"Raptor" เครื่องยนตร์ที่นำพามนุษย์ชาติไปสู่อนาคตของการสำรวจอวกาศ

กระทู้คำถาม

เราได้รับรู้ถึงรอยเท้าเล็กๆที่อาจจชี้ว่ามีสิ่งมีชีวิตที่เรียกว่าฟอสฟีนบนดางศุกร์แล้วใช้มั้ยครับ วันนี้จึงมีบทความเกี่ยวกับการไปอยู่ดาวอื่นของมนุษย์เราบ้างมาให้อ่านครับ เกี่ยวกับความฝันสุดบ้าระห่ำของชายคนนึงที่ทำให้เกิด"เครื่องยนตร์ที่จะนำพาเราไปสู่อนาคต Raptor"

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

บทเกริ่นนำก่อนจะไปรู้จักกับRaptor
ในช่วงต้นปี2000 Elon musk อัจฉริยผู้ที่ได้ฉายาว่าtony starkในชีวิตจริง ได้มีแนวคิดว่า "โลก" ไม่ใช่บ้านหลังเดียวของมนุษย์ชาติ Elon muskจึงมีความฝันที่อยากจะพามนุษย์ไปอยู่ "ดาวอังคาร" ซึ่งมีสภาพแวดล้อมที่มีความเป็นไปได้มากที่สุดแก่การอยู่อาศัย จึงได้ก่อตั้งบริษัทเอกชนด้านอวกาศที่มีชื่อเสียงขึ้นมาคือ "Space x" ในช่วงแรกนั้น Space x มีการทดสอบจรวดที่มีชื่อว่า "Falcon 1" แต่มันก็ล้มเหลวมากถึง3ครั้ง และในการทดสอบครั้งที่4 ที่เป็นการทดสอบตัดสินชะตากรรมของบริษัทว่าจะได้อยู่ต่อมั้ยนั้น จรวดFalcon 1ก็ปรสบความสำเร็จในการส่งครั้งที่ 4 แลก็พัฒนาต่อมาเรื่อยๆตามความก้าวหน้า
แต่นี่ยังเป็นเพียงแค่จุด"ก่อน"เริ่มต้นแผนการอันยิ่งใหญ่ของ musk เท่านั้น

ในปี2016 ช่วยไตรมาสที่3ของบริษัท muskได้มีการตั้งโครงการส่งมนุษย์ไปดาวอังคารแบบจริงๆจังๆในชื่อโครงการว่า “Interplanetaly Transport System” หรือ ITS โดยตัวยานจมีสีขาวเป็นเอกลักษณ์แลรูปทรงคล้ายกับยานอวกาศในเรื่องMartian‎ ต่อมาในช่วงปลายไตรมาสที่สามของปีถัดมาหรือปี 2017 ก็ได้เปลี่ยนชื่อโครงการและรูปทรงของยานในนามของ “Big Falcon Rocket” หรือ BRF โดยจะยังคงไว้ถึงเอกลักษณ์ของจรวดสีขาวแต่ออกแบบให้ตัวยานดูผอมหรือเล็กลง และก็ได้เปลี่ยนรูปทรงอีกครั้งในปี 2018 โดยมีขาลงจอด 3 ขาซึ่งรูปทรงของมันดันออกมาดูคล้าจรวดรูปแบบ Tintin โดย Elon ได้ออกมาทวีตตอบกลับแฟนคลับขำๆว่า “I do love Tintin” และได้บอกว่าทำนองว่า การลงจอดนั้นไม่ใช่ปัญหาสำหรับขาลงจอด 3 ขา จากนั้นในช่วงปลายปีของปีเดียวกันนั้นก็ได้เปลี่ยนดีไซน์ใหม่โดยเปลี่ยนสีให้ยานเป็นสีเงาสะท้องแสงตามวัสดุสแตนเลส สตีลพร้อมกับเปลี่ยนชื่อโครงการใหม่เป็น “Starship” และตั้งแต่นั้นมาก็ใช้สีของสแตนเลส สตีลในการพัฒนายานอวกาศสำหรับเดินทางข้ามดาวเคราะห์ของ Elon

กำเนิด "Raptor" เครื่องยนตร์ที่นำพามนุษย์ชาติไปสู่อนาคตของการสำรวจอวกาศ

จากบทนำที่กล่าวถึงโครงการ Starship เครื่องยนตร์Raptorถูกทำมาเพื่อโครงการนี้โดยเฉพาะ กล่าวคือมันกำเนิดมาเพื่อจทำให้ความฝันในการไปดาวอังคารของmuskเป็นจริง ในช่วงแรกนั้นRaptorจใช้เชื้อเพลิงจากไฮโดเจนเหลว (LH2) แต่ก็ถูกเปลี่ยนมาเป็นการใช้สันดาปมีเทน (CH4) โดยการทดสอบครั้งแรกนั้นใช้ชื่อว่า Starhopper หรือเรียกว่าการhop test เป็นการบินในรยความสูงที่ไม่มากแลก็ลงจอดในรยใกล้ๆ ซึ่งในการทดสอบครั้งนี้ก็เป็นการแสดงให้ชาวโลกได้รับรู้ว่านี่คือการเริ่มต้นที่แท้จริงของmusk อีกทั้งจากการทดสอบStarhopper ทำให้เราทราบว่า Raptor ใช้เครื่องยนต์ระบบ Full-Flow Staged Combustion

แล้วอไรคือ Full-Flow Staged Combustion ?

ถ้าให้แปลคำว่า Full-Flow Staged combustion ก็จะได้ใจความหลักๆว่า “ลำดับการเผาใหม้ที่ไหลเต็มระบบ” ซึ่งจริงๆแล้วระบบ Full-Flow เนี่ย มันเป็นระบบที่แยกย่อยมากจากระบบ Staged Combustion อีกที

Staged Combustion Cycle หรือในบางครั้งก็จะมีอีกชื่อที่ถูกเรียกว่า Closed Cycle นี้เป็นเครื่องยนต์จรวดที่ใช้ระบบเชื้อเพลิง bipropellant หรือระบบที่ใช้เชื้อเพลิง 2 ชนิด ที่ใช้ตัวหนึ่งใช้เป็นสารเผาไหม้หรือ Fuel และอีกตัวใช้เป็นสารที่ช่วยในการเผาไหม้หรือ Oxidizer (แต่ในบทความนี้จะขอไม่ลงลึกถึงเหตุและความเป็นมาของตรงนี้มากนัก) โดยระบบเครื่องยนต์นี้เป็นระบบที่ถูกคิดค้นและต่อยอดมาจา ระบบ 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

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

Oxidizer-Rich Staged Combustion ถ้าตามชื่อเลย ระบบนี้เป็นระบบที่ใช้ Oxidizer ในปริมาณที่มาก ก็เลยเป็นที่มาของชื่อของระบบนี้ โดยสังเกตได้จากภาพ Diagram ด้านล่างที่แสดงไว้ว่า ตัว Oxidizer จะถูกส่งจากถังเชื้อเพลิงมาสู่ปั้มและถูกส่งต่อเข้า Preburner เพื่อทำการเปลี่ยนสถานะจาก Oxidizer ของเหลวไปสู่สถานะ Gas ซึ่งเมื่อสารเปลี่ยนสถานะจากอะไรก็ตามที่กลายเป็นแก๊สมักก็จะเกิดการขยายตัวและสร้างความดัน โดยในทางวิศวกรรมจะใช้ประโยชน์จากความดันในการขยายตัวนี้ส่งแก๊สเข้าสู่ Turbine ซึ่งใน Turbine นี้ก็จะมีใบกังหัน โดยแก๊สที่เกิดการขยายตัวก็จะมีการเคลื่อนที่ทำให้มวลแก๊สไปผลักดันใบกังหันให้หมุนซึ่งตรงนี้จะมีแกนที่เป็นแกนเดียวกันกับปั้มของเชื้อเพลิงทั้ง 2 ชนิด หลังจากแก๊ส Oxidizer ผ่าน Turbine ออกมาแล้วก็จะเข้าสู่ห้องเผาไหม้เพื่อทำการเผาไหม้กับ Fuel ซึ่งก็เป็นการสร้างแรงขับให้ตัวเครื่องยนต์และตัวจรวดไปในที่สุด

Fuel Rich-Staged Combustion ระบบนี้ก็จะตรงข้ามกับ Oxidizer-Rich โดยจะใช้ Fuel ในปริมาณที่มาก ถ้าดูจากภาพ Diagram ด้านล่าง ก็จะทราบว่าระบบนี้ใช้ระบบกังหันคู่ โดยทั้งสองชุดเป็น Turbine ที่ติดกับ Preburner ของ Fuel เมื่อสาร Fuel เข้าสู่ปั้มก็จะถูกส่งออกเป็นสองทางเพื่อเข้าสู่ Preburner ทั้ง 2 ชุด ก็จะได้ออกมาเป็น Fuel ที่สถานะแก๊ส และจะขยายตัวเข้าสู่ Turbine เพื่อทำให้ใบกังหันหมุนเพื่อให้ปั้มทำงาน โดยที่ชุดนึงจะไว้ปั้ม Fuel เข้าสู่ระบบ ส่วนอีกชุดจะไว้ปั้ม Oxidizer เข้าสู่ระบบเช่นกัน สาเหตุที่ต้องใช้ระบบ Preburner และ Turbine สองชุดนั่นก็เพราะว่าเครื่องยนต์ระบบนี้ทั้งหมดใช้สาร Fuel เป็นไฮโดรเจนเหลว (LH2) และสัดส่วนสารเชื้อเพลิงนั้นจะอยู่ที่ประมาณ 6 ต่อ 1 เทียบกับไฮโดรเจนเหลวต่อ Oxidier ซึ่งถือว่ามี Fuel ที่ค่อนข้างมากกันเลยทีเดียว จึงต้องมี Preburner สองชุดเพื่อแบ่งกันเปลี่ยนสถานะของตัว Fuel ที่มีปริมาณที่มาก และเข้าสู่กระบวนการเผาไหม้ในห้อนเผาไหม้เพื่อสร้างแรงขับดันไปในที่สุด

มาจนถึง Full-Flow Staged Combustion Cycle ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของเครื่องยนตร์ Raptor ระบบเครื่องยนต์นี้เป็นเหมือนจุดสูงสุดของเครื่องยนต์ประเภท Staged Combstion (สำหรับปัจจุบัน) โดยในระบบนี้จะเป็นการผสมผสานระบเครื่องยนต์ระหว่าง Oxidizer-Rich และ Fuel-Rich เข้าด้วยกัน กล่าวคือในระบบนี้จะมีทั้ง Preburner จากระบบ Oxidizer-Rich และ Fuel-Rich อยู่ในเครื่องยนต์หนึ่งตัว นั่นหมายความว่าเมื่อมี Perburner ทั้งสองระบบอยู่ในเครื่องยนต์เดียวกัน เราก็จะได้ Fuel และ Oxidizer ที่อยู่ในรูปของแก๊สทั้งคู่ ซึ่งใช่แล้ว...เครื่องยนต์ระบบนี้จะถูกเรียกว่า “เครื่องยนต์แบบ แก๊ส-แก๊ส” (Gas-Gas Engine) ซึ่งในเครื่องยนต์ Raptor ก็จะเป็นสถานะแก๊สทั้งคู่เช่นกัน (จะเปลี่ยนเป็นแก๊สก็ต่อเมื่อผ่านเข้าสู่ Preburner ไปแล้ว และหลังจากนั้นก็จะเป็นแก๊สตลอดทางจนเข้าสู่ห้องเผาไหม้หลัก)