SpaceX ทำไม Falcon 9 มีแสงสีเขียวเวลาจุด เจาะลึกระบบการจุดเครื่องยนต์ของจรวด
ทำไม Falcon 9 มีแสงสีเขียวเวลาจุด เจาะลึกระบบการจุดเครื่องยนต์ของจรวด

Nithiwat in Science and Engineering

ทำไม Falcon 9 มีแสงสีเขียวเวลาจุด เจาะลึกระบบการจุดเครื่องยนต์ของจรวด

January 4, 2021

หลาย ๆ คนที่รู้จักบริษัทการขนส่งอวกาศเอกชนอย่าง SpaceX ถ้าให้พูดถึงจรวดของบริษัทนี้คงมีภาพของจรวดลำนึงโผล่เข้ามาในหัวทันที ซึ่งนั่นคือจรวด Falcon 9 นั่นเอง โดยอย่างที่เรารู้กันดีว่าจรวด Falcon 9 เป็นจรวดที่ทำชื่อให้ SpaceX มาแล้วกว่าหนึ่งทศวรรษ ซึ่งทางผู้เขียนเชื่อว่าหลาย ๆ คนที่เป็นแฟนคลับหรือเคยติดตามผลงานของบริษัทนี้คงเคยรับชมวีดีโอการส่งจรวด Falcon 9 มาก่อนอยู่แล้ว แน่นอนว่ามันเป็นอะไรที่วิเศษมาก ๆ เพราะคนทั่วไปในสมัยก่อนคงไม่มีโอกาสได้เห็นการส่งจรวดใกล้ ๆ แบบนี้แน่ ๆ

และถ้าสังเกตุภาพวินาทีก่อนที่จรวด Falcon 9 จะทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้านั้น เราจะเห็นแสงวาบสีเขียวโผล่ขึ้นมาจากบริเวณเครื่องยนต์หลักของจรวดลำนี้ ซึ่งแสงที่เห็นนั้นก็เป็นหนึ่งในความวิเศษของเบื้องหลังทางวิศกรรมที่ทำให้จรวดหลาย ๆ ลำในประวัติศาสตร์การบินอวกาศได้ทะยานขึ้นสู่อวกาศกันมาแล้วนับครั้งไม่ถ้วน สำหรับบทความนี้จะพาไปรู้จักกับต้นตอและสาเหตุของแสงสีเขียวนี้กัน

แสงวาบสีเขียวที่โผล่มาจากเครื่องยนต์ของจรวด Falcon 9 ที่มา – SpaceX

เชื้อเพลิงของ Merlin

ก่อนที่เราจะไปรู้จักกับตนตอของแสงสีเขียวนั้น เราควรมาทำความเข้าใจเกี่ยวกับเครื่องยนต์ของจรวด Falcon 9 กันก่อนเพราะมันมีความเกี่ยวข้องกับที่มาของแสงสีเขียวโดยตรง โดยปกติแล้วจรวดตระกูล Falcon ที่ไม่ว่าจะเป็น Falcon 1 หรือ Falcon 9 ก็จะใช้เครื่องยนต์จรวดตระกูล Merlin มาโดยตลอดซึ่งก็เป็นเครื่องยนต์ที่ทางทีมวิศวกรของ SpaceX พัฒนาเอง และมันก็มีรุ่นย่อยที่ออกมาเยอะมากเหมือนกับโมเดลพลาสติกกันดั้มเลยล่ะ (ฮา)

ในเครื่องยนต์ตระกูล Merlin นั้นก็ได้มีการแบ่งเป็นรุ่นย่อยต่าง ๆ

  • Merlin 1A
  • Merlin 1B
  • Merlin 1Ci
  • Merlin 1C
  • Merlin 1C+
  • Merlin 1C Vacuum
  • Merlin 1D
  • Merlin 1D Vacuum
  • Merlin 1D+
  • Merlin 1D Vacuum+
  • Merlin 1D++
ภาพเครื่องยนต์ Merlin 1D ทั้งาองเครื่องบทฐานทดสอบ ที่มา – SpaceX

เห็นไหมว่าถูกพัฒนาเป็นรุ่นย่อยที่เยอะมาก ๆ (ฮา) โดยตามรายชื่อที่กล่าวมานี้ก็มีทั้งใช้ในเที่ยวบินจริงและถูกใช้เพื่อทดสอบ โดย Merlin 1A และ 1Ci ถูกใช้ในจรวด Falcon 1 ส่วนรุ่น 1B ถูกพัฒนามาจากรุ่น 1A ซึ่งไม่ได้ถูกใช้งานในเที่ยวบินจริง ในส่วนของรุ่นที่เหลือตั้งแต่ 1C จนถึง 1D++ (ยกเว้น 1C+ ที่ไม่ได้ใช้งานจริง) นั้นจะถูกใช้งานในจรวด Falcon 9 ทั้งหมดแต่จรวด Falcon 9 ก็ยังมีรุ่นย่อยที่ได้ขึ้นบินจริงอีกหลายรุ่น ไล่มาตั้งแต่ Falcon 9 v1.0 ที่ใช้รุ่น 1C มาจนถึง Falcon 9 Block 5 ที่ใช้รุ่น 1D++ ซึ่งก็จะเป็นการอัพเกรดประสิทธิภาพและกำลังขับขึ้นมาตามลำดับ โดยเครื่องยนต์ Merlin 1D++ นั้นก็ถือว่าแทบจะเป็น Final upgrade เหมือนกับ Falcon 9 Block 5 เช่นกัน

อ่าน – Falcon 9 Block 5 จรวดรุ่นใหม่ การปล่อยครั้งแรก และอนาคตของมัน

อย่างไรก็ตามแม้ว่าเครื่องยนต์ Merlin จะถูกพัฒนามามากรุ่นแต่สิ่งที่เหมือนกันนั้นก็คือเชื้อเพลิงที่ใช้ โดนระบบเครื่องยนต์ของเครื่องยนต์ Merlin นั้นเป็นระบบเครื่องยนต์ที่สันดาปเชื้อเพลิงเหลว ซึ่งเชื้อเพลิงที่ใช้ก็จะเป็น RP-1 และออกซิเจนเหลว (LOX)

เชื้อเพลิง RP-1 ปริมาตรประมาณ 2 ลิตร

RP-1 (Rocket Propellant-1 หรือ Refined Petroleum-1) เป็นหนึ่งในชนิดของสารน้ำมันก๊าดซึ่งแน่นอนว่านั่นก็เป็นเชื้อเพลิงได้เช่นกัน โดย RP-1 นั้นถูกคิดค้นขึ้นมาเพื่อใช้งานในการส่งจรวดที่ใช้เครื่องยนต์ระบบเชื้อเพลิงคู่ (bipropellant system) โดยมีสมการทางเคมีคือ C10H14O4 หรือ Dimethyl 4-cyclohexene-1,2-dicarboxylate โดยเป็นเชื้อเพลิงที่ต้องทำงานร่วมกันกับสาร oxidizer อย่างออกซิเจนเหลว

โครงสร้างทางเคมีแบบสองมิติของ RP-1 ที่มา – Pubchem

สำหรับจรวดที่ใช้สารตัวนี้เป็นเชื้อเพลิงหลักก็มีอยู่มากมากเลย เช่น Saturn I/IB/V, Soyuz, Zenit, Delta I-III, Atlas, Falcon 1/9, Antares, Tronador II, Titan I หรือแม้แต่จรวด Electron ที่มีขนาดที่เล็กทั้งจรวดและเครื่องยนต์ก็ยังยังสารตัวนี้เป็นเชื้อเพลิง จะเห็นได้ว่า PR-1 นั้นค่อนข้างนิยมใช้กันอย่างมากในอุตสาหกรรมจรวด และก่อมลพิษน้อยรอง ๆ ลงมาจากเชื้อเพลิง cryogenic อย่างไฮโดรเจนเหลวที่แทบจะไม่ทิ้งมลพิษไว้ ซึ่งก็ได้รับความนิยมไม่ต่างจาก RP-1 แต่จะนิยมใช้ RP-1 มากกว่าเพราะมันมีราคาถูกและใช้ในปริมาณที่ต่ำกว่า PR-1 เมื่อเที่ยวกับการสันดาปร่วมกับออกซิเจนเหลวที่มีปริมาณที่เท่ากัน

RP-1 ที่จุดระเบิดยากนักหนา

ในวินาทีก่อนจรวด Falcon 9 ออกตัวเราจะเห็นแสงสีเขียวปรากฏออกมาก่อนทางด้านใต้ของตัวจรวดหรือให้พูดง่าย ๆ คือออกมาจากทางเครื่องยนต์หลักนั่นเอง คงมีคนไม่น้อยที่จะจะเกิดความสงสัยที่ว่าทำไมต้องเป็นแสงสีเขียว และก็อาจจะมีคนเข้าใจผิดด้วยว่าที่มีของแสงสีเขียวนี้อาจจะเป็น […] ก็ได้ แต่ที่จริงแล้วมันเกิดมาจากสารอยู่สองตัวที่ทำให้เกิดแสงสีเขียวนั่นได้ นั่นคือ TEA-TEB

แสงสีเขียวที่ออกมาจากเครื่องยนต์ Merlin ที่มา – SpaceX

สาร TEA-TEB นั้นเป็นสารจำพวก hypergolic ซึ่งแน่นอนว่ามันเกิดมลพิษ แต่ก็ต้องยอมใช้อย่างเลี่ยงไม่ได้ โดย TEA-TEB นี้ประกอบไปด้วยสารสองตัวอย่างที่ได้กล่าวไปคือ Triethylaluminium (TEA) และ Triethylborane (TEB) ซึ่งสารทั้งสองตัวนี้ที่สภาวะปกติจะเป็นของเหลวใสไม่มีสีจำพวก pyrophoric ซึ่งเป็นวัสดุที่เกิดการลุกไหม้เองได้ ที่อุณหภูมิลุกไหม้เองนั้นต่ำกว่าอุณหภูมิ 54 °C โดยสำหรับ Triethylaluminium หรือ TEA นั้นมีสมการทางเคมีคือ Al2(C2H5)6 ในส่วนของ Triethylborane หรือ TEB นั้นมีสมการทางเคมีคือ (C2H5)3B โดยถึงแม้สารทั้งสองจะเป็นของเหลวใสไม่มีสีแต่เวลาเกิดการเผาไหม้นั้นก็จะเกิดแสงสีเขียวเกิดขึ้น ซึ่งสาเหตุนั้นมาจากอะตอมโบรอนจากสาร Triethylaluminium หรือ TEA ดังนั้นสาร Triethylborane หรือ TEB ไม่ได้ให้แสงสีกับการเผาไหม้นี้แม้แต่น้อย

สำหรับเครื่องยนต์จรวดที่ใช้สาร TEA-TEB นอกจากเครื่องยนต์ Merlin แล้วก็ยังมีเครื่องยนต์ Rocketdyne F-1 ที่ถูกติดตั้งในจรวดท่อนแรกของจรวด Saturn V ที่ใช้ TEA-TEB ในการจุดระเบิดให้เครื่องยนต์ โดยจริง ๆ แล้วเราก็ไม่เห็นแสงสีเขียวจากภายนอกเพราะ nozzle ของเครื่องยนต์ F-1 มันใหญ่มากและใหญ่พอที่จะบดบังการมองเห็นการจุดระเบิดจากภายนอก

คลิปแสดงการเผาไหม้ของ Triethylborane ร่วมกับ Methanol

หลายคนคงอาจมีคำถามอีกว่าแล้วจรวดในโลกใบนี้ไม่มีบ้างหรือที่ใช้ตัวจุดระเบิดแบบไฟฟ้า (electric spark) ซึ่งก็ให้แสงวาบเหมือนกัน คำตอบคือมันมีแต่ไม่ใช่กับเครื่องยนต​์ Merlin เพราะว่าเชื้อเพลิง RP-1 นั้นจำเป็นที่จะต้องใช้พลังงานที่มาก ถ้าให้เทียบกับเชื้อเพลิงอย่างไฮโดรเจนเหลวซึ่งใช้พลังงานในการจุดระเบิดต่ำกว่า RP-1 ซึ่งสามารถใช้ไฟฟ้าในการจุดระเบิดได้ภายในครั้งเดียว แต่สำหรับ RP-1 นั้นการใช้ตัวจุดระเบิดไฟฟ้าภายในห้องเผาไหม้นั้นมันทำได้แต่ไม่ใช่ในครั้งเดียวสำหรับห้องเผาไหม้ที่กว้างและมีการฉีดเชื้อเพลิงเข้ามาในสูงห้องเผาไหม้ในปริมาณที่มาก และการจุดระเบิดที่ไม่สมบูรณ์นั้นอาจเป็นอันตรายต่อห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่มีใครอยากให้เกิดขึ้นแน่นอน

ดังนั้นวิศวกรจรวดจึงใช้ประโยชน์จากสารที่สามารถจุดระเบิดหรือเผาไหม้ได้ที่อุณหภูมิต่ำอย่าง TEA-TEB ที่สามารถให้พลังงานที่มากพอในการจุดระเบิดเชื้อเพลิงที่จำเป็นต้องให้พลังงานที่สูงในการจุดระเบิด โดยมีหลักการทำงานคือฉีดสาร TEA-TEB เข้าสู่ห้องเผาไหม้หลักอย่าง combustion chamber เพื่อให้ไปเจอกับสาร oxidizer อย่างออกซิเจนเหลวที่ถูกฉีดออกมาในระยะเวลาที่ไล่เลี่ยกันเพื่อให้เกิดการเผาไหม้ ซึ่งเวลาเดียวกันนั้นก็จะฉีดเชื้อเพลิง PR-1 ออกมาด้วยเพื่อเป็นการทำให้เครื่องยนต์ทำงานโดยสมบูรณ์

โดยยังมีข้อดีอีกอยากคือในอวกาศการที่จะทำให้เครื่องยนต์ Merlin แบบสุญญากาศ (Merlin Vacuum) ทำงานได้นั้นก็ใช้หลักการเดียวกันนั่นคือฉีด TEA-TEB กับออกซิเจนเหลวออกมาเพื่อให้มันเกิดดารเผาไหม้กันในที่ที่ไม่มีออกซิเจนอย่างอวกาศ แล้วจึงฉีด RP-1 ออกมาในเวลาเดียวกันเพื่อสร้างแรงขับให้ตัวจรวดท่อนที่สอง

มีจรวดที่ใช้ไฟฟ้าในการจุดระเบิดกับเชื้อเพลิง RP-1 จริง ๆ นะ

จริง ๆ แล้วก็มีจรวดรุ่นหนึ่งที่ใช้ไฟฟ้าในการจุดจะเบิดและยังใช้เชื้อเพลิง RP-1 เป็นเชื้อเพลิงหลักอีกด้วย นั่นคือจรวด Sozyu ของรัสเซียในปัจจุบัน แต่ว่าตัวจุดระเบิดนั้นไม่ได้อยู่ในห้องเผาไหม้แต่มันอยู่ข้างนอกตัวเครื่องยนต์โดยเป็นแท่งไม้ธรรมดา ๆ ที่ติดอุปกรณ์ไฟไฟ้ไว้ที่ปลายไม้เพื่อให้เสียบเข้าไปในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ได้ เพราะเนื่องจากว่าเครื่องยนต์ตระกูล RD ของจรวด Soyuz นั้นไม้ได้ถูกออกแบบมาให้บรรจุ TEA-TEB ได้กระกอบกับห้องเผาไหม้ที่ไม่ได้ใหญ่มากและเป็นจรวดแบบใช้แล้วทิ้ง (expandable rocket) ที่ต้องจุดระเบิดซ้ำแบบ Falcon 9 มากกว่าหนึ่งครั้งจึงสามารถทำได้ ซึ่งวิธีนี้เป็นวิธีที่ใช้กับจรวด Soyuz กันมาตั้งแต่สมัยสหภาพโซเวียต

แท่งไม้จุดระเบิดที่ใช้กับเครื่องยนต์ของจรวด Soyuz

แต่ว่าที่กล่าวมาก่อนหน้านี้เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นในจรวดท่อนแรกและทุกอยากเกิดขึ้นบนพื้นโลก คงมีคนสงสัยอีกว่าแล้วท่อนอื่น ๆ เนี่ยใช้เชื้อเพลิงอะไรและจะจุดระเบิดแบบไหน แน่นอนว่าเป็นเชื้อเพลิง RP-1 ทุกท่อน แต่ว่ามันก็มีวิธีการจุดระเบิดให้ท่อนอื่น ๆ ที่ถัดจากท่อนแรกนะ นั่นคือเอาแท่งจุดระเบิดพวกนี้ไปติดไว้บนยอดของจรวดท่อนก่อนหน้าแล้วให้มันจุดระเบิดขณะที่จรวดท่อนก่อนหน้าหยุดการทำงานของเครื่องยนต์เพื่อส่งต่อให้ท่อนที่อยู่เหนือกว่าทำงานต่อ จากนั้นจุงค่อยแยกตัวออกจากกัน ซึ่งจะไม่เหมือนกับจรวดรุ่นอื่น ๆ ที่ต้องแยกตัวออกมาก่อนแล้วค่อยจุดระเบิดเครื่องยนต์ (สาเหตุที่ว่าทำไมจรวด Soyuz ถึงมีช่องว่างระหว่าง interstage ring เพื่อเป็นการระบายเปลวไฟที่มีแรงขับดันสูงออกสู่ภายนอก)

การจุดระเบิดเครื่องยนต์ของท่อนที่สองที่จุดระเบิดตอนยังไม่แยกตัวออกจากท่อนแรก

นอกจากนี้เครื่องยนต์ Rutherford ของจรวด Electron จากบริษัท Rocket Lab ที่เล็กมาก ๆ นั้นก็จะใช้ตัวจุดระเบิดแบบเสริมหรือ Augmented spark igniter ซึ่งจะมีลักษณ์แบบห้องเผาไหม้เล็ก ๆ เหนือห้องเผาไหม้หลักหรือ combustion chamber เพื่อเป็นการลดปริมาณการใช้เชื้อเพลิงในการจุดระเบิดและห้องนี้จะเป็นห้องที่เล็กมาก ๆ จึงทำให้สามารถใช้ไฟฟ้าในการจุดระเบิดได้ เพื่อเป็นการสร้างเปลวไฟในห้องนี้ก่อนจะถูกส่งออกมาสู่ห้องเผาไหม้หลักเนื่องจากแรงดันของมัน ซึ่งก็เป็นหนึ่งในอีกวิธีในการจุดระเบิดให้เครื่องยนต์จรวด สำหรับใครที่ต้องการจะศึกษาเรื่องการทำงานของจรวดก็อาจลองมองดู Augmented spark igniter ก็ได้เพราะมันก็เหมือนกัยเครื่องยนต์ที่เล็กมาก ๆ แถมยังช่วยลดค่าใช้จ่ายได้อีกด้วย

diagram ของ Augmented spark igniter

ยังมีการจุดระเบิดอีกหนึ่งระบบที่ใช้ไฟฟ้าในการจุดระเบิดเช่นกันนั้นคือการใช้แสงเลเซอร์ซึ่งวิธีนี้ไม่เป็นที่นิยมในการใช้งานในอุตสาหกรรมจรวดจริง ๆ แต่คอนเซ็ปท์ที่ค่อนข้างจะดีเลยทีเดียว โดยเป็นการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าไปเป็นแสงเลเซอร์ซึ่งเป็นแสงที่ให้พลังงานความร้อนสูงซึ่งแน่นอนว่าหากเรารวมพลังแสงที่มากพอก็จะสามารถทำให้เกิดการเผาไหม้ได้เช่นกัน

diagram ระบบการจุดระเบิดแบบใช้เลเซอร์ (อุปกรณ์ยิงลำแสงอยู่ในกระบอกสีน้ำเงินในรูป) ที่มา – NASA

ถึงแม้ว่าการใช้ TEA-TEB หรือการใช้ไฟฟ้าในการจุดระเบิดเครื่องยนต์ที่ให้ประกายไฟเหมือนกันก็ล้วนแล้วแต่เป็นหนึ่งส่วนประกอบของจรวดที่ดูเล็กน้อยมาก ๆ เมื่อเทียบกับจรวดทั้งลำ แต่มันก็หนึ่งในส่วนที่สำคัญที่สามารถพามนุษย์ออกไปหาคำตอบของคำถามในจักรวาลอันกว้างใหญ่ แม้ว่าอวกาศจะยากเพียงใดก็ตาม ก็ไม่อาจจะหยุดยั้งความใฝ่รู้และความสงสัยของมนุษย์ที่มีต่อทุก ๆ สิ่งในจักรวาลได้ หากไม่มีประกายไฟเล็ก ๆ พวกนี้เราก็อาจไปถึงดวงดาวที่เราเคยมีความฝันที่จะไขว่คว้าพวกมันให้ใกล้ตัวเรามากขึ้นได้อยู่ดี จึงไม่ใช่เรื่องที่น่าแปลกใจอะไรที่ทุก ๆ ส่วนในวงการอวกาศจะมีความสำคัญต่อการเดินทางแห่งความใฝ่รู้ของมนุษย์สู่อนาตนที่สดใส

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co

อ้างอิง

Dimethyl 4-cyclohexene-1,2-dicarboxylate

Get the TEA-TEB, the Kerosene Won’t Light!

Why is TEA-TEB chemical ignition used instead of spark ignition?

Liquid Rocket Engines (J-2X, RS-25, general)

Russia Actually Lights Rockets With an Oversized Wooden Match





MORE