/ SpaceX

รู้จักกับ Super Chill Oxidizer เทคนิคที่เพิ่มพลังให้กับจรวด Falcon 9

Super Chill Engine เป็นเทคนิคการใช้งานจรวดของ SpaceX ที่ทำให้ Falcon 9 มีพลังมากขึ้น แต่ก่อนที่จะเข้าใจเรื่องการทำ Engine chill ก็ขออธิบายหลักการทำงานทั่วไปของเครื่องยนต์จรวดก่อน

เครื่องยนต์จรวดที่ใช้กันในปัจจุบันมีสองแบบ

  • เชื้อเพลิงแข็ง คือการผสมเชื้อเพลิงที่สามารถติดไฟได้ง่ายเข้าด้วยกัน เมื่อต้องการจะจุดจรวดก็ทำการจุดให้เชื้อเพลิงติดไฟและปล่อยพลังงานออกมา หลักการทำงานแบบนี้ก็คือหลักการทำงานของบั้งไฟนั่นเอง จรวดแบบนี้ไม่สามารถควบคุมปริมาณเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ได้ ทำให้เมื่อจุดแล้วจะไม่สามารถดับได้จนกว่าเชื้อเพลิงจะหมด ทำให้อันตรายมาก
  • เชื้อเพลิงเหลว จรวดเชื้อเพลิงเหลว มีการทำงานที่ซับซ้อนและปลอดภัย สามารถควบคุมการเผาไหม้เชื้อเพลิง เพิ่มและลดความแรงของเครื่องยนต์ได้อย่างอิสระ และสามารถจุดเป็นครั้งที่สองหลังจากดับแล้วได้

เครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลว

การทำงานของจรวดเชื้อเพลิงเหลวจะประกอบไปด้วยสององค์ประกอบหลักๆ คือ เชื้อเพลิง กับ Oxidiser อธิบายง่าย ๆ เชื้อเพลิงก็คือเชื้อเพลิงหรือน้ำมันนั่นแหละ สำหรับจรวดเราจะใช้ "น้ำมันก๊าด" หรือฝรั่งเรียกว่า kerosene แต่ไม่ใช่น้ำมันก๊าดกาก ๆ ห่วยๆ แบบที่เราใช้กัน ต้องเป็นน้ำมันก๊าดชั้นดี มีความบริสุทธิ์สูงเป็นเกรดที่สามารถนำไปใช้กับ จรวด, เครื่องบินรบ ได้

ส่วน Oxidiser เป็นตัวช่วยในการเผาไหม้ของ kerosene เพราะว่า ในอวกาศนั้นไม่มีอากาศ ทำให้เราต้องทำการเอาอากาศขึ้นไปเผาไหม้เอง นี่คือสิ่งที่ทำให้เครื่องยนต์จรวดแต่งต่างจากเครื่องยนต์ของเครื่องบิน

F16

เครื่องยนต์ของเครื่องบินนั้นจะมีช่องสำหรับดูดอากาศเข้าไปเผาไหม้ร่วมกับเชื้อเพลิงแล้วสันดาปพลังงานออกมาทางด้านหลัง เป็นตัวผลักให้เครื่องบินพุ่งไปข้างหน้า

THAICOM 6

พูดง่าย ๆ ก็คืออากาศที่ใช้ในการเผาไหม้เชื้อเพลิงมีไม่เพียงพอสำหรับจรวด จรวดเชื้อเพลิงเหลวจึงต้องมี Oxidiser ติดขึ้นไปเพื่อเผาไหม้เชื้อเพลิงแล้วสันดาปเอาพลังงานออกมา คล้ายกับการทดลองที่เราเคยทำตอนเด็ก ๆ ก็คือจุดเทียนแล้วเอาแก้วครอบไว้ เมื่อทิ้งไว้ซักพักไฟก็จะดับลงเพราะ ออกซิเจน ที่ช่วยให้เกิดการเผาไหม้หมดลงแล้ว ไฟไม่สามารถไหม้ไส้เทียนอย่างเดียวโดยที่ไม่มีออกซิเจนได้

Photo of the Week #8d

Oxidiser ส่วนมากที่เราเลือกใช้ก็จะเป็น Oxygen เพราะสามารถหาได้ง่ายและปลอดภัย เมื่อพูดถึง Oxidiser ของจรวดเราก็เลยต้องนึกถึง ออกซิเจนเหลว หรือ Liquid Oxygen (LOX) เหตุผลที่ต้องทำในรูปแบบของเหลวก็เพราะว่า เหมือนที่เราเรียนมาตั้งแต่ประถม สถานะมี 3 สถานะคือ ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ซึ่งหากเป็นก๊าซอนุภาคของมันจะอยู่กันห่าง ๆ ฟุ้งกระจาย

Liquid Oxygen Servicing

แต่ถ้าเป็นของเหลวอนุภาคของมันก็จะอยู่ชิดกันมากขึ้น เมื่ออนุภาคอยู่ชิดกันมากขึ้นเราก็สามารถเพิ่มปริมาตรของออกซิเจนเข้าไปได้ ทำให้ประหยัดพื้นที่ของถังบรรจุมากขึ้น แต่การที่จะให้สสารมาอยู่ในสถานะของเหลวแน่นอนว่าเราก็ต้องดูดเอาความร้อนออกมา (ทำให้มันเย็นขึ้น)

ข้อมูลทางสถานะของ Oxygen

  • เป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง
  • จุดหลอมเหลว (จากเหลวสู่ของแข็ง) -218.79 องศาเซลเซียส
  • จุดเดือด (จากเหลวสู่แก๊ส) -182.962 องศาเซลเซียส

สรุปง่ายๆ เมื่อเราดูดความร้อนออกจากออกซิเจนไปเรื่อยๆ จนมันมีอุณหภูมิลดลงถึง -182.962 องศาเซลเซียส ออกซิเจนที่เป็นอากาศที่เราหายใจกันจะเริ่มกลายเป็นของเหลว หรือ Liquid Oxygen และถ้าเรายังดูดความร้อนออกจากมันไปเรื่อยๆ จนถึง -218.79 องศาเซลเซียส ออกซิเจนก็จะอัดตัวกันแน่นมาก ๆ จนเกือบจะเป็นของแข็ง (ออกซิเจนแข็ง)

Super Chill Oxidiser

จากที่อธิบายไปด้านบนหลายคนน่าจะเดาออกแล้วว่า Super Chill Oxidiser ของ SpaceX เป็นยังไง หรือถ้ายังเดาไม่ออกก็ขออธิบายอีกรอบว่า Super Chill ของ SpaceX คือการเอา oxidizer หรือ Liquid Oxygen มาดูดเอาความร้อนออกจนทำให้ Liquid Oxygen มีอุณหภูมิต่ำถึง -207 องศาเซลเซียส ซึ่งต่ำกว่า Liquid Oxygen ที่ใช้ในจรวดอื่น ๆ มาก ซึ่ง Liquid Oxygen ของ SpaceX นั้นเรียกได้ว่าอยู่อัดแน่นกันมาก ๆ จนเกือบจะอยู่ในสถานะของแข็งเลยทีเดียว

Video ด้านบนมาจากกล้องที่ติดอยู่ในถัง Liquid Oxygen ของจรวด Falcon 9 (ไม่มีใครเขาทำกัน) แสดงให้เราเห็นว่า Liquid Oxygen ที่อยู่ในถังนั้นมีลักษณะยังไง

ข้อดี

  • สามารถบรรจุได้ในปริมาณที่มากขึ้น ประหยัดพื้นที่
  • เพิ่มพลังให้กับ Falcon 9 เมื่อสามารถบรรจุดได้ในปริมาณมากขึ้นด้วยขนาดถังที่เล็กลง ทำให้เราสามารถเพิ่มเชื้อเพลิง (Kerosene) ได้มากขึ้น

ข้อเสีย

  • มีราคาแพงเนื่องจากต้องลดอุณหภูมิลงไปอีก ทำให้เปลืองพลังงานที่ฐานปล่อย
  • มีข้อจำกัดด้านเวลา เมื่อเติม oxidizer เข้าไปในจรวดแล้ว ควรรีบปล่อยทันที ก่อนที่อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้น
  • แรงดันในถังจะสูงมากหากไม่แข็งแรงพออาจระเบิดได้

CRS-6 Launch

แน่นอนว่าข้อจำกัดด้านเวลาคือความเสี่ยงที่สุดในการใช้งาน Super Chill Oxidiser ปกติ SpaceX จะทำการเติมเชื้อเพลิงและ Oxidiser ให้กับ Falcon 9 ประมาณ 3-4 ชั่วโมงก่อนจะบินขึ้น และขั้นตอนการเติมเชื้อเพลิงจะเสร็จประมาณ 30 นาทีก่อนบินขึ้น จากนั้น 10 นาทีก่อนขึ้นบิน Liquid Oxygen จะถูกฉีดเข้าสู่ท่อบริเวณ Valves ที่จะทำการจุดจรวด (ignition) 3 นาทีก่อนปล่อย ทุกอย่างจะต้องเสร็จสิ้น และ 30 วินาทีก่อนปล่อย ความดันทุกอย่างจะต้องพร้อม หากเกิดข้อผิดพลาดขึ้นในขณะที่จุดเครื่องยนต์ (3 วินาทีก่อนบินขึ้น) software จะทำการ abort คำสั่งต่างๆ แม่ว่าเครื่องยนต์จะจุดไปแล้วก็ตาม

ความผิดพลาดนี้เคยเกิดขึ้นมาแล้วในช่วงปลายเดือนกุมภาพันธ์ที่ผ่านมา เนื่องจากมีเรือขับเข้ามาในเขตห้ามเดินเรือ ซึ่งเรือเวรลำนี้ก็ทำให้ Falcon 9 ไม่สามารถขึ้นบินได้ เพราะกว่าจะส่งหน่วย coast guard ไปไล่เรือลำดังกล่าวออกไป ก็ใช้เวลากว่า 45 นาที ทำให้ Super Chill Oxidizer ภายในถังของ Falcon 9 อุณหภูมิสูงขึ้น จนเกิดปัญหาในขณะที่ทำการจุดเครื่องยนต์ software จึงทำการตัดสินใจ shutdown การทำงานของเครื่องยนต์ลงเพียงเสี้ยววินาทีก่อน Falcon 9 จะบินขึ้น จนการปล่อยต้องถูกเลื่อนไปในอีกหลายวันถัดไป เพราะ SpaceX ต้องทำการถ่ายเชื้อเพลิงทั้งหมดออกมา และเติมกลับเข้าไปใหม่ ทำให้กินเวลานานพอสมควร

ของแถม

ไหน ๆ ก็อธิบายมาขนาดนี้แล้วก็ขออธิบายเกี่ยวกับเครื่องยนต์จรวดที่ SpaceX ทำขึ้นเองด้วยแล้วกัน ย้อนกลับไปตอนที่ Elon Musk ตั้ง SpaceX ขึ้นมา Musk แกก็ไปเที่ยวหาเครื่องยนต์จรวดมาศึกษาว่ามันทำงานอย่างไร สุดท้าย Musk แกไปได้เครื่องยนต์จรวดเก่าของสหภาพโซเวียตชื่อว่า Dnepr (Днепр) ซึ่งเมื่อก่อนใช้งานในการบรรจุหัวรบนิวเคลียร์ แต่ตอนนี้เอาไว้ส่งดาวเทียมเล็กๆ ( THEOS ของไทยเราก็ส่งด้วย Dnepr นี่แหละ)

SpaceX Octaweb

จากนั้น Musk ก็เอามาศึกษาการทำงานหาข้อดีข้อเสีย และสุดท้ายก็สร้างมาเป็น Merlin Engine ซึ่งออกแบบและผลิตโดย SpaceX เอง ทำให้ Merlin Engine เป็นเครื่องยนต์จรวดที่ทันสมัยที่สุดในโลก การทำงานก็จะคล้ายกับเครื่องยนต์จรวดรุ่นอื่น ๆ คือเป็นการทำงานแบบ Turbopump ภายในจะมี Combustion Chamber หรือห้องสันดาปที่จะปล่อยให้ Kerosene กับ Liquid Oxygen มาเจอกันแล้วเกิดการเผาไหม้ ปล่อยออกมาทาง Nozzle หรือโคนจรวด ซึ่งตรงนี้จะสามารถปรับซ้ายขวา (Gimble) เพื่อปรับแนวการเคลื่อนที่ของจรวดได้

ขออธิบายแบบง่าย ๆ เพราะเรื่องยาก ๆ ปล่อยให้เป็นหน้าที่ของวิศวกรเขานะครับ

ข้อมูลบางส่วนจาก - SpaceX PressKit