Blockdit Logo (Mobile)
Spaceth.co
•
1 มิ.ย. 2023 เวลา 13:31 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี

อุปกรณ์ชิ้นนี้บนจรวด V-2 สร้างจุดเปลี่ยนการออกแบบเครื่องยนต์จรวดไปตลอดการ

หากให้ย้อนกลับไปสู่จุดเริ่มต้นของจรวดเชื้อเพลิงเหลว คงต้องย้อนกลับไปในปี 1926 ปีที่ Robert Goddard ได้สร้างจรวดเชื้อเพลิงเหลวและประสบความสำเร็จในการยิงจรวดสำเร็จก่อนที่ในเวลาต่อมาจะถูกขนานนามว่าเป็นหนึ่งในบิดาจรวดของสหรัฐอเมริกา
แต่จรวดของ Goddard นั้นเป็นจรวดอย่างง่ายที่ใช้ความดันของแก๊สจากถังบรรจุอีกถังอัดเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์สู่ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ หรือในปัจจุบันถือเรียกว่าระบบ Pressure-fed ซึ่งมีข้อจำกัดที่ว่าถังความดันนั้นสามารถให้ความดันได้ในเวลาอันสั้นก่อนที่ไม่มีความดันไม่มากพอในการอัดเชื้อเพลิงอีก นั่นแปลว่าหากอยากให้จรวดพุ่งไปได้ไกลขึ้น นอกจากจะต้องเพิ่มเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์แล้ว ยังต้องเพิ่มขนาดถังอัดความดันอีก ซึ่งจะเป็นการเพิ่มน้ำหนักให้กับตัวจรวด แน่นอนว่ามันไม่ค่อยมีประสิทธิภาพเท่าไหร่นัก
ในเวลาต่อมาความตึงเครียดทางถูมิศาสตร์การเมืองในยุโรปได้เริ่มปะทุขึ้น ความอยากได้พื้นที่ของประเทศโปแลนด์คืนหลังการสูญเสียดินแดนของประเทศเยอรมนีมีมากขึ้นในหมู่ชาวเยอรมันทำให้เกิดการรุกรานโปแลนด์ขึ้นและนำไปสู่สงครามโลกครั้งที่สองในเวลาต่อมา ประเทศเยอรมนีได้มีทุ่มงบประมาณไปเป็นจำนวนมากในอุตสาหกรรมการสงครามไม่ว่าจะเป็นรถถัง อากาศยาน เรือรบ และแน่นอนว่าขีปนาวุธก็เป็นอีกส่วนสำคัญของอตุสาหกรรมในตอนนั้น
ย้อนกลับไปอีกช่วงปลายยุค 1920 ชายหนุ่มนาม Wernher von Braun ได้ซื้อหนังสือ “Die Rakete zu den Planetenräumen” ที่แปลว่า “การทดลองจรวดสู่อวกาศระหว่างดาวเคราะห์” ได้เป็นตัวจุดชนวนความสนใจในเทคโนโลยีจรวดของ von Braun และได้เข้ารับการศึกษาในมหาวิทยาลัยเทคนิคเบอร์ลิน ประกอบกับโครงการ Opel-RAK ที่ได้มีการทดลองจรวดในรถยนต์และเครื่องบินก็ได้เป็นรากฐานที่สำคัญในการพัฒนาขีปนาวุธของเยอรมนีในช่วงนั้น
1
ต่อมาในช่วงยุค 1930 พรรคการเมืองนาซีได้ขึ้นมามีอำนาจในเยอรมนี ได้มีหนึ่งในโครงการพัฒนาขีปนาวุธในตอนนั้นคือโครงการ A-4 ก่อนที่ต่อมาจะได้รับการตั้งชื่อจาก Adolf Hitler ว่า V-2 (Vergeltungswaffen 2) อันมี von Braun เป็นหัวหอก เป็นหนึ่งในรหัสของโครงการ Aggregate ที่ A-4 นั้นเป็นการต่อยอดและปรับปรุงจรวดต่อจากโครงการ A-3 ทั้งการปรับปรุงในแง่ของขนาดและหลักอากาศพลศาสตร์เพื่อให้จรวดสามารถทำความเร็วในระดับ Supersonic ได้ และส่วนที่สำคัญที่สุดอย่างเครื่องยนต์
เครื่องยนต์ของ A-4 เป็นเครื่องยนต์ที่แตกต่างจากจรวดในโครงการ Aggregate รุ่นก่อน ๆ แม้จะมีการใช้เทคโนโลยีการฉีดเชื้อเพลิงและรูปร่างของห้องสร้างแรงขับที่คล้ายกัน แต่เครื่องยนต์ของ A-4 กลับมีอุปกรณ์ชิ้นหนึ่งที่ถูกเพิ่มเข้ามาอย่าง “เทอร์โบปั๊ม”
เทอร์โบปั๊มเป็นอุปกรณ์ที่มีส่วนของใบพัดดูดเชื้อเพลิงที่จะต้องหมุนเพื่อสูบเชื้อเพลิงเข้ามาก่อนผลักไปสู่ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ โดยการที่จะหมุนได้นั้นก็ต้องมีส่วนของกังหันที่ต่อเพลาตรงกับใบพัดส่วนดูด โดยจะมีแก๊สจากภายนอกปั๊มไหลเข้ามาเพื่อหมุนกังหันเพื่อหมุนใบพัดส่วนดูดอีกต่อ
ความจริงแล้วมันไม่ได้ต่างจากไอเดียของเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่ใช้ในเครื่องบินหรือรถซิ่งในปัจจุบันมากนัก แต่เทอร์โบปั้มได้ถูกออกแบบมาสำหรับการสูบของเหลวเหมือนกับไอเดียของปั๊มน้ำ แต่มันมีกำลังและความสามารถในการสูบฉีดของเหลวที่สูงกว่านั้นมาก ซึ่งไม่ใช่แค่เพื่อแทนที่การใช้แก๊สอัดความดันสำหรับอัดเชื้อเพลิงแบบจรวดยุคก่อนเท่านั้น แต่กลับเป็นการยกระดับศักยภาพของเครื่องยนต์จรวดไปโดยสิ้นเชิง และอุปกรณ์ชิ้นนี้ก็ยังอยู่ในเครื่องยนต์จรวดรุ่นใหม่ในปัจจุบัน เรียกได้ว่าเป็นจุดเปลี่ยนของการพัฒนาเครื่องยนต์ไปตลอดกาล
1
แต่มันก็ยังมีจุดต่างระหว่างเครื่องยนต์จรวดของ V-2 และเครื่องยนต์จรวดในยุคถัดจากนั้นให้เห็น การใช้เทอร์โบปั๊มของ V-2 เป็นการใช้เครื่องกำเนิดไอน้ำขนาดเล็กด้วยวิธีการเร่งปฏิกิริยาให้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์กลายเป็นไอน้ำร้อนจัดที่จะมีแรงดันในการหมุนกังหันของปั๊ม แต่วิธีนี้ก็ยังสร้างข้อจำกัดในเรื่องของระยะเวลาการทำงานของเครื่องยนต์
เพื่อยืดระยะการทำงานของเทอร์โบปั๊ม ทำให้ทีมนักวิจัยในยุคต่อมาได้ตกผลึกไอเดียออกมาว่า “ก็ใช้เชื้อเพลิงของจรวดสร้างแก๊สไว้หมุนปั๊มมันไปเลยสิ จะไปยากอะไร” ​(ในความเป็นจริงแล้วมันก็ยากและเพิ่มความซับซ้อนของระบบเครื่องยนต์ //ฮา) ซึ่งทำให้ระบบเครื่องยนต์ได้มีการเพิ่มชิ้นส่วนที่เรียกว่า “Preburner” เป็นห้องเผาไหม้ขนาดเล็กที่จะขอแบ่งเชื้อเพลิงส่วนน้อย ๆ มาสร้างแก๊สความดันสูงเพื่อการหมุนปั๊ม
ทำให้ตราบใดที่ยังมีเชื้อเพลิงเหลือ ปั๊มก็ยังทำงานอยู่และเครื่องยนต์ก็ยังทำงานต่อไปได้ เป็นการบ่งบอกว่าแม้เทอร์โบปั๊มได้เกิดมาเพื่อเป็นจุดเปลี่ยนของการพัฒนาเครื่องยนต์ แต่มันก็ยังต้องพึ่งพาการพัฒนาอีกมากมายเพื่อยกระดับศักยภาพของเครื่องยนต์ไปอีกขึ้น
ในปัจจุบัน ไม่ใช่เครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลวทุกรุ่นที่มีเทอร์โบปั๊ม อย่างเครื่องยนต์ SuperDraco ที่ใช้งานในยาน Crew Dragon ของ SpaceX ก็ยังมีการใช้งานระบบ Pressure-fed อยู่ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าลักษณะของการใช้งานถือว่ามีความสำคัญเป็นอันดับหนึ่งของการเลือกพัฒนาระบบขับดันในจรวดอยู่เสมอ
โฆษณา