ในการกลับสู่ชั้นบรรยากาศ ความร้อนนั้นไม่ได้เกิดจากการเสียดสี แต่เกิดจากการบีบอัดอากาศด้วยหลักการ Adiabatic Compression ซึ่งอุณหภูมิจะสูงได้ถึง 10,000 องศาเซลเซียส เราออกแบบเกราะความร้อนแบบมนๆทู่ๆ เพื่อให้มันผลักชั้น Shockwave ที่ร้อนจัดๆออกจากพื้นผิวของยาน ทำให้อุณหภูมิผิวเกราะความร้อนลดเหลือเพียง1000 - 1600 องศาเซลเซียส ตัวเกราะความร้อน เราออกแบบใช้ Ablation Shield ยอมให้ชั้นเกราะมีการละลายระเหิดหายไปได้บ้าง แต่มันก็มีวิธีการออกแบบเกราะความร้อนแบบพองตัวได้ที่เรียกว่า Ballute system ซึ่งเป็นการสมาสระหว่าง Balloon ที่พองได้ และ Parachute ที่แปลว่าร่ม ใช่แล้ว ตัว Ballute system จากเรื่องกันดั้ม เป็นคอนเซปท์การเข้าชั้นบรรยากาศที่มีการคิดมาตั้งแต่ปี 1948 จนปัจจุบันมีการทดลองเข้าชั้นบรรยากาศของระบบ Ballute system โดยนาซ่า
 
บทความนี้ มีที่มาจากการค้นหาความเป็นไปได้ในการที่ เอดาจิม่า เฮย์ฮาจิจะกลับเข้าชั้นบรรยากาศได้อย่างไร แต่มันอลังการงานสร้างจนต้องสร้างบทความแยกออกมาก่อน รอบหน้า เราค่อยมาจำลองการเข้าชั้นบรรยากาศของ ขุนพลประจัญบาน!!!ข้าคือเอดาจิม่า เฮย์ฮาจิ ผอ. รร ลูกผู้ชาย และการจำลองการเข้าชั้นบรรยากาศของ RMS-108 มาราไซ กัน ไม่นานเกินรอ แต่ขอจบบทความแค่นี้กันก่อน เหนื่อยโฮกๆ

---

ทุกสิ่งที่ยิงขึ้นไปบนฟ้า จะตกลงมาด้วยความเร็วเดียวกัน นี่เป็นหลักการพื้นฐานของกฎการเคลื่อนไหว ถ้าเราไม่คิดเรื่องแรงเสียดทาน จรวดที่เรายิงขึ้นไปบนวงโคจรค้างฟ้า ถ้าจะให้กลับลงมา มันก็ต้องใช้เชื้อเพลิงปริมาณเท่ากับที่ส่งจรวดขึ้นไปยังวงโคจรในการชะลอความเร็วลงมาเพื่อจะจอดอย่างนิ่มนวล ทว่า ด้วยพลังงานจากเชื้อเพลิงเคมีที่เราใช้ เราต้องใช้มวลเชื้อเพลิงอย่างน้อย 5 เท่าที่จะส่งมวลจรวดขึ้นวงโคจร แล้วถ้าเราจะแบกเชื้อเพลิงขึ้นไปเผื่อชะลอลงมาจอด เราก็ต้องแบกเชื้อเพลิงเพิ่มไปอีก 5 เท่า ซึ่งก็ต้องเพิ่มเชื้อเพลิงสำหรับแบกเชื้อเพลิงไปอีก 5 เท่า เท่ากับพื้นที่จรวดสำหรับเก็บเชื้อเพลิงต้องมากขึ้น แล้วเราก็ต้องเพิ่มเชื้อเพลิงเพื่อแบกน้ำหนักส่วนเพิ่มไปเรื่อยๆ เรื่อยๆ นี่คือสิ่งที่เรียกว่า สภาพเผด็จการแห่งสมการจรวด เมื่อเราไม่มีทางจะแบกเชื้อเพลิงขึ้นไปพอสำหรับการชะลอจอดทุกชิ้นส่วนของจรวด

วิธีการแก้ปัญหาสภาพเผด็จการแห่งสมการจรวด นาซ่า ใช้วิธีการแยกส่วนจรวดขับดันเป็นท่อนๆ เมื่อจรวดส่วนที่แบกเชื้อเพลิงขึ้นไปเผาเชื้อเพลิงหมดแล้ว ก็ค่อยทิ้งน้ำหนักจรวดขับดันเปล่าลงมา ทำให้น้ำหนักเชื้อเพลิงที่ต้องแบกเพื่อขับดันลดลง จรวดขับดันท่อนแรกๆที่ใช้เร่งความเร็วไปถึงเส้นคาร์มัน (เส้นแบ่งอวกาศที่ความสูงราว 100 กิโลเมตร) ยังไม่เร็วมากนัก มันยังพอเก็บกู้กลับมาได้ด้วยการใช้ร่มชูชีพ หรือแบกน้ำหนักเชื้อเพลิงเพิ่มอีกหน่อยเพื่อเอาจรวดกลับมาจอดอย่างนุ่มนวลเพื่อกลับมาใช้ใหม่ แต่จรวดขับดันส่วนที่พาจากเส้นคาร์มัน ไปสู่วงโคจร มันมีความเร็วที่มาก ก็คือต้องใช้เชื้อเพลิงในการชะลอลงจอดสวยๆมาก ถ้าจะเอากลับมาใช้ มันต้องใช้วิธีอื่น เช่น ใช้อากาศในการชะลอความเร็ว

การชะลอความเร็ว ถ้าทำในชั้นบรรยากาศเราใช้ร่มชูชีพ แต่ในอวกาศที่ความสูง 100 กิโลเมตรขึ้นไปมีอากาศเบาบางมาก จนร่มชูชีพไม่สามารถทำงานได้ เราเข้าชั้นบรรยากาศด้วยการให้อวกาศยานของเราทำมุมมุ่งสู่พื้นโลก จนช่วงความสูงราว 100 กิโลเมตร ความหนาแน่นของอากาศจึงจะส่งผลให้เกิดการชะลอความเร็วเป็นนัยสำคัญ ทว่า ณ ตอนนั้น ความเร็วของเราอยู่ที่ประมาณ 7,600 กิโลเมตรต่อชั่วโมง หรือ ราว มัค 25 ที่ความเร็วนี้ การปะทะกับชั้นบรรยากาสที่เบาบาง ก็ทำให้อุณหภูมิของอากาศสูงขึ้นไปได้ถึง 10,000 องศา มันไม่มีเกราะกันความร้อนอะไรจะป้องกันความร้อนนี้ได้แน่ และนั่นคือที่มากของการออกแบบเกราะความร้อนแบบหัวทู่ๆกว้างๆในการเข้าชั้นบรรยากาศ

เวลาที่อวกาศยานของเราเข้าชั้นบรรยากาศ อากาศจะเข้ามาชนกับผิวยานและกระเด้งออก การออกแบบยานให้หัวทู่ๆ อากาศจะกระดอนกลับไปชนกับอากาศด้านหน้าเกิดเป็นชั้นคลื่นกระแทก (Shockwave) ที่ห่างจากผิวยานออกไป ยานถ้าหัวแหลมเปี๊ยว ชั้น Shockwave นี้จะติดอยู่กับจมูกยานและมันจะบรู้มมมม เป็นโกโก้ครั้นช์ ตั้ง 10,000 องศาเซลเซียสเราจะใช้อะไรไปทนความร้อนนี้ได้ ต่อให้เป็นโลหะเบสคาร์ หรืออดาแมนเที่ยม ก็ไม่รอด แต่ยานหัวทู่ๆนี่ละ ที่จะทำให้ชั้น Shockwave ห่างออกไป ทำให้อุณหภูมิของผิวยานลดลงมาที่แถวๆ 1,600 องศา ก็นะ รังสีความร้อนที่แผ่มาจากชั้น Shockwave ส่วนหนึ่งมันก็ต้องมาที่หน้ายานของเราอยู่แล้ว การลดจาก 10,000 องศา มาที่แค่ราว 1,600 องศา มันก็ไม่เลวนักหรอก เราก็ต้องหาวัสดุมาเป็นฉนวนแค่นั้นเอง อือ จะเอาอะไรดีฟะนั่น

ที่อุณหภูมิ 1,600 องศาเซลเซียส ออกซิเจน กลายเป็นสารเคมีที่ทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรง การทนความร้อนได้เป็นคนละเรื่องกับการทนการกัดกร่อน เกราะกันความร้อนที่ปัจจุบันเราใช้เป็น Ablation shield ศัพท์นี้เห็นแปลว่าเป็นเกราะแบบระเหย ก็คือชั้นฉนวนที่ยอมรับให้ตัวมันเองระเหยระเหิดสึกหายไปตามการใช้งาน เกราะกันความร้อนนี้มีทั้งที่ทำแบบใช้ครั้งเดียวหรือใช้ได้หลายครั้งแต่ก็ต้องคอยตรวจสอบสภาพทุกครั้งที่จะเอากลับมาใช้ใหม่ ทำให้พวกกระสวยอวกาศมันไม่สามารถออกได้ถี่ๆ ลงปุ๊บขึ้นปั๊บ ถ้าหากเราทำให้อุณหภูมิมันลดลงได้กว่านี้ก็จะดี การลดอุณหภูมิของการบีบอัดนี้ ถ้าเราเพิ่มพื้นที่สัมผัสกับบรรยากาศให้มากขึ้น แรงก็จะกระจายสู่พื้นผิวมากขึ้นแรงกดอัดก็จะน้อยลงและอุณหภูมิก็จะน้อยลง มันเยี่ยมไปเลยใช่ไหม แต่ ขนาดของเกราะกันความร้อนมันก็จำกัดอยู่ที่ขนาดของจรวดที่ส่งขึ้นไป หรือว่า เราจะออกแบบเกราะกันความร้อนให้มันพองขยายได้เวลาเข้าชั้นบรรยากศ และนั่น จึงเป็นที่มาของระบบ Ballute!!!

Ballute เป็นคำสมาสระหว่าง Balloon กับ Parachute เป็นการใช้ลูกโป่งในการเบรคอากาศลดความเร็วในที่สูงอากาศเบาบางจนร่มชูชีพทำงานไม่ได้ คอนเซปท์นี้ถูกคิดค้นขึ้นมาในปี 1948 โดยบริษัทกู๊ดเยียร์และถูกนำมาพัฒนาต่อทั้งโดย ESA และ NASA ระบบ Ballute ล่าสุดของนาซ่าที่จะทำการทดลองส่งเข้าชั้นบรรยากาศในเดือน พฤศจิกายน 2022 ใช้ชื่อว่า LOFTID (Low-Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator) อาศัยโครงสร้างลูกโป่งถักทอด้วยใยเคฟลาร์ ข้างนอกปกป้องด้วยชั้นฉนวนความร้อนแบบอ่อน (FTPS Flexible Thermal Protection System) แล้วมันทำงานยังไงล่ะ

Ballute ต่างจากระบบเกราะเข้าชั้นบรรยากาศแบบแข็ง ตัววัสดุ FTPS อาจทนความร้อนได้สูงสุดเพียง 1000 องศาเซลเซียส แต่ ด้วยพื้นที่ผิวที่มากกว่าและมวลที่เบากว่า เราอธิบายไปแล้วว่าอุณหภูมิของการเข้าชั้นบรรยากาศไม่ใช่การเสียดสีกับอากาศแต่เป็นการบีบอัดอากาศ การที่มวลน้อยพื้นที่เยอะก็แปลว่า ความดัน หรือการบีบอัดอากาศของมันจะน้อยกว่าอวกาศยานแบบเกราะแข็งมาก ขนาดของอุณหภูมิที่เข้าชั้นบรรยากาศของ Ballute จะอยู่ที่เพียง 400 องศาเซลเซียสเท่านั้น เทียบกับอุณหภูมิของเกราะความร้อนยานที่ใช้ Ablate Shield ที่ 1600 องศาเซลเซียส มันต่างกันราวสวรรค์กับนรกเลยทีเดียว

เรามาจำลองการเข้าชั้นบรรยากาศกันดู สมมุติเทียบระหว่าง Ballute ที่ใช้ Spec ของ LOFTID ที่น้ำหนัก 1200 กิโลกรัม จานลูกโป่งเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 เมตร เทียบกับยาน Command Module ของโครงการอพอลโล่ ส่งลงมาจาก LEO เหมือนกัน

   - การชะลอความเร็ว Ballute เริ่มชะลอความเร็วตั้งแต่ความสูง 100 กิโลเมตร ยาน Command Module กว่าจะชะลอพอก็ต้องที่ความสูง 70 กิโลเมตร
   - แรง g หรือความเร่งจากการเบรค ของ Ballute คือราว 15 g แต่ยาน Command Module เบรคหัวทิ่มที่ 20 g
   - อุณหภูมิสูงสุดของการเข้าชั้นบรรยากาศ Ballute 600 เคลวิน ส่วน Command Module 1000 เคลวิน

สำหรับข้อมูลตรงนี้เป็นแค่ข้อมูลจำลอง เราจะรู้ว่ามันทำได้จริงไหมก็เดือน พฤศจิกายน 2022 นี่แหละ
สมการที่ใช้ตรงนี้ แกะมาจาก

https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/avs/offices/aam/cami/library/online_libraries/aerospace_medicine/tutorial/media/iii.4.1.7_returning_from_space.pdf

ข้อมูลจำลองของ LOFTID อิงจาก

https://www.colorado.edu/event/ippw2018/sites/default/files/attached-files/demotesting_8_dillman_presid680_presslides_docid1153.pdf

ระบบ Ballute นี้มีประโยชน์อย่างไรบ้าง

การที่เราเข้าชั้นบรรยากาศได้ที่อุณหภูมิต่ำเกราะกันความร้อนเราจะไม่ต้องหนามาก เพราะพื้นผิวไม่ละลายระเหิดหายไป แค่ทนแรงกดอัดปะทะกับอากาศได้ก็พอ

ต่อให้เราไม่สามารถนำชิ้นส่วนลูกโป่งกันความร้อนกลับมาใช้ใหม่ หรือต้องมีการตรวจสอบ Refurbish ชิ้นวัสดุหลักๆอื่นๆที่เข้ามาในชั้นบรรยากาศนั้นสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้แน่นอน

อุปกรณ์หลัก ตัวจรวดขับดัน ตัวยานแคปซูลที่เข้าชั้นบรรยากาศสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ทันทีหลังติดตัว Ballute ใหม่ ในขณะที่ตัว Ballute เก่าเอาไปทำการ Refurbish หรือจะเอาไป Recycle ใหม่ก็ได้

จรวดจะเบาลงเป็นอย่างมากเมื่อไม่ต้องแบกชิ้นส่วนเซรามิคหนาๆ

แรง g จากการเข้าชั้นบรรยากาศลดลงมาก

โดยรวมแล้ว การลดอุณหภูมิการเข้าชั้นบรรยากาศ การลดแรง g การแยกส่วนและลดน้ำหนักเกราะความร้อนออกไป ทำให้เศรษฐศาสตร์ของการออกอวกาศถูกลง เมื่อชื้นส่วนยานสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ไม่ต้อรอเวลาในการ Refurbish มันอาจทำให้การทำเหมืองขนแร่โลหะหายากจากวงโคจรดาวเคราะห์น้อยเข้าสู่โลกมีความเป็นไปได้ทางธุรกิจและทำให้โลกของเราเข้าสู่ยุคอวกาศกันได้จริงจัง