จากที่เราเคยเขียนมาตลอดโดยเฉพาะกับ ออกแบบ Rocket Nozzle อย่างไร ทำไมเครื่องยนต์จรวดถึงหน้าตาแบบที่มันเป็น หลายคนที่ได้อ่านก็น่าจะเข้าใจแล้วว่าเครื่องยนต์จรวดมีหน้าตาและหลักการทำงานอย่างไร ซึ่งจริง ๆ เครื่องยนต์จรวดไม่ว่าจะแบบที่ใช้เชื้อเพลิงแข็ง เหลว หรือแม้แต่ไฮบริดต่างก็มีหลักการทำงานที่ไม่ต่างจากกันมากนัก ที่หลัก ๆ แล้วก็ต่างจำเป็นต้องอาศัยวิธีการอะไรซักอย่างที่ทำให้เกิดแก๊สหรือ Compressible fluid แรงดันสูง ร่วมกับการอาศัยกลไกฟิสิกส์กลไกหนึ่งที่เรียกว่า Choked flow เพื่อเร่งความเร็วของแก๊สที่ว่าให้มีความเร็วที่สูงขึ้นกว่าเดิม ซึ่งสองปัจจัยนี้จะทำให้เครื่องยนต์สามารถสร้างแรงขับออกมาได้
แต่ทีนี้ หลาย ๆ คนก็อาจจะรู้อยู่แล้วว่าเครื่องยนต์จรวดพวกนี้ ต่อให้จะใช้หลักการเดียวกัน ใช้เชื้อเพลิงแบบเดียวกัน แต่ถ้ามันเป็นเครื่องยนต์คนละรุ่นสุดท้ายแล้วประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ก็จะแตกต่างกันอยู่ดี เพราะเครื่องยนต์พวกนี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเร็วและมวลของไอพ่นที่ถูกขับออกไปเพียงอย่างเดียว แต่สิ่งที่เรียกว่า พลังงาน และ Thermodynamics ก็เป็นอีกสิ่งที่ไม่ว่าจะออกแบบเครื่องยนต์หรือเครื่องจักรไหน ๆ ก็ล้วนแล้วขึ้นอยู่กับมัน ในบทความนี้เราจะพาทุกคนไปรู้จักกับอีกหนึ่งประเภทของเครื่องยนต์จรวดที่ได้รับการยอมรับว่ามีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์ดั้งเดิมในแบบที่เรารู้จักกันอย่าง Rotating Detonation Engine
การเผาไหม้ Deflagration และการระเบิด Detonation
เราว่าต้องมีบ้างแหละที่เข้ามาอ่านบทความนี้แล้วเคยเล่น World of Warships กันมาก่อน คงมีหลายครั้งเลยที่ขับเรืออยู่ดี ๆ แล้ว HP ก็หมดหลอดพร้อมกับเจอสิ่งที่เรียกว่า Detonation ทุกครั้งเวลาไม่ได้ติดธงกันรางกระสุนแหก (ฮา) เอาจริงที่หยิบมาเล่าแม้เกมจะถอดระบบนี้ไปแล้วคือไม่ใช่อะไรหรอก เพราะมันเกี่ยวกับสิ่งที่เรากำลังจะเล่าพอดี
ปกติแล้วเครื่องยนต์จรวด เครื่องยนต์ Gas turbine หรือแม้แต่เครื่องยนต์ในรถจะอาศัยพฤติกรรมหนึ่งที่เรียกกันว่า Deflagration หรือการเผาไหม้ ซึ่ง Deflagration ที่ว่าคือพฤติกรรมการเผาไหม้ที่จะอาศัยระยะเวลาระดับหนึ่งซึ่งความเร็วในการเผาไหม้จะขึ้นอยู่กับระยะเวลาในการลามของเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์ ลักษณะจะคล้าย ๆ เวลาเราจุดเตาแก๊ส ไฟแช็ก หรือก้านไม้ขีดที่ถ้าสังเกตดี ๆ มันจะใช้ระยะเวลาระดับหนึ่งกว่าประกายไฟซึ่งเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้เกิดการเผาไหม้จะสามารถจุดไฟให้ลุกวาบขึ้นมาเป็นเปลว แต่ถ้าให้พูดกันในเชิงของตัวเลข การเผาไหม้แบบ Deflagration จะเป็นการเผาที่ไฟจะลามด้วยความเร็วต่ำกว่าเสียงหรือ Subsonic
ในทางกลับกัน การระเบิดหรือ Detonation จะเป็นการเผาไหม้ที่ไฟจะลามด้วยความเร็วที่มากกว่าเสียงหรือ Supersonic โดยปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นเมื่อตัวเครื่องยนต์หรือสภาพแวดล้อมนั้นตรงกับเงื่อนไขที่ทำให้เกิดการเผาไหม้แบบ Supersonic พอดี ซึ่งหลัก ๆ ขึ้นอยู่กับสัดส่วนการผสมของเชื้อเพลิงและความดันของพื้นที่โดยรอบ โดยหากเกิด Detonation ขึ้นมันจะสร้าง Shockwave ขึ้นจากการขยายตัวอย่างฉับพลันของเชื้อเพลิงซึ่งความเร็วในการขยายตัวนั้นเร็วและความความดันที่มากพอที่จะทำให้เกิดการบีบอีดแรงดันสูงของอากาศหรือของไหลโดยรอบจนสร้างแนวคลื่นออกมาให้เห็น ซึ่งถือว่าเป็นการเผาไหม้ที่อันตรายกว่า Deflagration มากเนื่องด้วยพลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมาในปรากฏการณ์นี้สูงและรุนแรงกว่า Deflagration พอสมควร การออกแบบ Heat engine ที่อาศัยการเผาไหม้แทบจะทั้งหมดบนโลกใบนี้เลยพยายามจะเลี่ยงไม่ให้เกิด Detonation ขึ้น
จากการพยายามเลี่ยงสู่การวิจัยเพื่อดึงประโยชน์มาใช้
แน่นอนว่าหลาย ๆ คนที่เคยเรียนวิศวะเครื่องกล ทำงานเกี่ยงกับยานยนต์ อากาศยาน หรืออะไรก็ตามที่มีเครื่องสันดาปแบบลูกสูบมาอาจจะเคยอ่านหรือเคยได้ยินผ่าน ๆ ว่าการออกแบบเครื่องยนต์พวกนี้จะพยายามออกแบบไม่ให้เกิดปรากฏการณ์ Detonation ซึ่งมันก็คือ Detination เดียวกันกับที่เรากำลังพูดถึงในบทความนี้นั่นแหละ น่าเหลือเชื่อเหมือนกันที่กระบอกลูกสูบเล็ก ๆ ในเครื่องยนต์แบบนั้นจะมีพื้นที่มี่สามารถทำให้เกิดการเผาไหม้ที่ไฟลามด้วยความเร็วเหนือเสียงได้
เอาจริงแล้วนอกจากเครื่องยนต์ Reciprocating หรือลูกสูบที่ควรเลี่ยงการเกิด Detonation แล้ว ในเครื่องยนต์เจ็ทแบบพวก Gas turbine และเครื่องยนต์จรวดทั่วไปที่เรารู้จักกันก็ต้องเลี่ยงปรากฏการณ์นี้เช่นกัน เรื่องนี้ต้องย้อนกลับไปในช่วงกลางยุคทศวรรษที่ 1950 กองทัพอากาศสหรัฐประกาศที่จะพัฒนาเครื่องยนต์จรวดที่มีแรงขับ 1,000,000 ปอนด์หรือราวหรือประมาณ 4,450 กิโลนิวตัน ในเวลาต่อมา Rocketdyne ได้ชนะการเซ็นสัญญาในการพัฒนาเครื่องยนต์จรวดในโครงการนี้และกลายเป็นการเริ่มต้นการพัฒนาเครื่องยนต์ Rocketdyne F-1 ที่หลังจากนั้นจะกลายมาเป็นเครื่องยนต์สำหรับจรวดในโครงการ Apollo
แต่การทำเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลวที่ทรงพลังขนาดนี้ไม่เคยมีใครที่ไหนเคยทำมาก่อนทำให้ระหว่างการพัฒนา วิศวกรในโครงการนี้ก็ต่างตกหลุมไปกับปัญญามากมาย หนึ่งในนั้นคือการควบคุมสิ่งที่เรียกว่า Thermodynamic instabilities ให้แปลตรง ๆ ก็ความไม่แน่นอนทางเทอร์โมไดนามิก ทำให้มีครั้งหนึ่งเมื่อ 28 มิถุนายน 1962 มีการทดสอบเครื่องยนต์ F-1 รุ่นต้นแบบเกิดการระเบิดแบบ Detonation ขึ้น ฉีกตัว Nozzle ออกเป็นชิ้น ๆ จากการระเบิด เรื่องนี้กลายเป็นหนึ่งในปัญญาที่ใหญ่ที่สุดในการพัฒนาเครื่องยนต์รุ่นนี้ทำให้วิศวกรต้องถอยกลับตั้งตัวแล้วสืบหาปัญหาที่มีความเป็นไปได้ที่ก่อให้เกิดความไม่แน่นอนทางเทอร์โมไดนามิกนี้
แน่นอนว่าหนึ่งในปัจจัยที่ก่อให้เกิดการ Detonation ได้คือการผสมเชื้อเพลิงในสัดส่วนที่ลงล็อคพอดีและหนึ่งในปัจจัยที่จะทำให้เชื้อเพลิงสามารถผสมกันได้ในสัดส่วนที่ลงตัวได้คือการมีสภาพแวดล้อมแบบ Turbulent และเนื่องด้วยขนาดและความยาวของตัว Combustion chamber ที่ใหญ่พอ ๆ กับโอ่งขนาดใหญ่ที่ใช้กันในแถบชนบท ขนาดที่ใหญ่ของมันสามารถเพิ่มความเป็นไปได้ในการเกิดการไหลแบบ Turbulent ทำให้โอกาสการเกิด Detonation นั้นก็มีแนวโน้มที่สูงพอสมควร นอกจากนี้ยังมีปัญหาอีกเกือบ 20 จุดที่มีความเป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดความไม่แน่นอนทางเทอร์โมไดนามิก ทำให้วิศวกรที่ทำงานกับเครื่องยนต์รุ่นนี้ได้ปรับปรุงการออกแบบชิ้นส่วนหลาย ๆ จุด หนึ่งในนั้นคือการเพิ่มชิ้นส่วนที่ลดโอกาสการเกิด Detonation อย่าง Baffle ที่จะเป็นชิ้นส่วนผนังกั้นที่ติดตั้งให้กับ Injector plate ที่ใช้ฉีดเชื้อเพลิงเพื่อแยกให้เชื้อเพลิงที่ถูกฉีดผสมกันและเริ่มเผาไหม้แยกกันเป็นกลุ่มเล็กในเพื่อให้แน่นอนว่าเชื้อเพลิงจะไม่ผสมกันในสัดส่วนที่ทำให้เกิด Detonation และช่วยเรื่องทิศทางการไหลของไอพ่นได้ระดับหนึ่ง
แน่นอนว่าหลังจากยุคของโครงการ Apollo สหรัฐฯ ก็ไม่ได้บ้าพลังทำเครื่องยนต์ตัวใหญ่ ๆ แบบ Rocketdyne F-1 อีกแล้วแม้ว่าเมื่อต้นยุค 2000 จะมีแนวติดทำรุ่นต่อยอดของมันอย่าง F-1B ไว้ใช้กับจรวด SLS สมัยที่ยังอยู่ในโครงการ Constellation แต่เหมือนว่าการปลุกผีเครื่องยนต์ F-1 มันก็ไม่ค่อยจะสมเหตุผลเท่าไหร่แม้ว่าระบบ Gas generator จะดูเป็น Cycle ที่เรียบง่ายมากถ้าเทียบกับระบบ Closed cycle อื่น ๆ แต่จากปัญหาและการเรียนรู้จากความไม่แน่นอนทางเทอร์โมไดนามิกสมัยโครงการพัฒนาเครื่องยนต์ F-1 ที่เหมือนว่าความไม่แน่นอนนี้เป็นอะไรที่ “ควบคุมไม่ได้” กลับถูกมองว่ายังเป็นปัญหาที่ “ยัง” ควบคุมไม่ได้ ทำให้ในภายหลังไอเจ้าปัญหา Detonation ที่สร้างปัญหาใหญ่ให้กับการพัฒนาเครื่องยนต์เริ่มถูกมองว่า “เอ้ย ไอปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์แบบนี้น่าจะมีประโชยน์ที่เราสามรถใช้ประโชยน์จากมันได้ในซักวัน” ซึ่งแน่นอนว่าตั้งแต่ยุคทศวรรษที่ 1950 เป็นต้นมาได้มีนักวิจัยในมหาลัยจำนวนหนึ่งเริ่มวางรากฐานทฤษฎีสำหรับความเป็นไปได้ใหม่ ๆ สำหรับการใช้คลื่นการระเบิดหรือ Detonation wave เป็นระบบขับดันของยานพาหนะ
Cruise Missile และเครื่องยนต์ของมัน
ย้อนกลับไปกันอีกร่วมทศวรรษในยุค 1940 ก็เป็นสมัยสงครามโลกครั้งที่สองเนี่ยแหละ หลาย ๆ คนอาจจะจะรู้จักกับเจ้าระเบิดบินได้อย่าง V-1 ของเยอรมนี มันถือได้ว่าเป็นขีปนาวุธจำพวก Cruise missile ยุคแรก ๆ ที่ใช้ระบบขับดันแบบ Jet ซึ่งเครื่องยนต์ของมันถูกนิยามว่าใช้หลักการขับเคลื่อนแบบ Pulse jet โดยหลักการทำงานของมันคือการทำยังไงก็ได้ให้แก๊สสามารถขยายตัวและไหลด้วยความเร็วสูงในลักษณะของการขับเป็น “จังหวะ” ซึ่งเป็นความหมายของคำว่า Pulse เจ้าระบบนี้มันพิเศษตรงที่ครั้งหนึ่งแนวคิดของมันถูกนำไปประยุกต์เข้ากับปรากฏการณ์ Detonation ซึ่งต่อมามันได้ถูกเรียกว่า Pulse detonation engine หรือ PDE ซึ่งหลักการของมันคล้ายกับ Pulse jet แต่แก๊สที่อยู่ในเครื่องยนต์จะเคลื่อนที่ออกจากท่อไอพ่นด้วยคลื่น Shock wave ซึ่งต่างจาก Pulse jet ที่จะมีแก๊สที่ขยายตัวด้วยความเร็วระดับ Subsonic แต่กว่าจะมียานพาหนะที่นำแนวคิดของ PDE มาใช้จริงก็ปาเข้าไปในปี 2008 ที่นำเครื่องบิน Model 61 Long-EZ ของ Scaled Composite มาดัดแปลงด้วยการติดตั้งเครื่องยนต์แบบที่ว่ามาเข้าไปเพื่อแสดงให้เห็นว่าแนวคิดดังกล่าวสามารถทำได้จริง
แต่แน่นอน พอมีคำว่า Pulse มันก็แน่อยู่แล้วที่แรงขับที่ได้จะออกมาเป็นจังหวะสั้น ๆ ซึ่งทำได้มากสุดก็คงไม่กี่สิบเฮิรตซ์ เนื่องจากข้อจำกัดของการทำชิ้นส่วนเชิงกลที่ต้องควบคุมการฉีดเชื้อเพลิงให้ตรงจังหวะ ถ้าพลาดไป Detonation ก็จะไม่เกิดขึ้นตามที่ต้องการ ทำให้แรงขับมันเพียงพอสำหรับการบินสำหรับเครื่องบินแต่มันไม่เพียงพอที่จะสร้างแรงยกแบบจรวด ทำให้หลังจากแนวคิด Pulse detonation engine และยุคหลังการพัฒนาเครื่องยนต์ F-1 ก็มีแนวคิดอีกที่จะอาศัยประโชยน์ของ Detonation ขึ้นมาอีกหนึ่งแนวคิดอย่าง Rotating detonation engine หรือ RDE โดยชื่อมันก็ตามความหมายเลยคือการอาศัยประโชยน์ของการหมุนจากคลื่น Shock wave การหมุนในที่นี้ไม่ได้หมุนเป็นพายุแบบที่เราเคยเห็นกัน แต่จะหมุนโดยที่แนวคลื่นพวกนี้จะเคลื่อนที่ไปตามระนาบพื้นผิวของ Combustion chamber ซึ่งมีรูปทรงเป็นทรงกระบอก
RDE มันมีข้อได้เปรียบยังไงถ้าให้เทียบกับ PDE ถ้าให้พูดกันตามตรงคือเจ้าเครื่องยนต์แบบ RDE มันมีมาเพื่อสร้างความต่อเนื่องในการสร้าง Detonation พอมันสามารถทำให้การระเบิดสามารถเกิดขึ้นได้ต่อเนื่อง แรงขับที่ได้จากเครื่องยนต์ก็จะมีความเสถียรและมั่นคงขึ้น รวมทั้งแรงขับที่ต่อเนื่องของมันทำให้สามารถสร้างแรงขับได้มากกว่าการยิงคลื่น Shock wave ออกไปเป็นจังหวะสั้น ๆ
ทำความเข้าใจวงจรของการจุดระเบิด
แล้วมันมีข้อได้เปรียบกว่าเครื่องยนต์จรวดที่เดิมใช้การเผาไหม้แบบ Deflagration ยังไง เรื่องนี้ก็ต้องย้อนกลับไปพูดถึงเรื่องความสัมพันธ์ทาง Thermodynamics ที่อย่างน้อย ๆ อาจจะต้องผ่านหูผ่านตากันตอนเรียนวิศวะกันตอนปี 2 กันมาบ้างแหละ แต่จะลืมแล้วหรือไม่เคยเรียนก็ไม่เป็นไรเดี๋ยวจะอธิบายด้วยความสัมพันธ์อย่างง่ายให้ฟัง ในเชิง Thermodynamics แล้วเครื่องยนต์มันจะมีสิ่งทีเรียกว่า Cycle กันอยู่ซึ่ง Cycle ที่ว่ามันมีหลายแบบมาก ๆ แล้ว Cycle พวกนี้ก็เป็นหนึ่งในตัวช่วยที่ถูกใช้ในการพัฒนา อธิบายกลไกการทำงาน และเปรียบเทียบคุณสมบัติประเภทต่าง ๆ ทาง Thermodynamics ของเครื่องจักรหรือเครื่องยนต์จำพวก Heat engine ได้เป็นอย่างดี จะเครื่องยนต์ลูกสูบที่ใช้ในรถ เครื่องยนต์กังหันก๊าซที่ใช้ในเครื่องบิน เรือ หรือแม้แต่โรงผลิตกำลังก็สามารถใช้ Cycle พวกนี้อธิบายได้หมด รวมทั้ง Cycle ของการระเบิดแบบ Detonation ในเครื่องยนต์ RDE ก็ทำได้เช่นกัน
หากให้วาดกราฟเทียบความสัมพันธ์ระหว่างความดันหรือ Pressure กับปริมาตรหรือ Volume อย่างง่าย โดยเขียนตำแหน่งของ Cycle เทียบทั้งแต่สภาวะปกติ บีบอัด ไปจนถึงการจุดระเบิดและเผาไหม้เพื่อสร้างแรงดัน เอาง่าย ๆ คือ “ดูด อัด ระเบิด คาย” แบบที่เคยท่องกันมาเนี่ยแหละ จะเห็นได้ว่า Cycle พวกนี้จะสามารถเขียนเป็นรูปปิดได้ และแน่นอนว่าหลาย ๆ ครั้งที่กราฟเทียบความสัมพันธ์สามารถสร้างรูปปิดได้มันก็จะสามารถบอกปริมาณได้อีกอย่างนึงเพิ่มเข้ามา ซึ่งในที่นี้หมายถึงพลังงาน หากเราวาดกราฟระหว่าง Brayton cycle ที่เป็น Cycle ที่ใช้อธิบายการทำงานของเครื่องยนต์กังหันก๊าซและเครื่องยนต์จรวด เทียบกับ Fickett-Jacobs cycle ที่เป็น Cycle ที่ใช้อธิบายกลไกของ Detonation เราจะเห็นได้ว่าที่ปริมาณเชื้อเพลิงเท่ากัน Fickett-Jacobs cycle จะมีพื้นที่มากกว่า Brayton cycle อย่างเห็นได้ชัด ซึ่งแปลว่าพลังงานที่ได้ก็จะมากกว่าเช่นกัน เท่ากับว่าถ้าอยากได้แรงขับเท่ากันเครื่องยนต์แบบ RDE ก็จะใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่าเครื่องยนต์จรวดแบบที่เรารู้จักกันทั่วไป นั่นหมายความว่าค่า Specific impulse หรือ Isp ก็มากกว่าด้วยเช่นกัน ทำให้เครื่องยนต์แบบ RDE นอกจากจะสามารถสร้างแรงขับได้อย่างต่อเนื่องแล้วมันกลับมีคุณสมบัติทาง Thermodynamics ที่น่าเหลือเชื่อเช่นกัน
ทศวรรษที่ 2000 จนถึง 2020 เมื่อเทคโนโลยีมันเพียงพอให้สามารถแปลงทฤษฎีบนกระดาษสู่ Proof of Concept ในความเป็นจริง
หลังจากยุคทศวรรษที่ 1960 แม้จะมีนักวิจัยหลายกลุ่มได้วางรากฐานทฤษฎีเกี่ยวกับ Rotating detonation engine ไปแล้ว จนถึงวันนี้ก็ไปเข้าไปร่วม 80 ปีแล้ว ไอคุณสมบัติที่ดูละเลอเลิศขนาดนี้ถึงยังไม่เห็นมีคนที่ไหนเอามันมาใช้ทำจรวดในระดับ Operational rocket กันซักที เรื่องนี้ก็ต้องเล่ากันอีกว่าในช่วงที่ทฤษฎีของเครื่องยนต์แบบนี้เพิ่งมาใหม่ ๆ นักวิจัยต่างพบปัญหาอย่างนึงคือความไม่ต่อเนื่องกันของการ Detonation จริงอยู่ที่ว่ามันสามารถสร้าง Shock wave ที่นิ่งและยาวนานกว่าเครื่องยนต์แบบ Pulse detonation engine แต่มันก็ยังไม่สามารถทำให้มันติดอยู่ได้นานเป็นนาทีเหมือนกับเครื่องยนต์จรวดที่ถูกใช้งานกันจริง ๆ ที่บางรุ่นติดอยู่ได้นานร่วมสิบนาที
รวมทั้งความซับซ้อนของการออกแบบที่ยังล้ำเกินกว่าความสามารถด้านการผลิตในอุตสาหกรรมทำให้ตั้งแต่ยุคทศวรรษที่ 1960 มาจนถึง 1990 มันไม่มีเครื่องจักรสำหรับงาน Machining ที่ไหนเลยที่สามารถสร้างชิ้นส่วนสำหรับทดสอบความเป็นไปได้ของเครื่องยนต์ RDE ได้ ประกอบกับฟิสิกส์เกี่ยวกับ Detonation ก็เป็นอะไรที่ Dynamic สุด ๆ จะให้คำนวณทุกอย่างด้วยมือในยุคที่ยังไม่มีคอมพิวเตอร์เพื่อสร้างแบบจำลองทางฟิสิกส์ก็ยังเป็นเรื่องยากมากเหมือนกัน เพราะอย่าลืมว่าการ Detonation ก็เป็นอะไรที่ควบคุมยากสุด ๆ พลาดไปนิดเดียวถ้าจุดไม่ติดก็ทำสถานที่ทดสอบแตก
อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีก็เปลี่ยนแปลงกันไปตามเวลา คอมพิวเตอร์ก็มีพลังการคำนวณมากขึ้น เทคนิคการผลิตชิ้นส่วนก็มีลูกเล่นใหม่ ๆ และมีความก้าวหน้ามากขึ้นกว่าแต่ก่อน หนึ่งในนั้นคือการมาถึงของเทคโลโยลีการพิมพ์สามมิติ ที่ไม่ใช่แค่การฉีดเส้นพลาสติกหรือยิง UV ผ่านถาดน้ำเรซินให้แข็งตัว แต่คือการพิมพ์ชิ้นงานด้วยวัสดุโลหะ ด้วยพื้นฐานเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ เรารู้กันอยู่แล้วว่าเราสามารถสร้างชิ้นงานที่มีโครงสร้างที่ซับซ้อนได้และยังสามารถ Optimize น้ำหนักของชิ้นงานให้น้อยลงในขณะที่ความแข็งแรงของงานยังอยู่ในสเปคที่เรายอมรับ ทำให้เทคโนโลยีนี้เข้ามามีบทบาทสำคัญในอุตสาหกกรมการบินอวกาศ รวมทั้งการผลิตชิ้นส่วนสำหรับเครื่องยนต์ RDE
และด้วยประสิทธิภาพทางคอมพิวเตอร์ที่สูงกว่ายุค 1960 ทำให้การคำนวณและสร้างแบบจำลองทางฟิสิกส์ที่มีความซับซ้อนสามารถทำได้รวดเร็วและมีความละเอียดที่มากขึ้น เรื่องนี้ทำในยุคหลังงานด้าน Computational fluid dynamic หรือ CFD และ Finite element analysis หรือ FEA เข้ามามีบทบาทมากขึ้นในงานอุตสาหกรรมแขนงต่าง ๆ เพราะมันช่วยสร้างชิ้นงานที่มีความซับซ้อนที่ยังเพิ่มประสิทธิภาพของมันให้มากขึ้นได้ โดยสำหรับเครื่องยนต์ RDE การใช้ CFD ก็ถือได้ว่าช่วยให้เหล่านักวิจัยและวิศวกรสามารถศึกษาหาทางควบคุมพฤติกรรมของ Detonation ให้มีความเสถียรมากขึ้น
ก่อนหน้านี้เราได้อธิบายว่าเครื่องยนต์ RDE คือการสร้างคลื่น Shock wave วิ่งไปเป็นวงกลมตามแนวทรงกระบอกของ Combustion chamber แต่ยังไม่ได้เจาะลึกว่ามันทำงานยังไงมีหน้าตาแบบไหน เอาจริงแล้วคลื่น Shock wave จะไม่ได้เผาเชื้อเพลิงทุกตำแหน่งของเชื้อเพลิงที่ถูกฉีดออกจาก Injector พร้อม ๆ แบบเครื่องยนต์จรวดปกติ แต่มันจะเป็นลักษณะที่คลื่น Shock wave มันจะเคลื่อนที่วนเป็นวงกลมรอบห้อง Combustion chamber แล้วเมื่อมีแนวสันคลื่นของ Shock wave เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ตำแหน่งนั้น ๆ ที่มีเชื้อเพลิงผสมกับสารออกซิไดซ์จะเริ่มทำปฏิกิริยาแล้วขยายตัวออกด้วยความดันสูง และที่แนวคลื่นเคลื่อนที่ไปเป็นวงกลมได้เพราะในเครื่องยนต์แบบนี้เองจะมีผนังของห้อง Combustion chamber อีกชั้นอยู่ตรงกลางของห้อง เท่ากับว่าคลื่นพวกนี้จะถูกลิมิตให้เคลื่อนที่ไปในแนวเดียวตามเส้นรอบวงเท่านั้น อารมณ์แบบรถเกาะราง Mini 4WD ของ Tamiya ที่เราเคยเล่นกันตอนเด็ก ๆ
ทีนี้พอเชื้อเพลิงมันถูกเผาไหม้แถมยังต้องรอคลื่น Shock wave วิ่งวนรอบกว่าจะมาถึงตำแหน่งนั้น ๆ ราวกับว่ามีแค่จุดจุดเดียวที่แก๊สกำลังขยายตัวเพื่อสร้างแรงขับ แปลว่า ณ เวลาหนึ่งแรงที่ได้มันก็จะไม่สมมาตรรอบแกนแนวดิ่งของเครื่องยนต์สิ ซึ่งมันก็ใช่ แต่อย่าลืมว่าคลื่น Shock wave นี้เคลื่อนที่และขยายตัวด้วยความเร็ว Supersonic และเครื่องยนต์ก็ไม่ได้กว้างเป็นกิโลเมตร ทำให้ด้วยความเร็วของมัน จะทำให้มันดูเหมือนว่าทุก ๆ ตำแหน่งกำลังมีการเผาไหม้พร้อม ๆ กัน แต่ถ้าหากกลัวว่าแรงมันจะไม่สมมาตรอีกมันก็มีการทดลองอีกอย่างการสร้างคลื่น Shock wave หลาย ๆ คลื่นให้วิ่งตรงข้ามเส้นรอบวงกันแบบสมมาตร แต่มันก็จะเพิ่ม Challenge ให้วิศวกรอีกว่าจะทำยังไงให้คลื่นหลาย ๆ คลื่นวิ่งไปด้วยความเร็วเท่ากันแบบต้องเป๊ะระดับทศนิยมหลายตำแหน่งกันเลยทีเดียว เพราะหากคลื่นใดคลื่นหนึ่งวิ่งช้าหรือเร็วไปมันก็จะวิ่งไปชนหรือถูกจนจากคลื่นที่อยู่ข้างหน้าหรือข้างหลัง มันอาจจะส่งผลได้ตั้งแต่เครื่องยนต์เสียแนวคลื่น Shock wave ไปทำให้เครื่องยนต์มีประสิทธิภาพที่น้อยลงไปจนถึงทำให้เครื่องยนต์ระเบิดเองได้
Supersonic และ Flow ของอากาศที่ไหลเข้า
อีกประเด็นที่น่าสนใจคือ พอแก๊สมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว Supersonic ตั้งแต่ใน Combustion chamber มันยังต้องการ Nozzle แบบลู่เข้า-บานออกหรือ Convergent-Divernent แบบเครื่องยนต์จรวดปกติรึเปล่า เอาจริง ๆ ต้องอธิบายก่อนว่าการใช้ Nozzle แบบลู่เข้า-บานออกจะจำเป็นก็ต่อเมื่อแก๊สที่ถูกเผาไหม้นั้นเริ่มมีความเร็วในการไหลที่อยู่ในระดับ Subsonic และเมื่อท่อวิ่งของแก๊สถูกบีบหรือ Converging มันจะได้รับผลกระทบจากปรากฏการณ์ Choked flow ที่แก๊สไม่สามารถเร่งให้ไหลได้เร็วกว่า 1 มัค การมีส่วนที่ทำให้เกิดการบานออกหรือ Diverging ก็จะสามารถเร่งความเร็วของแก๊สให้อยู่ในระดับ Supersonic ได้ นั่นแปลว่า Choked flow จะเกิดขึ้นที่ช่วงความเร็วในการไหลจาก Subsonic มาเป็นความเร็ว 1 มัค นั่นแปลว่าหากแก๊สไหลด้วยความเร็ว Supersonic แต่แรกอยู่แล้วการใช้ Nozzle แบบนี้เลยไม่ใช่เรื่องจำเป็น ทำให้ในชั้นบรรยากาศเครื่องยนต์แบบนี้อาจจะเป็นแค่ทรงกระบอกเฉย ๆ หรือไม่ก็มีชิ้นส่วนแบบ Aerospike มาเสริม และหากจะใช้ในสภาวะสุญญากาศก็อาจจะมีแต่ส่วนบานเฉย ๆ เพื่อรับแรงจากการขยายของไอพ่นแต่ก็จะไม่มีช่วงที่เกิดการบีบเป็นคอคอดเหมือน Nozzle แบบลูเข้า-บานออก
แต่อย่างไรก็ตาม แม้ว่าเราจะมาถึงยุคที่เทคโนโลยีทุกอย่างเพียบพร้อม แต่เราก็ยังไม่มีเครื่องยนต์ RDE ให้เห็นในจรวดหรือยานอวกาศระดับ Operational อยู่ดี เพราะหนึ่งในสิ่งที่เรายังขาดไปคือองค์ความรู้เพิ่มเติมเพื่อควบคุมให้การระเบิดในห้อง Combustion chamber สามารถดำเนินได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่มีข้อผิดพลาด ณ วันนี้เราเลยยังเห็น Hardware ที่อยู่ในระดับการทดสอบทั้งเพื่อเป็น Proof of concept และเพื่อการพัฒนาเท่านั้น
แม้ว่าเครื่องยนต์แบบนี้จะยังอยู่แค่ในการพัฒนาแต่ก็มีหลาย ๆ ชาติ หน่วยงาน และบริษัทเอกชนที่เริ่มให้ความสนใจเครื่องยนต์จรวดแบบนี้กันอย่างจริงจัง ในฝั่งของสหรัฐฯ ได้มีมหาวิทยาลัยทั้ง University of Washington รวมถึง University of Central Florida และ Purdue University ผ่านการร่วมมือกับหน่วยงานต่าง ๆ ได้ทำการศึกษาความเป็นไปได้ในการพัฒนาเครื่องยนต์ประเภทนี้ด้วยหัวข้อสนใจที่ต่างกัน นอกจากนี้ยังมีบริษัทเอกชนทั้ง Pratt & Whitney บริษัท Aerojet Rocketdyne เครือบริษัท Raytheon Technologies Corporation บริษัทย่อยของ General Electric อย่าง GE Aerospace และ Venus Aerospace ก็ต่างพัฒนาเครื่องยนต์ประเภทนี้ของตัวเองทั้งทำกันเองเพื่อหวังว่าซักวันหนึ่งมันจะสามารถใช้งานเชิงพาณิชย์หรือร่วมมือกับภาครัฐเพื่อนำไปต่อยอดเป็นเทคโนโลยีระบบขับเคลื่อนแบบใหม่ให้กับอากาศยานทางการทหารในอนาคต นอกจากนี้ทั้ง NASA DARPA และกองทัพเรือสหรัฐ ต่างก็ร่วมมือกับบริษัทเอกชนที่พูดถึงไว้ก่อนหน้านี้ในการให้ทุนและร่วมศึกษาในเทคโนโลยีดังกล่าว
หนึ่งในงานการพัฒนาที่น่าสนใจของฝั่งสหรัฐฯ ก็คงหนีไม่พ้นการวิจัยของ NASA ที่สามารถจุดเครื่องยนต์ RDE ขนาดแรงขับ 26 กิโลนิวตันได้นานถึง 251 วินาที แม้ว่าจะดูน้อยเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์จรวดสำหรับจรวดขนาดกลาง แต่ถ้าหากเทียบกับจรวดขนาดเล็กอย่าง Electron ที่เครื่องยนต์ Rutherford แรงขับเท่ากันและสำหรับจรวดท่อนแรกที่เพียงแค่ 150 วินาที มันชี้ให้เห็นว่ามันก็มีสมรรถนะที่เพียงพอในการนำไปใช้งานจริงได้แล้ว นอกจากนี้ทาง NASA เองตั้งใจที่จะพัฒนาต่อจนสามารถดันให้เครื่องยนต์ที่กำลังพัฒนาอยู่มีแรงขับได้มากถึง 10,000 ปอนด์หรือ 44 กิโลนิวตัน
ในฝั่งของจีน ก็เรียกได้ว่ามีกลุ่มวิจัยจากมหาวิทยาลัยและหน่วยงานรัฐมากมายที่ได้พัฒนาและทดสอบเครื่องยนต์ประเภทนี้กันไปแล้วเช่นกัน ทั้งสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีนที่ได้ทดสอบเครื่องยนต์ RDE ที่ใช้น้ำมันก๊าดเป็นเชื้อเพลิง สถานบันวิจัยเทคโนโลยีของมหาวิทยาลัยฉงซิ่งได้ร่วมมือกับบริษัทเอกชน Thrust-to-Weight Ratio Engine ในการทดสอบเครื่องยนต์ RDE เข้ากับโดรนย่อส่วนของ Su-34 ทำให้ทั้งสถาบันและบริษัทเอกชนเป็นผู้พัฒนารายแรกในการทดสอบเครื่องยนต์แบบนี้บนอากาศยานไร้คนขับ นอกจากนี้สถาบันเครื่องจักรของปักกิ่งก็ได้ทำเครื่องยนต์ลูกผสมระหว่าง RDE และเครื่องยนต์แบบ Scramjet เพื่อทดสอบเทคโนโลยีสำหรับอากาศยาน Hypersonic
อีกประเทศที่ทดสอบเครื่องยนต์ประเภทนี้ได้น่าสนใจก็คือญี่ปุ่น โดยในส่วนของ JAXA ค่อนข้างจะมาแปลกกว่าใคร เพราะในฝั่งนี้ได้มีการทดสอบเครื่องยนต์ RDE จริงในอวกาศด้วยการติดตั้งเครื่องยนต์ไว้ที่ท่อนที่สองของจรวด S-520-31 หนึ่งในจรวดระดับ Suborbital ประเภท Sounding rocket ของญี่ปุ่น โดยในการทดสอบมันได้สร้างแรงขับมากถึง 518 นิวตันและมีค่า Specific impulse ที่ 290 วินาที ด้วยเชื้อเพลิงมีเทนและออกซิเจน ก่อนที่จะตกกลับสู่โลกเพื่อทำการเก็บกู้กลับมาศึกษาต่อ ทำให้ญี่ปุ่นเป็นชาติแรกที่ได้ทดสอบเครื่องยนต์แบบนี้ในอวกาศ หลังจากนั้นก็มีการทดสอบอีกครั้งด้วยจรวด S-520-34 ที่ครั้งนี้มีการใช้เชื้อเพลิงเอทานอลและไนตรัสออกไซด์
ฝั่งของรัสเซียเองก็มีข่าวว่า NPO Energomash บริษัทผู้ผลิตเครื่องยนต์จรวดของรัสเซียประสบความสำเร็จในการทดสอบเครื่องยนต์ RDE ที่ให้แรงขับ 2 ตันหรือราว 20 กิโลนิวตันและได้วางแผนพัฒนาเครื่องยนต์ RDE ต่อที่มีขนาดใหญ่ขึ้นสำหรับยานอวกาศในอนาคต และฝั่งของโปแลนด์เอง Łukasiewicz Research Network ร่วมกับสถาบันการบิน Warsaw ได้ทำการทดสอบเครื่องยนต์ RDE ที่ในการทดสอบมันทำงานนานเพียง 3.2 วินาทีแต่ก็เร่งความเร็วจากศูนย์จนถึง 90 เมตรต่อวินาทีได้ ซึ่งทำให้จรวดสามารถบินได้สูงถึง 450 เมตรจากจุดปล่อย
แม้ว่าตลอดที่เริ่มมีการศึกษาอย่างจริงจังได้แค่ไม่ถึงทศวรรษ แต่การทดลองพวกนี้ก็กลับโชว์ศักยภาพของแนวคิดที่มีได้เพิ่มความเป็นไปได้ที่จะกลายเป็นจริงและจะกลายเป็นรากฐานที่สำคัญในการสร้างระบบขับดันใหม่ ๆ ทั้งในจรวดและอากาศยานได้ในอนาคต และหวังว่ามันจะถูก Commercialized ได้ในซักวันหนึ่งเพื่อให้การเดินทางและการทำงานด้านอวกาศมีราคาที่ถูกลงกว่าที่เป็นอยู่ในตอนนี้
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
