บทความนี้มีที่มาจากคำถามหลังไมค์ใน facebook ของผมว่า  เครื่องยนต์ Raptor ของ SpaceX ที่ได้ชื่อเป็นราชาของเครื่องยนต์จรวด มันเทพอย่างไร ดีกว่าเครื่องยนต์ชนิดอื่นยังไง ทางผมก็พยายามหาอ้างอิงหาเปรียบเทียบ จนไปเจอเพจ Everyday Astronaut ที่เขียนอธิบายแบบไล่เรียงจากระดับประถมยันมหาวิทยาลัย เมื่ออ่านแล้ว ก็คิดได้ว่า ของบางอย่างมันต้องปูพื้นฐานก่อนถึงจะคุยกันรู้เรื่อง เรื่องจรวดตรงนี้ ถ้าสรุปให้สั้น ก็ต้องละความรู้พื้นฐานไว้ในฐานที่เข้าใจ แต่ความรู้เรื่องจรวดนี่ ที่ว่าพื้นฐานมันก็ไม่พื้นฐานสักเท่าไร มันเกี่ยวข้องกับวิวัฒนาการของการแข่งขันและแก้ปัญหาระหว่างประเทศยักษ์ใหญ่ที่ถ้าเราไม่รู้ที่มาที่ไปเราจะไม่มีทางเข้าใจความเทพของ SpaceX และการพัฒนาของเครื่องยนต์ Raptor ไปได้ 

บทความนี้ แม้จะบอกว่าแปลมาแต่ก็ได้ตัดตอนให้สั้นลงมาเยอะ บทความต้นทางนั้นมีรายละเอียด มีเกร็ดช่วยความเข้าใจเยอะมาก ผมแนะนำว่า ถ้าอ่านภาษาอังกฤษคล่อง ควรไปอ่านจากต้นทางมากกว่าที่ผมแปล เพราะต้นทาง เขาอธิบายได้เทพจริงๆ

อ่านต้นทางที่
https://everydayastronaut.com/raptor-engine/

---

จรวดประกอบขึ้นจากสารขับดันที่มีเปลือกหุ้มกักสารขับดันไว้บังคับปล่อยไปทางด้านหลัง ยิ่งปล่อยสารขับดันออกได้เร็วเท่าไร จรวดยิ่งไปได้เร็วเท่านั้น วิธีสร้างจรวดที่ง่ายที่สุด เราใส่สารขับดันไว้ในถัง อัดเข้าไปมากๆแรงดันสูงๆ ติดวาล์ลตรงปลาย แล้วให้มีกรวยบังคับให้สารขับดันที่ปล่อยออกมาออกแรงขับจรวด จบ ไม่ต้องมีป๊งปั๊มอุปกรณ์ซับซ้อนแค่เปิดวาล์ลก็ทำงานได้ นี่คือสิ่งที่เรียกว่าจรวดแรงอัด

แต่ปัญหาของจรวดแรงอัดคือ สารขับดันไหลจากความดันสูงไปยังความดันต่ำเสมอ และ เครื่องยนต์จรวดจะไม่มีวันมีแรงขับเกินแรงดันของสารในถัง เพื่อจะกักสารขับดันไว้ภายใต้แรงดันสูงๆ ถังของเราจะต้องแข็งแรง และนั่นคือมันต้องหนาและหนัก ซึ่งในการขนส่งวัตถุขึ้นไปบนวงโคจร เราต้องอัดแรงดันเข้าไปสูงมากๆ ซึ่งน้ำหนักถังก็จะเพิ่มมาก มันเป็นไปไม่ได้ที่จะส่งจรวดออกอวกาศด้วยการใช้ถังแรงดันเพราะแรงขับหรือพลังงานจะไม่มีทางพอ จะเพิ่มแรงดันไปถึงจุดหนึ่งน้ำหนักถังก็จะเกินแรงขับจรวด เราก็ต้องมาหาคำตอบกันด้วยวิธีอื่น นั่นคือการใช้พลังงานทางเคมีจากการสันดาปแทนพลังงานทางกล

การส่งเชื้อเพลิงไปยังห้องสันดาป ห้องสันดาปนั้นมีแรงดันสูง ซึ่ง สารขับดันไหลจากความดันสูงไปยังความดันต่ำเสมอ เราต้องใช้ปั๊มในการส่งเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์เข้าห้องสันดาป และ จากที่จะขับเชื้อเพลิงนับล้านลิตรเข้าสันดาปมันต้องใช้พลังงานงานเยอะ ดังนั้น วิธีการแก้ไข เราจุดเชื้อเพลิงบางส่วนเพื่อขับใบพัดให้ขับสารขับดันเข้าไปสันดาปในเครื่องยนต์ ที่เราเรียกว่าปั๊มเทอร์โบ ถึงตรงนี้ เราก็มาถึงจุดเริ่มต้นของเครื่องยนต์จรวด ที่เราจะเริ่มคุยกันได้ละว่า จรวดแบบไหน ออกแบบได้ดีกว่ากัน

กลไกการสันดาปของจรวด ใช้การแบ่งเชื้อเพลิงบางส่วนไปสันดาปในห้องเผาแรก (Preburner) เพื่อหมุนปั๊มเทอร์โบเพื่อขับเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์เข้าห้องสันดาป ไอจากการสันดาปเพื่อขับปั๊มนี้จะถูกปล่อยทิ้งไป ตรงนี้เราเลยเรียกว่ากลไกการสันดาปแบบเปิด การที่ไอจากการสันดาปถูกปล่อยทิ้งเป็นการสูญเสียพลังงานในการขับดันของจรวดแต่มันเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อจะหมุนปั๊มเทอร์โบ แต่ มันจำเป็นจริงๆหรือไม่ เราจะคุยกันในลำดับต่อไป

ปั๊มเทอร์โบนี้จะติดอยู่ในวังวนของไก่กับไข่อะไรเกิดก่อนกัน เพราะถ้าสารขับดัน (เชื้อเพลิง + สารออกซิไดซ์) ไม่ไหล ปั๊มก็ไม่ทำงาน แต่สิ่งต่างๆจะไหลจากแรงดันสูงไปแรงดันต่ำ ถ้าปั๊มยังไม่ทำงานมันก็ไม่มีแรงดันมาขับให้สารขับดันไหล การจุดปั๊มเทอร์โบมันเลยมีความยุ่งยากกันหน่อย แต่มันมีข้อให้สังเกตในรูป ไอเสียจากปั๊มเทอร์โบนี่เขม่าดำมาก เทียบกับเปลวขับดันจากส่วนเครื่องยนต์หลัก สาเหตุก็คือ ความร้อนของการจุดระเบิดเครื่องยนต์จรวดนั้นร้อนมากนับพันองศา ถ้าไม่คุมอุณหภูมิ ความร้อนนี้จะหลอมตัวเครื่องของปั๊มเทอร์โบเอง เพื่อที่จะให้เครื่องทำงานที่อุณหภูมิต่ำลง มันก็ใช้การลดสัดส่วนอากาศให้สันดาปในสภาพไม่สมบูรณ์เพื่อที่พลังงานจะน้อยลงอุณหภูมิจะต่ำลงถึงจุดที่เครื่องทนความร้อนได้ อย่างในรูปเป็นเครื่องยนต์เมอร์ลินของ SpaceX ที่ใช้เชื้อเพลิง RP-1 (น้ำมันก๊าด เคโรซีนแบบกลั่นบริสุทธิ์) จะเห็นการปล่อยเขม่าออกมาจากส่วนปั๊มเทอร์โบที่ปั๊มสารขับดันเข้าห้องสันดาป

แล้วถ้าเราไม่อยากสูญเสียสารขับดัน เราน่าจะเอาไอเสียที่สันดาปไม่สมบูรณ์ล่อยกลับเข้าห้องสันดาปได้ คอนเซปท์นี้เราเรียกว่าการสันดาปแบบปิด (closed cycle) การสันดาปแบบปิดจะทำให้เราสามารถใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ แต่ เขม่า สามารถเข้าไปอุดตันระบบหัวฉีดทำให้เครื่องดับ แล้วจรวดของเราก็จะจอดพังพาบเป็นรถดับเพลิงรอส่งมอบ มันไม่เวิร์คซะละกระมัง

ทางออกของการออกแบบก็คือทำการเผาไหม้ในสภาพออกซิเจนเกิน เท่านี้ก็ไม่มีเขม่าแล้ว มันดูเหมือนจะง่ายแต่มันคือการปล่อยก๊าซออกซิเจนร้อนแรงดันสูงปริมาณมากเข้าผ่านเทอร์ไบน์ ที่ขั้นตอนนี้ ทางค่ายอเมริกายกธงขาวเพราะไม่รู้จะใช้วัสดุอะไรที่จะทนสภาพการสันดาปนี้ได้ แต่ฝั่งรัสเซีย (โซเวียตในสมัยนั้น) ทำได้ เพราะสามารถสร้างอัลลอยโคตรทรหดมาใช้ทำปั๊มเทอร์โบ แล้วเราก็ได้เครื่องยนต์สันดาประบบปิดที่สารขับดันถูกนำมาใช้ขับจรวดทุกเม็ด ในระบบนี้ ออกซิเจนทั้งหมดจะถูกขับผ่านห้องเผา Preburner แล้วเราใส่เชื้อเพลิงแค่เท่าที่จำเป็นที่จะสันดาปสร้างกำลังพอจะขับปั๊มเทอร์โบให้สร้างแรงดันได้พอจะขับสารขับดันเข้าห้องเผาแล้วขับดันจรวดออกอวกาศ

แล้วทางฟากอเมริกาจะดูดนิ้วทำตาปริบๆให้โซเวียตแซงง่ายๆรึ ไม่ ของอเมริกา มันเอาระบบเครื่องยนต์มาคิดใหม่ ถ้าหากว่าการสันดาปเชื้อเพลิงเคโรซีนมันมีเขม่า งั้นเปลี่ยนเชื้อเพลิงซะก็สิ้นเรื่อง ง่ายจะตาย…ซะเมื่อไร เพราะไฮโดรเจนเหลวมีค่า ถพ ต่ำกว่าออกซิเจนเหลวมาก อัตราการไหลที่ต้องใช้ของสองด้านมันต่างกันเยอะมาก มันไม่สามารถใช้เทอร์ไบน์แกนเดียวขับปั๊มเทอร์โบของทั้งเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์ได้พร้อมกัน แถมไฮโดรเจนเป็นก๊าซเบาแรงดันสูงสามารถรั่วผ่านรอยซีลไประเบิดบรู้มในฝั่งออกซิเจนได้ มันเลยต้องมาออกแบบระบบทวินเทอร์โบแยกของฝั่งออกซิเจนและไฮโดรเจน แถมด้วยระบบรักษาแรงดันบวกในซีลต่างๆด้วยฮีเลียมป้องกันการรั่วซึมของไฮโดรเจน เท่านี้อเมริกาก็ได้เครื่องยนต์สันดาปแบบ Fuel rich โดยที่ยังรีไซเคิลเอาไอเสียจากปั๊มเทอร์โบเข้ามาในห้องเผาหลักได้ด้วยการออกแบบสุดซับซ้อนโคตรอเมริกัน

แล้วเราก็มาถึงส่วนของ full flow จากที่ผ่านมา โซเวียตออกแบบระบบแบบเอาออกซิเจนผ่านห้องสันดาปของปั๊มเทอร์โบเต็มๆ ของอเมริกาเอาเชื้อเพลิงผ่านห้องสันดาปของปั๊มเทอร์โบเต็มๆ มันก็มีการออกแบบที่ให้ทั้งฝั่งเชื้อเพลิงและออกซิเจน ผ่านเข้าเทอร์ไบน์ของปั๊มเทอร์โบเต็มๆทั้งคู่ ตรงนี้คือที่มาของการเป็น full flow พลังเต็มที่ เราจะมี Preburner ทั้งสองฟาก ทำงานแยกจากกันในสภาพที่ดีที่สุดของการปั๊มทั้งเชื้อเพลิงและออกซิเจน การออกแบบตรงนี้จำเป็นจะต้องมีอัลลอยด์ที่ทนทานต่อสภาพสารออกซิไดซ์ (ออกซิเจน) ความดันสูง อุณภูมิสูง และความเร็วการไหลก็สูง ซึ่งทาง SpaceX ได้พัฒนาสุดยอดอัลลอยด์ที่ชื่อ SX500 ขึ้นมา ข้อได้เปรียบของเครื่องยนต์ Full flow มาจากที่คราวนี้ ทั้งเชื้อเพลิง และออกซิเจน ถูกอุ่นขึ้นมาเป็นแก๊สร้อน มันจะผสมกันได้ดีกว่า สันดาปได้อุณหภูมิสูงกว่า ไม่ต้องมีระบบการป้องกันเชื้อเพลิงรั่วไปฝั่งออกซิเจนระเบิดบรู้มเพราะมันแยกจากกัน เมื่อระบบซีลไม่ซับซ้อน มูลค่าการซ่อมบำรุงก็จะต่ำ และนั่นจะทำให้เราใช้เครื่องยนต์นี้ซ้ำได้ด้วยค่าซ่อมบำรุงแสนถูกและต้องมีการเปลี่ยนชื้นส่วนอะไหล่กันทุกเที่ยวบิน

การออกแบบเครื่องยนต์แบบ Full Flow จะตรงข้ามสิ้นเชิงกับเครื่องยนต์จรวดตัวแรกที่เราพูดถึง ตัวเครื่องแบบ Open cycle ที่ต้องการใช้เชื้อเพลิงและออกซิเจนให้น้อยที่สุดในส่วน Preburner เพราะมันจะเป็นส่วนที่สูญเสีย แถมเครื่องแบบ Open cycle ต้องการเดินในสภาพที่ร้อนที่สุดให้ได้ประสิทธิภาพสูงที่สุด แต่เครื่องยนต์ Full Flow ใช้เชื้อเพลิงเท่าไรก็ไม่มีปัญหาเพราะมันจะส่งต่อไปยังห้องเผาไหม้ขับดันจรวด สัดส่วนเชื้อเพลิงต่อออกซิเจน ฝั่งเชื้อเพลิงเป็น fuel rich ฝั่งออกซิไดเซอร์เป็น Oxygen rich อุณหภูมิของปั๊มเทอร์โบทำงานต่ำกว่าปั๊มเทอร์โบระบบเปิด และอุณหภูมิที่ต่ำกว่าหมายถึงอายุขัยการใช้งานที่ยาวนานกว่าด้วย

เมื่อเรามาถึงตรงนี้ เราก็ได้ไล่เรียงจากซ้าย เครื่องยนต์ระบบเปิด เครื่องยนต์ระบบปิดแบบรัสเซียออกซิเจนไหลเต็ม เครื่องยนต์ระบบปิดแบบอเมริกันแบบเชื้อเพลิงไหลเต็ม แล้วก็มาเป็นเครื่องยนต์แบบไหลเต็มทั้งสองด้าน Full Flow Staged combustion cycle ในปี 1960 รัสเซียพยายามสร้างเครื่องยนต์ระบบปิด RD-270 ซึ่งไม่เคยออกบิน ปี 2000 แอโรเจ็ตและร็อกเก็ตไดน์พยายามรวมหัวสร้างแต่ก็ไม่เคยบินออกจากพื้นและภายในครั้งที่ 3 SpaceX สร้างเครื่องยนต์ Full flow staged combustion cycle !!! สำเร็จเป็นเครื่องแรก ซึ่งกว่าจะได้มา SpaceX ต้องผ่านอุปสรรคมามากมาย ทั้งการเดินเครื่องในสภาพออกซิเจนสูง การคุมเชื้อเพลิงอย่างละเอียด เพื่อสร้างแรงดันในห้องขับดันที่สูงสุดๆที่ 270 บรรยากาศ และจากที่เราไล่เรียงมาตั้งแต่ต้น เครื่องยนต์ Raptor ไม่สามารถใช้เชื้อเพลิงเคโรซีน RP-1 แต่ SpaceX ก็ไม่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนแต่ไปใช้มีเธนเหลวแทน ตรงนี้เราต้องมาคุยกันต่อว่า ทำไม SpaceX ในเชื้อเพลิงสามรูปแบบ Keralox  เคโรซีนกับออกซิเจนเหลว Hydrolox ไฮโดรเจนกับออกซิเจนเหลว Methalox มีเธนกับออกซิเจนเหลว จึงเลือก Methalox มาเป็นเชื้อเพลิงทั้งที่ก่อนหน้าไม่เคยมีใครใช้

เชื้อเพลิงขับดันยิ่งหนาแน่นขนาดถังเก็บก็จะเล็กลง และถังที่เล็กเท่ากับน้ำหนักจรวดที่ลดลง ถ้าเราเทียบความหนาแน่นของเชื้อเพลิงทั้งสามชนิด เราจะพบว่า ความหนาแน่น เรียงตามลำดับคือ เคโรซีน มีเธน และ หนาแน่นน้อยสุดคือ ไฮโดรเจน และในแง่ของสัดส่วนเชื้อเพลิง อย่างในรูปจะเห็น เคโรซีน 1 กรัมต้องการออกซิเจน 2.7 กรัม ไฮโดรเจน 1 กรัมต้องการออกซิเจน 6 กรัม ตรงนี้จะเห็นว่าสัดส่วนออกซิเจนของมีเธนจะอยู่ใกล้ฝั่งของเคโรซีนมากกว่า สำหรับเชื้อเพลิงจรวดนี้ วิสัยทัศน์ของ SpaceX เขาคิดถึงการออกอวกาศและผลิตเชื้อเพลิงขับดันบนดาวอังคาร เคโรซีน ไม่สามารถผลิตได้ ไฮโดรเจนสามารถผลิตได้ด้วยการแยกน้ำ แต่ไฮโดรเจนนั้นจุดเดือดต่ำมาก การเก็บเชื้อเพลิงไฮโดรเจนในพื้นโลกต้องการอุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิและความปลอดภัยที่ซับซ้อน การหวังจะไปสร้างระบบความปลอดภัยขนาดนั้นบนดาวอังคารเป็นเรื่องยากเลอะเทอะเทียบกับการผลิตเชื้อเพลิงมีเธนด้วยกระบวนการ Sabatier แล้วเก็บที่อุณหภูมิ 111 เคลวิน โอเค อุณหภูมิมันยังต่ำแต่ก็ยังจัดการง่ายกว่าไฮโดรเจนเยอะ ทั้งความหนาแน่นก็มากกว่าด้วย แปลว่า เราสามารถลดการลงทุนค่าสังเคราะห์และเก็บรักษาเชื้อเพลิงบนดาวอังคารได้มาก