ในหน้าประวัติศาสตร์การสำรวจอวกาศของมนุษยชาติของเรานั้นต้องขอบอกเลยว่ามันอะไรให้น่าค้นคว้ามาก แต่ในวันนี้เราจะมาพูดถึงอุปกรณ์ชิ้นนึงที่สามารถพามนุษย์ขึ้นไปเหยียบบนดวงจันทร์ได้เป็นครั้งแรกและถูกบันทึกไว้ในหน้าประวัติศาสตร์สำคัญ อุปกรณ์ชิ้นนั้นที่จะหยิบมาเล่านั่นคือ “เครื่องยนต์จรวด” หรือ “Rocket engine” ซึ่งบทความนี้จะขอลงลึกถึงเครื่องยนต์จรวด F-1


เครื่องยนต์จรวด F-1 หรือ Rocketdyne F-1 เป็นเครื่องยนต์ที่ใช้กับจรวด “Saturn V” (แซทเทิร์นไฟว์) หรือเรามักจะรู้จักกันดีในนามของ “จรวดในภารกิจ Apollo” ซึ่งเป็นภารกิจที่พูดถึงก็รู้ได้ทันทีว่าเป็นภารกิจสำรวจพื้นผิวดวงจันทร์ของประเทศสหรัฐอเมริกา โดยเครื่องยนต์นี้เป็นเครื่องยนต์ที่ถูกวางไว้ใต้จรวดท่อน S-1C หรือจรวดท่อนที่ 1 (First stage) ซึ่งจรวดท่อนที่ 1 นี้มีความสูงถึง 138 ฟุต หรือประมาณ 42 เมตร (มีความสูงใกล้เคียงกับ Starship prototype ของ SpaceX) โดยเครื่องยนต์ F-1 นี้ถูกวางไว้ด้านใต้ของจรวดท่อนที่ 1 ด้วยกันถึง 5 เครื่อง (ตรงกลาง 1 เครื่อง และรอบนอกอีก 4 เครื่อง)

S-1C

จรวดstarship prototype(164ft) เมื่อเทียบขนาดกับsaturn V(ลำที่4 จากซ้าย-ขวา)


บริษัทผู้ผลิตคือบริษัท Rocketdyne (ร็อคเก็ตไดน์) โดยเครื่องยนต์นี้เริ่มพัฒนาเมื่อเมื่อช่วงปลายยุค 50 และถูกนำมาใช้ครั้งแรกกับจรวด Saturn V ในช่วงยุค 60 จนถึงต้นยุค 70 เครื่องยนต์นี้มีขนาดที่ใหญ่มากโดยมีความสูง 5.6 เมตร และกว้างถึง 3.7 เมตร (กว้างเท่าจรวด Falcon 9 ของ SpaceX) โดยแรงขับดันของเครื่องยนต์รุ่นนี้มีมากถถึง 6,770 กิโลนิวตันที่ระดับน้ำทะเล และจะเพิ่มขึ้นอีก 1,000 กิโลนิวตันเป็น 7,770 กิโลนิวตันเมื่ออยู่ในสุญญากาศ (พ้นจากชั้นบรรยากาศออกไป) โดยสามารถทำความเร็วได้ถึง 9,920 กิโลเมตรต่อชั่วโมง หรือประมาณ 9.34 มัค (9.34 เท่าของความเร็วเสียง)


ประเภทของเครื่องยนต์จรวด F-1 เป็น Gas-generator cycle หรือมีอีกชื่อว่า Open Cycle ตามชื่อของ Cycle นี้จะทำให้เรารู้ได้ทันทีว่าเป็นระบบที่ต้องปล่อยอะไรออกมา ซึ่งนั่นคือ “ไอเสีย” เหมือนกับท่อไอเสียของรถยนต์ที่ต้องปล่อยควันไอเสียออกมา ทำไมถึงต้องทำอย่างนั้น นั่นก็เพราะปัญหาทางด้านวิศวกรรมในสมัยนั้นไม่สามารถสร้างปั้มที่ทรงประสิทธิภาพได้ เพราะถ้าไม่มีท่อระบายแก๊สออกจะทำให้ปั้มทำงานหนักเกินไปจนร้อนและอาจไหม้ได้ ทำให้ทางเลือกในตอนนั้นมีแต่ต้องทำท่อระบายออกมา ถ้าให้ยกตัวอย่างที่เห็นได้บ่อยๆในจรวดก็คงต้องขอยกให้เครื่องยนต์ Merlin ที่ใช้กับจรวด Falcon 9 ของ SpaceX ซึ่งเป็นระบบ Gas-generator cycle เช่นกัน จะสังเกตุได้ง่ายตอน landing burn ซึ่งเปลวไฟ 2 ตำแหน่งนั้นไม่ได้เกิดจากการจุดระเบิดเครื่องยนต์ 2 เครื่อง แต่เป็นเครื่องเดียว แต่ที่เห็นว่ามีเปลวไฟ 2 ตำแหน่งนั้นเพราะมีตำแหน่งหนึ่งที่เป็นเปลวไฟขับดันจริงๆ และอีกตำแหน่งเป็นแก๊สไอเสีย (สังเกตุได้จากเปลวไฟที่มีควันดำ)


เทียบกับmerlin engine ที่มีเปลวควันดำๆออกทางท่อฝั่งซ้าย


ประเภทของเชื้อเพลิงที่ใช้ในเครื่งยนต์ F-1 เป็นระบบใช้เชื้อเพลิงเหลว (liquid fuel) อย่างที่เรารู้กันดีมาแต่ประถมว่าระบบของเครื่องยนต์จรวดจำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิง 2 ส่วนซึ่งนั่นคือเชื้อเพลิงส่วนที่เป็นเชื้อเพลิงจริงๆ และส่วนที่เป็น Oxidizer และถามว่าทำไม คำถามนั้นจะมาถูกตอบอีกทีในระดับชั้นมัธยมปลายในวิชาเคมี (หรืออาจจะเป็นมัธยมต้นถ้าหากเรียนสายวิทย์-คณิต) ในปฏิกิริยา Combustion (ซึ่งส่วนนี้ผมคิดว่าผู้อ่านน่าจะมีความรู้ด้านนี้อยู่พอสมควร เลยขอไม่อธิบายลึก ไม่งั้นจากกลายเป็นบทความเคมีเอาเสียก่อน (ฮา)) โดยส่วนเชื้อเพลิง นั้นเป็น RP-1 หรือ Rocket Propellant-1 หรือ Refined Petroleum-1 ซึ่งเป็น kerosene(ก็คือน้ำมันก๊าดนั่นหล่ะครับ) ถึงแม้จะมีการดลจำเพาะที่ต่ำกว่าไฮโดรเจนเหลว (LH2) แต่มีราคาที่ถูกกว่าแถมยังอยู่ในอุณหภูมิห้องได้อีกและปลอดภัยด้านความอันตรายจากการระเบิดมากกว่าอีกด้วย และเพราะเป็นของเหลวจึงไม่ต้องกลัวเรื่องแรงดันเท่าแรงดันแก๊ส (สาเหตุส่วนมากที่ถังเชื้อเพลิงทดสอบไม่ผ่านเพราะแรงดันแก๊สนี่แหละ แต่จะเป็นปัญหากับถังใส่ Oxidizer มากกว่า) ส่วนเชื้อเพลิงอีกส่วนที่เป็นส่วน Oxidizer จะเป็นออกซิเจนเหลว (LOX) จะเป็นส่วนที่ช่วยในการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงอย่าง RP-1 โดยเครื่องยนต์ F-1 ทั้ง 5 เครื่องที่จรวดท่อนที่ 1 นี้จะเผาผลาญเชื้อเพลิงอย่าง RP-1 และ LOX มากกว่า 15 ตันใน 1 วินาที ซึ่งทำงานนานประมาณ 2 นาทีครึ่ง แถมแรงขับรวมทั้ง 5 เครื่องนั้นมีมากกว่าแรงขับรวมของเครื่องยนต์ RS-25 3 เครื่องของกระสวยอวกาศสหรัฐซึ่งเป็นรุ่นใหม่กว่าเสียอีก

RS-25 3เครื่องของกระสวยอวกาศโคลัมเบีย

การพัฒนาและต่อยอดจรวดโดยเครื่องยนต์ F-1 นั้นถ้าตามข่าวสารในตอนนั้นหรือตามย้อนหลังไปเกือบ 10 ปีหรือปี 2013 จะพบว่า NASA ได้มีแผนจะเอาเครื่องยนต์ F-1 มาเป็นเครื่องยนต์ขับดันให้กับ SLS (Space Launch System) ซึ่งเป็นจรวดประเภท Super heavy-lift launch vehicle หรือ จรวดที่สามารถบรรทุกวัตถุหนักๆได้แต่หลังจากนั้นไม่นานก็ได้เปลี่ยนใจไปหยิบเครื่องยนต์ RS-25 (เครื่องยนต์ที่ใช้บนกระสวยอวกาศสหรัฐ) มาพัฒนาและใช้แทน แต่ต้องขอบคุณเครื่องยนต์ F-1 ที่เป็นส่วนช่วยในการพัฒนาจรวดรุ่นใหม่ของ NASA

SLS ในแบบของศิลปินและเป็นรูปแบบที่วางแผนไว้



สถานะปัจจุบันของเครื่องยนต์ F-1 ไม่ได้ถูกใช้อีกแล้ว และจรวด Saturn V ยังคงเป็นจรวดรุ่นเดียวที่มีโอกาสได้ใช้เครื่องยนต์ Rocketdyne F-1 และสาเหตุที่ไม่มีจรวดหรือยานอวกาศรุ่นไหนๆได้ใช้งานร่วมกับเครื่องยนต์นี้นอกจากจรวด Saturn V อีกเลยเพราะขนาดของเครื่องยนต์ที่มีขนาดใหญ่และในตอนที่พัฒนากระสวยอวกาศสหรัฐนั้นไม่ได้ออกแบบให้มีขนาดที่ใหญ่พอที่จะรองรับเครื่องยนต์ F-1 ได้จึงเป็นคำตอบของคำถามนี้

 ภาพวาดRocketdyne F-1 โดยเพจNOSU Art


สำหรับบทความจรวดF-1นี้คงมีเพียงเท่านี้ ขอบคุณที่อ่านจนจบมากๆเช่นเคยครับ หวังว่าบทความนี้เป็นเป็นประโยชน์ให้ใครหลายๆคนเลยนะครับ
เรียบเรียงบทความ:NOSU Art (FB Page) https://www.facebook.com/NosuArtSpace
นำข้อมูลมาตั้งกระทู้พันทิป:สมาชิกหมายเลข 5628319 (โดม)

ส่วนครั้งหน้าจะมีบทความอะไร ก็ติดตามรอต่อไปนะครับบบบบบ
สำหรับตอนสายๆนี้ ผมก็ขอตัวลาไปก่อนนะครับ~