รู้จักกับ Asparagus Staging ฟีเจอร์ที่ถูกตัดออกของ Falcon Heavy

Written by Rockets

เจาะลึกเบื้องหลังการพัฒนาจรวด Falcon Heavy จาก Falcon 9 สู่ Falcon Heavy ที่ใช้ Booster ของ Falcon 9 ถึง 3 ตัวรวมร่างเป็นหนึ่งเดียว อะไรคือสิ่งที่ SpaceX ได้เรียนรู้และต้องแลกไปเพื่อให้ Falcon Heavy กลายเป็นจรวดที่ทรงพลังที่สุดในโลกด้วยแรงยกที่มีกำลังพอจะยกเครื่องบินโดยการขึ้นสู่วงโคจรเลยทีเดียว

ในช่วงที่โลกกำลังตื่นเต้นกับการปรากฏตัวครั้งแรกของ Falcon Heavy จรวดยักษ์พร้อมเครื่องยนต์ 27 ตัว แรงพอที่จะยกเครื่องบินจัมโบเจ็ตขึ้นสู่วงโคจรโลกอย่างสบาย ๆ ความตื่นเต้นนี้คงเทียบได้กับช่วงที่ชาวโลกได้เห็น Saturn V ในปี 1967 จรวดยักษ์ที่ถูกออกแบบมาสำหรับพามนุษย์ขึ้นไปบนดวงจันทร์นี้ถูกใช้งานครั้งสุดท้ายในปี 1973 ก่อนที่จะถูกแทนที่ด้วยกระสวยอวกาศระบบขนส่งอวกาศแบบใหม่ที่ NASA พัฒนาขึ้นมาใช้แทน จรวดหนักยังคงปรากฏให้เห็นจนถึงปัจจุบัน Delta IV Heavy ของ United Launch Aliance ที่ปัจจุบันครองตำแหน่งจรวดที่ทรงพลังที่สุดในโลก มันถูกใช้ในการส่งดาวเทียมขนาดใหญ่ และในปี 2014 มันก็ถูกใช้เป็นจรวดสำหรับส่งยานอวกาศสำหรับคนนั่งที่ชื่อ Orion ของ NASA ที่ยังอยู่ในช่วงการทดสอบและหายเงียบไปหลังจากการทดสอบครั้งนั้น

จรวด Saturn V ในภารกิจ Skylab ที่มา – NASA/KSC

หากสังเกตดูจะพบว่าลักษณะการประกอบของจรวดยุคใหม่ ๆ จะเป็นการนำจรวดลักษณะเดิมมาขนาบข้างมากกว่าการประกอบจรวดเป็นแท่นตรง ๆ ขึ้นไปแล้วสลัดทิ้งทีละส่วน ๆ เหมือนกับจรวดรุ่นก่อน ๆ อย่าง Saturn V ที่เราถูกถึงเมื่อซักครู่ รวมถึงจรวด N-1 ของสหภาพโซเวียตที่เกือบจะได้พาชาวโซเวียตขึ้นไปบนดวงจันทร์

เราเรียกการออกแบบจรวดขนาบข้างแบบนี้ว่า Parallel Staging (จรวดแบบขนาน) ซึ่งแน่นอนว่าก็ต้องมีจรวดแบบอนุกรมเช่นกัน (Serial Staging) วัตถุประสงค์หลักของการทำ Staging ก็เพื่อลดมวลของจรวดลงในขณะที่มันกำลังพาดาวเทียมหรือยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจร (มีแนวคิดที่เรียกว่า SSTO – Single Stage to Orbit ที่จะใช้จรวดท่อนเดียวโดยไม่ต้องสลัดทิ้ง)

จรวด Delta IV Heavy จรวดที่ทรงพลังที่สุดในโลกปัจจุบัน ที่มา – NASA/ULA

Falcon 9 นั้นเป็นจรวดแบบ Serial Staging ที่ประกอบไปด้วย Stage จำนวน 2 Stage ด้วยกัน Stage แรกคือช่วงที่ Falcon 9 พุ่งขึ้น เครื่องยนต์ Merlin Engine ทั้ง 9 ตัวที่จรวดท่อนแรกจะทำงานพา First Stage และ Second Stage (จรวดท่อนบน) ขึ้นสู่ความสูงที่ระดับหนึ่ง จากนั้นเมื่อเชื้อเพลิงหมดหรือใกล้หมด (Falcon 9 สำรองเชื้อเพลิงไว้สำหรับการทำการลงจอด) จรวดท่อนแรกและท่อนที่สองก็จะแยกกัน เราเรียกว่า Stage Seperation จรวดท่อนที่ 2 หรือ Second Stage จะทำการจุดเครื่องยนต์ Merlin Vacuum เพื่อพาดาวเทียมหรือยานอวกาศบินไปยังวงโคจรที่กำหนดก่อนที่จะสลัดดาวเทียมหรือยานอวกาศนั้นออก

นอกจากการทำ Staging ธรรมดาแล้ว ยังมีการทำ “Hot Staging“ คือการจุดเครื่องยนต์ของ Stage ถัดไปก่อนการแยกตัว จรวดที่ทำแบบนี้ส่วนมากจะเป็นจรวดที่ใช้มาเป็นเวลานานเช่นจรวดตระกูล Soyuz ของรัสเซีย เนื่องมาจากในช่วงการออกแบบจรวด พวกเขาไม่แน่ใจว่าจรวดจะสามารถจุดได้ในสภาวะไร้น้ำหนัก หรือความเร่งเป็นศูนย์ (ไม่เกิดความเร่งเนื่องจากไม่มีแรงดันจากจรวดท่อนก่อนหน้า) แต่ภายหลังวิศวกรก็ได้พบแล้วว่าความเฉื่อยของเชื้อเพลิงจากการดันด้วยความเร่งไม่ส่งผลให้เกิดเหตุการณ์ดังกล่าวแต่อย่าใด จรวดรุ่นใหม่ ๆ อย่าง Falcon 9 จึงจุดเครื่องยนต์ Second Stage หลังการแยกตัวประมาณ 1-2 วินาที

ช่องว่างระหว่างจรวด Soyuz ที่ไว้สำหรับ Hot Staging ที่มา – NASA/ROSKOSMOS

การออกแบบจรวดอนุกรมนั้นดูแล้วก็ไม่น่าจะมีปัญหา เพราะเมื่อทำ Staging ไปเรื่อย ๆ น้ำหนักของมันจะลดลง เพราะจรวดท่อนเล็กจะอยู่บนจรวดท่อนใหญ่ และเราก็สลัดจรวดท่อนใหญ่ออกไปก่อน เชื้อเพลิงที่บรรทุกก็จะสมกับขนาดและสัดส่วนของตัวจรวด เป็นอะไรที่ค่อนข้าง Make-Sense แต่มาดูที่จรวดแบบ Parallel หรือแบบขนานที่จรวดขนาบข้างของมันมีแรงยกเท่ากัน (เนื่องจากเป็นจรวดแบบเดียวกัน)

โดยปกติแล้วเวลาที่เราปล่อยจรวดแบบ Parallel ลักษณะของมันจะเป็นเช่นนี้คือจรวด 3 ตัวบินขึ้น เมื่อเวลาผ่านไป จรวดสองข้างจะถูกสลัดออกเหลือแต่จรวดท่อนกลาง (Core Stage หรือ Center Stage) จากนั้นจรวดท่อนกลางก็จะทำหน้าที่ของมันไปซักพักก่อนที่จะทำ Staging อีกครั้งให้จรวดท่อนบน (ที่บรรทุกดาวเทียมหรือยานอวกาศ ต่อไปนี้จะเรียกว่า Upper Stage) พาดาวเทียมหรือยานอวกาศนั้นเดินทางสู่วงโคจรที่กำหนด

ทีนี้ถ้าเราถามว่ากำลังยกของจรวดท่อนแรกทั้งสามท่อนจะเป็นเท่าไหร่หากให้กำลังยกของจรวดเป็น X หลายคนอาจจะตอบว่าก็ต้องได้เป็น 3X สิ … แต่จริง ๆ แล้ว ผิดครับ เราคิดง่าย ๆ แบบนั้นไม่ได้ ถ้าเราให้กำลังยกของ Stage แรกทั้ง 3 ท่อนเป็น 100% กำลังยกที่ได้จะเป็น 3X ถูกต้องครับไม่ผิดเลย แต่เราทำแบบนั้นไม่ได้ เพราะนั่นหมายความว่า “เชื้อเพลิงในจรวดท่อนกลางที่ต้องทำการบินต่อไปอีกซักพักจะหมดพร้อมกับอีกสองท่อนที่ขนาบข้าง”

หมดก่อนแล้วไง ? ไม่เห็นจะเป็นไรเลย .. แต่จริง ๆ แล้วถ้าคุณออกแบบจรวดแบบ Parallel มาอย่างดิบดีแต่จรวดทั้ง 3 ท่อนแรกเชื้อเพลิงหมดพร้อมกันและต้องแยกออกปล่อยให้ Upper Stage พาดาวเทียมหรือยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจร แล้วแบบนั้นคุณจะทำ Parallel มาทำด๋อยอะไรล่ะครับ ก็สู้ออกแบบให้มันเป็น Serial แบบท่อนใหญ่ ๆ ท่อนแรกไปเลยก็จบแล้ว

จริง ๆ วิศวกรก็อยากทำแบบนั้นนั่นแหละ แต่สาเหตุหลักก็คือแนวคิดแบบ Modular Rocket ที่จะต้องลดจำนวนชิ้นส่วนของจรวดให้ได้มากที่สุด เพื่อลดต้นทุนการผลิต Falcon Heavy ก็เช่นกัน SpaceX เพียงแค่ทำการผลิต Falcon 9 แล้วนำมารวมร่างเป็น Falcon Heavy ไม่ต้องผลิตชิ้นส่วนใหม่เยอะ ใช้ของที่มีอยู่แล้ว วิธีแบบนี้ประหยัดกว่ามาก เลยเป็นเหตุผลว่าทำไมปัจจุบันเราแทบจะไม่เห็นจรวดแบบ Saturn V อีกแล้ว

กลับมาที่ปัญหาของเรา วิศวกรแก้ปัญหาเชื้อเพลิงของจรวดท่อนแรกหมดพร้อมกับจรวดท่อนที่ 2 ด้วยปรับการทำงานของเครื่องยนต์ในช่วง Stage แรกของจรวดท่อนกลางเบากว่าจรวดขนาดข้างทั้งสองท่อน นั่นทำให้กำลังยกของ Falcon Heavy และจรวด Parallel รุ่นอื่น ๆ เหลือเพียงแต่ 3X – X(P%) เท่านั้นโดย P% คือร้อยละที่วิศวกรปรับเครื่องยนต์ให้ชดเชย

สิ่งที่เราได้คือเวลาการเดินเครื่องหรือ Burn Duration ที่เพิ่มขึ้น ก็แล้วแต่การออกแบบวงโคจรหรือมวลของดาวเทียมหรือยานอวกาศ ซึ่งก็สามารถทดแทนกันได้ระดับหนึ่ง หลังจากที่จรวดขนาบข้างเชื้อเพลิงหมดและแยกตัวออก จรวดท่อนกลางถึงจะปรับกำลังของเครื่องยนต์ให้เป็น 100% ได้ จนกว่าเชื้อเพลิงของมันจะหมดและมอบหน้าที่ให้กับ Upper Stage ต่อไป

Delta IV ของ ULA ใช้เทคนิคนี้ เพราะดูเหมือนคงไม่มีทางเลือกอื่นแล้ว แต่ SpaecX ไม่หยุดเพียงแค่นั้น ในตอนแรกที่พวกเขาออกแบบ Falcon Heavy พวกเขาจะทำแนวคิดที่เรียกว่า Asparagus Staging มาใช้ ซึ่งเทคนิคนี้จะช่วยให้กำลังยกของ Falcon Heavy เป็น 3X ตลอดเวลาตั้งแต่มันบินขึ้นนั่นหมายความว่า กำลังของ Falcon Heavy จะเรียกได้ว่าเป็นการรวมร่างของ 3 Falcon 9 ที่แท้จริง

ย้อนกลับไปในปี 1947 Mikhail Tikhonravov นักวิทยาศาสตร์จรวดโซเวียตได้ออกไอเดียหลังจากที่เขาได้เห็นจรวด V2 ของเยอรมันหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 ว่า ถ้าเรานำจรวดมาขนาบข้างกัน แล้วใช้เชื้อเพลิงของจรวดขนาบข้างป้อนให้กับจรวดท่อนกลางก่อน พูดง่าย ๆ คือใข้เชื้อพลิงของจรวดท่อนนอกก่อนเมื่อหมดแล้วค่อยสลัดทิ้ง จากนั้นถึงจะใช้เชื้อเพลิงจากจรวดท่อนกลาง (ที่เชื้อเพลิงเหลืออยู่เกือบเต็ม) แนวคิดนี้ถูกนำไปใช้ในการออกแบบ R-3 จรวดขีปนาวุธของโซเวียต อย่างไรก็ตามการออกแบบจรวดแบบนี้ยุ่งยากมาก การเชื่อมถังเชื้อเพลิงของจรวดแต่ละท่อนเข้าด้วยกันนั้นเป็นเรื่องที่ยากลำบาก แนวคิดนี้เหลือเป็นเพียงพิมพ์เขียนในกระดาษ

พัฒนาการของจรวดตระกูล R-7 จนมาถึง Soyuz ในปัจจุบัน ที่มา – NASA Chief Historian: Bill Barry

ต่อมาหลังจากที่เขาได้ร่วมงานกับ Sergei Korolev และทีมนักวิทยาศาสตร์จรวดอื่น ๆ ของโซเวียต พวกเขาได้สร้าง R-7 จรวดแบบ Parallel ลำแรกของโลกขึ้น แนวคิดเกี่ยวกับจรวดขนาบข้างถูกนำมาใช้ ยกเว้นเรื่องการป้อนเชื้อเพลิงระหว่างจรวดแต่ละท่อนต้องถูกถอดออกไป R-7 มีจรวดท่อนกลางเป็นจรวดท่อนใหญ่ และจรวดขนาบข้าง 4 ตัว ที่มีขนาดเล็กกว่า เครื่องยนต์ทุกตัวจะถูกเดิน 100% และเมื่อจรวดขนาบข้างหมดมันจะแยกตัวออก (ภาพที่ปรากฏตอนแยกตัวออกนั้นสวยงามมาก จนมีการตั้งชื่อมันว่า Korolev’s Cross) แนวคิดนี้ถูกใช้มาจนถึงจรวดรัสเซียรุ่นปัจจุบันอย่างโซยุส

Asparagas หรือหน่อไม้ฝรั่ง ที่ปกติแล้วจะมัดเป็นกำ ๆ รวมกัน ที่มา – Pexel

คำว่า Asparagus (หน่อไม้ฝรั่ง) นั้นถูกนำมาใช้เรียกครั้งแรกเมื่อปี 1997 โดย Ed Keith นักวิทยาศาสตร์จรวดเจ้าของหนังสือ Orbital Mechanics: Theory and Applications ด้วยการเปรียบจรวดท่อนนอกเหมือนกับการมัดหน่อไม้ฝรั่งเข้าด้วยกัน คำนี้เป็นที่พูดติดมากในหมู่ผู้เล่นเกม Kerbal Space Program เกมออกแบบจรวดและโครงการอวกาศที่มีหลักฟิสิกส์สมจริงที่สุดเกมนึง และก็น่าเสียดายที่แนวคิด Asparagus หรือการใข้เชื้อพลิงของจรวดท่อนนอกก่อนนี้ปรากฏให้เห็นเพียงแต่ในเกม Kerbal Space Program เท่านั้น ปัจจุบันยังไม่มีจรวดที่ทำแบบนี้ได้

กลับมาที่ Falcon Heavy ในช่วงแรกนั้น Falcon Heavy จะกลายเป็นจรวดรุ่นแรกที่นำแนวคิด Asparagus staging มาใช้ ด้วยการออกแบบให้ Falcon 9 ที่มาประกอบเป็น Falcon Heavy ถ่ายเชื้อเพลิงให้กับจรวดท่อนกลางไปใช้ (Propellant crossfeed) ทำให้แรงขับที่ได้เป็น 3 เท่าของจรวด Falcon 9

จรวด Falcon 9 รุ่นแรก ที่มา – SpaceX

แต่ในปี 2014 SpaceX ได้เปิดตัวจรวด Falcon 9 เวอร์ชั่น 1.1 ซึ่งเป็นการอัพเกรด Falcon 9 ให้แรงขึ้นใหญ่ขึ้นและแน่นอนว่ามีแรงขับที่มากขึ้น แผนการสร้าง Falcon Heavy ก็ต้องรื้อใหม่เช่นกัน จากเดิมที่ Falcon Heavy จะประกอบจาก Falcon 9 รุ่นเก่าจะต้องเปลี่ยนมาเป็น Falcon 9 1.1 (ปัจจุบันอัพเกรดเล็กน้อยให้กลายเป็น Falcon 9 Full Thrust) ในตอนแรกจรวด Falcon Heavy ถูกออกแบบให้มีกำลังยก Payload หนัก 53 ตันขึ้นสู่ Low Earth Orbit แต่ทางวิศวกรได้คำนวนออกมาแล้วว่า Falcon Heavy ที่ประกอบจาก Falcon 9 รุ่นใหม่นั้นจะมีกำลังยก Payload หนัก 63 ตันขึ้นสู่ Low Earth Orbit

การอัพเกรด Falcon 9 นี้แม้จะทำให้แผนการพัฒนา Falcon Heavy ต้องชะงักลงแต่ก็ทำให้ลูกค้าบางเจ้าอย่าง Intelsat และ Inmarsat ที่มีดาวเทียมขนาดใหญ่หนักเกินกว่า 5 ตัน สามารถใช้ Falcon 9 ในการส่งดาวเทียมได้ ไม่ต้องรอ Falcon Heavy (ตอนแรกพวกเขาจอง Flight Falcon Heavy) ไว้

การที่ Falcon Heavy แผนใหม่มีกำลังแรงขึ้นนี้นำมาซึ่งคำถามที่ว่า การทำ Propellant crossfeed หรือ Asparagus staging ยังจำเป็นอยู่หรือเปล่า และคุ้มค่าหรือเปล่ากับการที่ต้องออกแบบระบบกลไกลซับซ้อน เพราะวิศวกรนั้นก็มีงานอื่นอยู่แล้ว จริง ๆ การออกแบบ Falcon Heavy ไม่ได้ง่ายแค่การเอา Falcon 9 มาประกบกัน แต่ต้องมีการคิดถึงเรื่อง Dynamic Pressure ในช่วง Second Stage ที่ Core Booster จะต้องรับ จาก Payload ที่หนักขึ้น หรืออากาศพลศาสตร์ที่เปลี่ยนไปแน่ ๆ ยังไม่รวมการออกแบบโครงที่ยึดระหว่าง Booster แต่ละตัวเข้าด้วยกัน เหตุผลนี้ทำให้เป็นที่ชัดเจนว่า ฟีเจอร์ Asparagus staging จะต้องถูกตัดออกอย่างน่าเสียดาย Elon Musk ได้ทำการทวีตตอบคำถามผู้ที่ถามเรื่อง Asparagus staging ว่า การทำ Asparagus นั้นช่วยได้จริง แต่อาจจะยังไม่จำเป็นสำหรับจรวดแบบ Parallel เพียงแค่ 3 ท่อน

Falcon Heavy คือตัวอย่างของแนวคิดแบบ Modular Rocket ผสมกับ Reusable Rocket ทำให้เราได้จรวดที่สามารถสร้างได้อย่างง่าย และนำกลับมาใช้งานใหม่ได้ เป็นการปูทางสู่การเดินทางสู่อวกาศในอนาคต แม้ในแผนแรกของ SpaceX Falcon Heavy อาจจะยังไม่ใช่ยานอวกาศที่พามนุษย์ไปเหยียบดาวอังคาร แต่ในอนาคตจรวดรุ่นใหม่ของ SpaceX ยังคงอยู่ระหว่างพัฒนาและมีแผนจะบินในช่วงปี 2020 นี้ ก็คงต้องติดตามกันต่อไป

 

อ้างอิง

Don P. Mitchell – The R-7 Rocket

NASA – Rocket Staging

Elon Musk – No cross feed

SpaceX – Falcon Heavy

Orbital Mechanics: Theory and Applications

 

 

Last modified: January 2, 2018

Where Thai Space Nerds Write.
Pichsinee P., I love you forever.