เครื่อง RL10 และ Centaur Upper Stage ชิ้นส่วนจรวดรุ่นปู่วัยเก๋า ที่วางรากจรวดท่อนสองของสหรัฐฯ

หากให้พูดถึง Hardware จรวดที่มีอายุประจำการที่อยู่มาอย่างยาวนานภายใต้แสงของดวงอาทิตย์ดวงนี้ที่ยังคงใช้งานมาจนถึงปัจจุบัน หลายคนอาจนึกถึงจรวด Soyuz ของรัสเซียที่ต่อยอดมาจากจรวดตระกูล R-7 สมัยสหภาพโซเวียต โดยมันได้ขึ้นบินครั้งแรกเมื่อเมษายนปี 1967 ซึ่ง ณ วันนี้ก็มีอายุร่วม 58 ปีเข้าไปแล้ว แต่ภายใต้แสงตะวันเดียวกันนี้ก็ยังมี Hardware จรวดอีกชิ้นที่มีอายุพอ ๆ กับ Soyuz และยังคงได้รับการอัพเกรดและใช้งานมาจนถึงปัจจุบัน มันมีทั้งสมรรถนะ ประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อ และถูกพัฒนาขึ้นบนแผ่นดินอเมริกาอย่างเครื่องยนต์จรวด RL10 และท่อนจรวด Centaur

เอาจริงแล้วเราเคยพูดเกี่ยวกับเครื่องยนต์รุ่นนี้แทรกไว้กับบทความ รู้จักกับจรวด Vulcan Centaur ผู้สืบทอดความยิ่งใหญ่ของจรวดตระกูล Atlas ซึ่งก็อย่างที่เห็นว่าเครื่องยนต์ RL10 และ Centaur ก็ได้รับการพัฒนามาค่อนข้างไกลถึงขนาดถูกเลือกนำไปใช้กับจรวดรุ่นใหม่ภายใต้ยุค New Space Economy ในบทความนี้เราจะพาทุกคนไปทำความรู้จัก เจาะลึกความเป็นมา และเฝ้ามองวิวัฒนาการของเครื่องยนต์และท่อนจรวดอันเป็นกระดูกสันหลังของโครงการอวกาศสหรัฐฯ กัน

Corviar สู่ ULA และ Pratt & Whitney สู่ Aerojet Rocketdyne

หากให้พูดถึงเครื่องยนต์ RL10 สิ่งที่ขาดไปไม่ได้และต้องอยู่คู่กันราวกับว่าทั้งสองเป็น Adam และ Eve ท่อนจรวด Centaur ก็นับว่าเป็นของที่ถูกพัฒนาขึ้นมาแทบจะพร้อมกันภายใต้โครงการพัฒนา High-energy upper stage ก่อนที่จะได้รับการตั้งชื่อว่า Centaur ในภายหลัง เรื่องนี้เกิดจากความต้องการของฝั่งกองทัพอากาศสหรัฐในการพัฒนาท่อนจรวดเพื่อนำมาใช้ร่วมกับจรวด Atlas ที่ในตอนนั้นยังไม่มีจรวดท่อนที่สองเนื่องจากมันถูกออกแบบให้เป็นขีปนาวุธข้ามทวีปที่ในตอนนั้นถือว่าเป็นยุคแรกของการพัฒนาอาวุธประเภทนี้

High-energy upper stage ถือได้ว่าเป็นคอนเซท์ที่มีมาตั้งแต่โค้งสุดท้ายของการพัฒนาจรวด Atlas รุ่นแรก (SM-65 Atlas) โดยมันได้รับการเสนอแนวคิดและมีการศึกษาเบื้องต้นในปี 1956 โดย Convair Devision ของบริษัท General Dynamics ก่อนเที่ยวบินแรกของ Atlas เพียงปีเดียว โดยมันเป็นแนวคิดการศึกษาหาความเป็นไปได้ในการพัฒนาท่อนจรวดที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งได้มีการค้นพบในช่วงเวลาใกล้เคียงกันว่าเครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนสามารถให้ค่า Specific Impulse หรือ Isp ที่สูงกว่าเชื้อเพลิงประเภทอื่นใน ณ ขณะนั้น และเหมาะกับการทำภารกิจส่งของสู่อวกาศที่ไกลออกไปมากกว่าแค่วงโคจรต่ำของโลก เราได้อธิบายเกี่ยวกับความหมายของ Isp ไว้คร่าว ๆ แล้วเหมือนกันใน รู้จักกับจรวด Vulcan Centaur ผู้สืบทอดความยิ่งใหญ่ของจรวดตระกูล Atlas

การศึกษาของ Convair Devision ได้รับการตอบและทำให้เริ่มมีการพัฒนาแบบเต็มรูปแบบร่วมกับ กองทัพอากาศสหรัฐ และ Advanced Research Projects Agency (เป็นชื่อดั้งเดิมของ DARPA หรือ Defense Advanced Research Projects Agency) กันในปี 1958 ก่อนที่จะถูกส่งต่อโครงการให้กับ NASA ในปี 1959 สำหรับจรวดตระกูล Atlas-Centaur เพื่อปกปิดการพัฒนาจรวดเพื่อส่งใช้สร้างเครือข่ายดาวเทียมสื่อสารทางการทหาร ซึ่ง NASA เองก็ได้รับผลพลอยได้ไปเต็ม ๆ เพราะอยู่ดี ๆ ก็มีคนยื่นจรวดมาเพื่อให้ไปลอง Fuck around and find out ใครมันจะไม่อยากได้โอกาสแบบนี้ (ฮา)

แน่นอนว่าระหว่างการพัฒนา หลายฝ่ายที่ได้ทำงานร่วมกันในโครงการนี้ก็เรียกได้ว่าต่างพากันล้มลุกคลุกคลานกันหนักพอตัวเพราะการต้องมาทำให้ไฮโดรเจนสามารถถูกจัดเก็บในรูปแบบของเหลวและต้องนำไปใช้ในสภาวะสุด Extreme เป็นอะไรที่ท้าทายเอาเรื่อง เพราะนอกจากต้องทำให้อุณหภูมิจัดเก็บต่ำกว่าออกซิเจนเหลวแล้วยังต้องมาจัดการกับรอยเชื่อมของถังเชื้อเพลิงเพื่อลดความเป็นไปได้ในการรั่วของไฮโดนเจนให้ได้มากที่สุด (โมเลกุลของไฮโดรเจนมันมีขนาดที่เล็กมาก ทำให้มีโอกาสสูงที่จะเกิดการรั่วไหลผ่านรอยเชื่อมที่ไม่สนิท)

หลังจากปล่อยให้ Convair Devision และผองเพื่อนช่วยกันทำงานส่วนของถังเชื้อเพลิงในขณะเดียวกันเอง Pratt & Whitney อันเป็นที่รักของใครหลายคนและ Marshall Space Flight Center ก็ได้ร่วมกันพัฒนาเครื่องยนต์จรวดรุ่นใหม่ที่จะนำมาใช้ร่วมกับเชื้อเพลิงไฮโดรเจนอย่าง RL10 แม้ว่าดั้งเดิมแล้วมันจะถูกพัฒนาเพื่อนำไปใช้กับยานลงจอดของโครงการ Lunex (โครงการฐานทัพใต้ดินบนดวงจันทร์ของกองทัพอากาศสหรัฐ) ก่อนที่โครงการจะถูกยกเลิกในภายหลังทำให้เครื่องยนต์ถูกส่งต่อเพื่อนำไปใช้กันท่อนจรวด Centaur ของฝั่ง Convair ซึ่งได้ขึ้นบินครั้งแรกในปี 1962 ก่อนจรวด Soyuz ลำแรกถึง 5 ปี

การพัฒนาเครื่องยนต์จรวดที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงนับว่าเป็นสิ่งที่ไม่เคยมีใครทำมาก่อน เช่นเดียวกับการพัฒนาท่อนจรวด Centaur ไฮโดรเจนเป็นอะไรที่ยากต่อการจัดเก็บและควบคุม แต่เนื่องด้วยคุณสมบัติบางประการของไฮโดรเจน ทำให้วิศวกรสามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของมันในการทำให้ระบบหรือ Cycle ของเครื่องยนต์มีความเรียบง่ายขึ้นกว่าระบบของเครื่องยนต์ส่วนใหญ่ที่ใช้กันในช่วงเวลานั้น ทำให้จนแล้วจนรอดนอกจาก RL10 ได้กลายเป็นเครื่องยนต์จรวดเครื่องแรกของโลกที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงแล้วยังมีการนำ Expander cycle มาใช้เป็นเครื่องแรกเช่นกัน

เวลาได้ล่วงเลยผ่านไป General Dynamics ก็ได้ขายแผนกที่พัฒนาระบบด้านอวกาศรวมถึง Convair Division ให้กับ Lockheed Martin ไปในปี 1994 ซึ่งแน่นอนว่า Lockheed Martin เป็นบริษัทที่ได้ร่วมกับ Boeing ตั้งบริษัทใหม่ในชื่อ United Launch Alliance หรือ ULA และในเวลาต่อมา ULA ก็ได้กลายเป็นผู้ผลิตท่อนจรวดรุ่นหลัง ๆ ทั้ง Centaur III เพื่อใช้กับจรวด Atlas V และ ​Centaur V สำหรับ Vulcan Centaur

ส่วนฝั่งของ Pratt & Whitney ที่ทำฝั่งของเครื่องยนต์เองก็ได้ต้อนรับ Rocketdyne ที่ถูกขายต่อมาจาก Boeing ในปี 2005 มาเป็นส่วนหนึ่งและได้ตั้งแผนกแยกออกมาทำเกี่ยวกับเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลวในนามของ Pratt & Whitney Rocketdyne และก็ได้เป็นผู้พัฒนาเครื่อง RL10 จนถึงปี 2013 ก่อนจะถูกขายต่อให้ GenCorp และเปลี่ยนชื่อกลายมาเป็น Aerojet Roketdyne ในปี 2015 และถูกซื้อไปเป็นบริษัทลูกของ L3Harris ในปี 2023 เรียกได้ว่าถูกส่งต่อเหมือนเป็นของมือสองกันเลยทีเดียว อย่างไรก็ตามเครื่องยนต์ RL10 ก็ยังได้ Aerojet Rocketdyne เป็นผู้พัฒนาและผู้ผลิตมาจนถึงปัจจุบัน

ไฮโดรเจนและ Expander Cycle

โดยปกติแล้วระบบเครื่องยนต์ที่ได้รับความนิยมในช่วงเวลานั้นจะเป็นระบบ Open cycle ซึ่งเป็นการนำเชื้อเพลิงส่วนหนึ่งไปเผาให้เกิดแก๊สแรงดันสูงเพื่อนำไปหมุนกังหันแก๊สหรือ Gas turbine เพื่อขับให้ปั๊มสูบเชื้อเพลิงเข้าสู่เครื่องยนต์ แต่แน่นอนว่าถ้ารู้จักจรวดมาในระดับนึง จะเห็นได้ว่าเครื่องยนต์ระบบนี้ส่วนใหญ่จะใช้ RP-1 หรือน้ำมันก๊าดเป็นเชื้อเพลิง เพราะมันเป็นเชื้อเพลิงที่มีความหนาแน่นสูง เวลาเผาก็จะเกิดแก๊สแรงดันสูงเช่นกัน ทำให้ประสิทธิภาพทางความร้อนของระบบนี้จะมีความเหมาะสมกับเชื้อเพลิงแบบนี้

ในขณะเดียวกัน ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงที่มีความหนาแน่นต่ำ การจะฉีดไฮโดรเจนไปเผา กว่าจะมีแรงดันที่มากพอเพื่อหมุน Turbine ก็จะต้องฉีดในปริมาณที่สูง ซึ่งดูไม่ค่อย Practical เท่าไหร่ (ณ ช่วงเวลานั้น) แม้มันจะมีความหนาแน่นทางพลังงานต่อหน่วยน้ำหนักที่สูงกว่าน้ำมันก๊าดก็ตาม (Specific Energy ของไฮโดรเจนเหลวอยู่ที่ราว 142 เมกะจูลต่อกิโลกรัม ส่วนของน้ำมันก็าดอยู่ที่ 43 เมกะจูลต่อกิโลกรัม ในขณะที่ Energy Density ของไฮโดรเจนเหลวอยู่ที่ 10 เมกะจูลต่อลิตร น้ำมันก็าดอยู่ที่ 35 เมกะจูลต่อลิตร) ไหนจะเรื่องที่ Open cycle เป็นระบบที่จะโยนแก็สขับ Turbine ทิ้งไปแบบดื้อ ๆ ยิ่งจะเอามาใช้กับไฮโดรเจนก็ดูจะเป็นการใช้เชื้อเพลิงที่ไม่ค่อยคุ้มค่าเท่าไหร่เพราะอย่าลืมว่าไฮโดรเจนเป็นอะไรที่จัดเก็บยากสุด ๆ มี Loss จากระบบเยอะก็ยิ่งเปลือง

แต่ด้วยความที่ไฮโดรเจนสามารถขยายตัวเปลี่ยนรูปจากของเหลวไปเป็นแก๊สได้ง่าย เนื่องจากมีจุดเดือดที่กลายเป็นไอต่ำมาก ประกอบกับการนำเชื้อเพลิงไปใช้หล่อเย็นผนัง Nozzle ของเครื่องยนต์เพื่อป้องกันการหลอมละลายจากความร้อนที่มาจากไอเสีย ก็กลายเป็นเรื่องปกติไปแล้วสำหรับการพัฒนาเครื่องยนต์ ทำให้วิศวกรสามารถประยุกต์แนวคิดนี้ในการแปลงไฮโดรเจนเหลวไปเป็นแก๊สแรงดันสูงได้ แก๊สไฮโดรเจนที่ขยายตัวก็จะถูกส่งออกจากผนัง Nozzle เข้าหา Turbine เพื่อใช้หมุนปั๊มสูบเชื้อเพลิงเข้าสู่เครื่องยนต์ เรียกได้ว่า Nozzle ของจรวดเป็น Gas exchanger ดี ๆ นี่เอง

ส่วนแก๊สไฮโดรเจนหลังจากผ่าน Turbine ก็จะถูกส่งกลับเข้า Nozzle เพื่อนำไปเผาร่วมกับสารออกซิไดซ์ (ส่วนใหญ่แล้วจะเป็นออกซิเจนเหลว) นอกจากนี้ไฮโดรเจนที่ถูกอุ่นก็จะได้รับประโยชน์จากคุณสมบัติทาง Thermodynamics ที่เปลี่ยนไปในแง่ของประสิทธิภาพทางความร้อนเช่นกัน ประกอบกับการไม่ต้องแบ่งมันไปเผาเพื่อหมุน Turbine เพื่อให้เกิด Loss ก็จะยิ่งเพิ่มประสิทธิภาพทางความร้อนโดยรวมของระบบ ผลพลอยได้ก็คือ Isp จะมีแต่มากขึ้น ส่งผลดีต่อการทำภารกิจที่จำเป็นต้องใช้ High energy transfer orbit ซึ่งแน่นอนว่าการขยายตัวของเชื้อเพลิงกลายเป็นแก๊สเลยเป็นที่มาของชื่อ Expander cycle

ข้อดีอีกข้อของ Expander cycle คือระบบที่มีความเรียบง่ายกว่าแบบ Open cycle ทำให้ความเสี่ยงที่เครื่องยนต์จะทำงานล้มเหลวจึงมีต่ำกว่าแบบ Open cycle และความเรียบง่ายของมันทำให้ต้นทุนการผลิตเลยจะต่ำซึ่งสามารถชดเชยกับค่าใช้จ่ายที่ต้องทำให้ชิ้นส่วนโดยรวมของจรวดสามารถทำงานกับไฮโดรเจนในสภาวะสุด Extreme ได้ ทำให้มันมีทั้งสมรรถนะ ประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อ

Variant และ Application ของ RL10 ที่อยู่คู่กับ Centaur กันมาด้วยสานสัมพันธ์อันเหนียวแน่น

เล่ามาไกลขนาดนี้แต่ทำไมยังไม่ยอมพูดถึงสเปคของ RL10 ซักที เพราะก่อนอื่นเลย ตลอดระยะเวลาร่วม 63 ปีของการใช้งานเครื่องยนต์ตระกูลนี้มีการอัพเกรดและมีรุ่นย่อยออกมาอยู่มากมายเพื่อใช้งานกับจรวดหลากหลายรุ่น ทำให้ขอบเขตแรงขับ Specific Impulse ไปจนถึงความดันในเครื่องยนต์ค่อนข้างจะมีความหลากหลาย รวมทั้งการนำไปใช้กับโครงการจรวดและยานอวกาศหลายหลายรุ่น ทำให้การจะหยิบยกมาพูดแค่รุ่นเดียวอาจดูไม่ค่อยน่าเชื่อว่ามันเป็นกระดูกสันหลังของโครงการอวกาศอเมริกาเท่าไหร่

Prototype — RL10A-1 แน่นอนว่าการที่เราจะทำเครื่องจักรอะไรซักอย่างขึ้นมาเพื่อใช้งาน การลองสร้างรุ่นต้นแบบขึ้นมาเพื่อทดสอบและศึกษาหาข้อผิดพลาดถือเป็นหนึ่งใน Process ที่สำคัญอย่างมากในวงการวิศวกรรม โดยเจ้าเครื่องรุ่นต้นแบบนี้ให้แรงขับได้ถึง 67 กิโลนิวตัน และมีค่า Specific Impulse อยู่ที่ 425 วินาทีซึ่งถือว่าสูงมาก และยังสูงกว่าเครื่องยนต์ Raptor ของ SpaceX หรือแม้แต่เครื่องยนต์ RS-25 ที่ใช้ไฮโดรเจนในปัจจุบัน แต่อย่างไรก็ตามมันได้ถูกนำไปใช้บินในปี 1962 ก่อนที่ท่อนจรวด Centaur A จะระเบิดทำลายตัวจรวดจากการที่ไฮโดรเจนในถังเกิดการ Overheat แต่ก็ถือได้ว่าเป็นครั้งแรกที่มีการนำเครื่อง RL10 มา Integrate เข้ากับท่อนจรวดที่วางแผนไว้ให้ได้บินจริง

แม้เครื่องรุ่นนี้ได้บินครั้งแรกในปี 1962 แต่ก่อนหน้านั้นเพียง 1 ปี เครื่องยนต์รุ่นนี้ก็ได้ถูกนำไปติดตั้งกับท่อนจรวด S-V ของจรวด Saturn I ซึ่งก็เรียกได้ว่าเป็นหนึ่งในท่อนจรวดที่ต่อยอดมาจาก Centaur มันได้บินขึ้นจริงในปี 1961 แต่อย่างไรก็ตามภารกิจดังกล่าวรวมไปจนถึงภารกิจหลังจากนั้นที่ใช้ท่อนจรวด S-V ทั้งหมดกลับเป็นภารกิจที่เครื่องยนต์ RL10 ไม่ได้อยู่ในสภาพ Online เพราะภารกิจที่ว่ามานี้กลับเป็นการใช้งานท่อนจรวดในฐานะ Dummy ที่จะบรรจุน้ำเป็น Mass simulator ไปกับจรวดในรูปแบบภารกิจ Suborbital นอกจากนี้น้ำที่ถูกใส่ไปกับท่อนจรวดก็ได้ถูกใช้งานในโครงการ Project Highwater เพื่อทดลองศึกษาพฤติกรรมของน้ำในชั้นบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ ทำให้การใช้งาน RL10 เกิดขึ้นครั้งแรกในปี 1962 ที่ตัวเครื่องยนต์อยู่ในสภาพพร้อมใช้งาน

รุ่น Mass Product รุ่นแรก — RL10A-3

จริง ๆ ถึงจะบอกว่าเป็นรุ่นที่ต่อยอดมาจาก RL10A-1 แต่มันก็ยังมี Variant แยกย่อยลงไปอีกไม่ว่าจะเป็น RL10A-3-1 หรือแม้แต่ RL10A-3-3A แต่ล้วนแล้วก็ยังเป็น Minor change ที่พยายามปรับปรุงประสิทธิภาพมาสำหรับท่อนจรวด Centaur B C D และ E (และก็ยังมีท่อน Centaur รุ่นแยกย่อยอีกมากมายสำหรับยุคนี้) โดยเจ้ารุ่น RL10A-3 แม้จะเป็นรุ่นอัพเกรดแต่แรงขับกลับลดลงเพียงเล็กน้อยเหลือ 65.6 กิโลนิวตัน แต่ในทางกลับกับค่า Specific Impulse กลับเพิ่มขึ้นไปเป็น 444 วินาที ส่วนภารกิจที่สำคัญที่เกิดจากเครื่องยนต์รุ่นนี้ก็เป็นในส่วนของการส่งยานของโครงการ Surveyor ไปลงจอดลงบนดวงจันทร์สำเร็จ นอกจากนี้เครื่องยนต์รุ่นนี้ยังได้มีการใช้งานร่วมกับจรวดรุ่น Titan ที่ก็เคยถูกออกไว้ใช้เป็น ICBM เหมือนกับ Atlas

รุ่นสำหรับโครงการ Apollo — RL10A-3S

การมาของโครงการ Apollo ทำให้หลายบริษัทและหน่วยงานต้องเร่งพัฒนา Hardware สำหรับการส่งมนุษย์ไปลงดวงจันทร์ ที่ในขณะเดียวกันฝั่งโซเวียตเองก็ได้เล็งที่จะส่งมนุษย์ไปลงดวงจันทร์แข่งกับอเมริกา หนึ่งใน Hardware ที่ถูกเข็นออกมาก็หนีไม่พ้น RL10A-3S แม้ชื่อมองเผิน ๆ แล้วอาจจะคิดว่าเป็นรุ่นปรับปรุงของ RL10A-3 แต่ลักษณะโดยรวมกลับมีความคล้ายกับ RL10A-1 มากกว่าทั้งในเรื่องของแรงขับ Specific Impulse และขนาดของเครื่องยนต์

โดย RL10A-3S นั้นมันถูกพัฒนาเพื่อใช้งานกับท่อจรวด S-IV ของจรวด Saturn I และได้รับการติดตั้งถึง 6 เครื่อง (ในตอนนั้นเครื่องยนต์ที่มีขนาดใหญ่กว่ายังอยู่ในขั้นการศึกษาและพัฒนา จะเห็นได้ว่าช่วงต้นของโครงการ Apollo จะมีแต่จรวดที่มีขนาดใหญ่แต่กลับใช้เครื่องยนต์ที่มีขนาดเล็กและติดตั้งในจำนวนเครื่องยนต์ที่มากแทน)

หอกคู่กายของ Centaur ในยุคต่อมา — RL10A-4/A-4-1/A-4-2

หลังจากความสำเร็จของท่อนจรวด Centaur รุ่นแรกตั้งแต่รุ่น B C D ไล่จนมาถึงรุ่น Centaur I ที่ใช้กับจรวด Atlas I ก็ได้เวลาอัพเกรดไปใช้จรวดที่ดีกว่าอย่าง Atlas II พร้อมกับท่อนจรวด Centaur II ในเมื่อมีความต้องการที่ต้องส่งของที่หนักขึ้นสู่อวกาศเครื่องยนต์ก็ถือเป็นส่วนสำคัญต้องได้รับการอัพเกรดจนได้ออกมาเป็น RL10A-4 ซึ่งมันสามารถให้แรงขับได้มากถึง 92.5 กิโลนิวตันและมีค่า Specific Impulse 449 วินาที สูงที่สุดเท่าที่เคยมีการพัฒนา RL10 ในช่วงเวลานั้น ท่อนจรวด Centaur II นอกจากได้ใช้บนจรวด Atlas II แล้วก็ได้ยังมีการใช้งานบนจรวดอีกสามรุ่นอย่าง Atlas IIA Atlas IIAS และช่วงต้นของการใช้งานจรวด Atlas III ที่เป็นรุ่นต่อยอดของ Atlas II

ในยุคของ Atlas III (ในยุคนี้ถูกแบ่งออกเป็น IIIA และ IIIB และเป็นรุ่นแรกที่ได้เปลี่ยนไปใช้เครื่องยนต์ RD-180 ของรัสเซีย) หลังจากมีการใช้ Centaur II ไปในช่วงแรกก็ได้มีการอัพเกรดเพิ่มเติมไปใช้ท่อนจรวด Centaur III ในภารกิจหลังจากนั้น แถมเจ้ารุ่นนี้ก็ยังมีรุ่นแยกย่อยลงไปอีกอย่างรุ่น Single Engine Centaur (SEC) และ Dual Engine Centaur (DEC) ที่ก็ตามชื่อว่า SEC จะเป็นรุ่นที่ใช้เครื่องยนต์ RL10 หนึ่งเครื่อง และรุ่น DEC ที่ใช้ RL10 สองเครื่อง โดยแบบ SEC จะมีการใช้งานบนทั้ง Atlas IIIA และ IIIB และรุ่น DEC จะมีการใช้งานแค่บน Atlas IIIB ถือได้ว่าค่อนข้างมาแปลกสำหรับยุคนี้เพราะตลอดที่ผ่านมา ท่อนจรวด Centaur จะมีได้รับการติดตั้งเครื่องยนต์แบบสองเครื่องทุกรุ่น ความแปลกนี้เกิดจากการศึกษาแล้วพบว่าเครื่องยนต์ RL10 ร่วมกับท่อน Centaur แบบเครื่องเดี่ยวจะมีค่า Specific Impulse สูงกว่าแบบที่ใช้เครื่องยนต์คู่ ซึ่งทำให้ Centaur SEC กลับได้รับความนิยมมากกว่าสำหรับการส่งของที่มีน้ำหนักน้อยในรูปแบบ High energy orbit ในขณะแบบ DEC ก็จะเหมาะกับส่งของหนัก ซึ่งก็มีน้อยครั้งที่จะมี Payload ขนาดที่จำเป็นต้องใช้รุ่น DEC

สำหรับท่อจรวด Centaur III แม้จะบอกว่ามีสองรุ่นย่อยแต่ท่อนที่ใช้บน Atlas IIIA ที่มีแค่รุ่น SEC จะมีการใช้งานร่วมกับเครื่องยนต์ RL10A-4-1 ที่ให้แรงชับ 99.1 กิโลนิวต้นด้วย Specific Impulse ที่ 451 วินาที แต่หลังได้รับการอัพเกรดจาก Atlas IIIA เป็น IIIB ท่อน Centaur ทั้ง SEC และ DEC ก็เปลี่ยนไปใช้เครื่องรุ่น RL10A-4-2 ที่พูดได้ไม่เต็มปากว่าเป็นการอัพเกรดหรือไม่ เพราะลักษณะโดยรวมกลับไม่มีความแตกต่างกันมากนัก แต่รุ่น A-4-2 ก็ยังเป็นรุ่นที่ยังมีการใช้งานมาจนถึงปัจจุบัน แน่นอนว่าจรวด Atlas ในยุคต่อมาอย่าง Atlas V ก็ยก Centaur III ทั้ง SEC และ DEC มาใช้เลยแต่จะมีการอัพเกรดไปใช้เครื่องยนต์ที่เราจะพูดถึงในอีกหลายย่อหน้าต่อจากนี้ แต่ RL10A-4-2 จะยังต้องอยู่ต่อไว้ส่งยาน Starliner สู่อวกาศและสถานีอวกาศนานาชาติ

แกะดำในหมู่พี่น้อง —RL10A-5

มาถึง RL10A รุ่นสุดท้ายที่จะพูดถึงกันในบทความนี้ แม้ตัวเลขจะดูเหมือนว่าเป็นรุ่นที่ออกมาทีหลังแต่เจ้าเครื่องยนต์รุ่นนี้กลับถูกพัฒนาและมีการใช้งานก่อนรุ่น A-4-1 และ A-4-2 เสียอีก แถมมันเป็นรุ่นที่แปลกมากพอให้เรากล้าเรียกได้เต็มปากว่าเป็นแกะดำในแก๊งค์ RL10 เพราะมันพัฒนาขึ้นเพื่อนำไปใช้กับโครงการพัฒนา Delta Clipper หรือ DC-X บนจรวด DC-X และ DC-XA ซึ่งมันเป็นโครงการพัฒนาจรวดตามแนวคิด Single-stage-to-orbit (SSTO) หรือจรวดท่อนเดียวสู่วงโคจร โครงการพัฒนาครั้งนี้แน่นอนว่ามีการทดสอบทำการบินจากพื้นที่ใกล้กับระดับน้ำทะเล

จริง ๆ แล้วเครื่อง RL10 ที่ผ่าน ๆ มันเป็นเครื่องที่ถูกออกแบบให้ใช้งานในสภาวะสุญญากาศในฐานะเครื่องยนต์สำหรับจรวดท่อน Upper stage แต่เนื่องด้วยจรวดในโครงการ DC-X จำเป็นต้องมีขนาดที่เล็กและเบา ทำให้ไฮโดรเจนถูกเลือกใช้งานเป็นเชื้อเพลิงเพราะมันมีน้ำหนักที่เบา และเครื่องยนต์ไฮโดรเจนที่มีขนาดเล็กสำหรับการใช้งานที่ระดับน้ำทะเลในตอนนั้นก็ยังไม่มีด้วย ทำให้มีการนำ RL10A มาพัฒนาแยกออกมาเป็นรุ่นที่ใช้งานที่ระดับน้ำทะเลกลายเป็น RL10A-5 โดยมันมีแรงขับเพียง 64.7 กิโลนิวตันและมี Specific Impulse เพียง 373 วินาที กากที่สุดในบรรดา RL10!! แต่มันกลับถูกออกแบบให้มีความสามารถในการควบคุมแรงขับ (Throttle) ได้ดีกว่าใครเพื่อนที่สามารถลดแรงขับได้ลงไปที่ 30% ของแรงขับสูงสุด (ดีกว่า Raptor ของ SpaceX ที่คุมให้เหลือแรงได้เพียง 40%) เพื่อให้มันสามารถควบคุมการลงจอดแบบ Soft landing ได้

ของดีต้องแบ่งปัน — RL10B-2

ย้อนกันไปก่อนหน้านี้ซักหน่อย ตลอดที่ผ่านมาทั้ง RL10 และ Centaur ต่างอยู่คู่กันมาโดยตลอด แต่หลังจากความสำเร็จของจรวดพี่น้องร่วมแผ่นดินอย่าง Delta II เหมือนกับความสำเร็จของ Atlas II ถึงเวลาที่ต้องอัพเกรดไปใช้จรวดที่สามารถส่งของได้เยอะกว่าอย่าง Delta III แม้มันจะเป็นรุ่นที่ไม่ประสบความสำเร็จจนต้องเข็น Delta IV ตามออกมา แต่อย่างไรก็ตามจรวดทั้งสองรุ่นถือเป็นการอัพเกรดที่ยกเครื่องใหม่ในส่วนของจรวดท่อนบน ทำให้ Delta Cryogenic Second Stage หรือ DCSS จึงได้รับการพัฒนาขึ้น (เกร็ดที่น่าสนใจคือ DCSS คือท่อนจรวดที่ได้รับการพัฒนาต่อยอดมาจากจรวดท่อนบนของจรวด H-IIA ที่ถูกพัฒนาโดย NASDA หรือ JAXA ของญี่ปุ่นในปัจจุบัน) ที่จรวดท่อนบนของ Delta รุ่นนี้ได้เปลี่ยนไปใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน เครื่องยนต์ RL10 จึงตอบโจทย์ต่อจรวดท่อนนี้ และมันก็ได้รับการต่อยอดมาเป็น RL10B-2

RL10B-2 ถือเป็นเครื่องยนต์อีกรุ่นที่มีความแปลก แม้ไม่เท่า RL10A-5 แต่มันได้มีการนำแนวคิดของการมี Nozzle ฝั่งขาออกแบบสองตอนมาใช้ ซึ่งมันเป็นแนวคิดที่ตัว Nozzle จนมีส่วนต่อขยายเพิ่มเติมที่จะทำให้ส่วนที่เป็นระฆังคว่ำมีขนาดที่ใหญ่ขึ้น เอางี้ดีกว่า ต้องอธิบายก่อนว่าในปริมาตรสุญญากาศ เวลามีแก๊สความดันเกิดขึ้นแก๊สจะพยายามขยายตัวเพื่อปรับสมดุลของความดันภายใต้สุญญากาศของปริมาตรนั้น แต่สำหรับอวกาศที่ไม่ได้มีปริมาตรจำกัดโดยเทคนิคแล้วจึงมีการขยายตัวได้ไม่มีที่สิ้นสุด คุณสมบัตินี้ได้นำมาใช้กับส่วนต่อขยายของ Nozzle ในสุญญากาศ เพราะยิ่งมีพื้นที่ Nozzle มากก็ยิ่งสร้างแรงขับได้มากตาม แถมยังได้ Specific Impulse ที่สูงขึ้นด้วย เนื่องจากหลักการทำงานของมันที่จะเร่งการไหลของแก๊สไอเสียไปตามความยาวของ Nozzle ยิ่งไหลเร็วยิ่งมีโมเมนตัมสูงตาม แรงชับก็มากตาม แต่ก็ใช่ว่ามันจะใหญ่ยาวแค่ไหนก็ได้เพราะน้ำหนักเองก็ส่งผลต่อประสิทธิภาพที่เราจะได้เหมือนกัน

แต่ทำไมไม่ทำเป็น Nozzle แบบตอนเดียวไปเลย ทำส่วนต่อขยายเป็นสองตอนทำไม นั่นเป็นเพราะถ้าทำให้จรวดรองรับ Nozzle ยาวแบบนั้นมันจะยิ่งเพิ่มน้ำหนักให้กับจรวดที่ต้องมีพื้นที่ที่รองรับมากขึ้น กลับกันถ้าเราแบ่ง Nozzle เป็นสองตอนเก็บไว้ในพื้นที่ที่เล็กลง แล้วเลื่อน Nozzle อีกตอนมาประกอบเป็น Nozzle ชิ้นใหญ่หลังจากแยกท่อนจรวด มันจะช่วยลดน้ำหนักบางส่วนของจรวดได้ โดย RL10B-2 สามารถให้แรงขับได้ 110.1 กิโลนิวตัน และมี Specific Impulse ที่ 465.5 วินาที ทุบสถิติของ RL10A-4 นอกจากนี้แล้วเครื่องรุ่นนี้ยังได้นำไปใช้กับท่อนจรวด Interim Cryogenic Propulsion Stage หรือ ICPS ซึ่งก็เป็นรุ่นต่อยอดของ DCSS ที่ใช้บนจรวด SLS Block 1 ของภารกิจ Artemis I อีกด้วย

อดีตสู่ปัจจุบัน —RL10C-1/C-1-1

หลังจากความสำเร็จของ Centaur รุ่น SEC และ DEC พร้อมกับ RL10A-4-2 บนจรวด Atlas V ก็ได้เวลาลดบทบาทรุ่น A-4-2 ลงไปใช้กับรุ่น DEC กรณีใช้ส่งยาน Starliner เพียงกรณีเดียว เพราะว่า A-4-2 มีความน่าเชื่อมากพอสำหรับภารกิจรูปแบบ Human rated flight เพราะมันได้ผ่านภารกิจมาร่วมร้อยภารกิจซึ่งได้รับ Certified ว่าอยู่ในระดับที่ปลอดภัยต่อการบินโดยมีมนุษย์ไปด้วย ในขณะที่ RL10C-1 ที่ตามออกมาในภายหลังแม้จะใช้ทั้งบน Centaur SEC และ DEC แต่มันก็ถือว่าเป็นของใหม่ เลยทำให้ทำให้ยังไม่มีความน่าเชื่อที่เพียงพอต่อการใช้งานในรูปแบบ Human rated flight

เอาเป็นว่า RL10C-1 ได้ถูกอัพเกรดเพื่อใช้งานกับจรวด Atlas V โดยมันให้แรงขับ 101.5 กิโลนิวตันและมี Specific Impulse ที่ 449.7 วินาที ซึ่งในเวลาต่อมามันได้รับการแทนทีด้วยรุ่นที่ถูกต่อยอดอย่าง RL10C-1-1 ที่จะมีการใช้ทั้งบนท่อนจรวด Centaur SEC ของจรวด Atlas V มาตั้งแต่ 2021 และท่อน Centaur V ของจรวด Vulcan Centaur โดยมันให้แรงขับราว 106 กิโลนิวตัน มี Specific Impulse ที่ 453.8 วินาที โดยรุ่น C-1-1 เป็นรุ่นที่มีมาเพื่อรองรับความจำเป็นในการส่งของสู่อวกาศในช่วงเปลี่ยนผ่านระหว่างโค้งสุดท้ายของชีวิต Atlas V และ Vulcan Centaur ที่เครื่องยนต์ RL10 รุ่นใหม่ยังพัฒนาไม่เสร็จ อีกไม่นานเครื่องยนต์รุ่นนี้ก็จะถูกปลดประจำการตามรุ่นพี่ของมันไป

มาอย่างเร็วไปอย่างไว — RL10C-2-1

การมาถึงของจรวด Vulcan Centaur มีมาเพื่อทดแทนจรวดรุ่นเก่า ๆ อย่าง Delta IV Heavy และAtlas V ที่ทั้งเก่าและแพงเกินไปสำหรับยุค New space economy แต่เนื่องด้วย Delta IV Heavy ยังมี Contract ที่ต้องส่ง Payload ภายใต้โครงการ National Security Space Launch ของกระทรงกลาโหมสหรัฐฯ ทำให้ตั้งแต่ภารกิจของ Delta IV Heavy ตั้งแต่ 2022 จนถึงภารกิจสุดท้ายในปี 2024 รวมเป็นสามภารกิจ เลยมีการผลิตเครื่องยนต์ RL10C-2-1 เพิ่มหลังปลดประจำการรุ่น RL10B-2 ไปในปี 2022 โดยสเปคโดยรวมก็ไม่ได้มีความแตกต่างกันมากนัก ถือว่าเป็นหัวเลี้ยวหัวต่อระหว่างยุคอีกจุดหนึ่ง

ปัจจุบันสู่อนาคต — RL10C-2/C-3/E-1

เราว่าจากที่เล่ากันมาเนี่ย RL10 อยู่ในสถานะที่ไม่ต่างอะไรกับเครื่องบิน B-52 ที่ยังได้รับการอัพเกรดอยู่เรื่องมา จากย่อหน้าที่แล้วเราบอกว่า RL10C-2-1 มีมาเพื่อแทนที่ RL10B-2 นั่นแปลว่าหลังจากนี้ ICPS ที่ถูกสร้างขึ้นมาสำหรับจรวด SLS Block 1 จนถึงภารกิจ Artemis III ก็จะไม่ได้ใช้เครื่องยนต์ RL10B-2 แต่จะเปลี่ยนไปใช้ RL10C-2 แทน แต่ต้องเล่าให้ฟังก่อนว่าการพัฒนาทั้งรุ่น C-2 และ C-3 เกิดขึ้นมาในช่วงเวลาที่ไล่เลี่ยกัน รวมทั้งไทม์ไลน์ของโครงการ Artemis ที่ตั้งแต่ภารกิจ Artemis IV เป็นต้นไปจะมีการใช้จรวด SLS Block 1B และ Block 2 ที่จะมีการอัพเกรดจรวดท่อนบนไปใช้ Exploration Upper Stage หรือ EUS แทน

อ่านเรื่อง ICPS เพิ่มเติมได้ที่ NASA เริ่มประกอบจรวด SLS สำหรับภารกิจ Artemis II

โดยเจ้ารุ่น RL10C-3 จะเป็นรุ่นที่ถูกพัฒนามาเพื่อใช้กับท่อนจรวด EUS แทน โดยมันเป็นท่อนจรวดที่จะติดตั้ง RL10C-3 ด้วยกัน 4 เครื่องและมี Nozzle แบบสองตอนคล้ายกับรุ่น B-2 และ C-2-1 แต่มันก็มีความแปลกตรงที่รุ่น C-2 และ C-2-1 ต่างเป็นรุ่นที่ต่อยอดมาจาก C-3 อาจจะงงมาก ๆ แต่สรุปให้ฟังเลยดีกว่าว่า DCSS เคยใช้รุ่น B-2 และใช้รุ่น C-2-1 ในสามภารกิจสุดท้าย ในขณะที่ ICPS เคยใช้ B-2 เช่นกันและจะใช้รุ่น C-2 ในภารกิจ Artemis II และ Artemis III ซึ่งแน่นอนว่าสเปคโดยรวมแทบไม่ต่างกันแต่ต่างกันเพียงแค่ตัวเลขในชื่อรุ่น ส่วนท่อน EUS จะมีการใช้เครื่องยนต์รุ่น C-3 ที่ให้แรงขับเพียง 108.3 กิโลนิวตันและมีค่า Specific Impulse 460.1 วินาที โดยเหตุผลที่แรงชับของรุ่น C-3 น้อยกว่าทั้ง C-2 และ C-2-1 นั่นเป็นเพราะส่วนต่อขยายตอนที่สองของ C-3 มีขนาดเล็กกว่า C-2 และ C-2-1 ซึ่งก็ตามที่เล่าไว้ว่าขนาดของ Nozzle สุญญากาศมีผลต่อแรงขับและ Specific Impulse

เพื่อเทียบกันให้เห็นภาพ เทียบกันเป็นตารางให้เห็นตรง ๆ เลยดีกว่า เพราะขนาดเขียนเองยังมึนเอง แม้จะ RL10B-2 C-2 และ C-2-1 จะไม่มีความแตกต่างกันเลย แต่รายละเอียดบางส่วนก็ยังไม่มีข้อมูลเปิดเผยสู่สาธารณะทำให้จริง ๆ แล้วเครื่องยนต์ทั้งสามรุ่นอาจจะมีความแตกต่างกันใน คาดว่าความแตกต่างอาจจะเป็นเรื่องของงบประมาณในการสร้างเครื่องยนต์ในแต่ละรุ่น รวมถึงวัสดุและความซับซ้อนของระบบบางส่วนอาจมีความแตกต่างกันเพื่อให้เหมาะและทนกับสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันจากรูปแบบภารกิจที่มี รวมถึงการประมูลสัญญาสร้างเครื่องยนต์ก็ทำให้มันมีต้นทุนที่ต่างกันด้วย

อีกหนึ่งรุ่นที่เราจะเล่าเล่าปิดท้ายจะเป็นรุ่น RL10E-1 ที่อยู่ ๆ ก็กระโดดข้ามรุ่น D ไปเลย รุ่นนี้ยังมีรายละเอียดที่ไม่แน่ชัด แต่จากประกาศต่าง ๆ จาก H3Harris บริษัทแม่ของ Aerojet Rocketdyne ก่อนหน้านี้มีโครงการพัฒนาเครื่องยนต์รุ่นใหม่ในชื่อ RL10C-X ที่เริ่มพัฒมาตั้งแต่ช่วงปี 2018 และ ULA ก็ได้ทำสัญสั่งซื้อเครื่องยนต์รุ่นดังกล่าวถึง 116 เครื่องในปี 2022 สำหรับภารกิจของจรวด Vulcan Centaur ที่จะตามมาในอนาคต โครงการพัฒนานี้จะมุ่งนั้นไปที่การลดค่าใช้จ่ายและลดระยะเวลาการผลิตด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ

ต่อมาในปี 2024 ทาง L3Harris ได้เปิดตัวเครื่องยนต์รุ่นใหม่ในชื่อ RL10E-1 ที่ระบุว่าเป็นเครื่องยนต์ที่ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติถึง 98% ของชิ้นส่วนทั้งหมด และจะเป็นเครื่องยนต์ที่ถูกใช้งานบนจรวด Vulcan Centaur หลังจากนี้ที่หวังว่าจะได้ใช้ภายในปี 2025 คาดว่าเครื่องยนต์ RL10E-1 คือชื่อใหม่ของเครื่องยนต์ในโครงการพัฒนา RL10C-X การพัฒนา RL10E-1 ทำให้ทางบริษัทเชื่อว่าจะสามารถเพิ่มกำลังการผลิตของเครื่องยนต์จากเดิม 16 ถึง 18 เครื่องต่อปีไปเป็น 40 เครื่องต่อปีได้ จากเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติที่จะช่วยลดเวลาการผลิตให้สั้นลง

เห็นได้ว่า RL10 สิบกว่ารุ่นที่ผ่านมาเกิดขึ้นในช่วงเวลากว่า 60 ปี และทั้งหมดก็เป็นส่วนหนึ่งของโครงการอวกาศที่สำคัญหลากหลายโครงการ ผ่านการเปลี่ยนผ่านทางเทคโนโยลีมาหลายยุคและการปรับปรุงอยู่เรื่อย ๆ ผ่านองค์ความรู้ที่ถูกสะสมมา ทำให้มันคือเป็นหนึ่งในเรื่องยนต์ที่มีความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพมากที่สุดรุ่นหนึ่งในโลกของการบินอวกาศ และจะคงอยู่ต่อไปจนกว่าจะมีเครื่องยนต์ที่ดีกว่า ถูกกว่า และน่าเชื่อถือมากกว่า ซึ่งเป็นอะไรที่ยากที่จะพิชิตเครื่องยนต์ที่มีรากฐานที่แข็งแรงแบบนี้ ก็เอาเป็นว่าต่อจากนี้ระหว่างเครื่องยนต์ RL10 กับเครื่องบิน B-52 ใครจะไปก่อนกัน (ฮา)

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co