให้เกิดการหมุนนี้ว่า Torque
ระบบที่ใช้หัวฉีดสร้างแรงเพื่อควบคุมท่าและการเคลื่อนที่ของยาน เรียกว่า Reaction Control System หรือ RCS ซึ่งถ้าเลือกพ่นหัวฉีดต่างตำแหน่งกัน เราก็สามารถทำให้ยานก้ม เงย หันซ้ายขวา หรือหมุนรอบแกนตัวเองได้ รวมถึงขยับยานเข้าใกล้หรือถอยออกจากเป้าหมาย งานอย่างการหันเสาอากาศกลับมาหาโลก การจัดแนวก่อนจุดเครื่องยนต์ หรือการเข้าเทียบสถานีอวกาศ จึงเป็นงานที่ระบบนี้เข้ามาช่วย
การใช้ก๊าซควบคุมการเคลื่อนที่มีมาตั้งแต่ยุคแรกของการบินอวกาศ วันที่ 3 มิถุนายน 1965 Ed White ใช้อุปกรณ์ Hand-Held Maneuvering Unit ซึ่งพ่นออกซิเจนอัดแรงดัน ระหว่าง Spacewalk ในภารกิจ Gemini IV ต่อมา Apollo ก็มีหัวฉีด RCS ตามลำตัวสำหรับควบคุมท่าและเคลื่อนที่สัมพันธ์กับยานอีกลำ ส่วน Space Shuttle มีทั้งหัวฉีดหลัก 38 ตัว และหัวฉีด Vernier อีก 6 ตัวสำหรับงานละเอียด กระจายอยู่บริเวณหัวและท้ายยาน รูเล็ก ๆ ที่เราเห็นตามตัวยานจึงมีหน้าที่ของมัน และไม่ได้พ่นพร้อมกันส่ง ๆ ให้ยานหันไปทางไหนก็ได้
RCS กับ Cold Gas Thruster เหมือนกันตรงไหน
ทีนี้ พอเรารู้แล้วว่า RCS ทำหน้าที่อะไร สิ่งที่ต้องแยกต่อก็คือหัวฉีดแต่ละแบบสร้างแรงขึ้นมาอย่างไร เพราะถึงจะเห็นก๊าซพุ่งออกมาเหมือนกัน แต่สิ่งที่เกิดขึ้นก่อนก๊าซออกจากหัวฉีดอาจจะต่างกันมาก
แบบแรกคือ Cold Gas Thruster ซึ่งใช้ก๊าซอัดแรงดัน ปล่อยผ่านวาล์วและ Nozzle เพื่อสร้างแรงขับโดยไม่มีการเผาไหม้ แบบที่สองคือ Monopropellant Thruster ใช้สารขับดันชนิดเดียวทำปฏิกิริยา เช่น การสลาย Hydrazine ผ่าน Catalyst จนได้ก๊าซร้อน ส่วนแบบที่สามคือ Bipropellant Thruster ซึ่งใช้เชื้อเพลิงกับ Oxidizer ทำปฏิกิริยาร่วมกัน ระบบของยาน Apollo และกระสวยอวกาศอยู่ในกลุ่มสองสารขับดัน ขณะที่หัวฉีดไนโตรเจนของ Falcon 9 อยู่ในกลุ่ม Cold Gas
ดังนั้น Cold Gas Thruster กับ RCS จึงเป็นคำที่บอกคนละเรื่องกัน RCS บอกหน้าที่ของระบบ ส่วน Cold Gas บอกวิธีสร้างแรงขับ ลองเทียบกับรถยนต์ เรามีระบบขับเคลื่อนที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้า และมีระบบขับเคลื่อนที่ใช้เครื่องยนต์สันดาป RCS ก็เช่นกัน มันอาจจะใช้หัวฉีดแบบเผาไหม้ หรือใช้ Cold Gas ก็ได้ การที่เราได้ยินสองชื่อนี้เรียกสลับกัน จึงอาจจะเป็นเพราะกำลังพูดถึงอุปกรณ์ชุดเดียวกัน แค่มองคนละส่วนของการทำงาน
ข้อแตกต่างสำคัญอยู่ที่ว่า ระบบที่ใช้ปฏิกิริยาเคมีสามารถเพิ่มพลังงานให้สารขับดันก่อนปล่อยออกมา ทำให้สร้าง Impulse ต่อมวลได้มากขึ้น ส่วน Cold Gas ไม่มีขั้นตอนนั้น จึงมี Specific Impulse ต่ำกว่า แต่ก็ได้ระบบที่เรียบง่าย ไม่ต้องจุดเครื่องยนต์หรือจัดการห้องปฏิกิริยาอุณหภูมิสูง และสามารถออกแบบให้ปล่อยแรงเป็นจังหวะเล็กมาก ๆ ได้ ซึ่งคำว่า Cold ตรงนี้ไม่ได้แปลว่าต้องเอาก๊าซไปแช่เย็นจัดก่อนใช้ และก็ไม่ได้แปลว่าแรงขับต้องเบาเหมือนลมจากพัดลมเสมอไปด้วย
ถ้ามาดูยานอวกาศปัจจุบัน เราจะพบว่าระบบเหล่านี้ยังถูกใช้อยู่ตามความเหมาะสมของแต่ละภารกิจ Dragon ของ SpaceX ใช้ Draco Thruster ที่ทำปฏิกิริยาระหว่าง Monomethylhydrazine กับ Nitrogen Tetroxide ส่วนกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Euclid ของ ESA และส่วน European Service Module ของยาน Orion ก็ใช้ Hydrazine สำหรับการเดินทางและปรับวงโคจร พร้อมกับ Cold Gas Microthruster จำนวน 6 ตัวที่ใช้ไนโตรเจนสำหรับรักษาการชี้กล้องอย่างละเอียด ยานลำเดียวจึงมีระบบหลายแบบได้ เพราะงานที่ต้องทำไม่ได้เหมือนกันทั้งหมด
นอกจากนี้ ดาวเทียมหลายดวงยังใช้ Reaction Wheel ช่วยหันตัว โดยแลกเปลี่ยน Angular Momentum ระหว่างล้อกับตัวยาน ทำให้ไม่ต้องพ่นก๊าซทุกครั้งที่อยากเปลี่ยนทิศ ส่วน Thruster ก็อาจจะรับงานขยับตำแหน่ง ปรับวงโคจร หรือจัดการโมเมนตัมที่สะสมในระบบ ซึ่งจะเลือกใช้อะไรก็ขึ้นอยู่กับว่าต้องการความแม่นยำระดับไหน หมุนเร็วแค่ไหน และต้องทำงานไปอีกนานเท่าไร ไม่ได้มีหัวฉีดแบบเดียวที่เหมาะกับยานทุกลำ
Falcon 9 เมื่อจรวดต้องหันกลับมาลงจอด
ทีนี้มาดู Falcon 9 กัน สิ่งที่ SpaceX ต้องการทำคือ หลังจากจรวดท่อนแรกส่งท่อนสองไปแล้ว แทนที่จะปล่อยให้มันตกลงทะเล ก็อยากให้มันกลับมาลงจอดและใช้งานใหม่ได้ ซึ่งแปลว่าจรวดต้องมีความสามารถควบคุมตัวเองต่อ หลังจากงานส่ง Payload ของมันจบไปแล้ว
ถ้าเป็นภารกิจที่ต้องกลับมาลงใกล้ฐานปล่อย Booster จะต้องหันเครื่องยนต์เพื่อทำ Boostback Burn ลดและย้อนความเร็วตามแนวการบิน แต่ปัญหาก็คือในช่วงหลังแยกท่อน เครื่องยนต์หลักดับอยู่ การเบนหัวเครื่องยนต์ไปมาก็ไม่ได้ทำให้เกิดแรง ส่วน Grid Fin ต้องอาศัยอากาศไหลผ่านจึงจะควบคุมได้ และที่ระดับความสูงนั้นอากาศก็เบาบางมาก จะให้มันทำหน้าที่เหมือนหางเสือเครื่องบินก็ไม่ได้
นี่จึงเป็นช่วงที่ Cold Gas Thruster เข้ามาทำงาน หัวฉีดพ่นไนโตรเจนสร้าง Torque ให้ Booster หมุนกลับมา โดยใช้ประโยชน์จากตำแหน่งหัวฉีดที่อยู่ห่างจาก Center of Mass คู่มือ Falcon User’s Guide ของ SpaceX ระบุการใช้ Nitrogen Gas Thruster สำหรับควบคุมท่อนแรกระหว่างช่วง Coast เพื่อการกู้กลับ รวมถึงใช้ควบคุมท่อนสองด้วย ซึ่งถ้าเราดูภาพการบินช่วงหลังแยกท่อน ก็จะเห็นการพ่นเป็นจังหวะเพื่อจัดท่าจรวดก่อนจุดเครื่องยนต์
หลักฟิสิกส์ของมันอธิบายได้ด้วยสมการแรงขับ F = ṁvₑ + (pₑ − pₐ)Aₑ ส่วนแรกคือโมเมนตัมที่ปล่อยออกไปต่อหน่วยเวลา อีกส่วนคือผลจากความต่างระหว่างแรงดันที่ปลาย Nozzle กับแรงดันภายนอก ก๊าซไหลจากแหล่งแรงดันสูง ขยายตัว และถูกเร่งผ่าน Nozzle จนสร้างแรงกลับมายังจรวด เห็นได้ว่าทั้งหมดนี้เกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องมีเปลวไฟ และไม่ต้องมีอากาศภายนอกให้จรวดเอาไว้ถีบตัวเองด้วย
แต่สิ่งที่ยากกว่าการทำให้จรวดหมุน ก็คือการทำให้มันหยุดหมุนตรงที่เราต้องการ เพราะพอปิดวาล์วแล้ว Booster ไม่ได้หยุดหมุนตามไปด้วย ระบบต้องสร้าง Torque อีกทิศเพื่อเบรกการหมุน ให้เครื่องยนต์หันมาถูกมุมในเวลาที่ต้องจุดติด ระหว่างนั้นเชื้อเพลิงและออกซิเจนเหลวก็ยังเคลื่อนตัวอยู่ในถัง ดังนั้นการควบคุมจึงต้องอาศัยทั้งหัวฉีด เซนเซอร์ แบบจำลอง และซอฟต์แวร์ร่วมกัน แค่พ่นแรง ๆ ให้มันหันกลับมาได้ยังไม่พอ ต้องพากลับมาให้ถูกท่าด้วย
จังหวะ Flip นี้ยังเป็นที่มาของภาพสวย ๆ ที่เราเห็นกันบ่อย ก๊าซจาก Thruster จะปรากฏเป็นก้อน ๆ ของสิ่งที่เรียกว่าพัฟหรือเส้นโค้งรอบ Booster ก่อนจะมีไอพ่นจาก Boostback Burn เพิ่มเข้ามา หากปล่อยช่วงก่อนพระอาทิตย์ขึ้นหรือหลังพระอาทิตย์ตก ก๊าซที่ระดับสูงยังได้รับแสงอาทิตย์ ในขณะที่คนดูบนพื้นอยู่ในความมืด เราจึงเห็นม่านก๊าซสีขาว ฟ้า หรือส้มขยายตัวบนท้องฟ้า ภาพ The Falcon 9 Nebula ที่ NASA เผยแพร่ในปี 2018 อธิบายทั้งไอพ่นจากการแยกท่อนและ Boostback Burn รวมถึงรูปตัว V กลับหัวที่เกิดจากการพ่น Thruster เป็นจังหวะ
Falcon 9 ลงจอดท่อนแรกบนพื้นได้สำเร็จเมื่อวันที่ 21 ธันวาคม 2015 ตามเวลาท้องถิ่นสหรัฐฯ และลงบน Droneship ได้ในวันที่ 8 เมษายน 2016 ซึ่ง Cold Gas Thruster เป็นส่วนหนึ่งของระบบที่ช่วยให้สิ่งนี้เกิดขึ้นได้ หน้าที่ของมันไม่จำเป็นต้องใหญ่ถึงขั้นยกน้ำหนัก Booster ทั้งลำ แค่ช่วยให้เครื่องยนต์อยู่ในท่าที่ถูกต้องเมื่อถึงเวลาทำงาน ก็สำคัญมากแล้ว เพราะเครื่องยนต์แรงแค่ไหน ถ้าหันผิดทางก็ไม่ได้ช่วยให้เราลงจอดตรงที่ต้องการ
Starship นอนลงก่อน แล้วค่อยกลับมาตั้ง
พอมาถึง Starship สิ่งแรก ๆ ที่ทำให้หลายคนตื่นเต้นคือการเห็นยานขนาดใหญ่ดับเครื่องยนต์ นอนลงรับอากาศ แล้วพลิกกลับมาตั้งก่อนลงจอด ซึ่งถ้าใครดูการทดสอบ SN8 เมื่อวันที่ 9 ธันวาคม 2020 น่าจะจำภาพนี้ได้ดี แม้สุดท้ายจะกระแทกพื้นจากแรงดัน Fuel Header Tank ต่ำระหว่าง Landing Burn ก่อนที่ SN15 จะลงจอดสำเร็จในวันที่ 5 พฤษภาคม 2021
การทำงานช่วงนี้ต้องใช้ระบบหลายส่วนร่วมกัน ระหว่างตกแบบ Belly Flop ลำตัวและ Flap ใช้แรงอากาศพลศาสตร์รักษาท่า ส่วน RCS ช่วยจัดท่าในช่วงที่เครื่องยนต์ให้การควบคุมไม่เพียงพอสำหรับ Attitude Control
จากนั้นเมื่อถึง Landing Flip ยานจะจุด Raptor และเบนแนวแรงขับเพื่อสร้าง Torque พลิกกลับมาตั้ง พร้อมชะลอความเร็วลงสู่พื้น หมายความว่าการ Flip ที่เราเห็นเป็นการทำงานของระบบควบคุมทั้งชุด โดย Raptor สร้าง Torque หลักในจังหวะพลิกลงจอด ส่วนหัวฉีดควบคุมท่าก็ทำหน้าที่ในช่วงที่ต้องใช้มัน ซึ่ง SpaceX ระบุในการทดสอบ SN15 ชัดเจนว่า Raptor จุดติดอีกครั้งเพื่อทำ Landing Flip ดังนั้นถ้าเราดูแค่กลุ่มก้อนของก๊าซแล้วคิดว่ามันเป็นตัวพลิกยานทั้งหมด ก็จะพลาดบทบาทของเครื่องยนต์ไป ซึ่งสำคัญมากกว่านั่นเอง
ไอเดียของ Starship ก๊าซที่จะทิ้งก็เอามาใช้ก่อน
ทีนี้ การเอาระบบแบบ Falcon 9 มาขยายให้ใหญ่ขึ้นอาจจะไม่ใช่คำตอบที่ SpaceX ต้องการเสมอไป บริษัทเคยพิจารณา Hot Gas Thruster ที่ใช้ปฏิกิริยาเคมีสร้างแรงขับ แต่ระหว่างการพาชม Starbase กับ Tim Dodd แห่ง Everyday Astronaut ในปี 2021 Starbase Tour with Elon Musk นั้น Musk อธิบายอีกแนวทางหนึ่งขึ้นมา คือถ้าตัวจรวดมีถัง Propellant ขนาดใหญ่อยู่แล้ว และมีก๊าซที่ต้องระบายอยู่แล้ว เราจะใช้ก๊าซนั้นควบคุมท่าไปเลยได้ไหม ซึ่งต่อมา Musk เล่าว่า ไอเดียที่จะใช้แนวทางนี้กับ Booster ด้วยเกิดขึ้นระหว่างการสนทนาครั้งนั้นนั่นเอง
โดยก๊าซที่ Elon Musk ว่าคือ Ullage Gas หรือก๊าซเหนือผิว Propellant ภายในถัง Starship ใช้ Autogenous Pressurization ซึ่งนำก๊าซของ Propellant เองมารักษาแรงดันในถัง เมื่อใช้ Propellant ไปแล้วและต้องลดแรงดันลง ก็จะมีก๊าซบางส่วนที่ต้องระบายออก ทีนี้ถ้าเราจัดทางออกให้มันสร้างแรงในทิศที่ต้องการ ก๊าซที่จะทิ้งอยู่แล้วก็ช่วยทำ Attitude Control และการเปลี่ยนความเร็วขนาดเล็กได้ด้วย หลักการก็คือ ไหน ๆ มันจะออกจากยานอยู่แล้ว ก็ให้มันช่วยทำงานก่อนนั่นแหละ
แต่ Dodd ก็ถามต่อในการสัมภาษณ์ปี 2022 ว่า แล้วเวลาที่ยานอยากหมุนตัวหรือเข้าเทียบยานอีกลำ จะตรงกับเวลาที่ถังอยากระบายก๊าซเสมอหรือเปล่า ซึ่งเป็นข้อสังเกตสำคัญ เพราะเราไม่สามารถบอกให้ยานรอจนกว่าถังจะพร้อมระบายแล้วค่อยเลี้ยวได้ Musk อธิบายว่า หลังขึ้นสู่อวกาศ ถังหลักยังมีแรงดันเกินกว่าที่ต้องรักษาไว้สำหรับการกลับเข้าบรรยากาศ ขณะที่การ Deorbit และ Landing Burn ใช้ Header Tank จึงมีก๊าซจากถังหลักให้ใช้ก่อนลดแรงดันลงตามแผน
ความน่าสนใจของการออกแบบนี้คือการทำให้สองหน้าที่ใช้ระบบร่วมกันได้ งานหนึ่งคือจัดการแรงดันถัง อีกงานคือสร้างแรงควบคุมท่า ถ้าใช้ก๊าซและทางระบายเดียวกันช่วยทำทั้งสองอย่างได้ ก็ลดมวลและอุปกรณ์เฉพาะกิจลง เพียงแต่แหล่งก๊าซ แรงดัน และอุณหภูมิจะต่างจากระบบไนโตรเจนแยกของ Falcon 9 ดังนั้นตรงนี้จึงเป็นพัฒนาการของ RCS บน Starship ที่เปลี่ยนวิธีจ่ายก๊าซและรวมระบบเข้าด้วยกัน และเป็นแนวทางที่อธิบายในช่วงพัฒนานั้น รายละเอียดของยานแต่ละรุ่นก็ยังต้องดูแยกกันอีกที
เมื่อ Starship ต้องไปลงบนดวงจันทร์ในรูปแบบ Starship HLS โจทย์เรื่องการควบคุมท่าจะต่างออกไปอีก เพราะไม่มีบรรยากาศให้ใช้ Flap ช่วย และไม่มีช่วง Belly Flop แบบการกลับโลก ยานต้องใช้แรงขับและระบบควบคุมท่าจัดการทั้งการเคลื่อนที่ การหมุน และผลจาก Propellant ภายในถัง จะอาศัยการนอนรับอากาศให้ช่วยชะลอก่อนเหมือนบนโลกก็ไม่ได้ เพราะอากาศที่ว่านั้นไม่มี
NASA ระบุว่าข้อมูลการบินของ Starship ยังใช้ศึกษาว่า Propellant ที่เคลื่อนตัวหลังดับเครื่องยนต์มีผลต่อเสถียรภาพและหัวฉีดควบคุมท่าอย่างไรด้วย ซึ่งประสบการณ์จาก Falcon 9 และการ Flip บนโลกจึงช่วยสะสมความเข้าใจสำหรับงานเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์หลักที่ลดระดับและหยุดยานกับ RCS มีหน้าที่ต่างกัน เราไม่ได้กำลังจะใช้ Cold Gas Thruster แบบ Falcon 9 รับน้ำหนัก Starship ลงบนดวงจันทร์ทั้งหมด แต่ต้องทำให้ระบบแรงขับและระบบควบคุมท่าทำงานร่วมกันได้ในสภาพที่ไม่มีอากาศช่วยเลย
อีกหนึ่งหัวใจสำคัญของระบบ Cold Gas Thruster คือถัง COPV
อีกหนึ่งหัวใจสำคัญของระบบ Cold Gas Thruster คือถัง COPV หรือ Composite Overwrapped Pressure Vessel ซึ่งทำหน้าที่เก็บก๊าซแรงดันสูงไว้สำหรับจ่ายให้หัวฉีด เพราะถึงเราจะออกแบบ Nozzle ได้ดีแค่ไหน แต่ถ้าไม่มีก๊าซให้พ่น ระบบก็ทำงานไม่ได้ ลองนึกถึงถังลมของเครื่องปั๊มลมตามร้านซ่อมรถ หลักการพื้นฐานก็คือการอัดก๊าซเก็บไว้ แล้วค่อยเปิดวาล์วนำมาใช้งานเหมือนกัน เพียงแต่พอจะเอาขึ้นไปอยู่บนจรวด เราไม่ได้อยากได้แค่ถังที่ทนแรงดันได้ แต่ต้องเบาด้วย ไม่อย่างนั้นน้ำหนักที่ประหยัดจากการใช้ระบบหัวฉีดเรียบง่าย ก็อาจจะกลับมาอยู่ที่ถังเสียหมด
ทีนี้ ถัง COPV ต่างจากถังโลหะทั่วไปอย่างไร โดยทั่วไปมันประกอบด้วยชั้นด้านในที่เรียกว่า Liner ซึ่งอาจทำจากโลหะหรือ Polymer ทำหน้าที่กักเก็บก๊าซและป้องกันการซึมผ่าน ส่วนด้านนอกจะพันด้วยเส้นใยความแข็งแรงสูง เช่น Carbon Fiber ร่วมกับ Resin เพื่อรับแรงที่เกิดจากแรงดันภายใน ถ้าจะเปรียบเทียบให้เห็นภาพ ชั้นด้านในก็เหมือนภาชนะที่ช่วยไม่ให้ของรั่ว ส่วนเส้นใยด้านนอกช่วยรับแรงที่พยายามดันถังให้ขยายออก โดยทั้งสองส่วนต้องถูกออกแบบให้ทำงานร่วมกัน ไม่ใช่เอา Carbon Fiber มาพันให้ดูเป็นของอวกาศเฉย ๆ
ข้อดีของการแบ่งหน้าที่แบบนี้คือ เราไม่จำเป็นต้องเพิ่มความหนาของโลหะเพื่อรับแรงทั้งหมด แต่ใช้ความแข็งแรงของเส้นใยมาช่วย ทำให้ถังมีน้ำหนักต่ำกว่าถังโลหะล้วนที่ออกแบบสำหรับงานเทียบเคียงกันได้ ซึ่งสำคัญมากกับระบบ Cold Gas เพราะมันต้องพกมวลก๊าซที่จะใช้ไปด้วยอยู่แล้ว ถ้าเก็บก๊าซได้มากขึ้นในพื้นที่จำกัด โดยไม่เพิ่มน้ำหนักถังมากเกินไป ก็ช่วยให้มีงบก๊าซสำหรับควบคุมยานมากขึ้น อย่างไรก็ตาม การเพิ่มแรงดันไม่ได้ทำให้หัวฉีดแรงขึ้นตามสัดส่วนเสมอไป เพราะยังขึ้นอยู่กับ Pressure Regulator วาล์ว และ Nozzle ที่อยู่ถัดจากถังด้วย
แต่ถังที่ดูเหมือนแค่ภาชนะพันเส้นใยนี้ก็มีรายละเอียดทางวิศวกรรมอยู่มาก ทั้งทิศทางการพัน คุณภาพของวัสดุ ความเสียหายภายใน และพฤติกรรมเมื่ออัดและปล่อยแรงดันซ้ำ ๆ จึงต้องผ่านการวิเคราะห์และทดสอบอย่างจริงจัง สำหรับ Roadster ซึ่ง Tesla ระบุว่าใช้ถังแรงดันสูงสองใบ ปริมาตรรวม 600 ลิตร เก็บอากาศประมาณ 250 กิโลกรัม ถังจึงเป็นส่วนที่ทำให้หัวฉีดมีอากาศปริมาณมากพร้อมใช้งานในช่วงสั้นได้ พอเราเห็นรถพ่นก๊าซแล้วกระโดดขึ้นมา สิ่งที่ทำงานจึงไม่ได้มีแค่หัวฉีดตรงท้ายรถ แต่รวมถึงภาชนะที่ต้องเก็บก๊าซทั้งหมดนั้นไว้ให้ได้ก่อนด้วย
Tesla Roadster จากคำสัญญาปี 2018 สู่รถพ่นก๊าซปี 2026
จริง ๆ Musk พูดถึงการใช้ Cold Gas Thruster กับรถยนต์มาตั้งแต่เดือนมิถุนายน 2018 แล้ว โดยเขาระบุว่า SpaceX Package ของ Roadster อาจจะมีหัวฉีดประมาณสิบตัวรอบรถ เพื่อช่วยการเร่ง เบรก และเข้าโค้ง รวมถึงอาจทำให้รถบินได้ช่วงสั้น ๆ ด้วย ซึ่งแนวคิดนี้มีมาก่อนการทดสอบ Belly Flop ของ Starship เสียอีก เพียงแต่กว่าจะได้เห็นสาธิตจริงก็ต้องรอมาถึงปี 2026 ระหว่างนั้นฝั่งจรวดก็ได้ลองพลิกตัวกันไปก่อนหลายรอบแล้ว
ทีนี้มาดูว่าบนรถที่นำมาสาธิตมีอะไรบ้าง ในงาน Tesla Roadster Event Musk อธิบายว่ามีทั้ง Attitude Control Thruster และหัวฉีดหลักด้านท้าย ส่วน Lars Moravy ผู้บริหารฝ่ายวิศวกรรมยานยนต์ระบุว่า ระบบที่สาธิตใช้หัวฉีด 10 ตัว รับอากาศจากถังแรงดันสูงสองใบ ปริมาตรรวม 600 ลิตร ซึ่งเก็บอากาศประมาณ 250 กิโลกรัม โดยหัวฉีดด้านท้ายสี่ตัวสร้างแรงขับรวมมากกว่า 80 กิโลนิวตันตามคำประกาศบนเวที
ตัวเลขสิบตัวนี้เป็นชุดเต็มสำหรับความสามารถด้านการบิน Tesla แบ่ง Roadster เป็น Performance ซึ่งไม่มีชุด Thruster, Thrust ที่เพิ่มหัวฉีดด้านท้ายเพื่อช่วยเร่งรถ และ Rocket ที่มีหัวฉีดรอบตัวสำหรับการเคลื่อนที่และควบคุมท่ากลางอากาศ ดังนั้นจะพูดว่า Roadster มีหัวฉีดสิบตัวทุกคันก็ไม่ได้ ต้องดูว่าเป็น Configuration ไหนด้วย รุ่น Rocket มีทั้งส่วนที่ผลักไปข้างหน้าและส่วนที่ช่วยยกหรือหมุนตัว คล้ายกับการแบ่งงานระหว่างเครื่องยนต์หลักกับ RCS บนยานอวกาศ
เหตุผลที่ Thruster ช่วยเร่งรถได้มาก เราอยากให้ลองนึกถึงเวลารถออกตัวแรง ๆ แล้วล้อหมุนฟรี ต่อให้มอเตอร์มีกำลังเหลือ ถ้ายางส่งแรงลงพื้นไม่ได้ รถก็ไม่ได้พุ่งไปตามกำลังทั้งหมดที่เรามี แต่หัวฉีดปล่อยก๊าซไปด้านหลังแล้วสร้างแรงกับตัวรถโดยตรง จึงเพิ่มแรงเร่งที่ไม่ต้องส่งผ่านหน้ายางทั้งหมด ส่วนหัวฉีดรอบรถก็ใช้หลัก Torque แบบที่อธิบายไปก่อนหน้า เลือกพ่นต่างตำแหน่งและต่างจังหวะเพื่อเริ่มหรือหยุดการหมุน เป็นฟิสิกส์ชุดเดียวกับจรวด แค่คราวนี้สิ่งที่เรากำลังหมุนมีล้ออยู่ด้วย
Moravy ยังชี้ให้ดูปรากฎการณ์ Mach Diamonds ในไอพ่นด้านท้าย และระบุว่าก๊าซออกด้วยความเร็วเหนือเสียง ซึ่งถ้าใครยังนึกภาพ Cold Gas ว่าเป็นแค่ลมเบา ๆ ตรงนี้ก็น่าจะช่วยให้เห็นภาพใหม่ได้ การไม่มีการเผาไหม้ไม่ได้แปลว่าก๊าซจะไหลเร็วไม่ได้ หากมีแรงดันและ Nozzle เหมาะสมก็สร้างแรงขับสูงในช่วงสั้นได้ ส่วนรูปแบบการอัดและขยายตัวของกระแสก๊าซก็ขึ้นอยู่กับแรงดันไอพ่นเมื่อเทียบกับบรรยากาศภายนอก
นอกจากนี้ Roadster ยังมีพัดลมใต้ท้องรถสร้างแรงกดด้วยระบบ Suction ช่วยให้ยางรับแรงและเกาะพื้นได้ดีขึ้น รวมถึงทำให้รถเกาะทางลาดกลับหัวในการสาธิตด้วย พอรถออกจากทางลาดจึงเป็นหน้าที่ของชุด Thruster ในการช่วยเคลื่อนที่และหมุนตัว หมายความว่าภาพที่เราเห็นไม่ได้เกิดจากการพ่นก๊าซเพียงอย่างเดียว แต่เป็นการทำงานร่วมกันของมอเตอร์ ล้อ ระบบอากาศพลศาสตร์ พัดลม และหัวฉีดก๊าซ คล้ายกับ Falcon 9 ที่ต้องใช้ Thruster, Grid Fin และเครื่องยนต์คนละช่วงของการบิน
แน่นอนว่าอากาศในถังมีจำกัด และยิ่งต้องการแรงขับมากก็ยิ่งใช้อากาศเร็ว Musk ระบุว่ารถสามารถเติมอากาศกลับเข้าถังได้ แต่การอัดอากาศก็ต้องใช้พลังงานและเวลาอยู่ดี รายละเอียดอย่างบินได้นานเท่าไรต่อการเติมหนึ่งครั้ง แต่ละหัวฉีดใช้อากาศเท่าไร และต้องรอนานแค่ไหนก่อนทำซ้ำ ยังสรุปจากตัวเลขในงานเปิดตัวเพียงอย่างเดียวไม่ได้ สิ่งที่แสดงให้เห็นในปี 2026 คือการพารถออกจากพื้นและควบคุมการเคลื่อนที่ช่วงสั้น ส่วนการผลิตจริง Tesla วางเป้าหมายไว้ในปี 2028
สิ่งที่เราอยากให้สังเกตจากเรื่องนี้ก็คือ ตั้งแต่ลูกโป่งที่ปล่อยลมออก จรวดที่พลิกกลับมาจุดเครื่องยนต์ ไปจนถึงรถยนต์ที่หมุนตัวกลางอากาศ ทั้งหมดใช้หลักการเรื่องแรงและโมเมนตัมร่วมกัน ความยากอยู่ที่การทำให้แรงนั้นเกิดขึ้นตรงตำแหน่ง ในปริมาณ และในเวลาที่เราต้องการ ซึ่ง SpaceX สะสมประสบการณ์จากการพา Falcon 9 กลับมาลงจอด และการควบคุม Starship มาใช้กับโจทย์เหล่านี้ ส่วน Roadster ก็ทำให้เราเห็นว่า หลักฟิสิกส์ที่คุ้นเคยอาจพาไปสู่อุปกรณ์ที่หน้าตาต่างออกไปได้มาก แค่เปลี่ยนจากจรวดที่อยากกลับบ้าน มาเป็นรถที่อยากลองออกจากพื้นบ้างนั่นเอง
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
