ทำไมตอนจรวด Falcon 9 ลงจอดถังเชื้อเพลิงของจรวดถึงเปลี่ยนสี

หลาย ๆ คนอาจจะติดตามดูการปล่อยของจรวด Falcon 9 กันตลอดซึ่งจรวด Falcon 9 แยกเป็นสามส่วนคือ First Stage Booster ซึ่งเป็นส่วนที่จะพาจรวดออกจากชั้นบรรยากาศของโลกแล้วจากนั้นจึงกลับมาลงจอดที่ฐานลงจอดไม่ว่าจะเป็นที่ Landing Site ในฝั่งหรือ Drone Ship ในทะเล ส่วน Second stage ก็จะพาส่วน Payload ไปต่อเพื่อทำ Orbit insertion หรือการเข้าสู่วงโคจรนั้นเอง ซึ่งหลาย ๆ คนเองอาจจะไม่ได้สังเกตว่าส่วนของ First Stage Booster นั้นมี Body เป็นสีขาวส่วนของ Landing legs เป็นสีดำ

แต่ตอนมันกลับมาลงจอด Body ส่วนล่างดันกลายเป็นสีดำซะงั้นแถมยังมีลวดลายเป็นรูปสามเหลี่ยมสีขาวอีกด้วยแล้ว Body ข้างบนก็ยังเป็นสีขาวตามเดิมอีกทำไมมันไม่เป็นสีดำทั้ง Booster ละ เกิดอะไรขึ้นกันนะ เรื่องนี้ SpaceX ไม่ได้หลอกเราแต่อย่างใดเพราะว่ามันเปลี่ยนสีจริง ๆ และสามารถอธิบายได้ด้วยหลักการทางเคมีง่าย ๆ นั้นก็คือเขม่านั้นเอง

เพราะว่า Falcon 9 ใช้เชื้อเพลงที่เรียกว่า RP-1 (Refined Petroleum-1) ซึ่งเป็น Kerosene ที่บริสุทธิ์มาก ๆ (Highly Refined Kerosene) และใช้ออกซิเจนเหลว (LOX) เป็น Oxidizer ในการเผาไหม้ซึ่งปฎิกิริยาสันดาประหว่าง LOX และ RP-1 เราจะได้อนุภาคคาร์บอนที่ไม่บริสุทธิ์ (Impure Carbon Particles) และมีขนาดเล็กมาก ๆ เป็นผลมาจากปฎิกิริยา Thermal Decomposition ที่เรียกว่า Pyrolysis ซึ่งเป็นปฎิกิริยาเดียวกับการที่เราเผาเชื้อเพลิงแบบ Carbon-based อย่างถ่านหิน ดีเซล น้ำมันเชื้อเพลิงต่าง ๆ หรือไม้ซึ่งจะได้ Product หรือ Residue สุดท้ายเป็น Carbon อย่างเช่นในรถยนต์ท่อไอเสียก็จะปล่อยอนุภาคคาร์บอนที่ไม่บริสุทธิ์นี้ออกมาเป็นระยะเช่นกันจากการสันดาปในเครื่องยนต์ซึ่งเราก็จะเห็นคาร์บอนเหล่านั้นที่ลอยออกมาเป็นควันดำ ๆ ปฎิกิริยาที่กล่าวมานี้ก็เกิดขึ้นในจรวดเกือบทุกชนิดเช่นกัน

แต่ที่จรวด Falcon 9 ไม่เปลี่ยนสีตอนที่กำลังเพิ่มระดับหรือออกจากชั้นบรรยากาศก็เพราะว่าขณะที่จรวดจุดเครื่องยนต์เพื่อดันตัวเองขึ้นจากผิวโลก จรวดจะมีความเร็วเวกเตอร์ไปข้างบนตามแนวแกน Y ส่วนเปลวเพลิงของจรวดจะกลับทิศทางกลับความเร็วของจรวดมีเวกเตอร์ลงข้างล่างซึ่งสร้างแร็งผลักตามกฎข้อที่สามของนิวตันทำให้จรวดพุ่งขึ้นข้างบนได้ ซึ่งเขม่าจากการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ก็มีความเร็วไปข้างล่างเช่นกันและถูกผลักออกจากตัวจรวดไปตามเปลวเพลิงของเครื่องยนต์ทำให้เขม่าจากการเผาไหม้ถูกผลักออกจากตัวจรวดหมด

แต่ความสกปรกมันเริ่มตอนที่จรวด First Stage Booster กำลังจะกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก First Stage Booster จะทำการจุดเครื่องยนต์สองครั้ง ครั้งแรกเรียกว่า Entry burn ด้วยการจุดเครื่องยนต์ Merlin 3 ตัวเพื่อชะลอความเร็วของจรวดในการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกซึ่งจำเป็นต่อการลดอุณหภูมิที่เกิดจากการเสียดสีกับชั้นบรรยากาศของโลกและเพื่อป้องกันไม่ให้อนุภาคในชั้นบรรยากาศถูกพัดอัดเข้าไปข้างในเครื่องยนต์

ครั้งนี้จรวดกำลงพุ่งลงโลกมีความเร็วและเวกเตอร์ลงข้างล่างตามแนวแกน Y และเมื่อเครื่องยนต์ถูกจุดแรงที่เครื่องยนต์สร้างก็มีเวกเตอร์ลงข้างล่างเช่นกันแต่รอบนี้จรวดกำลังเข้าสู่ชั้นบรรยากาศที่จะค่อย ๆ มีความดันบรรยากาศเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ นั้นหมายถึงจะมีลมพัดขึ้นมาเรื่อย ๆ คล้าย ๆ กับเวลาเรากระโดดจากที่สูงก็จะมีลมตีหน้าหรือเวลาเราวิ่งก็เช่นกันเป็นผลมาจากการอัดอากาศ แรง Aerodynamics ที่เกิดขึ้นนี้จะพัดทุกอย่างเข้าจรวดแต่เพราะว่ามีเปลวเพลงเครื่องยนต์ที่จุดไว้เพื่อกันอนุภาคอากาศเหล่านี้ไม่ให้เข้าไปในเครื่องยนต์แรงนี้จะผลักอนุภาคเหล่านี้ไปด้านข้างจรวดแทนซึ่งรวมถึงเปลวเพลิงและเขม่าจากการสันดาปด้วย จากรูปเราจะเห็นได้ว่าอนุภาคที่ว่าจะถูกผลักออกด้านข้างรวมถึงเขม่าที่เป็น Carbon และมีสีดำด้วย แล้วเขม่านี้เองที่มันไปติดกับ Body ด้านข้างจรวดทำให้ Body จรวดเริ่มเปลี่ยนสีกลายเป็นสีดำ

หลัง Entry burn จรวด Falcon 9 จะต้องจุดเครื่องยนต์ Merlin อีกครั้งเพื่อทำ Propulsive Landing ซึ่งส่วนใหญ่จุดเพียงแค่ตัวเดียวเท่านั้นและนั้นก็ทำให้เขม่ายิงไปติดด้านข้างเพิ่มขึ้นอีกเช่นกันแต่ก็ยังไม่เท่าตอนทำ Entry burn

ซึ่งหลาย ๆ คนก็อาจจะสังเกตได้ว่ามันดันมีส่วนที่เป็นสามเหลี่ยมสีขาว ๆ ซะสวยงามเชียว ทำไมมันถึงไม่เป็นสีดำเหมือน Body ละ นั้นเป็นเพราะว่าระหว่างการทำ Entry burn สวนที่เป็นสีขาว ๆ ที่เห็นนั้นถูกขาลงจอดหรือ Landing legs บังเอาไว้อยู่เพราะตอนทำ Entry burn ขาลงจอดจะยังไม่กางทำให้มันเหมือนเป็นเกราะป้องกันเขม่าไปแล้วมันจึงมากางตอนที่จะลงจอดซึ่งถึงตอนนั้นเขม่าส่วนใหญ่ก็มีน้อยมากแล้วทำให้มันมีสีขาว

แต่ แล้วทำไมส่วนบนมันยังเป็นสีขาวอยู่ทำไมไม่เป็นสีดำทั้งจรวดละ

นั้นเป็นเพราะว่าส่วนที่เป็นสีขาวนั้นคือถังเชื้อเพลิงของ LOX หรือออกซิเจนเหลวส่วนที่เป็นสีดำข้างล่างคือถังของ RP-1 เชื้อเพลิง RP-1 ซึ่งเป็นถังข้างล่างที่เป็นสีดำจะถูกลดอุณหภูมิไปถึง -7 องศาเซลเซียสต่างกับออกซิเจนมีจุดเดือดที่ -183 องศาเซลเซียสแต่เพราะว่า SpaceX ต้องการจะเพิ่มประสิทธิภาพด้วยการลดความหนาแน่นของออกซิเจนเหลวและอัดออกซิเจนเหลวเข้าไปเพิ่มเลยลดอุณหภูมิไปที่ -203 องศาเซลเซียสซะเลย (จุดแข็งตัวของออกซิเจนคือ -219 องศาเซลเซียส นับได้ว่าเกือบเป็นออกซิเจนแข็งแล้ว) ที่อุณหภูมิเท่านี้นั้น ผนังของถังเชื้อเพลิงจะเย็นมาก ๆ ทำให้มีน้ำมาควบแน่นด้านข้างจรวดเป็นหยดน้ำแต่เพราะว่ามันเย็นมาก ๆ แทนที่จะเป็นหยดน้ำมันดันกลายเป็นน้ำแข็งแทนแต่เพราะว่าจรวดเป็นสีขาวเราเลยไม่เห็นว่ามันมีน้ำแข็งเกาะอยู่เท่านั้นเอง

จากภาพนี้เราจะเห็นส่วนของถังเชื้อเพลิง LOX ซึ่งมีแผ่นน้ำแข็ง (ย้ำว่าแผ่นน้ำแข็งเพราะว่ารอบนอกถังเชื้อเพลิงตรงนั้นคือน้ำแข็งที่มาเกาะหมดเลย) พร้อมกับเศษของน้ำแข็งที่ร่วงออกมาจากถังเชื้อเพลิง ซึ่งเจ้าน้ำแข็งนี่มันก็จะเกาะกับจรวดตั้งแต่ปล่อยยันกลับมาลงจอดเลยเพราะว่ามันหนามากบวกกับที่ Falcon 9 ระหว่างการกลับโลกจะยังมีออกซิเจนเหลวเหลือไว้ในถังเชื้อเพลิงสำหรับการทำ Propulsive Landing อยู่ทำให้ถังเชื้อเพลิงก็ยังเย็นอยู่ในระดับที่น้ำแข็งไม่ละลายนั้นเอง ระหว่างการทำ Entry burn นั้นเอง แผ่นน้ำแข็งเหล่านี้ป้องกันไม่ให้เขม่าจากเครื่องยนต์ลอยมาติดส่วนที่เป็นถังออกซิเจนเหลวแต่ส่วนบนขึ้นไปอีกที่เป็นส่วน Separator ซึ่งเอาไว้ต่อกับ Second Stage อาจจะมีอุณหภูมิต่ำจนมีน้ำแข็งมาเกาะเช่นกันแต่ก็บางทำให้ยังมีส่วนของเขม่าที่มาติดได้อยู่ ผลลัพธ์ก็คือตามภาพข้างล่างเลย

ส่วนบนที่เป็นส่วนเชื่อมต่อกับ Second Stage มีน้ำแข็งบาง ๆ เกาะอยู่จากอุณหภูมิที่แผ่มาจาถัง LOX แต่ก็เริ่มละลายระหว่างการทำ Entry burn ทำให้มีเขม่ามาเกาะได้บ้าง ส่วนกลางที่เป็นถังออกซิเจนเหลวมีน้ำแข็งที่หนาพอสมควรเกาะอยู่เริ่มละลายหลังทำ Entry burn เสร็จแล้วทำให้ระหว่างการทำ Entry burn แผ่นน้ำแข็งที่เกาะอยู่ทำหน้าที่เคลือบผิวถังเชื้อเพลิงไม่ให้มีเขม่ามาเกาะ ส่วนล่างสุดที่เป็นถังเชื้อเพลิง RP-1 มีอุณหภูมิเพียง -7 องศาเซลเซียซึ่งไม่สามารถทำให้หยดน้ำที่เกาะนอกถังแข็งตัวได้ทำให้ไม่มีอะไรมาเคลือบเลยแม้แต่นิดเดียวจึงทำให้มีเขม่ามาเกาะเป็นจำนวนมากนั้นเอง

อย่างไรก็ตาม Falcon 9 ที่ผลิตมาใหม่ ๆ เริ่มมีการเคลือบสารด้านข้างตัวจรวดแล้วทำให้มีเขม่ามาติดน้อยลงแต่ก็ยังเยอะอยู่ดีหากดูด้วยตาเปล่าอย่างในเที่ยวบิน Crew Dragon Demo-2 ที่ Booster ก็ดำไปพอสมควรเลย ทั้งนี้การเคลือบสารช่วยให้มันทำความสะอาดง่ายขึ้นเวลาเอากลับมาใช้ใหม่

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co