ออกแบบ Rocket Nozzle อย่างไร ทำไมเครื่องยนต์จรวดถึงหน้าตาแบบที่มันเป็น

นับตั้งแต่การบินครั้งแรกของจรวดเชื้อเพลิงเหลวลำแรกของโลกเมื่อวันที่ 16 มีนาคม 1926 ที่ประดิษฐ์โดยคุณ Robert Goddard นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน โดยจรวดลำดังกล่าวสามารถพิชิตความสูง 41 ฟุตจากพื้นดิน นับว่าเป็นจุดเริ่มต้นของวิวัฒนาการจรวดเชื้อเพลิงเหลวที่ได้ส่งไม้ต้อให้จรวดเชื้อเพลิงเหลวยุคใหม่อย่างจรวด V-2 หรือจรวดที่สามารถพามนุษย์กลุ่มแรกของมนุษย์ชาติไปลงดวงจันทร์ได้อย่างจรวด Saturn V ที่เป็นผลงานของ Wernher von Braun ทั้งคู่ รวมไปจนถึงจรวดต่าง ๆ ในปัจจุบัน ซึ่งจะเห็นได้ว่าคุณ Goddard ได้สร้างแรงกระเพื่อมต่อเทคโนโลยีจรวดอย่างมาก (ถึงแม้ว่าจรวดของ Goddard จะเป็นระบบง่าย ๆ อย่าง Presure-Fed ก็ตาม)

จรวดเชื้อเพลิงเหลวลำแรกของโลกที่ออกแบบโดยคุณ Robert Goddard – ที่มา NASA

หลักการทำงานพื้นฐานในจรวด

หนึ่งในปัจจัยที่ทำให้การทำจรวดเชื้อเพลิงเหลวปรับสบความสำเร็จนั้นเป็นอะไรไปไม่ได้นอกเหนือไปจาก “เครื่องยนต์จรวด” แน่นอนว่าจรวดทุกลำไม่ว่าจะเป็นเชื้อเพลิงเหลวหรือเชื้อเพลิงแข็งนั้นจำเป็นต้องมีส่วนที่สร้างแรงขับ ทีนี้ต้องอธิบายก่อนว่าเครื่องยนต์จรวดส่วนใหญ่ที่ถูกใช้งานจริง ณ ทุกวันนี้ไม่ว่าจะเป็นจรวดภารกิจวิทยาศาสตร์หรือจรวดทางการทหารล้วนแล้วเป็นจรวดจำพวก Chemical Combustion หรือว่าง่าย ๆ ก็คือการเผาไหม้นั่นแหละ

ในการเผาไหม้ที่เราเห็นกันทั่วไปอาศัยปัจจัยสามอย่างคือ Fuel, Oxidizer และ Heat โดยถ้าเอา Fuel และ Oxidizer มาเทรวมกันเฉย ๆ มันจะไม่เกิดปฏิกิริยาทางเคมีใด ๆ จนกระทั่งมีปัจจัยที่สามเข้ามาอย่าง Heat ซึ่งเปรียบเสมือนเป็นทางเชื่อมให้ Fuel และ Oxidizer เกิดปฏิกิริยากัน โดยผลของปฏิกิริยาการเผาไหม้จะให้ออกมาในรูปของความร้อนและผลิตภัณฑ์ ซึ่งทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับว่าสารตั้งต้นอย่าง Fuel และ Oxidizer เป็นสารอะไรซึ่งมันจะส่งผลต่อสถานะและองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์

ปัจจัยที่ทำให้เกิดกระบวนการเผาไหม้และผลิตภัณฑ์ที่ได้ – ที่มา NASA

ทีนี้สิ่งใกล้ตัวที่อาศัยประโยชน์ของการเผาไหม้ก็มีเหมือนกันนะ รถยนต์สันดาปนี่แหละ รถยนต์สันดาปพวกนี้จะมีถังที่บรรจุน้ำมันหรือ Fuel ไว้ภายใน แล้วทีนี้รถมันไปเอา Oxidizer มาจากไหน ง่าย ๆ เลยคือการเอาอากาศจากภายนอกที่มีสาร Oxidizer อย่าง Oxygen เป็นองค์ประกอบเนี่ยแหละไหลผ่านช่องอากาศของตัวรถเข้าสู่เครื่องยนต์ซึ่งจะถูกฉีดรวมกับ Fuel ที่ถูกส่งมาจากถังน้ำมันเนี่ยแหละ และจะถูกจุดระเบิดหรือใส่ Heat เข้าไปเพื่อทำให้เกิดการเผาไหม้

การเผาไหม้ที่ให้ความร้อนตรงนี้แหละจะทำให้เชื้อเพลิงที่เป็นของเหลวเปลี่ยนสถานะไปเป็นแก๊ส และแน่นอนว่าเราเรียนกันมาตั้งแต่เด็กแล้วว่า ความร้อนทำใหเ้แก๊สเกิดการขยายตัว ซึ่งแปลได้ว่าแก๊สมวลเท่าเดิมจะมีปริมาตรที่มากขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โดยต้องอธิบายก่อนว่าห้องเผาไหม้นั้นมีขนาดที่เล็กเมื่อเทียบกับปริมาตรแก๊สร้อนซึ่งทำให้เกิดความดันที่มากขึ้น (ว่าง่าย ๆ คือสร้างความอึดอัดให้แก๊สนั่นเอง ยิ่งมีปริมาตรที่มากยิ่งเพิ่มความดัน)

และด้วยความที่สภาพแวดล้อมของห้องเผาไหม้ถูกออกแบบให้มีทางออกทางเดียว ซึ่งแก๊สร้อนที่ขยายตัวตรงนี้ต้องการอยู่ในสถานะที่ไม่อึดอัดในห้องเผาไหม้จึงพยายามหาทางออกด้วยการดันลูกสูบซึ่งเป็นอะไหล่หลักชิ้นเดียวที่สามารถขยับเพื่อปรับปริมาตรห้องเผาไหม้และจะมีการปล่อยไอเสียออกสู่ภายนอกผ่านการเปิดช่องระบาย Exhaust ทำให้แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้นั้นออกสู่ภายนอก โดยลูกสูบที่ถูกดันจากการเผาไหม้ในห้องเผาไหม้จะต่อระบบเข้ากับชุดล้อขับที่ทำให้รถวิ่งได้นั่นเอง (เครื่องยนต์สันดาปในรถส่วนใหญ่จะเป็นเครื่องยนต์ลูกสูบ) สรุปก็คือนอกจากการเผาไหม้แล้ว ยังอาศัยปัจจัยเรื่องความดันเช่นกัน ซึ่งจรวดก็อาศัยปัจจัยนี้ด้วย

การทำงานของเครื่องยนต์ในรถยนต์สันดาปแบบ Piston – ที่มา CARS24

de Laval Nozzle หนึ่งในหลักย่อยของ Venturi effect

แต่เครื่องยนต์จรวดไม่ได้ใช้ล้อในการบินนี่สิ (ฮา) แต่มันอาศัยแก๊สร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ในการดันจรวดขึ้นไปในทิศตรงข้าม ถามว่าทำได้อย่างไร ปกติแล้วเครื่องยนต์จรวดโดยเฉพาะเชื้อเพลิงเหลวที่เราเห็นจะมีอะไหล่ชิ้นเบิ้มที่เด่นและเห็นได้อย่างชัดเจนคือ Chamber รูปทรงคล้ายระฆัง ตรงนี้แหละคือสิ่งที่ซ่อนความลับว่าทำไมจรวดถึงใช้แค่มวลแก๊สร้อนยกตัวเองได้ มีชื่อที่เรียกกันโดยทั่วไปว่า Rocket Nozzle โดยอะไหล่ที่ทำให้จรวดบินได้ชิ้นนี้อาศัยหลักการ de Laval nozzle ซึ่งเป็นหลักการที่เหมือนเกิดมาเพื่อการออกแบบชื้นส่วนจรวดโดยเฉพาะ (ซึ่งเอาจริง ๆ คุณ Goddard เป็นคนแรกที่ใช้หลักการนี้ในการออกแบบจรวดเชื้อเพลิงเหลวหลังถูกคิดค้นเกือบร่วม 40 ปีโดยคุณ Gustaf de Laval วิศวกรชาวสวีเดน)

de Laval Nozzle มีอีกชื่อหนึ่งที่จำกันได้ง่ายกว่าคือ Convergent-Divergent nozzle หรือ CD nozzle คือที่มาที่ว่าทำไมเครื่องยนต์จรวดแบบ Chemical combistion และเครื่องยนต์จรวดส่วนใหญ่จึงมี Chamber ทรงระฆังใหญ่ ๆ อยู่ตรงกลาง โดยจริง ๆ แล้วรูปทรงของมันไม่ได้มีแค่ระฆังอย่างเดียวนะ มันจะมีลักษณะคล้ายท่อแต่ช่วงกลางจะถูกแบบให้เล็ก และจะมีด้านปลายขาออกที่ค่อนข้างใหญ่

Wernher von Braun ขณะยืนอยู่กับจรวดท่อน S-IC จรวดท่อนแรกของ Saturn V ซึ่งจะเห็นเครื่องยนต์ Rocketdyne F-1 ที่ใช้หลัก Convergent-Divergent nozzle – ที่มา NASA

เอาเป็นว่ามาพูดถึงหลักการทำงานของมันกันบ้างดีกว่า ตัว de Laval nozzle จะทำงานด้วยการเคลื่อนที่ของของไหลโดยในหลักการนี้จะนิยมแก๊สมากกว่าของเหลว (เอาจริง ๆ ในภาพรวมของกลศาสตร์ของไหลจะอาศัยหลัก Venturi effect ที่เป็นหลักต้นแบบที่ทำให้คุณ Gustaf de Laval คิดค้น de Laval nozzle นี่แหละ) โดยอาศัยความต่างของความดันในพื้นที่ที่ต่างกันออกไปจะให้ความเร็วของของไหลที่ต่างกันออกไปด้วย นึกง่าย ๆ คือเรากำลังรดน้ำต้นไม้อยู่ด้วยสายยางแต่น้ำไปไม่ไกลเลย ทำยังไงดีให้ให้น้ำไปได้ไกลและแรงดีนะ แน่นอนว่าเรามักกจะบีบหัวสายยางให้เล็กลงเพื่อให้น้ำพุ่งไปข้างหน้าได้ไกลและแรงขึ้น

ถามว่าเพราะอะไร สมมติว่ามีท่อตรงท่อหนึ่งหนึ่งมีของไหลอยู่ตลอดเวลาด้วยความเร็วคงที่ ถ้าเราตัดท่อออกมาตามแนวขวางกี่จุดก็มีขนาดพื้นที่หน้าตัดเท่าเดิม แต่ถ้าเราบีบจุดใดจุดหนึ่งให้ท่อนั้นมีขนาดที่เล็กลงเมื่อตัดตามแนวขวางออกมาจะพบว่าพื้นที่หน้าตัดตรงนั้นจะมีพื้นที่ที่เล็กกว่าบริเวณอื่น ๆ ซึ่งเท่ากับว่าตรงจุดจุดนั้นจะมีพื้นที่สำหรับการไหลไม่เท่ากับบริเวณอื่น แต่เนื่องด้วยที่ว่าของไหลที่ไหลมามันไหลตลอดไม่หยุดพักถ้าให้ไหลด้วยความเร็วเท่าเดิมในพื้นที่ที่ถูกบีบมันก็ทำไม่ได้ ตรงบริเวณขาเข้าจุดที่ถูกบีบเหมือนคอขวดจะเปรียบเสมือนจุดที่มีความดันที่มากกว่าบริเวณอื่น ๆ เพราะของไหลมากระจุกรออยู่ตรงนี้เนื่องด้วยมีพื้นที่ไหลน้อยลง ความดันตรงนี้จะส่งผลให้เกิดการเพิ่มความเร็วของการไหลในจุดนั้น หรือนั่นก็คือถ้าพื้นที่เล็กลงแต่ทำให้ไหนเร็วขึ้นได้ก็จะทำให้ของไหลไหลออกมาทันนั่นเอง และถ้าไหลผ่านจุดที่ถูกบีบให้เล็กและกลับมาไหลในพื้นที่ที่เท่าเดิมก่อนที่จะถูกบีบหรือขาออกของการไหลแล้ว ของไหลในบริเวณหลังจากนั้นจะกลับมาไหลด้วยความดันและความเท่าเท่ากับการไหลในพื้นที่ก่อนถูกบีบ (ซึ่งที่อธิบายมาตรงนี้จะเป็นแค่หลักของ Venturi effect)

ภาพ diagram ของท่อ Venturi – ที่มา Wikimedia Commons

ทีนี้ใน de laval nozzle มันไม่ได้เรียบง่ายเหมือนหลัก Venturi effect แต่เราจะพยายามรวบรัดหลักที่ถูกหยิบไปออกแบบ rocket nozzle จรวดและพบเห็นในโลกความเป็นจริงบ่อยที่สุด เมื่อเชื้อเพลิงถูกฉีดเข้าสู่ Combustion Chamber และถูกจุดระเบิดจะทำให้สถานะของเชื้อเพลิงจากของเหลวกลายไปเป็นแก๊สและขยายตัวซึ่งสร้างความดันอย่างรวดเร็วเนื่องด้วยการคายความร้อนจากการเผาไหม้ และตามที่กล่าวไปก่อนหน้านี้คือจะต้องมีส่วน ๆ ส่วนหนึ่งถูกบีบเพื่อเพิ่มความเร็วแก๊ส โดยจะไหลเข้าไปในพื้นที่ที่มีพื้นที่หน้าตัดที่เล็กที่สุดที่เรียกกันว่า Throat ซึ่งตรงนี้จะทำให้ความเร็วแก๊สพุ่งเทียบเท่าหรือประมาณ Sonic speed (เทียบเท่าความเร็วเสียง) ซึ่งมากกว่านี้ไม่ได้ตามหลักการไหลของแก๊ส

โดยช่วงตั้งแต่แก๊สที่ถูกบีบอัดไปจะถึงบริเวณ Throat จะเรียกกันว่าส่วน Convergent หรือไว้บอกเฉย ๆ นั่นแหละว่าตรงนี้คือขาเข้านะ ในส่วนของแก๊สที่ไหลออกจาก Throat อีกด้านหรือขาออกจะเรียกว่าส่วน Divergent ซึ่งเป็นจุดสิ้นสุดของแก๊สที่ไหลในระบบเครื่องยนต์เพราะต่อจากนี้แก๊สพวกนี้จะได้อิสระออกสู่ภายนอก แต่สำหรับส่วน Divergent เราต้องออกแบบให้ส่วนนี้มีความดันขณะไหลที่ลดลงด้วย เพราะถ้ามีความดันส่วนนี้ที่มากเกินไปจะทำให้แก๊สขาออกส่วนนี้ทำความเร็วไม่ถึง Supersonic speed (ความเร็วเหนือเสียง) ซึ่งจะทำให้เครื่องยนต์เสียประสิทธิภาพในการสร้างแรงขับและไร้ประโยชน์มาก ๆ สรุปง่าย ๆ คือในส่วนของ Combustion Chamber และส่วน Convergent จะมีความเร็ว Subsonic speed ซึ่งเลี่ยงไม่ได้ ต่อด้วยการไหลเข้าสู่ Throat ที่ต้องทำให้ถึง Sonic speed และส่วน Divergent ที่ต้องทำให้มีความเร็วการไหลในระดับ Supersonic speed

ภาพ Diagram ของ de Lavan nozzle – ที่มา Wikimedia Commons

เสริมอีกหนึ่งอย่าง: ตามหลักแล้วความเร็วการไหลจะเพิ่มขึ้นจนถึง Supersonic speed แต่จะผกผันกับความดันและอุณหภูมิของแก๊สที่ลดลงเรื่อย ๆ ระหว่างส่วน Convergent กับ Divergent และย้ำอีกครั้งว่าส่วน Divergent ต้องคุมความดันของการไหลให้ดีไม่งั้นใช้ไม่ได้

ฮาวทูออกแบบ ทดสอบ และเล่าประสบการณ์ที่เคยทำ

ต้องท้าวความกลับไปก่อนจุดเริ่มต้นของหายนะครั้งนี้ก่อนว่าเราเป็นแค่เด็กมัธยมปลายโครงการ วมว. (โครงการสนับสนุนการจัดตั้งห้องเรียนวิทยาศาสตร์ในโรงเรียน โดยการกำกับดูแลของมหาวิทยาลัย) แล้วทีนี้โครงการนี้มีงานอย่างนึงที่นักเรียนโครงการนี้ต้องทำเพราะมันเป็นเงื่อนไขของโครงการนั่นคือทำโปรเจ็คหรืองานวิจัยวิทยาศาสตร์ แต่จริง ๆ ระดับมัธยมปลายก็บังคับทำโปรเจ็คกันทั้งนั้น แต่โครงการห้องเรียนพวกนี้จะมีความเข้มงวดกว่า ทำโปรเจ็คแล้วก็ยังต้องนำเสนอซึ่งจะมีการจัดงานนำเสนอทุกปีรวมห้องเรียนวมว. จากทุกศูนย์ (ซึ่งก็แล้วแต่ปีว่าจะไปจัดที่ไหน)

เอาจริงตอนแรกเราเลือกหัวข้อเกี่ยวกับทำ Artificial Gravity Centrifuge (อ่าน – มนุษย์จะสร้างแรงโน้มถ่วงเทียมในอวกาศได้อย่างไร เปิดประวัติ แนวคิด เจาะลึก) แต่ว่ามันดูไม่ค่อยมีอะไรเลยเปลี่ยนมาทำเกี่ยวกับ Rocket Propulsion ซึ่งก็เลือกออกแบบ Rocket Nozzle นี่แหละ เพราะส่วนตัวมองว่างานสายนี้นักเรียนในวัยเดียวกันกับเรามีคนทำน้อยมาก (As Know As นักเรียนไทย) ก็เลยคิดว่า เออ ไหน ๆ คนทำน้อยแล้วลองทำอะไรที่แปลกกว่าคนอื่นดีกว่า เพราะส่วนตัวก็สนใจเรื่องพวกนี้เป็นทุนเดินอยู่แล้ว (แต่คนที่ซวยคือเพื่อนร่วมโปรเจ็คที่ไม่รู้เรื่องสายนี้เลย แต่เจ้าตัวก็บอกประมาณว่า “เอาอะไรก็ได้ จัดมาเลย”) แต่ก็คว้าเหรียญทองแดงสาขาฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในงาน Forum ของวมว. ได้นะ ท้้ง ๆ ที่ไม่ได้หวังเลยเพราะใช้เวลาทำอยู่ประมาณ 3 เดือนและส่วนใหญ่เร่งทำตอน 2 อาทิตย์สุดท้ายซึ่งทำได้ไม่ค่อยเต็มที่เท่าไหร่ (ไม่ใช่เรื่องที่ดีและไม่ควรทำ) ทุกวันนี้ยังงงอยู่เลยว่ากรรมการที่ตัดสินคิดอะไรอยู่กับงานที่ไม่พร้อมขนาดนี้ (ฮา)

ภาพตอนที่เรานำเสนอโปรเจ็คทำ Rocket Nozzle ในงาน Forum ของวมว. และเนื่องด้วยเจอปัญหา COVID-19 เลยเป็นงาน Forum แบบออนไลน์แทน (ซึ่งน่าเสียดายอยู่เหมือนกัน)

เอาเป็นว่าเข้าเรื่องกันเลยดีกว่า แต่อยากเตือนก่อนว่าใครที่เป็นวิศวกรหรือคนที่เรียนสายนี้แล้วเข้ามาอ่านส่วนนี้ไม่ควรเอาเยี่ยงอย่าง เพราะมันเป็นวิธีที่วิศวกรดี ๆ ไม่ทำกัน (ฮา) และเป็นเพียง guide วิธีออกแบบ Rocket Nozzle อย่างง่าย เท่านั้น อย่างแรกเลยคือเราต้องรู้ก่อนว่าเราจะใช้เชื้อเพลิงอะไรในระบบเครื่องยนต์นี้ ซึ่งเราก็ต้องมีพื้นฐานเรื่องเคมีด้วย ว่าง่าย ๆ คือเราต้องทำสมดุลเคมีให้เป็นเราจึงจะรู้สัดส่วนเชื้อเพลิงที่ใช้ รวมถึงตัวเชื้อเพลิงจะมีช่วงอุณหภูมิที่แต่กต่างกันออกไป บ้างก็เก็บในอุณหภูมิปกติได้ บ้างก็ต้องทำให้ให้อุหภูมิต่ำตลอดเวลา เช่นสาร Oxidizer จำพวกออกซิเจนเหลว หรือ Fuel ที่เป็นแก๊สธรรมชาติอย่างมีเทนที่ต้องทำอุณหภูมิและความดันให้พอถึงจะเก็บในรูปของเหลวได้ โดยอุหภูมิของเชื้อเพลิงก็มีผลต่อความหนาแน่นของเชื้อเพลิงด้วยซึ่งจะส่งผลต่ออัตราส่วนเชื้อเพลิงที่ใช้

ออกซิเจนเหลวที่ต้องอยู่ในสถานะอุณหภูมิต่ำ – ที่มา U.S. Air Force

นอกจากนี้เราต้องกำหนดแรงขับและความดันใน Combustion Chamber ก่อนเพื่อที่จะนำไปหาค่าตัวแปรที่ต้องเอามาใช้ออกแบบ Nozzle และด้วยที่ว่าสมดุลเคมีการเผาไหม้พวกนี้ไม่ได้พื้น ๆ เหมือนเคมีที่เราเรียนกันตอนมัธยมปลายเพราะมันมีเรื่องของอุณหภูมิของเชื้อเพลิงและความดันเข้ามาเกี่ยวข้องด้วยจึงต้องใช้ตัวช่วยนิดหน่อยแต่มันมีประโยชน์มาก ๆ นั่นคือ NASA CEA (Chemical Equilibrium Analysis) ซึ่งเอาไว้ช่วยคำนวณหาตัวแปรที่จะนำมาใช้ในการออกแบบ Nozzle โดยอย่างที่ได้บอกไปว่าเราต้องกำหนดเชื้อเพลิงที่ใช้ อุณหภูมิของเชื้อเพลิงและความดัน

จากการคำนวณของ NASA CEA เราจะได้ค่าที่สำคัญอุณหภูมิที่ได้จากการเผาไหม้ใน Combustion Chamber รวมไปจนถึงอุณหภูมิด้านปลายขาออกของ Nozzle อัตราส่วนความร้อนจำเพาะ อัตราส่วนพื้นที่หน้าตัดระหว่าง Throat กับปลาย Nozzle ขาออก และ Mach number ณ ตำแหน่งปลายขาออก ซึ่งจากตัวแปรพวกนี้สามารถนำไปแทนค่าในสมการที่อยู่ด้านล่างนี้ได้เลย

สมการคำนวณ Nozzle จรวดรวมไปจนถึงปัจจัยต่าง ๆ ที่ถูกใช้ใน Nozzle – ที่มา NASA

โดยสมการหลักที่เราจะใช้กันคือ F = m dot · Ve + (pe – p0) · Ae และเนื่องจากเรากำหนด F หรือแรงขับไว้แล้วจึงต้องหา Ve หรือความเร็วของแก๊สด้านปลายขาออกเพื่อหา m dot หรืออัตราการไหลของมวล และในส่วนของพจน์หลังอย่าง (pe – p0) · Ae เราไม่จำเป็นต้องสนใจมันก็ได้หากเราออกแบบเครื่องยนต์ไว้ใช้ที่ระดับ Sea Level แต่ถ้าเป็นเครื่องยนต์ที่ถูกใช้งานระดับความสูงที่ต่างกันโดยเฉพาะระดับที่ความดันของชั้นบรรยกาศที่ต่างระดับน้ำทะเลมาก ๆ ก็ต้องสนใจพจน์นี้ด้วยนะ เมื่อเราได้ m dot แล้วเราก็จะจะต้องไปหาสัดส่วนเชื้อเพลิงที่ใช้ต่อหน่วยเวลาเป็นน้ำหนักที่ใช้จริง ๆ ซึ่งจะสำคัญในส่วนการหาปริมาตรของ Combustion Chamber สำหรับส่วนของของการคำนวณก็จะมีประมาณนี้และไม่ได้ยากเท่าไหร่นัก

ในส่วนของการการวาดให้ Nozzle เป็นรูปร่างขึ้นมาเราจะใช้ CAD ตัวไหนก็ได้ที่เราสะดวกใช้ที่สุด และอย่างที่บอกว่าเป็นการออกแบบอย่างง่ายวีธีการออกแบบต่อไปนี้อาจรีดประสิทธิภาพ Nozzle ได้ไม่มากที่สุด โดยเราจะเริ่มจากการออกแบบ Nozzle แบบ Conical ก่อนเพื่อเป็น Guide ให้กับการเขียน Bell Nozzle หรือ Parabolic Nozzle ซึ่งเป็นรูปร่างที่นิยมใช้ที่สุด โดย Nozzle ส่วน Divergent จะส่งผลต่อแรงขับมากที่สุด ถ้าเราเขียนส่วนโค้งของส่วนนี้ไม่ได้ก็ส่งผลต่อประสิทธิภาพของเครื่องยนต์และแรงขับเช่นกัน

ซึ่งเราอยากแนะนำหนังสือ Rocket Propulsion Element เพราะมันช่วย Guide การตั้งมุมองศาและการเขียนส่วนโค้งของ Nozzle ได้ค่อนข้างละเอียด รวมไปจนถึงพื้นฐานการออกแบบจรวดทั้งระบบ แต่ถ้าอยากได้ Nozzle ส่วน Divergent แบบที่มีประสิทธิภาพมากกว่าต้องใช้หลักการ Method of Characteristics ถึงแม้การคำนวณจะค่อนข้างยากแต่มันช่วยเรื่องประสิทธิภาพได้ดีมาก (Nozzle จรวดที่ใช้งานจริง ๆ จะใช้ Method นี้) โดยเราสามารถใช้ภาษา MATLAB ช่วยคำนวณส่วนโค้ง Divergent ได้ แถม Code ภาษานี้ที่ช่วยคำนวณก็มีให้พบเห็นทั่วไปตามอินเทอร์เน็ต (แต่เราไม่มี License ของ MATLAB เลยไม่ได้ใช้ MoC ในการออกแบบ //ฮา)

นอกจาก Combistion Chamber ส่วนขาเข้าอย่าง Convergent ส่วนที่แคบที่สุดอย่าง Throat และส่วนที่สำคัญที่สุดในการสร้างขับอย่าง Divergent แล้วก็ยังต้องเว้นพื้นที่สำหรับการฉีดเชื้อเพลิงใน Combustion Chamber ซึ่งจะเป็นช่องว่างให้เชื้อเพลิงได้ตีกันกลายเป็นละอองเล็ก ๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้ (ตรงนี้ส่งผลต่อประสิทธิภาพแรงขับเช่นกัน) ซึ่งก็ต้องไปคำนวณส่วนนี้แยกอีกที แต่ตอนทดสอบจำลองการเผาไหม้เราจะไม่เอาส่วนนี้เข้ามาด้วย

ในการทดสอบทำ Simulation เราต้องพึ่งพา Software ที่สามารถทำ CFD (Computational Fluid Dynamics) ซึ่งช่วยคำนวณและจำลองการไหลของของไหล โดยทำไปเพื่อคาดการณ์ว่า Nozzle ที่เราวาดมามีประสิทธิภาพมากน้อยแค่ไหน โดยเราแนะนำ ANSYS เพราะมันมี Academic License (เผื่อใครอยากลองแต่ทุนไม่หนา) และก็นิยมใช้จริงและในอุตสหากรรม Aerospace จะเป็นการสร้างแบบจำลอง 2D หรือ 3D แบบภาพนิ่งหรือ Animation ก็ทำได้ แต่ยิ่งทำงาน Advance เรายิ่งต้องมี Hardware ดี ๆ ที่ใช้ Run แบบจำลอง ไม่งั้นเราจะเสียเวลาตอนมันคำนวณสร้างแบบจำลอง

ภาพผลลัพท์ที่เราได้จาการ Run Simulation โดยใช้ ANSYS โดยเราหาความเร็วและอุณหภูมิของไหล และถ้าสังเหตุจะเห็นว่าฝั่ง Bell Nozzle จะออกไปทาง Under Expansion เพราะเราทำส่วน Divergent สั้นไป

ในส่วนของผลลัพท์จากการทำ CFD จะบอกเราได้ว่า Nozzle ที่เราออกแบบมานั้นมีประสิทธิภาพมากน้อยแค่ไหน โดยจะสรุปอย่างง่ายตามด้านล่างนี้

  • ถ้าเราเห็นว่าเปลวการไหลของของไหลหลังออกจาก Nozzle แล้วมันพอดีหรือเกือบพอดีหรือออกมาแล้วใกล้เคียงเส้นในแนวตรงที่ขนานซึ่งกันและกันและไปในแนวเดียวกับเส้นแนวแกนกลางมากที่สุด ตรงนี้จะใกล้เคียงกับคำว่า Nozzle นี้มีประสิทธิภาพในการสร้างแรงขับมากที่สุด ซึ่งเป็นดีไซน์ในอุดมคติเพราะในโลกความเป็นจริงทำให้เป๊ะแบบนี้แทบไม่ได้ (เนื่องด้วยความดัน อุณหภูมิ และปัจจัยอื่นที่ไม่คงที่ตลอดเวลาจากภายนอก) ได้แต่ทำให้ใกล้เคียงมากที่สุด
  • ถ้าเราเห็นว่าเปลวขาออกมันบานโค้งออกหรือใหญ่แบบไม่ปกติ เราจะเรียกว่า Under Expansion ซึ่งสื่อว่า Nozzle นี้เสียประสิทธิภาพบางส่วนไป อาจจะต้องแก้ให้ Nozzle ใหญ่หรือยาวขึ้น ซึ่งเราจะเห็นได้บนเครื่องยนต์หลาย ๆ เครื่องที่อยู่ใน Altitude ที่สูงเพราะความดันของอากาศภายนอกของระดับความสูงพวกนั้นจะต่ำกว่าความดันของอากาศภายนอกที่อยู่ที่ระดับ Sea Level ทำให้ Exhaust ที่เป็นแก๊สขยายตัวได้ดีกว่า แต่ในกรณีที่เห็นพวกนี้ถือว่าไม่มีปัญหาเพราะมันถูกออกแบบมาให้ทำงานได้ดีในช่วงระดับ Sea Level
จรวด Saturn V ในภารกิจ Apollo 11 ขณะ Stage Separation ซึ่งจะเห็น Exhaust ของท่อน S-IC บานออกผิดปกติ เพราะ ณ ขณะนั้นเครื่องยนต์ Rocketdyne F-1 ทั้ง 5 เครื่องกำลังอยู่ในสถานะ Under Expansion – ที่มา NASA
  • ถ้าเราเห็นว่าเปลวขาออกมันแคบโค้งเข้าหาแกนกลางหรือออกมาแล้วเล็กแบบไม่ปกติ เราจะเรียกว่า Over Expansion ซึ่งสื่อว่า Nozzle นี้เสียประสิทธิภาพบางส่วนไปเช่นกัน
Diagram อธิบายการเกิด Under Expansion, Over Expansion และแบบ Ideal Flow – ที่มา Rocket Propulsion Elements

จะเห็นได้ว่าการออกแบบแค่ส่วนของ Rocket Nozzle ไม่ได้ยากมากนัก แต่สำหรับเครื่องยนต์จรวดแล้ว ส่วนที่ยากคือการออกแบบระบบอื่น ๆ อย่าง Turbopump ระบบท่อในเครื่องยนต์ ระบบหล่อเย็นตัว Nozzle รวมไปจนถึงการเลือกพัฒนาวัสดุที่ทนต่ออุณหภูมิและความดัน และการทำ Manufacture เครื่องยนต์ทั้งระบบ ซึ่งรวม ๆ แล้วเป็นเรื่องของวิศวกรรมการบินอวกาศและระบบท่อส่งเชื้อเพลิงที่ดูเหมือนยืมศาสตร์จากวิศวกรรมปิโตรเลี่ยมมาใช้ แต่ถ้าเราไม่ศึกษาเรื่องพวกนี้แล้วเราก็จะส่งของขึ้นอวกาศหรือสิ่งที่เกี่ยวข้องเกี่ยวกับ Rocket Propulsion ไม่ได้ นั่นคือสาเหตุที่ว่านอกจาก Orbital Physics ที่ควรรู้แล้วยังมี Rocket Propulsion ที่ควรรู้อีกด้วย

เชื่อว่าบทความนี้จะทำให้ทุกคนเห็นว่า จรวดไม่ใช่แค่แท่งเชื้อเพลิงโง่ ๆ ที่ข้างในไม่ได้มีอะไร แล้วทำหน้าที่เป็นตัวนำส่งดาวเทียมหรือยานอวกาศเฉย ๆ แต่จริง ๆ แล้ว จรวดนั้นมีความซับซ้อนและอาศัยหลักวิศวกรรมขั้นสูงในการออกแบบ และทดสอบ ยังไม่รวมจรวดประเภทที่จุดแล้วจะดับไม่ได้ (ที่สร้างความฉิบหายให้วงการอวกาศมามากแล้ว) อย่าง Solid Booster ที่ปัจจุบันก็ยังจะถูกนำมาใช้กับโครงการ SLS หรือแม้กระทั่งระบบคอมพิวเตอร์ในจรวดที่นับว่าเป็นส่วน Critical ต่อภารกิจมาก ๆ ซึ่งแน่นอนว่า ปัจจุบันแม้บริษัทที่สร้างจรวดจะมีไม่มากบนโลกใบนี้ แต่เราก็เริ่มเห็นนักเรียน นักศึกษา สร้างและประดิษฐ์จรวดเองมากขึ้น ซึ่งเป็นการปลดล็อกแนวคิดแบบ Conservative (คงไม่ค่อยมีใครอยากเปลี่ยนการออกแบบอะไรที่รู้ว่าถ้าพลาดนิดเดียวอาจนำมาสู่ความตายของคนได้หรอก) ของการออกแบบจรวดด้วย และนำมาซึ่งนวัตกรรมใหม่ ๆ ในการออกแบบเครื่องยนต์จรวดมากมาย ดังนั้นเราก็คงปฏิเสธไม่ได้เลยว่า การศึกษาการออกแบบจรวดไม่ใช่แค่ต้องการสร้างจรวด แต่คือการศึกษาต้นตอของการเดินทางสู่อวกาศจริง ๆ ในแง่ของวิธีคิด วิศวกรรม และปัจจัยทางการเมือง

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co

เราใช้คุกกี้เพื่อพัฒนาประสิทธิภาพ และประสบการณ์ที่ดีในการใช้เว็บไซต์ของคุณ คุณสามารถศึกษารายละเอียดได้ที่ นโยบายความเป็นส่วนตัว และสามารถจัดการความเป็นส่วนตัวเองได้ของคุณได้เองโดยคลิกที่ ตั้งค่า

Privacy Preferences

คุณสามารถเลือกการตั้งค่าคุกกี้โดยเปิด/ปิด คุกกี้ในแต่ละประเภทได้ตามความต้องการ ยกเว้น คุกกี้ที่จำเป็น

Allow All
Manage Consent Preferences
  • Always Active

Save