ประเทศญี่ปุ่นถือเป็นหนึ่งในประเทศที่มีประสบการณ์กับงานด้านการสำรวจอวกาศ งานที่โดดเด่นอย่างเห็นได้ชัดคือการทำภารกิจ Sample Return ที่จะเก็บตัวอย่างหินฝุ่นมาจากดาวที่อยู่นอกโลก และยังมีความสามารถในสร้างและส่งจรวดที่ทำขึ้นเองในประเทศอีกด้วย ในบทความนี้ เราจะพาทุกคนไปรู้จักกับจรวดผู้สืบทอดความสำเร็จของจรวดตระกูล H-II อย่างจรวด H3
ผู้สืบทอดของความสำเร็จแห่งจรวดเอเชีย
ย้อนกลับไปเมื่อปี 2013 ช่วงเวลาเดียวกันที่จรวด H-IIA และ H-IIB ถือเป็นหนึ่งในจรวดที่ประสบความสำเร็จอย่างมาก ทางรัฐบาลญี่ปุ่นกลับได้อนุมัติให้เริ่มการพัฒนาจรวดรุ่นใหม่ภายใต้ชื่อโครงการ H3 ที่เกิดจากความร่วมมือระหว่าง JAXA และ Mitsubishi Heavy Industries ด้วยเหตุผลของความต้องการจรวดที่มีราคาถูกเมื่อเทียบกับจรวดรุ่นก่อนหน้าอย่างตรวดตระกูล H-II
โดยการพัฒนาจรวด H3 นั้นอาจถือได้ว่าเป็นการรื้อดีไซน์ใหม่ที่แตกต่างจรวดจรวดรุ่นก่อนโดยสิ้นเชิง ทั้งการพัฒนาจรวดเชื้อเพลิงแข็งรุ่นใหม่อย่าง SRB-3 ที่แม้จะมีแรงขับที่น้อยกว่าจรวดเชื้อเพลิงแข็งรุ่นก่อนหน้าอย่าง SRB-A เพียงเล็กน้อย แต่กลับมีประสิทธิภาพและ Specific Impulse ที่เหนือกว่าในเชิงตัวเลข
และไฮไลต์ที่สำคัญอย่างเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงไฮโดรเจนรุ่นใหม่อย่าง LE-9 ที่ถูกพัฒนาขึ้นให้มีราคาที่ถูกลงกว่าเครื่องยนต์ที่ใช้กับจรวด H-IIA อย่าง LE-7A ที่ใช้ไฮโดรเจนเช่นเดียวกัน เนื่องจากระบบของเครื่องยนต์ที่ถูกพัฒนาให้มีความซับซ้อนน้อยกว่าและคุ้มค่ากว่าสำหรับเครื่องยนต์ที่ต้องใช้แล้วทิ้ง โดยเครื่องยนต์ในตระกูล LE-7 จะเป็นเครื่องยนต์ที่ใช้ระบบ Staged Combustion ที่จำเป็นต้องแบ่งเชื้อเพลิงส่วนหนึ่งมาใช้ในห้องเผาไหม่ย่อยเพื่อหมุนปั๊มเพื่อสูบเชื้อเพลิงเข้าห้องเผาไหม้หลักของเครื่องยนต์
แต่สำหรับ LE-9 จะต่างออกไปอย่างสิ้นเชิงด้วยระบบ Expander Bleed ที่จะเป็นการส่งเชื้อเพลิงไฮโดรเจนส่วนหนึ่งไปหล่อเย็นหัวฉีดของเครื่องยนต์ ความร้อนที่เครื่องยนต์สร้างจากการเผาไหม้จะไปเพิ่มอุณหภูมิให้เชื้อเพลิงหล่อเย็นให้ขยายตัวกลายเป็นแก๊ส และแน่นอนว่าการการเปลี่ยนของเหลวให้อยู่ในสถานะแก๊สจะเป็นการเพิ่มความดันให้กับเชื้อเพลิงส่วนที่ใช้หล่อเย็น ซึ่งถ้าออกแบบมาดี ๆ มันจะมากพอสำหรับการนำไปหมุนปั๊มเพื่อทำการสูบเชื้อเพลิงหลักเข้าสู่ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ การออกแบบให้มีระบบแบบนี้จะเป็นลดความซับซ้อนของระบบท่อของเครื่องยนต์ ทำให้โอกาสที่เครื่องยนต์จะทำงานผิดพลาดนั้นมีน้อยลง รวมไปจนถึงราคาการผลิตต่อเครื่องที่จะถูกลงไปด้วย
ในส่วนของข้อเสียของระบบแบบ Expander Bleed คือการส่งผลให้การพัฒนาเครื่องยนต์ให้มี Specific Impulse ที่มีประสิทธิภาพสูงเทียบเท่าระบบ Staged Combustion อาจเป็นไปได้ยาก เนื่องจากระบบของ LE-9 จะไม่ได้ใช้เชื้อเพลิงทุกกรัมในการสร้างแรงขับ แต่จะระบายเชื้อเพลิงส่วนน้อยออกเพื่อรักษาความดันภายในเครื่องยนต์ไม่ให้สูงเกินกว่าที่เครื่องยนต์จะรับได้ ต่างจากระบบของ LE-7 ที่จะใช้เชื้อเพลิงทุกกรัมในการสร้างแรงขับ
แต่ขึ้นชื่อว่าเป็นเครื่องยนต์ที่ใช้สำหรับจรวดท่อนแรกหรือบูสเตอร์ เราอาจไม่ต้องแคร์ Specific Impulse มากขนาดนั้น เพราะความสำคัญของจรวดท่อนนี้คือการสร้างแรงขับมากกว่าการใช้เชื้อเพลิงให้คุ้มค่าที่สุด โดย LE-9 จะมีแรงขับอยู่ที่ราว 1,471 กิโลนิวตัน และ LE-7 ในรุ่น A สามารถสร้างแรงขับได้เพียง1,098 กิโลนิวตัน แถมจรวด H3 จะใช้เครื่องยนต์มากถึง 2 ถึง 3 เครื่อง ในขณะที่จรวดตระกูล H-II จะใช้เพียงเครื่องยนต์ และยิ่งเมื่อนับกับจรวด SRB แล้ว หากจรวดทั้งสองใช้ SRB ที่เท่ากันแล้ว แรงขับตอนออกจากฐาน H3 นั้นทำได้สูงกว่า
แล้วหาก Specific Impulse ไม่มีความสำคัญมากสำหรับจรวดท่อนแรกขนาดนั้น แล้วมันสำคัญสำหรับอะไร คำตอบนั้นคือจรวดท่อนบน จรวดท่อนที่จะใช้ส่ง Payload ให้ขึ้นสู่วงโคจร เนื่องด้วยจรวดท่อนบูสเตอร์หรือท่อนแรกได้ช่วยส่งกำลังและสร้างความเร็วมาได้ระดับหนึ่งแล้ว เมื่อปลดท่อนจรวดแล้วสร้างหน้าที่ต่อให้จรวดท่อนถัดไป โดยมันไม่จำเป็นต้องมีเครื่องยนต์ที่สร้างแรงขับสูงมาก เพียงแต่มันต้องการแต่แรงผลัดที่เพียงพอในการพลักเพิ่มความเร็วต่อไปเรื่อย ๆ ให้ถึงความเร็วของวงโคจรเป้าหมาย ซึ่งการมี Specific Impulse ที่สูงจะมีส่วนช่วยให้การส่ง Payload ของจรวดนั้น ๆ มีประสิทธิภาพมากขึ้น
โดยตามที่กล่าวไป Specific Impulse คือเลขที่บอกความคุ้มค่าของการใช้เชื้อเพลิงเมื่อเทียบระหว่างน้ำหนักเชื้อเพลิงกับแรงขับ โดยในท่อนบนของจรวด H3 จะเป็นเครื่องยนต์ที่ถูกต่อยอดมากจากเครื่อง LE-5B-2 ที่ถูกใช้ในจรวดท่อนบนของ H-IIB อย่าง LE-5B-3 ที่ได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมอีกเล็กน้อย (จริง ๆ แล้ว หากใครอยากอ่านเรื่อง Specific Impulse เพิ่มเติม เราเคยเขียนละเอียดกว่านี้ในบทความ รู้จักกับจรวด Vulcan Centaur ผู้สืบทอดความยิ่งใหญ่ของจรวดตระกูล Atlas)
จรวดหน้าใหม่ กับการอยากลองงัดกับเจ้าตลาด
ทีนี้ เรามาเปรียบเทียบเจ้าจรวดรุ่นนี้แบบง่าย ๆ กับรุ่นก่อนหน้าของมันอย่าง H-IIA และจรวดที่ทาง Mitsubishi Heavy Industries พยายามเป็นคู่แข่งด้วยอย่าง Falcon 9 ของ SpaceX กันบ้างดีกว่า จรวดทั้ง 3 รุ่นต่างถูกจัดอยู่ในประเภท Medium-Lift Launch Vehicle หรือเป็นจรวดขนาดกลางที่มีถูกจัดอยู่ในหมวดของจรวดที่ส่งของมวลรวม 2,000 ไปจนถึง 20,000 กิโลกรัม (หากนับตามนิยามของ NASA) ไปที่วงโคจรต่ำของโลก
เอาเป็นว่าเราจะไม่พูดอะไรมากเกี่ยวกับความสามารถในการส่งของไปที่วงโคจรต่ำของโลก เพราะ Falcon 9 Block 5 สามารถส่งของได้มากถึง 17,400 กิโลกรัมหากจะนำกลับมาใช้ซ้ำหรือ 22,800 กิโลกรัมสำหรับใช้แล้วทิ้ง ซึ่งห่างจากจรวดของญี่ปุ่นทั้งสองไปไกลมาก โดย H-IIA ในรุ่นที่แบกของได้หนักสุดจะทำได้เพียง 15,000 กิโลกรัม ส่วนจรวด H3 ที่ยังมีรายละเอียดความสามารถในการส่งไปวงโคจรนี้ที่ไม่แน่ชัด แต่คาดว่าอาจไม่แตกต่างจากรุ่นก่อนมากนัก
แต่การส่งของไปที่วงโคจรต่ำของโลก ไม่ได้เป็นตัวชี้วัดเพียงตัวเดียวจะจะตัดสินว่าจรวดไหนดีจรวดไหนห่วย เรามาลองดูกันกับวงโคจรคาบผ่านจุดค้างฟ้าหรือ Geostationary Transfer Orbit ในขณะที่ Falcon 9 Block 5 ส่งของไปที่วงโคจรนี้ได้ 5,500 กิโลกรัมเมื่อนำกลับไปลงจอดบนเรือโดรน 3,500 กิโลกรัม เมื่อนำกลับมาลงจอดที่ฐานลงจอดบนแผ่นดิน และ 8,300 กิโลกรัมหากใช้แล้วทิ้ง ส่วนจรวด H-IIA สามารถส่งได้มากถึง 6,000 กิโลกรัม ในขณะที่ H3 ทำได้ถึง 7,900 กิโลกรัม ซึ่งนับได้ว่าตัวเลขค่อนข้ามเกาะกลุ่ม
เหตุผลที่ทำให้อยู่ ๆ ตัวเลขน้ำหนักกันเกาะกลุ่มกันขึ้นมาในขณะที่การส่งของไปที่วงโคจรต่ำของโลกนั้นค่อนข้างต่างอย่างเห็นได้ชัด นั่นเป็นเพราะเพื่อนยากคนเดิมของเราอย่าง Specific Impulse อีกแล้ว กับอีกหนึ่งคุณสมบัติที่ช่วยส่งของไปในวงโคจรสูง ๆ หรือที่ไกล ๆ ได้ดี เพราะแบบนี้เราถึงเรียกวงโคจรที่อยู่สูงพวกนี้ว่า High Energy Orbit กลุ่มวงโคจรที่ว่าด้วยความต้องการในการรีดประสิทธิภาพของเชื้อเพลิงมากกว่าแค่เรื่องของแรงขับ แต่ในขณะเดียวกัน Falcon 9 ก็สามารถขึ้นไปแบบ Low Energy แทนได้ และจะเห็นได้ว่าของก็ไปถึงที่ที่อยากให้ไปได้เช่นกัน ซึ่งตรงนี้ทำให้ไม่สามารถตอบคำถามได้อย่างชัดเจนว่าจรวดไหนดีกว่ากัน เพราะมันขึ้นกับรูปภารกิจและความต้องการของ Payload ที่จะส่ง
และในอีกปัจจัยหนึ่ง มันมีสิ่งที่มองข้ามไปไม่ได้และเป็นหนึ่งในตัวตัดสินที่จะบอกว่าจรวดลำนี้จะได้ส่วนแบ่งในอุตสาหกรรมจรวดไปได้หรือไม่คือราคาที่ใช้ในการส่งแต่ละครั้ง แน่นอนว่าราคาต่อการส่งในแต่ละภารกิจมักแตกต่างกันออกไป ขึ้นอยู่กับรูปแบบภารกิจ รวมไปจนถึงราคาที่แท้จริงในเที่ยวบินแต่ละครั้งนั้นนอกจากผู้ว่าจ้างและผู้จัดสั่งแล้วก็ไม่มีใครรู้ มีแต่เพียงราคาคร่าว ๆ ที่พอจะบอกอะไรได้บ้าง โดยตัว Falcon 9 หากเป็นบูสเตอร์ใหม่เอี่ยมอาจต้องจ่ายเงินมากถึง 67 ล้านดอลลาร์ และอาจมีการเพิ่มสูงขึ้นตามอัตราเงินเฟ้อในอนาคต และหากส่งกับบูสเตอร์ที่ใช้แล้ว มีการประเมินว่าอาจจ่ายได้ด้วยเงินเพียง 50 ล้านดอลลาร์ ซึ่งเป็นราคาที่ประเมินไว้ตั้งแต่ปี 2019 และยังไม่ได้คิดอัตราเงินเฟ้อ
ในขณะที่จรวด H-IIA ต้องจ่ายมากถึง 90 ล้านดอลลาร์ ขึ้นอยู่กับขนาดของ Payload และการเลือกรุ่นย่อยมาใช้ แต่ก็ยังสูงมากเมื่อเทียบกับ Falcon 9 ในปัจจุบัน และในส่วนของ H3 ทาง Mitsubishi Heavy Industries ได้ประกาศว่าทางบริษัทจะขายเที่ยวบินให้ลูกค้าในช่วงราคา 50 ถึง 65 ล้านดอลลาร์ขึ้นอยู่กับขนาดของ Payload ซึ่งทางบริษัทก็ได้กำชับว่าราคาจะต้องเทียบเท่าหรือใกล้เคียงกับราคาตั๋วที่ SpaceX ขายสำหรับจรวด Falcon 9 ของพวกเขา โดยแม้ว่าจะตั้งราคาและมีสเปคที่เทียบเท่ากับบริษัทคู่แข่งเพื่อดึงดูดลูกค้า แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าทางบริษัทจะกอบโกยกำไรได้ดี (ก็อย่างว่า จรวดใช้แล้วทิ้ง) รวมถึง H3 ก็ยังเป็นจรวดใหม่ นั่นหมายความว่าสถิติและอัตราการประสบความสำเร็จก็ยังไม่สามารถเทียบเท่ากับ Falcon 9 ได้ทำให้ต้องใช้เวลาในการสร้างสถิติและความน่าเชื่อถือให้กับตัวจรวดไปอีก
แล้วยังไงต่อ?
มาถึงตรงนี้แล้ว การแข่งขันกับจรวดที่อยู่มาก่อนในตลาดที่คาบเกี่ยวกันอาจฟังดูเป็นหนทางที่ดูยากเย็น แต่เราก็เชื่อว่าประสบการณ์และทักษะทางวิศวกรรมที่ทั้ง JAXA และ Mitsubishi Heavy Industries ร่วมสร้างกันมา จะช่วยเข็นให้จรวด H3 รุ่นนี้เป็นหนึ่งในจรวดที่ประสบความสำเร็จและเป็นแนวหน้าในเวทีโลกได้ และในอนาคตในอีกราว 10 ปีเราจะได้ JAXA และ MHI จะร่วมกับพัฒนาจรวดรุ่นใหม่อีกรุ่นที่ที่ความสามารถในการนำกลับมาใช้ซ้ำได้ แต่ ณ วันนี้ยังเป็นไอเดียที่ต้องศึกษาอีกต่อไป
เราเคยย้ำอยู่หลายครั้งว่าจรวดใช้ซ้ำไม่จำเป็นต้องนำกลับมาลงจอดให้ดูเท่แบบ Falcon 9 ก็ได้ เราอาจจะแค่ปลดส่วนที่แพงที่สุดของจรวดออกแล้วเก็บกู้กลับมาเพื่อใช้ซ้ำอีกก็ได้ หรือการติดร่มไว้กับตัวท่อนจรวดเพื่อให้มันตกสู่ทะเลเพื่อเก็บกู้กลั[มาใช้อีกครั้ง (หากจรวดนั้นเล็กและเบามากพอ) ในบทความนี้ เราก็ได้เห็นอีกหนึ่งวิธีที่แม้จะไม่ใช่การใช้ซ้ำ แต่ก็ถือเป็นหนึ่งในวิธีที่ทำให้การส่งจรวดนั้นมีราคาที่ถูกลง ตามนิยามของยุคสมัยแห่ง New Space (อ่าน – Old Space กับ New Space คืออะไร)
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
