Blockdit Logo (Mobile)
Spaceth.co
•
16 พ.ค. 2022 เวลา 10:00 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
รู้จักกับจรวด Hybrid ระบบขับดันลูกครึ่งกับอนาคตใหม่ของวงการ Space Flight - ตอนที่ 2: จรวดไฮบริด
จรวดไฮบริด ระบบที่วิศวกรจรวด (ส่วนมาก) ไม่ให้การยอมรับ
ในขณะที่ใครหลาย ๆ คนกำลังสนุกกับการเล่นกับจรวดเชื้อเพลิงแข็งและเชื้อเพลิงเหลว ไม่ว่าจะทั้งมืออาชีพหรือคนที่ทำเป็นงานดิเรก ย้อนกลับไปเมื่อปลายยุค 1930 ภายหลังการคิดค้นจรวดเชื้อเพลิงเหลวได้ไม่นาน ได้มีกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ได้คิดหาหนทางใหม่ในการออกแบบจรวดขึ้น
ซึ่งต้องเล่าเกี่ยวกับบั้งไฟที่เป็นตัวแทนของจรวดเชื้อเพลิงแข็งให้เห็นภาพกันก่อน ในแท่งเชื้อเพลิงของบั้งไฟนั้น (ที่คนท้องถิ่นมักเรียกว่าหมื่อ) จะมีสารสองอย่างหลัก ๆ คือ Fuel อย่างถ่านไม้และ Oxidizer ซึ่งในที่นี้หมายถึงดินประสิว (เหมือนกับจรวดเชื้อเพลิงเหลว แต่ไม่สามารถยัดสารทั้งสองไว้ในถังเดียวกันได้)
ทีนี้จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราลองหยิบเอาดินประสิวแยกออกมา? ใช่แล้ว เวลาเผามันก็จะเหมือนการเผาถ่านทำหมูกระทะกินกันเฉย ๆ ไฟจะเบาหรือแรงขึ้นกับอากาศรอบ ๆ มัน อยากได้ไฟแรงก็แค่อัดอากาศเพิ่มเข้าไป ดังนั้นการเผาอะไรซักอย่างก็ต้องอาศัยสารทั้งสองแบบ (ซึ่งจริง ๆ แล้วการเผาไหม้จะต้องอาศัยปัจจัยสามอย่างที่เราเคยเล่าไปแล้วตอน https://spaceth.co/rocket-nozzle-fundamental-design-and-simulation/ เช่นกัน)
ในทำนองเดียวกัน เราหยิบดินประสิวออกแล้ว อยากให้แท่งเชื้อเพลิงที่เหลือแต่ถ่านไม้สร้างแรงขับดันได้มาก ๆ ก็แค่หาสาร Oxidizer ทดแทนต่อท่อจากภายนอกอัดเข้าไป ในที่นี้อาจเป็นได้ทั้งแก๊สหรือของเหลว จะแรงไม่แรงก็ขึ้นกับว่าเราจะอัด Oxidizer เข้าไปมากน้อยแค่ไหน แต่ก็ต้องอยู่ในสัดส่วนที่พอดีด้วยเช่นกัน
สรุปหลักการง่าย ๆ คือการทำจรวดเชื้อเพลิงแข็งแต่แยก Fuel กับ Oxidizer ออกจากกัน อันนึงเป็นแท่งแข็ง อีกอันเป็นของเหลวหรือแก๊สอยู่ในถังแยก จะใช้งานก็แค่เปิดวาลล์ให้สารที่อยู่ในถังไหลไปหาแท่งเชื้อเพลิงแล้วจุดระเบิด
ทีนี้อย่างที่เกริ่นเอาไว้ กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ตอนนั้นได้ลองหยิบถ่านหินมาเป็นแท่งเชื้อเพลิงมาใช้ร่วมกับแก๊ส Nitrous oxide ในส่วนของ Oxidizer ซึ่งก็คล้ายกับแนวคิดบั้งไฟที่หยิบดินประสิวออก และมันก็ได้ถูกเรียกว่าจรวดแบบไฮบริด หรือ Hybrid Propellant Rocket
Diagram อธิบายลักษณะของจรวดแบบ Hybrid
การพัฒนาจรวดไฮบริดถูกต่อยอดมาเรื่อย ๆ เริ่มจากการลองหยิบพวก Graphite ตามมาด้วยไม้, Wax, ยาง จนมาถึงในยุคใหม่ที่ได้มีการหยิบนำพวก Polymer สังเคราะห์มาใช้ เพราะเราสามารถคุมอัตราการถดถอยหรือ Regression rate ด้วยการปรับแต่งสัดส่วนของ Polymer ได้
ในแท่งเชื้อเพลิงของทั้งจรวดเชื้อเพลิงแข็งและแบบไฮบริด เวลาถูกเผาตัวแท่งเชื้อเพลิงจะค่อย ๆ เปลี่ยนสภาพจากของแข็งเป็นแก๊สซึ่งเท่ากับว่าปริมาตรของตัวแกนจะค่อย ๆ ลดลงด้วย ไล่จากผิวตรงกลางแกนไปด้านนอกสุดของตัวแกน ซึ่งสารแต่ละตัวก็จะมีอัตราการเผาไหม้ต่างกันออกไป นั่นคือจะมีอัตราการถดถอยที่ต่างกันออกไปด้วย
3
เมื่อพูดถึงความเป็นไฮบริด เราก็ต้องเปรียบเทียบตัวไฮบริดเองกับของดั้งเดิมด้วย เราเคยถามเพื่อนที่กำลังทำงานให้กับบริษัทที่พัฒนาจรวดไฮบริดว่าไฮบริดเมื่อเทียบกับจรวดเชื้อเพลิงแข็งและเหลวแล้วมันเหมือนหรือต่างกันแบบไหน คำตอบที่ได้จะประมาณว่ามันคือจรวดเชื้อเพลิงแข็งที่สามารถควบคุมแรงขับได้ซึ่งเป็นข้อดีของจรวดเชื้อเพลิงเหลว
1
ในอีกแง่หนึ่งระบบของไหลในนั้นจะค่อนข้างง่ายกว่าการออกแบบจรวดเชื้อเพลิงเหลวที่ใช้กันในจรวดระดับ Orbital แต่ไม่ง่ายระดับจรวดเชื้อเพลิงแข็ง และแน่นอนว่ามีความปลอดภัยกว่าจรวดเชื้อเพลิงแข็ง เนื่องจากจุดแล้วสามารถดับได้ด้วยการหยุดจ่าย Oxidizer ไม่เหมือนแบบเชื้อเพลิงแข็งที่จุดแล้วดับไม่ได้
ในแง่ของการควบคุมแรงขับที่ทำได้แบบจรวดเชื้อเพลิงเหลวนั้นมีหลักการที่คล้าย ๆ กันคือแบบเชื้อเพลิงเหลวคือการคุมการไหลของเชื้อเพลิงทั้งสอง แต่ในกรณีของแบบไฮบริดคือการควบคุมปริมาณการไหลของสาร Oxidizer เพียงอย่างเดียวซึ่งส่งผลมาถึงข้อที่ว่าทำไมระบบท่อของไหลของไฮบริดถึงมีความซับซ้อนน้อยกว่าแบบเชื้อเพลิงเหลว แถมแบบเชื้อเพลิงเหลวก็ยังมีอะไหล่ในหลาย ๆ ส่วนที่เพิ่มความซับซ้อนให้ระบบ
แต่ภายใต้ข้อดีที่เล่ามานั้นก็มีข้อเสียหลาย ๆ ส่วนที่เป็นเหตุผลที่ว่าทำไมวิศวกรจรวดส่วนหนึ่งไม่ให้การยอมรับกับมัน เริ่มจากที่ตัวเชื้อเพลิงที่ใช้ส่วนใหญ่มักมี Isp ที่ค่อนข้างน้อยกว่าจรวดเชื้อเพลิงเหลวแต่มากกว่าเชื้อเพลิงแข็งในระดับหนึ่ง ซึ่งแปลว่าประสิทธิภาพในแง่น้ำหนักน้ำหนักจะเสียเปรียบจรวดเชื้อเพลิงเหลว (เราเคยอธิบายเรื่อง Isp ไปแล้วใน https://spaceth.co/vulcan-centaur/)
แต่นั่นดูเป็นข้อเสียที่ไม่ได้ใหญ่มากเมื่อเทียบกับปัญหาการสั่นสะเทือนของตัวแท่งเชื้อเพลิง ปัญหาการสั่นไม่ได้หมายถึงตัวจรวดมันสั่นเวลาขึ้นบิน เพราะอันนั้นมันเป็นเรื่องปกติของจรวด แต่เป็นการที่กราฟวัดค่าความดันใน Combustion Chamber สั่นแบบไม่ควรจะเป็นเมื่อเทียบกับค่าที่ได้จากเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลวและแข็ง ซึ่งมันคือการที่ค่าความดันไม่คงที่ที่จะส่งผลต่อแรงขับทำให้แรงขับจรวดไม่คงที่ด้วยเช่นกัน
กราฟเทียบความดันห้องเผาไหม้ระหว่างการทดสอบจรวดไฮบริดของ BluShift Aerospace (ภาพแรก กราฟสีเหลือง) และความดันของเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลวอย่าง Raptor ของ SpaceX (ภาพที่สอง) ซึ่งจะเห็นได้ว่าการสั่นของกราฟต่างกันอย่างเห็นได้ชัด
แต่ว่าปัญหาการสั่นนี้มันเกิดจากตรงไหน เพื่อนที่ทำงานเกี่ยวด้านนี้ได้อธิบายว่า สาเหตุหลัก ๆ ของปัญหานี้เกิดจากสองปัจจัย คือตัวแท่งเชื้อเพลิงมันใช้เวลากว่าจะสลายตัวได้ ซึ่งมันไม่เหมือนกับแบบเชื้อเพลิงแข็งที่จุดแล้วก็ลุกเป็นไอร้อนทันที โดยอย่างที่บอกว่าแท่งเชื้อเพลิงในยุคใหม่นี้ส่วนใหญ่จะเป็น Polymer แบบผสม
ซึ่ง Polymer ส่วนใหญ่นั้นเวลาเผาหรือให้ความร้อนมันจะหลอมก่อนที่จะติดไฟ ตัวอย่างง่าย ๆ คือการเผาแผ่น Acrylic เนี่ยแหละ ถึงแม้เราจะอัด Oxidizer ช่วยให้ติดไฟได้ง่ายขึ้นแล้วก็ยังต้องอาศัยเวลาละลายของตัวแท่งเชื้อเพลิงก่อนแตกตัวเป็นไอให้ติดไฟได้ง่ายขึ้น
ส่วนสาเหตุที่สองจะมาจากตัว Oxidizer เองเลย ใน Oxidizer หลาย ๆ ตัวที่เหมาะกับการใช้งานเป็นเชื้อเพลิงจรวดนั้นค่อนข้างดูดความร้อนก่อนเปลี่ยนตัวเองจากของเหลวเป็นแก๊ส ซึ่งความร้อนที่จำเป็นต้องใช้ในการสร้างความดันในห้องเผาไหม้จะสูญเสียไปบางส่วนในขั้นตอนนี้
เลยกลายเป็นว่าท่อนจรวดจะสูญเสียประสิทธิภาพในการให้ความร้อนบางส่วนไป และกลายเป็นปัญหาที่ทำให้การเผาไหม้เกิดขึ้นอย่างไม่สม่ำเสมอซึ่งส่งผลกับความดันใน Combustion Chamber และการสร้างแรงขับโดยตรง
แต่ข้อเสียที่ดูร้ายแรงขนาดนี้ทำไมถึงยังมีคนเลือกพัฒนาจรวดไฮบริดไม่ว่าจะเป็นตั้งแต่ Sounding Rokcet ส่ง CanSat ไปยันจรวดส่งของระดับ Orbital ตอบแบบกำปั้นทุบดินเลยคือค่าใช้จ่ายในการพัฒนามันถูกมาก ๆ เมื่อเทียบกับจรวดเชื้อเพลิงเหลว
ด้วยความซับซ้อนที่น้อยกว่าแถมยังสามารถความคุมแรงขับได้ซึ่งปลอดภัยกว่าจรวดเชื้อเพลิงแข็ง เลยดูเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจไม่น้อยเมื่อเทียบกับจรวดแบบอื่น ในส่วนของปัญหาการสั่นของท่อนจรวดในไฮบริดก็สามารถแก้ไขได้ด้วยเช่นกันเลยอาจสามารถมองข้ามปัญหานี้ได้ในระดับหนึ่ง
จรวดขับเคลื่อนด้วยระบบ Hybrid ที่ออกแบบและพัฒนาโดย Equatorial Space บริษัทจรวดเอกชนแห่งแรกในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ เพื่อทดสอบเทคโนโลยีในภารกิจ Low Altitude Demonstrator
ซึ่งจริง ๆ เราไม่ได้อยากให้ทุกคนว่าจรวดไฮบริดไม่ดี เราเคยพูดเอาไว้ซักที่ว่า ที่จรวดไฮบริดถูกมองว่าแย่ ไม่ใช่เพราะมันแย่ที่แนวคิด แต่มันคือการที่งานวิจัยและการพัฒนามันไม่เด่นชัดพอที่จะทัดเทียมกับจรวดเชื้อเพลิงแข็งและเหลวที่ถูกใช้งานเป็นหลักในอุตสาหกรรมนี้
ซึ่งก็ต้องอาศัยเวลาให้คนได้ลองหันมาศึกษาวิจัยกับความเป็นไฮบริดตรงนี้ก่อน แล้วเวลาจะพิสูจน์ให้เห็นเอง ดังนั้นนี่จึงอาจเป็นอีกหนึ่งอนาคตของวงการอุตสาหกรรมจรวดที่น่าจับตามองเหมือนกัน
โดยสำหรับทุกวันนี้ก็ได้มีบริษัทใหม่หลายรายรวมไปถึงศูนย์วิจัยจรวดหลายแหล่งได้เข้ามาลองของกับจรวดไฮบริด โดยที่เห็นว่าไปได้ไกลสุด ๆ กับเทคโนโลยีนี้คือ Virgin Galactic กับธุรกิจส่งคนขึ้นอวกาศในรูปแบบการท่องเที่ยวด้วยยาน SpaceShipTwo ซึ่งนับว่าเป็นเรื่องที่ดีที่เราอาจได้เห็นจรวดประเภทนี้ถูกใช้งานกันมากขึ้นในอนาคต
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co

ดูเพิ่มเติมในซีรีส์

โฆษณา