Rocket History

เครื่องยนต์ที่ใช้ในจรวด(Rocket)
แบ่งออกได้เป็นสองประเภทหลักๆคือ จรวดเชื้อเพลิงแข็ง และจรวดเชื้อเพลิงเหลวจรวดเชื้อเพลิงแข็งจะมีประวัติศาสตร์มายาวนานมีมาตั้งแต่ยุดเริ่มแรกของจรวดเลยทีเดียว นั้นก็คือ
พลุจากประเทศจีนที่ใช้ดินปืนนั้นไงครับ ซึ่งจรวดนับตั้งแต่ยุดนั้นมาจนถึงคริศศักราชที่19
เป็นจรวดเชื้อเพลิงแข็งทั้งหมด

จนปี 1926 ได้มีการทดลองการปล่อยจรวดเชื้อเพลิงเหลวครั้งแรกโดย
โรเบิร์ท เฮช ก็อดดาร์ด (Robert H. Goddard) โดยใช้อ็อกซิเจนเหลวและน้ำมันเป็นเชื้อเพลิง

ในช่วงเริ่มต้นของจรวดยุคใหม่ที่เริ่มมาพร้อมๆกับสงครามโลกครั้งที่สองกับจรวด ในตระกูล V-2 อาวุธลับของฝ่ายนาซี ที่มีเวิร์นเนอร์ วอน บราว์น (Wernher von Braun) เป็นหัวหน้าทีม ซึ่งใช้เป็นจรวดเชื้อเพลิงเหลวเป็นตัวขับดัน หลังจากสงครามโลกจบลง ฝ่ายนาซีพ่ายแพ้ ทั้งอเมริกา และ รัสเซียต่างก็เข้ามาแย่งชิงข้อมูลเกี่ยวกับอาวุธลับที่ยังไม่เสร็จดีนี้ซึ่งฝ่ายอเมริกันมีข้อมูลมากกว่า และได้หาตัว วอน บราว์นเจอก่อน และนำเขาไป”เก็บไว้”ในอเมริกาพร้อมๆกับยึดจรวด V-2ที่เสร็จสมบูรณ์ไปด้วย ในขณะที่ฝ่ายรัสเซียพึ่งมารู้ทีหลังว่าตนได้พลาดโอกาสในการครอบครองอาวุธแห่งอนาคตไปแต่โชคก็เข้าข้างรัสเซียในภายหลังเมื่อฝ่ายรัสเซียได้พบโรงเก็บอาวุธลับซึ่งอยู่ใกล้กับบริเวณที่อเมริกายึดจรวดไป

ซึ่งในโรงเก็บอาวุธลับนั้นมีจรวดV-2ที่ยังประกอบไม่เสร็จและชิ้นส่วนที่คาดว่าจะเป็นเวอร์ชั่นต่อไปของ V-2! แต่วิศวกรก็โดนอเมริกาเอาไปเกือบหมด เหลือแต่ช่างเทคนิดและวิศวกรระดับล่างๆเท่านั้น
นี้เป็นจุดเริ่มต้นของการแข่งขันสู่อวกาศที่มีจุดเริ่มต้นคนล่ะอย่าง(ซึ่งไม่เกี่ยวกับเรื่องจรวดแข็ง และ เหลว ใดๆทั้งสิ้น แหะๆๆ) เข้าเรื่องกันต่อเดี้ยวจะยาว

จรวดในตระกูล V-2 ก็ได้พัฒนามาเรื่อยๆ จนถึงจรวด R-7 ซึ่งทางรัสเซียตั้งใจจะพัฒนาขึ้นมาเพื่อเป็นจรวดขีปนาวุธข้ามทวีปโดยมี เซอไจ โคโรเลฟ (Sergei Korolev) เป็นหัวหน้าทีม การทดลองส่งขีปนาวุธประสบผลล้มเหลวติดกันสามครั้ง จนครั้งที่สี่ การส่งประสบผลสำเร็จแต่มีปัญหาตอนกลับสู่ชั้นบรรยากาศเนื่องจากฉนวนห่อหุ้มไม่ดีพอทำให้เกิดความร้อนสูง แต่นั้นก็เพียงพอแล้ว ที่จะส่งดาวเทียมเบื้องต้น ออกสู่อวกาศ ซึ่งก็คือ Sputnik1 (ชื่อเทคนิค PS-1, ภาษารัสเซีย "Простейший Спутник-1", หรือ Elementary Satellite-1) นั้นเองครับ และเป็นจุดเริ่มต้นของการแข่งขันสู่อวกาศครับ เห็นมั้ยครับว่า ภารกิจอวกาศกับภารกิจทางการทหาร แยกกันไม่ออกจริงๆใครสามารถส่งขีปนาวุธข้ามทวีปได้ก็สามารถส่งดาวเทียมได้ครับ

ด้วยข้อเท็จจริงนี้ทำให้จรวดในยุคแรกๆที่ปสู่อวกาศใช้เครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลวเป็นหลักเพราะว่าสามารถควบคุมได้ง่าย มีประสิทธิภาพที่ดี จะเร่งหรือผ่อนเครื่องยนต์ปิดเปิดใหม่เมื่อใดก็ได้ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดเจนและมีข้อมูลให้ศึกษามากก็คือ จรวด แซทเทิร์น ไฟว์ (Saturn V) ที่ใช้ในภารกิจสำรวจดวงจันทร์อพอลโล่ ของอเมริกาไงครับ

แซทเทิร์น ไฟว์ (ภายใต้การควบคุมของ เวิร์นเนอร์ วอน บราว์น )ใช้เครื่องยนต์สองแบบ แบบที่หนึ่งคือ เครื่องยนต์ J-2ซึ่งใช้ ไฮโดรเจนเหลวเป็นเชื้อเพลิงเป็นเครื่องยนต์รอง และ แบบที่สองคือ F-1 ซึ่งเป็นเครื่องยนต์หลัก ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่า J-2 และใช้เคโรซีนเป็นเชื้อเพลิงโดยมีอ็อกซิเจนเหลวเป็นตัวอ็อกซิไดซ์ แซทเทิร์น ไฟว์ใช้เครื่องยนต์ F-1 ทั้งหมด 5 เครื่องและJ-2 ทั้งหมด 6เครื่องมันเป็นจรวดที่มีแรงขับดันสูงที่สุดที่ประสบความสำเร็จในการส่ง มีจรวดที่มีกำลังส่งสูงกว่านี้เล็กน้อย(แต่ไม่ค่อยเป็นข่าว ตามไสตล์รัสเซีย) ก็คือจรวด อีเนอร์เจีย(Energia) ของรัสเซีย แต่มันไม่ประสบผลสำเร็จในการใช้งาน NASAก็เลยโม้ได้ว่าแซทเทิร์น ไฟว์ ใหญ่ที่สุดได้ไปโดยปริยาย รายละเอียดไม่ขอลงลึกกว่านี้นะครับเดี้ยวจะลงลิงค์ไว้ให้ทีหลั

รูปเปรียบเทียบ
ตัวแทนฝั่งอเมริกา และฝั่งรัสเซีย สไตล์ออกมาต่างกันเห็นๆ ซ้าย แซทเทิร์น ไฟว์ ขวาอีเนอร์เจียครับ

ต่อมา ไอ้เชื้อเพลิงเหลวเนี้ยมันก็มีปัญหาอยู่ครับเอาที่เข้าใจง่ายๆชัดๆเลยก็คือว่า เชื้อเพลิงเหลวมันเก็บไว้ในถังนานไม่ได้เชื้อเพลิงจะระเหยหมด แล้วถังมันก็ไม่ใช่เล็กๆ ถ้าจะเลื่อนหรือยกเลิกภารกิจ
ก็ต้องเสียเวลามากๆเลยทีเดียว ในการถ่ายเชื้อเพลิงเข้าออกฝั่งทหารเค้าก็ไม่พอใจสิครับ เค้าเลยพัฒนาจรวดเชื้อเพลิงแข็งขึ้นมาครับ

จรวดเชื้อเพลิงแข็ง(บางทีเรียกมอเตอร์ก็ได้ครับ) สามารถให้แรงขับดันได้ดีกว่าเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลวเชื้อเพลิงเก็บได้นาน ประกอบเสร็จก็ใช้ได้ทันที ไม่ต้องเตรียมนานขีปนาวุธข้ามทวีปในปัจจุบันนี้ก็ใช้จรวดเชื้อเพลิงเหลวนี้แหละครับจุดชนวนปุ้ปยิงได้เลย แต่ข้อเสียก็มี ก็คือมันจุดแล้วจุดเลยครับ
เมื่อเริ่มเผาไหม้แล้วเนี้ย มันจะไหม้จนหมด จะไปสั่งหยุดมันไม่ได้ง่ายๆจะปรับความเร็วก็ยาก การใช้งานจึงแบ่งไอ้จรวดเชื้อเพลิงแข็งเนี้ยเป็นชั้นๆออกจากกัน จะได้พอควบคุมการเผาไหม้ของมันได้บ้างด้วยความที่มันมีความเชื่อใจได้ในระดับสูง จึงถูกนิยมใช้มันเป็น ตัวขับดันจรวด(Rocket Booster) ในขั้นแรกสุดครับ ตัวอย่างที่ยกมาให้ดูก็คือ กระสวยอวกาศเจ้าเก่านี้เอง (เคยเขียนบทความไปทีนึงแล้ว ลองหาคำว่า
Endeavour cycle ดูนะครับ) 

ท่อสีขาวที่พ่นไฟออกมาเยอะๆนั้นแหละครับจรวดขับดันที่เป็นเครื่องยนต์เชื้อเพลิงแข็งที่เราพูดถึง
มันมีแรงขับดันมากกว่าเครื่องยนต์ที่ใหญ่ที่สุดอย่างเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลว F-1 (คุ้นๆมั้ยครับ จาก แซทเทิร์น ไฟว์นั้นเอง) ถึง 1.8เท่าเลยทีเดียว

จรวดขับดันกระสวยอวกาศ(Space Shuttle Solid Rocket Boosters (SRBs)) เป็นเครื่องยนต์เชื้อเพลิงแข็งที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยบินมา เช่นเดียวกันกับเครื่องยนต์หลักของกระสวยอวกาศ F-1 ก็เป็นเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลวที่ใหญ่ที่สุดเช่นกัน (จะใหญ่อะไรกันนักกันหนาเนี้ย) ซึ่งกระสวยอวกาศแต่ละเที่ยวจะประกอบด้วยเครื่องยนต์ F-1 สามเครื่อง และจรวดขับดัน SRBs สองแท่งซึ่งจรวดขับดันจะถูกปลดออกกลางอากาศ 75วินาทีหลังจากบินสู่อากาศแล้ว และเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลวก็จะทำงานต่อไปจนถึงจุดหมายที่ต้องการในวงโคจร เพราะเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลวสามารถควบคุมได้ง่าย เหมาะแก่การปรับแก้ความเร็วและทิศทาง ซึ่งต้องมีการปรับแก้เป็นระยะๆเป็นปกติ  รูปข้างล่างคือ Araine 5 ขององค์การอวกาศยุโรปครับ ซึ่งกำลังประสบความสำเร็จอย่างมากเลยทีเดียว จะเห็นได้ว่ามีส่วนประกอบค้ลายๆกระสวยอวกาศเลย คือมี Solid rocket motors เป็นตัว Booster และมีเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลวอยู่ตรงกลาง

เอาล่ะครับ ได้พูดถึงการใช้งานของเครื่องยนต์ทั้งสองแบบทั้งอดีตและปัจจุบันไปแล้ว ต่อไปจะเป็นรูปแบบของอนาคตกันบ้างล่ะครับ

เนื่องจาก NASA มีแผนการปลดระวางกระสวยอวกาศที่เริ่มจะแก่แล้ว ภายในปี 2010ก็ได้มีการวางแผนออกแบบจรวดแบบใหม่ขึ้นมาใช้งานแทน ซึ่งคราวนี้ก็จะแหวกแนวออกไป ต่างจากกระสวยอวกาศที่ใช้อยู่เลยล่ะครับ ซึ่งชื่อของจรวดชุดใหม่นี้ก็คือ Ares I และ Ares V ครับ

เริ่มกันที่ Ares I ก่อนแล้วกันครับ Ares เป็นชื่อของเทพเจ้ากรีก ชื่อว่า Mars (ดาวอังคาร) ครับ  Ares I เนี้ยจะเป็นยานส่งมนุษย์อวกาศซึ่งจะอยู่ในแคปซูล Orion ที่ติดตั้งไว้บนหัวครับ ครับ ซึ่งมีแผนว่าจะใช้มันเพื่อไปสู่ สถานีอวกาศนานาชาติ กลับไปยังดวงจันทร์อีกครั้ง และ อาจจะไปไกลถึงดาวอังคารเลยทีเดียว ด้านล่างเป็น รูปของ Orion ครับ

รูปของ Orion ตอนอยู่ในอวกาศ การแผงโซล่าเซลรูปวงกลม

ต่อไปคือรูปของ Ares I ครับ ใช้ เครื่องยนต์เชื้อเพลิงแข็ง SRBs เป็นจรวดขับดัน แบบเดียวกับ กระสวยอวกาศ หนึ่งอัน แล้วก็เครื่องยนต์ J-2x ซึ่งเป็นเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลว (J-2เป็นเครื่องยนต์รองของ SaturnV ที่พูดถึงในไปแล้วครับ J-2x เป็นเวอร์ชั่นปรับปรุง) อีกหนึ่งเครื่อง เป็นเครื่องยนต์หลัก ซึ่งจะเห็นว่ามันใช้เครื่องยนต์น้อยกว่ากระสวยอวกาศเยอะเลย! เป็นเพราะว่ากระสวยอวกาศที่ใช้อยู่ปัจจุบันนั้นแม้จะต้องการส่งแค่คนไปก็ต้องขนกันไปทั้งลำใหญ่ๆเลยทีเดียวในขณะที่จรวดในอนาคตนี้จะส่งคน กับของแยกกันครับ ซึ่งในส่วนของ Ares I นั้นมีส่วนดีดตัวในกรณีที่มีข้อผิดพลาดเกิดขึ้นด้วยครับ
จากรูปจะเห็นส่วนที่คล้ายๆจรวดเล็กๆที่ต่ออยู่เหนือแคปซูล Orion อีกทีนั้นแหละครับ ส่วนดีดตัว

ทีนี้สำหรับสัมภาระขนาดใหญ่ เช่นยานลงจอดบนดวงจันทร์ หรือ กล้องโทรทัศน์รุ่นใหม่ในอนาคตที่ใหญ่กว่า Hubble (ซึ่งกำลังแก่ลงเช่นกัน) ก็ต้องยกให้พี่ใหญ่อย่าง Ares V ซึ่งมีแรงขับเยอะกว่าทั้ง Saturn V รุ่นพี่ของมัน และ Energia ของฝั่งรัสเซีย ซึ่งNASAคุยว่า มันสามารถส่ง Orion ไปยังดวงจันทร์ได้ภายในช็อตเดียวเลย ไม่ต้องโคจรรอบโลกเพื่อเพิ่มความเร็วเหมือนที่แล้วมา โดย Ares V เป็นจรวด2ตอน ซึ่งจะใช้ SRBs 2อัน เป็นตัวขับดันเช่นเดียวกับกระสวยอวกาศ แต่เป็น SRBsที่มีขนาดใหญ่กว่าคือมีทั้งหมด ห้าชั้นครึ่ง ในขณะที่ SRBsของกระสวยอวกาศมี 4ชั้นจรวดชั้นแรกจะมี เครื่องยนต์ RS-68B 5-6เครื่อง ซึ่งเป็นเครื่องยนต์ที่พัฒนามาจากแบบที่ใช้ในกระสวยอวกาศ(F-1 หรือ SSME, Space shuttle main engine)ให้ม๊ขนาดใหญ่กว่า และถูกกว่า และเครื่องยนต์ชั้นที่สองก็จะเป็น เครื่องยนต์ J-2x เครื่องเดียว

เครื่องยนต์  RS-68 ในขณะที่ทำการทดสอบ  Ares V จะมีไอ้นี้อยู่ 5-6เครื่องแหนะ

วันนี้ผมขอจบไว้เท่านี้ครับข้อมูลทั้งหมดในการทำบทความนี้ได้มาจาก สารานุกรม ออนไลน์
Wikipedia ครับถ้าท่านใดสนใจอยากได้ความรู้เพิ่มเติมก็ไปหาอ่านเพิ่มได้เลยครับ.

แ ถมครับ Ullage solid motor : Ullage motor เป็นมอเตอร์(เครื่องยนต์เชื้อเพลิงแข็ง) ขนาดเล็กอันนึงที่จะช่วยทำให้เชื้อเพลิงเหลวเข้าที่เมื่อมีการจุดะเบิดขึ้น ก่อนที่จะติดเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลว เพื่อให้แน่ใจว่าน้ำมันเชื้อเพลิงจะอยู่ในที่ๆเหมาะสมต่อการทำงานของปั้ม และมอเตอร์นี้ยังช่วยในการแยกตัวของจรวดแต่ล่ะส่วนอีกด้วย  ข้างล่างเป็นรูปของ Ullage motor ที่จะใช้ใน Ares I ครับ