จรวดประเภทวงโคจร เป็นสิ่งที่เรารู้กันดีอยู่แล้วว่ามันถูกใช้ส่งของหรือส่งยานอวกาศมากมายขึ้นวงโคจรหรือไกลออกไป จรวดแบบนี้ที่เห็นจนชินตาส่วมมากจะถูกแบบให้มีสองท่อนเป็นอย่างน้อย ประกอบด้วยจรวดท่อนแรกหรือบางคนเรียกกันว่าท่อนบูสเตอร์ เป็นท่อนจรวดที่มีแรงขับสูงและไว้สร้างความเร็วในระดับหนึ่ง ก่อนที่จะแยกตัวออกจากจรวดท่อนที่สองหรือท่อนบนเพื่อลดน้ำหนักโดยรวม เพื่อใช้งานเครื่องยนต์ที่เหมาะกับสภาพแวดล้อมแบบสุญญากาศ และเป็นส่วนสำคัญในการพาสิ่งของหรือยานอวกาศให้อยู่บนวงโคจร
หลังจากบริษัทสัญชาติสหรัฐฯ อย่าง SpaceX ได้ประสบความสำเร็จในการนำจรวด Falcon 9 กลับมาลงจอดและใช้ซ้ำได้สำเร็จ ทำให้มีผู้คนเป็นจำนวนมากได้ให้ความสนใจกับความสำเร็จนี้เป็นอย่างมาก ถึงขนาดทำให้ตลอดช่วงหลังมานี้เราจะได้ยินข่าวบริษัทหรือ Startup ใหม่ ๆ ทั้งในสหรัฐอเมริกา ยุโรป จีน หรือแม้กระทั่งบางประเทศในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ หันมาทำธุรกิจการส่งจรวดกันมากขึ้น บ้างก็ประสบความสำเร็จดี บ้างก็ยังอยู่ในช่วงล้มคลุกคลานอยู่
สิ่งหนึ่งที่บริษัทหน้าใหม่พวกนี้ต่างมุ่งเน้นในทิศทางเดียวกันคือ การทำให้ค่าใช้จ่ายต่อการส่งจรวดถูกลง เข้าถึงได้ง่ายขึ้น ที่หลายบริษัทก็ได้ใช้แนวคิดเดียวกันกับ SpaceX คือการพัฒนาจรวดใช้ซ้ำได้ ไม่ว่าจะเป็นการนำกลับมาลงจอด ติดร่มเพื่อให้ท่อจรวดร่อนลงมาเพื่อรอรับ หรือแม้กระทั่งการใช้วัสดุราคาถูกเพื่อสร้างจรวดให้มีราคาถูกตาม แต่ส่วนใหญ่ก็ยังอยู่ในกรอบของการนำจรวดท่อนแรกกลับมาให้ได้ เพราะมันถือว่าไม่ได้ยากมากนักในการพัฒนาจรวดในระยะแรก แต่ก็มีบริษัทหนึ่งที่คิดต่างออกไป Stoke Space ซึ่งในบทความนี้เราจะพาทุกคนไปรู้จักจรวดและแนวคิดของบริษัทนี้กัน
ไม่ใช่เทคโนโลยีใหม่ แต่เป็นการเอาแนวคิดเดิม ๆ มาประยุกต์
Stoke Space ได้ก่อตั้งขึ้นมาเมื่อปี 2019 และกำลังพัฒนาจรวดภายแนวคิดที่อยากจะทำจรวดที่สามารถใช้ซ้ำได้ทุกชิ้นส่วนตั้งแต่วันแรก ขนาดที่ว่า Bill gates กล้าลงทุนให้มากถึง 65 ล้านเหรียญสหรัฐ ทางบริษัทได้เริ่มพัฒนาและทดสอบทรัสเตอร์จรวดขนาดเล็กออกมาก่อน ซึ่งนั่นเป็นอะไรที่ยากที่จะใช้งานกับจรวดท่อนแรก แต่บริษัทกลับได้พัฒนาขึ้นมาเพื่อใช้กับจรวดท่อนบน หรือท่อนจรวดที่หลายบริษัทต่างทิ้งไปเมื่อเสร็จสิ้นภารกิจ ขึ้นมาก่อนเป็นอันดับแรก นับได้ว่าเป็นบริษัทที่พัฒนาเครื่องยนต์จรวดได้อย่างรวดเร็วและกล้าเคลมว่าเร็วกว่าบริษัทอื่นในตอนนี้
จรวดท่อนบนได้ถูกออกแบบให้มีทรัสเตอร์ขนาดเล็กที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงคู่กับตัวออกซิไดซ์อย่างออกซิเจนมากถึง 30 เครื่อง และยังเป็นอิสระในการความคุมแรงและความดันต่อกัน ซึ่งได้ถูกออกแบบให้เรียงต่อกันเป็นวงแหวงวางตัวอยู่ขอบท่อนจรวด และตรงกลางจะถูกออกแบบให้มีเกราะกันความร้อนแบบโลหะเพื่อใช้ในการฝ่าเข้าชั้นบรรยากาศ รวมไปจนถึงตัวจรวดท่อนนี้ยังถูกออกแบบให้มีรูปร่างคล้ายยานอวกาศแคปซูลแบบดั้งเดิมที่เห็นกันตั้งแต่ในสมัยการแข่งขันอวกาศระหว่างสหรัฐฯ และสหภาพโซเวียตและยังมีการใช้งานในปัจจุบัน เพราะเนื่องด้วยเหตุผลที่ตัวท่อนจรวดจะใช้วิธีฝ่าเข้าชั้นบรรยากาศแบบเดียวกัน จึงได้มีการออกแบบตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่คล้ายกันด้วย
ตัวทรัสเตอร์ทั้ง 30 เครื่องจะทำงานภายใต้ระบบเครื่องยนต์แบบ Expander cycle ที่ว่าด้วยการนำเชื้อเพลิงเข้าไปหล่อเย็นผนังของตัวทรัสเตอร์ เมื่อเชื้อเพลิงถูกอุ่นด้วยความร้อนที่ได้จากการเผ้าไหม้ของเชื้อเพลิงภายในทรัสเตอร์ จะมีการขยายตัวเกิดกลายเป็นแก๊สขึ้นจนสร้างแรงดันของเชื้อเพลิงภายในท่อส่ง ซึ่งมากพอที่จะสามารถแบ่งเชื้อเพลิงส่วนหนึ่งนำไปหมุนกังหันที่ต่อตรงกับปั๊มให้ทำงานเพื่อสูบเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์เข้าสู่ตัวเครื่องยนต์ต่อได้ ต่างจากระบบ Gas Generator และ Staged Combustion ที่ถูกใช้งานกันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมจรวดที่ระบบพวกนี้จะมีการแบ่งเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์ส่วนหนึ่งออกมาเผาไหม้ในห้องเผาไหม้เล็ก ๆ เพื่อสร้างแก๊สความดันสูงสำหรับการหมุนกังหัน
ในส่วนต่อมา ส่วนที่หลายคนอาจมีคำถามมากมายเเกียวกับการเลือกใช้วัสดุ ว่าทำไมเกราะกันความร้อนของจรวดนี้ถึงถูกสร้างขึ้นจากโลหะ มันจะไม่ละลายตัวเกราะเอาหรอกหรือ แล้วทำไมไม่เป็นกระเบื้องจำพวกคอมโพซิตคาร์บอนแบบที่ใช้กันบนกระสวยอวกาสหรือยาน Dragon ของ SpaceX
ในส่วนของตรงนี้ ในการออกแบบจรวด หากลดน้ำหนักได้มากขึ้นเท่าไหร่ก็จะเท่ากับว่าเราสามารถส่งของที่มามวลมากขึ้นได้เท่านั้น ซึ่งในกรณีของจรวดลำนี้ได้มีการลดน้ำหนักด้วยการไม่ใช้คอมโพซิต และเนื่องด้วยหลักการของเกราะกันความร้อนพวกนี้คือการให้ตัวเกราะดูดซับความร้อนเพื่อไม่ให้ความร้อนสะสมที่เกิดมีอุณหภูมิที่สูงมากไปสำหรับตัวยานหรือท่อนจรวด และภายใต้แนวคิดเดียวกัน การใช้เกราะโลหะที่มีของเหลวอุณหถูมิต่ำมาหล่อเย็นเพื่อดูดซับความร้อนก็สามารถทดแทนกันได้เช่นกัน
แต่ก็ยังตามมาด้วยคำถามต่อมาอีกว่า พอของเหลวหล่อเย็นมีอุณหภูมิสูงขึ้น ก็ต้องถ่ายโอนของเหลวเดิมออกแล้วเอาของใหม่ที่เย็นกว่าเข้ามาแทน ซึ่งก็ไม่พ้นการใช้ระบบปั๊มสูบของเหลวเข้ามาแถมยังเป็นการเพิ่มน้ำหนักอีกอยู่ดี ไหนจะต้องมีระบบทำความเย็นให้ของเหลวหล่อเย็นอีก สรุปแล้วใช้เกราะแบบคอมโพซิตเดิมมันดีกว่าหรือเปล่า
ทางบริษัทได้แก้เกมด้วยออกแบบระบบเกราะกันความร้อนนี้ด้วยหลักการและใช้ระบบร่วมเดียวกันกับระบบที่ใช้ในทรัสเตอร์ทั้ง 30 เครื่อง เมื่อตัวท่อนจรวดเริ่มเสียดสีกับชั้นบรรยากาศตอนกำลังฝ่าเข้า ความร้อนมากมายจะเกิดขึ้นในช่วงนี้ ซึ่งของเหลวที่ใช้หล่อเย็นตัวเกราะก็คือเชื้อเพลิงที่ใช้งานในทรัสเตอร์ เมื่อโดนความร้อนก็จะเกิดความดันไปหมุนกังหันที่ต่อเข้ากับปั๊มตัวเดียวกันกับที่ใช้จ่ายเชื้อเพลิงให้ทรัสเตอร์ ซึ่งปั้มจะสูบเชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมต่ำกว่าเข้ามาหล่อเย็นตัวเกราะต่อเรื่อย ๆ ในส่วนเชื้อเพลิงส่วนที่ถูกใช้หล่อเย็นและนำไปหมุนปั๊มแล้ว ก็จะถูกส่งออกมาระบายออกตรงรูเล็ก ๆ ที่อยู่บริเวณตรงกลางของเกราะ ซึ่งมันมีความดันและแรงผลักมากพอที่จะต้านกับพลาสมาของชั้นบรรยากาศไม่ให้สร้างความเสียหายกับรูระบายแก๊สพวกนี้
คุณสมบัติพิเศษที่น่าสนใจอีกอย่างของการวางทรัสเตอร์และเกราะแบบนี้ คือทำให้ตัวท่อนจรวดได้ผลของ Aerospike ผลที่เกิดจากการให้ไอเสียสร้างแรงขับของทรัสเตอร์ไหลเข้าหาผนังของส่วนที่เรียกว่า Spike หรือผนังแนวกั้น (ในที่นี้ก็คือเกราะกันความร้อน) โดยมันจะสร้างความดันให้กับผนังพวกนี้จนสร้างแรงขับให้กับจรวด ซึ่งมันจะสร้างแรงขับเสริมให้กับจรวดของ Stoke Space ได้อีกด้วย
แต่สำหรับจรวดลำนี้ ผลของ Aerospike นี้จะเกิดขึ้นเมื่อตอนอยู่ในสภาพแวดล้อมแบบสุญญากาศหรือความดันชั้นบรรยากาศต่ำเท่านั้น โดยในสุญญากาศตัวไอเสียจะไหลบานออกจนปะทะเข้ากับผนังของเกราะซึ่งจะทำให้เกิดผลดังกล่าวขึ้น ซึ่งมันจะไม่เกิดขึ้นกับช่วงที่ความดันบรรกากาศมีมากพอในการบีบไอเสียไม่ให้บานออก เพราะทรัสเตอร์ทุกตัวจะถูกวางในแนวเดียวกันกับกับวิถีจรวด ไม่ได้มีการหันทรัสเตอร์เข้าหาผนังเหมือนกับเครื่องยนต์ Aerospike เครื่องอื่น ๆ ที่เห็นได้ทั่ว ๆ ไปตามอินเทอร์เน็ต
จะเห็นได้ว่าสิ่งที่ถูกพัฒนาขึ้นมาสำหรับจรวดลำนี้ ไม่ใช่อะไรที่ใหม่เลย เพียงแต่เป็นการนำแนวคิดหรือของที่เคยถูกศึกษาและเคยทดสอบไว้ตั้งแต่สมัยยุค 60 มาประยุกต์และต่อยอดอย่างสร้างสรรค์ จนกลายเป็นสิ่งที่ดูน่าทึ่งในสายตาใครหลายคน กลับมาพูดถึงจรวดท่อนแรกที่เหมือนถูกทิ้งไปเลยจากทั้งบริษัทเองหรือแม่แต่ในบทความนี้ ความเป็นจริงแล้ว ในตอนนี้ทางบริษัทเองได้ออกแบบและกำลังทดสอบชิ้นส่วนที่จะใช้ในเครื่องยนต์ของจรวดท่อนแรกควบคู่ไปกับการพัฒนาจรวดท่อนบนไปด้วย โดยเชื้อเพลิงที่ใช้จะเป็นแก๊สธรรมชาติเหลว (?) ร่วมกับออกซิเจน โดยตีวจรวดท่อนแรกถูกออกแบบให้ใช้เครื่องยนต์มากถึง 7 เครื่อง และยังถูกออกแบบให้สามารถใช้งานซ้ำได้ด้วยเช่นกัน
เกร็ดที่ไม่จำเป็นต้องรู้ก็ได้ – จริง ๆ แล้วแก๊สธรรมชาติที่ถูกพูดถึงก็คือมีเทนเนี่ยแหละ (ฮา) เพราะในแก๊สธรรมชาติเหลวที่ถูกใช้งานกันในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ก็จะมีมีเทนเป็นองค์ประกอบหลัก แต่ที่มันถูกเรียกแบบนี้เพราะมันเป็นแสลงในวงการเฉย ๆ และดูเท่ดีด้วย ทาง Blue Origin และ United Launch Alliance ที่กำลังจะได้ใช้งานเครื่องยนต์ BE-4 ที่เป็นเครื่องยนต์มีเทนก็มีการใช้ชื่อนี้เช่นกัน
ต่อเนื่องจากบทความที่แล้ว รู้จักกับจรวด H3 จรวดรุ่นถัดไปของประเทศญี่ปุ่น การออกแบบจรวดให้ใช้ซ้ำได้ทุกส่วนแบบจรวดรุ่นนี้ก็นับได้ว่าเป็นหนึ่งในส่วนที่ทำให้การส่งของขึ้นอวกาศให้มีราคาที่ถูกลง และยังเกิดการแข่งขันในอุตสาหกรรมนี้เพื่อให้เกิดการตื่นตัวแข่งขันกันเพื่อเรียกลูกค้าด้วยราคาต่อหน่วยที่จะมีแต่ถูกลงในอนาคต ซึ่งก็เป็นเรื่องที่ดีในยุคของ New Sapce ยุคที่อวกาศควรเป็นเรื่องที่คนทั่วไปก็เข้าถึงได้ ไม่ใช่แค่ภาครัฐที่จะแตะต้องได้เพียงฝ่ายเดียว
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
