เครื่องยนต์ Raptor กุญแจที่นำไปสู่การเดินทางในอวกาศสมัยใหม่

เมื่อพูดถึงเครื่องยนต์ Raptor ในวงการเทคโนโลยีอวกาศแล้ว ก็จะรู้กันโดยทันทีว่าเครื่องยนต์ Raptor เป็นเครื่องยนต์จรวดที่ถูกพัฒนาขึ้นโดยบริษัทขนส่งทางอวกาศเอกชนอย่าง SpaceX ที่มีเป้าหมายหลักที่จะพามมุษย์ไปอยู่ดาวอังคารตามความฝันของผู้บริหารอย่าง Elon Musk ในบทความนี้ เราจะพาทุกคนไปรู้จักกับ “เครื่องยนต์จรวด Raptor” กัน
เครื่องยนต์จรวดRaptor - ที่มา Wikipedia

จุดเริ่มต้นของเครื่องยนต์จรวด Raptor
 
เริ่มแรกเลย จริงๆแล้วชื่อเต็มๆของเครื่องยนต์รุ่นนี้ไม่ได้มีแค่ Raptor แต่เป็น Velociraptor ซึ่งเป็นชื่อพันธุ์ของไดโนเสาร์กลุ่ม Raptor ที่มีปีกขนาดเล็ก (ซึ่งไม่เหมือนกับ Velociraptor ที่อยู่ในหนังเรื่อง Jurassic park และ Jurassic world) จริงๆไม่จำเป็นต้องใส่ใจเรื่องชื่อเต็มก็ได้เพราะในทั่วไปจะรู้จักกันในนามของ Raptor กันอยู่แล้ว
 
Velociraptorในรูปแบบที่มีปีกขนาดเล็ก - ที่มา Time
VelociraptorในJurassic Park และ Jurassic World ซึ่งจะมีผิวที่แห้งกร้าน - ที่มา Jurassic WIKI Fandom

เข้าเรื่องกันเลยดีกว่า เนื่องด้วยว่าช่วงต้นยุค 2000 นั้น Elon มีความฝันที่อยากจะพามนุษย์โลกไปอยู่ดาวอังคารด้วยแนวคิดที่ว่า “โลก” ไม่จำเป็นต้องเป็นบ้านหลังเดียวของมวลมนุษย์ชาติ และบ้านใหญ่ที่สองที่ใกล้บ้านหลังแรกอย่างโลกและมีความเป็นไปได้มากที่สุดนั้นคือ “ดาวอังคาร” จากนั้น Elon ก็ได้ก่อตั้งบริษัทการขนส่งทางอวกาศอย่าง Space Exploration Technologies Corporation หรือที่คนทั่วไปรู้จักกันในนามของ SpaceX ขึ้นมาในฐานะ CEO และหัวหน้าวิศวกรของบริษัท ถึงแม้ในช่วงแรกจะเกิดความล้มเหลวจากการส่งจรวด Falcon 1 ถึง 3 ครั้งและสำเร็จในการส่งจรวดครั้งที่ 4 ซึ่งเป็นภารกิจที่ชี้เป็นชี้ตายของสถานะของบริษัทว่าจะอยู่หรือไป ต่อมาได้พัฒนาจรวด Falcon 9 ออกมาหลายรุ่นตามความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของบริษัท ถึงแม้จรวดทั้ง 2 ซีรี่ย์จะไม่ใช่จรวดที่สามารถพามนุษย์ไปถึงดาวอังคารได้ตามความฝันของ Elon แต่นี่ก็ถือเป็นหนึ่งในแผนของ Elon ที่จะพามนุษย์ไปอยู่ดาวอังคาร
ภาพเปรียบเทียบขนาดของจรวด Falcon 1 และ Falcon 9 - ที่มาNosu Art(Facebook),ART with SPACE(Blockdit))
 
การจะเดินทางไปนอกโลก ดวงจันทร์ ดาวอังคารหรือดาวดวงอื่นๆในระบบสุริยะของเรานั้น เราจำเป็นต้องมียานอวกาศหรือจรวดที่สามารถพาเราไปสู่เป้าหมายนั้นๆได้ ในแผนการเดินทางไปดาวอังคารของ Elon นี้ก็เช่นกัน ถึงแม้ Elon จะมีความคิดที่จะพามนุษย์ไปอยู่ดาวอังคารได้เกือบจะ 20 ปีแล้ว แต่การพัฒนายานอวกาศที่สามารถเดินทางไปดาวอังคารนั้นพึ่งเริ่มโครงการกันเมื่อช่วงปลายไตรมาสที่สามของปี 2016 นี่เอง โดยใช้ชื่อโครงการว่า “Interplanetaly Transport System” หรือ ITS หรือถ้าให้แปลก็จะได้ความหมายทำนองว่า ระบบขนส่งระหว่างดาวเคราะห์ โดยจะมีรูปทรงที่คล้ายกับยานอวกาศในหนังเรื่อง The Martian และมีสีขาวอันเป็นเอกลักษณ์ของจรวดบริษัท SpaceX ซึ่งต่อมาในช่วงปลายไตรมาสที่สามของปีถัดมาหรือปี 2017 ก็ได้เปลี่ยนชื่อโครงการและรูปทรงของยานในนามของ “Big Falcon Rocket” หรือ BFR โดยจะยังคงไว้ถึงเอกลักษณ์ของจรวดสีขาวแต่ออกแบบให้ตัวยานดูผอมหรือเล็กลง และก็ได้เปลี่ยนรูปทรงอีกครั้งในปี 2018 โดยมีขาลงจอด 3 ขาซึ่งรูปทรงของมันดันออกมาดูคล้าจรวดรูปแบบ Tintin โดย Elon ได้ออกมาทวีตตอบกลับแฟนคลับขำๆว่า “I do love Tintin” และได้บอกว่าทำนองว่า การลงจอดนั้นไม่ใช่ปัญหาสำหรับขาลงจอด 3 ขา จากนั้นในช่วงปลายปีของปีเดียวกันนั้นก็ได้เปลี่ยนดีไซน์ใหม่โดยเปลี่ยนสีให้ยานเป็นสีเงาสะท้องแสงตามวัสดุสแตนเลส สตีลพร้อมกับเปลี่ยนชื่อโครงการใหม่เป็น “Starship” และตั้งแต่นั้นมาก็ใช้สีของสแตนเลส สตีลในการพัฒนายานอวกาศสำหรับเดินทางข้ามดาวเคราะห์ของ Elon สำหรับการพูดถึงยานอวกาศที่ใช้เดินทางข้ามดาวเคราะห์ตามแนวคิดของ Elon ก็คงขอพูดไว้คร่าวๆแค่นี้ก่อน ถ้ามีโอกาสจะมาเจาะลึกถึงเจ้ายาน Starship ลำนี้กันในอนาคต
ภาพลำดับดีไซน์ของยานอวกาศในโครงการระบบขนส่งระหว่างดาวเคราะห์ของ SapceX - ที่มา @kimitalvitie ทวิตเตอร์

เมื่อพูดถึงยานอวกาศกันไปแล้วสิ่งที่ขาดไม่ได้เลยก็คือ “เครื่องยนต์จรวด” ที่ใช่ร่วมกับยานอวกาศลำนั้นๆ อย่างที่ได้พูดกันไปในช่วงต้นว่าเครื่องยนต์จรวดที่จะนำมาพูดถึงกันในวันนี้ก็คือเครื่องยนต์ Raptor จุดเริ่มต้นของเจ้าเครื่องยนต์ตัวนี้ถูกออกแบบมาเพื่อใช้กับยานอวกาศในโครงการระบบขนส่งระหว่างดาวเคราะห์หรือที่รู้จักกันในนามของ Starship โดยเฉพาะ และถูกใช้ในจรวดทั้ง 2 ท่อนของโครงการนี้ ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาเครื่องยนต์ Raptor นี้ถูกวางแผนให้ใช้ไฮโดรเจนเหลว (LH2) เป็นเชื้อเพลิง แต่ถูกเปลี่ยนไปโดยออกแบบมาให้ใช้สันดาปมีเทน (CH4) แทน โดยถูกใช้งานครั้งแรกในยาน Starhopper ที่ใช้ทดสอบบินระยะสั้นหรือ Hop test ซึ่งการทดสอบครั้งนั้นก็ได้พิสูจน์ให้ชาวโลกเห็นแล้วว่า เครื่องยนต์ Raptor เป็นเครื่องยนต์จรวดระบบ Full-Flow Staged Combustion ที่ถูกสร้างและใช้งานจริงรุ่นแรกของโลกตั้งแต่มีการสร้างเครื่องยนต์จรวดมา โดยมันมีความสูง 3.1 เมตรและกว้าง 1.3 เมตร และมีแรงขับดันตามทฤษฎีอยู่ที่ 2.2 ล้านนิวตันสำหรับเครื่องยนต์ที่ระดับน้ำทะเล และความดันสูงสุดในห้องเผาไหม้จะอยู่ที่ 330 บาร์หรือ 33 เมกะปาสคาลโดยประมาณ

อะไรคือเครื่องยนต์จรวดระบบ Full-Flow Staged Combustion?

หลายๆคนอาจสงสัยเมื่อเวลามีใครมาบอก “เครื่องยนต์ Raptor ของ SpaceX ใช้เครื่องยนต์ระบบ Full-Flow Staged Combustion นะ” เมื่อได้ยินครั้งแรก หลายๆคน(รวมถึงผู้เขียนเอง)อาจพูดเป็นเสียงเดียวกันว่า “แล้วมันคืออะไรล่ะ?” แน่ๆ ในเนื้อหาต่อจากนี้เราจะพาทุกคนไปรู้จักกับเครื่องยนต์จรวดระบบ Full-Flow Staged Combustion กัน (เนื่องจากว่าเนื้อหาตรงส่วนนี้เป็นเนื้อหาที่ค่อนข้างหาอ่านในภาษาไทยได้ยาก และเป็นสิ่งที่ค่อนข้างใหม่ หากข้อมูลผมผิดประการใดก็ต้องขอโทษล่วงหน้าด้วยครับ)

ถ้าให้แปลคำว่า Full-Flow Staged combustion ก็จะได้ใจความหลักๆว่า “ลำดับการเผาใหม้ที่ไหลเต็มระบบ” ซึ่งจริงๆแล้วระบบ Full-Flow เนี่ย มันเป็นระบบที่แยกย่อยมากจากระบบ Staged Combustion อีกที อ่าว ทีนี้ก็ต้องลงลึกถึงจุดเริ่มต้นกันเลยสิ (ฮา)

Staged Combustion Cycle หรือในบางครั้งก็จะมีอีกชื่อที่ถูกเรียกว่า Closed Cycle นี้เป็นเครื่องยนต์จรวดที่ใช้ระบบเชื้อเพลิง bipropellant หรือระบบที่ใช้เชื้อเพลิง 2 ชนิด ที่ใช้ตัวหนึ่งใช้เป็นสารเผาไหม้หรือ Fuel และอีกตัวใช้เป็นสารที่ช่วยในการเผาไหม้หรือ Oxidizer (แต่ในบทความนี้จะขอไม่ลงลึกถึงเหตุและความเป็นมาของตรงนี้มากนัก) โดยระบบเครื่องยนต์นี้เป็นระบบที่ถูกคิดค้นและต่อยอดมาจากระบบ Gas Generator Cycle หรือ Open Cycle ทุกท่านเห็นอะไรที่แสดงถึงความแตกต่างระหว่าง 2 ระบบนี้หรือไม่ ใช่แล้วคำว่า Closed Cycle และ Open Cycle นี่แหละที่แสดงถึงความแตกต่างของระบบเครื่องยนต์ทั้ง 2 รูปแบบ

โดยหลักการแล้วตัว Gas Generator Cycle นั้นจะมีท่อระบายแก๊สส่วนเกินที่เผาไหม้ไม่สมบูรณ์ในระบบการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ละม้ายกับท่อไอเสียของรถยนต์ (โดยหลักการมันไม่เหมือนกันเลยแต่มันระบายไอเสียออกเหมือนกัน) เพราะเนื่องจากว่าวาลล์และปั้มที่ความคุมการไหลของสารมีข้อจำกัดด้านการทำงาน หากต้องการจะให้ปั้มป้อนเชื้อเพลิงให้เผาไหม้หมด ตัวปั้มก็จะทำงานหนักขึ้นนั่นหมายความว่าปั้มก็จะร้อนขึ้นตามภาระที่ได้รับจากการทำงานของตัวมันนั่นเอง โดยเชื้อเพลิงส่วนเกินจะถูกส่งแยกออกไปจากท่อเชื้อเพลิงหลักและจะต้องผ่านอุปกรณ์ที่เรียกว่า Preburner ก่อนจะออกมากลายเป็นเขม่าไอเสียและถูกกังหันหรือ Turbine พัดไปตามท่อไอเสียและระบายออกสู่ภายนอก ซึ่งตรงนี้มันเป็นเทคโนโลยีที่มีมานานแล้วตั้งแต่เริ่มมีการสร้างเครื่องยนต์จรวดที่ใช้เชื้อเพลิงเหลวและด้วยความที่ว่าวิทยาการในสมัยนั้นยังไม่สามารถสร้างส่วนประกอบของเครื่องยนต์จรวดที่มี Performance ที่ดีพอที่จะทำให้ใช้และเผาผลาญเชื้อเพลิงอย่างมีประสิทธิภาพ นี่คือเหตุผลที่ระบบนี้ได้รับชื่อว่า Gas Generator Cycle และ Open Cycle
ภาพ Diagram ของระบบเครื่องยนต์ Gas Generator - ที่มา Nosu Art(Facebook),ART with SPACE(Blockdit))

มาถึงความยุ่งยากของ Staged Combustion Cycle หรือ Closed Cycle จริงๆกันเสียที 
หลายๆคนที่ไม่เคยรู้เกี่ยวกับระบบ Staged Combustion Cycle หรือ Closed Cycle มาก่อนก็อาจจะมีความสงสัยว่า “อ้าว ทำไมถึงมีความยุ่งยากกันล่ะ? ในเมื่อมันก็ต่างกันที่ Open และ Closed ก็น่าจะต่างกันไม่มาก” ถ้าให้พูดจริงๆปัญหาของมันไม่ได้อยู่ที่ว่าเป็น Open หรือ Closed แต่มันอยู่ที่ระบบของ Staged Combustion Cycle ที่มีการจัดจำแนกหลายระบบเสียเองที่ทำให้เกิดความยุ่งยากในการอธิบาย เพราะทุกระบบย่อยนั้นล้วนเกี่ยวข้อกับ Full-Flow Staged Combustion ซึ่งเป็นหัวใจหลักของการพัฒนาเครื่องยนต์ Raptor นั่นเอง โดยต้องขอบอกว่าความแตกต่างของ Oxidizer-Rich และ Fuel-Rich นั้นไม่ได้อยู่ที่ห้องเผาไหม้หลักอย่าง Combustion chamber แต่อยู่ที่ตัว Perburner ของทั้งสองระบบนั้นมีความแตกต่างกัน

Preburner นี้ถือเป็นมรดกที่ตกทอดมาจากเครื่องยนต์จรวดระบบ Gas Gererator 
อย่างที่ได้ทราบกันไปว่า Preburner เป็นอุปกรณ์ที่เผาผลาญเชื้อเพลิงส่วนเกินให้กลายเป็นแก๊สที่อยู่ในรูปของไอเสียในระบบ Gas Gererator แต่สำหรับเครื่องยนต์จรวดยุคใหม่ที่มีการคิดค้นและใช้เครื่องยนต์ระบบ Staged Combustion นั้นจะไม่ได้สร้างเขม่าควันดำเป็นหลัก แต่จะเป็นการเปลี่ยนสถานะของสารจากของเหลวให้ไปสู่ในรูปของแก๊สโดยใช้ความร้อนจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงด้วยกันเองเปลี่ยนสถานะของสาร ก่อนที่จะส่งเชื้อเพลิงร้อนหรือเชื้อเพลิงแก๊สไปตามท่อเพื่อเข้าสู่ห้องเผาไหม้หลักอย่าง Combustion Chamber ส่วนไอเสียหรือผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการเผาไหม้เพื่อเพิ่มอุณหภูมิและทำให้สารเชื้อเพลิงเปลี่ยนสถานะก็จะถูกส่งออกมาสู่ห้องเผาไหม้เช่นกัน เพราะมันไม่มีช่องทางระบายอื่นสำหรับไอเสียในระบบ Closed Cycle ซึ่งนั่นหมายความว่าการเกิดไอเสียได้จำเป็นต้องใช้สารเชื้อเพลิงทั้งสองชนิดอยู่ดี เพราะตัว Preburner ก็เปรียบเสมือนเป็นห้องเผาไหม้รองของเครื่องยนต์ระบบนี้
**--ต่อในคอมเม้นนะครับ--**
แสดงความคิดเห็น
Preview
โปรดศึกษาและยอมรับนโยบายข้อมูลส่วนบุคคลก่อนเริ่มใช้งาน อ่านเพิ่มเติมได้ที่นี่