วิทยาศาสตร์ของ NRX-044 Asshimar

แอสชิม่า เจ้าหุ่นแฮมเบิร์กลอยฟ้านี้เป็นหุ่นตัวโปรดของคอกันดั้มหลายๆคนจากภาคซีต้ากันดั้ม มันเป็นหุ่นแปลงร่างที่อิหยังวะมากว่ามันแปลงร่างไปทำไม แปลงไปแล้วมันจะบินกันได้อย่างไรด้วยรูปทรงที่แสนน่ากังขาต่อหลักการทางแอร์โรไดนามิกส์ แล ฟิสิกส์ ของการบิน มันเคยมีผู้ท้าทายเขียนบทความทางอากาศพลศาสตร์ของหุ่นแอสชิม่าแล้วในหว้ากอ https://ppantip.com/topic/35183585 แต่ บทความนั้นก็ยังไม่ถึงที่สุดเสียทีเดียว ในฐานะ เกรียนวิดกระยาสาร์ทตัวพ่อแห่งยุค เราก็คงจะต้องท้าทายกับวิดกระยาสาร์ทของเจ้า NRX-044 กันสักครั้ง แม้ว่าป่านนี้โลกมันไปถึงยุคแม่มดแห่งดาวพุธ แถมย้อนกลับมายังภาคย่อยของสงคราม 1 ปี ที่โอเดสซ่าแล้ว แต่กันดั้มภาคซีต้านี่เป็นภาคที่อัดความเป็นไซไฟสูงมาก ทั้งระบบบัลลูท ทั้งระบบเวฟไรเดอร์ ตัวระบบขับเคลื่อนของแอสชิม่า ก็เป็นระบบที่มีการศึกษาถึงในการทำ space plane เช่นกัน เรามาเริ่มการท้าทายประวัติศาสตร์ของอวกาศไปด้วยกันเลย


ปรกติแล้ว ร่างโมบิลอาร์มเมอร์ Mobile Armors หรือ เรียกสั้นๆว่า MA จะมีเป้าหมายหลักๆคือการย้ายเกราะมาเสริมความแข็งแกร่ง หรือการจัดทิศทางทรัสเตอร์ทั้งหมดไปในทิศทางเดียวกันเพื่อเพิ่มความเร็วหรือให้ได้อากาศพลศาสตร์ของการเดินทาง แต่ แอสชิม่านั้นต่างออกไป การแปลงร่างของมันจะปิดระบบทรัสเตอร์ข้างหลังและด้านข้างของขาแล้วใช้ระบบทรัสเตอร์แบบเจ็ตนิวเคลียร์ (Thermonuclear jet engine) แทนการใช้ไอออนทรัสเตอร์อย่างที่หุ่นรุ่นอื่นๆทำกัน นั่นเพราะแอสชิม่า เป็นหุ่นที่ออกแบบมาเพื่อปฏิบัติการในชั้นบรรยากาศโลก และเพราะในโลกมีอากาศเป็นสารขับดันให้สูบใช้ง่ายๆไม่ต้องแบกไว้ในตัวหุ่น การเอาอากาศเข้ามาบีบอัด ให้ความร้อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ แล้วปล่อยออกไปด้านหลัง การขับเคลื่อนด้วยวิธีการนี้ จะประหยัดพลังงานกว่าระบบการขับเคลื่อนแบบไอออนทรัสเตอร์ไปได้กว่า 40 เท่า
 

พาพันขยัน ทำไมจึงเป็นเช่นนั้นพาพันขยัน




 ตารางที่ 1: เปรียบเทียบ ประสิทธิภาพเชิงพลังงานและประสิทธิภาพเชิงมวลของเครื่องยนต์ 3 รุปแบบ เครื่องยนต์เจ็ต เครื่องยนต์จรวด และเครื่องยนต์ไอออนทรัสเตอร์
จรวด เป็นระบบการขับเคลื่อนที่เต่าตุ๊ยยยที่สุดในเชิงพลังงาน (ภาษาไทย เต่าตุ๊ยยย นั้นเพราะเต่ากินผักตบชวา หรือ สวะ ถ้าหากว่าเต่ายังตุ๊ยยยนั่นแสดงว่ามันต้องห่วยแตกยิ่งกว่าสวะ) เพื่อจะเร่งความเร็วอากาศยานไปที่มัค 1 จรวดเชื้อเพลิงเคมี จะเสียพลังงานไปกับสารขับดันราว 90% จรวดไออนทรัสเตอร์ จะเสียพลังงานไปกับสารขับดันราว 98% ในขณะที่ระบบเครื่องยนต์เจ็ต จะเสียพลังงานไปกับสารขับดันเพียง 22% เท่านั้น เหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะในอวกาศมันไม่มีอากาศ มันจึงไม่มีทางอื่นนอกจากจะแบกเชื้อเพลิงและสารขับดันขึ้นไปด้วยตัวเอง และด้วยกฎการดลของโมเมนตัม เรารู้ว่า m1v1 = m2v2 เพื่อจะใช้สารขับดัน m2 ให้น้อยเพื่อทำความเร็ว m1v1 ให้เยอะ เราก็ต้องให้ v2 ความเร็วสูงมากๆ แต่เพราะ พลังงานแปรตามความเร็วกำลังสอง การออกแบบเครื่องยนต์ให้ใช้สารขับดันน้อยๆแบบจรวดเคมี และไอออนทรัสเตอร์ จึงต้องสูญเสียพลังงานปริมาณมากไปกับการเร่งความเร็วสารขับดัน ในขณะที่เครื่องยนต์เจ็ต สารขับดันก็คืออากาศที่ดูดเข้ามาจากภายนอก อากาศมีใช้ให้ไม่จำกัด ดังนั้น มันไม่ต้องการให้ความเร็วสารขับดันสูงมากก็ได้ ไอพ่นเจ็ตส่วนใหญ่ก็มีความเร็ว nozzle เพียง 200-300 m/s ถ้าต้องใช้สารขับดันมากก็แค่ดูดอากาศเข้ามามากหน่อย ดังนั้นแล้ว พอเป็นการขับเคลื่อนในชั้นบรรยากาศ การทู่ซี้ใช้ระบบไอออนทรัสเตอร์จึงเป็นอะไรที่ไร้ความคุ้มค่า ถ้าสังเกต พวกกูล์ฟแบบ high mobility ก็จะมีช่องดูดอากาศเข้าเพื่อใช้เป็นสารขับดันทำให้สามารถทำความเร็วได้มาก โดยสรุปคือ ในอวกาศที่มีมวลจำกัด พลังงานพอหาได้จากเตาปฏิกรณ์ไมนอฟสกี้ก็ใช้มวลให้มีประสิทธิภาพ แต่บนโลก มวลมีทั่วไปก็เอามวลอากาศมาใช้เพื่อประหยัดพลังงาน
 
 
รูปที่ 1 เครื่องยนต์เจ็ตนิวเคลียร์ที่เคยทดสอบที่อเมริกา[1]
สำหรับเตาปฏิกรณ์เจ๊ทนิวเคลียร์ เราเคยมีต้นแบบที่สร้างไว้จริงบนโลกในช่วงทศวรรต 1950-60 อยู่มากมาย เช่นปฏิกรณ์ HTRE-3 อันนี้ ปัญหาของปฏิกรณ์กลุ่มนี้คือการปนเปื้อนของรังสี แต่ถ้าหากปฏิกิริยามันสะอาดได้แบบปฏิกรณ์ไมนอฟสกี้ มันก็คงคาดได้ว่าจะมีการใช้เครื่องยนต์เจ๊ตนิวเคลียร์แทนไอพ่นสันดาปในเครื่องบินแบบปัจจุบัน [1]  
 
รูปที่ 2 ตัวอย่างเครื่องยนต์ SABRE ของเครื่องบินอวกาศที่สามารถทั้งสันดาปด้วยอากาศในโหมดเจ็ตและออกซิเจนในโหมดจรวด
ในการศึกษาเครื่องยนต์อวกาศยานกลุ่มเครื่องบินอวกาศ ในปัจจุบันมันมีการศึกษาไปถึงเครื่องยนต์ไฮบริดที่สามารถสันดาปแบบเครื่องยนต์เจ๊ตและพอออกอวกาศก็เปลี่ยนมาเป็นการสันดาปแบบเครื่องยนต์จรวด SABRE (Synergetic Air Breathing Rocket Engine) ของอังกฤษ แต่ในแง่ความสำเร็จเห็นผลยังมีปัญหาที่จะทำให้เครื่องยนต์เดียวสามารถทำงานได้ทั้งสองสภาวะ บางทีวิธีแก้ปัญหาแบบ Asshimar ที่มีเครื่องยนต์ 2 ชุดแยกกันอาจเป็นคำตอบที่ดีกว่าการพยายามสร้างเครื่องยนต์ที่ซับซ้อนเกินไป
 
เพี้ยนลอยคอนเซปท์การออกแบบของแอสซิม่ามันล้ำหน้ามากแน่ๆละ ว่าแต่ ทีนี้ แอสซิม่า มันจะบินได้จริงไหมเพี้ยนลอย




แม้ว่ารูปทรงของแอสชิม่าจะดูมีปัญหาในการสร้างแรงยกแบบเบอนูลี แต่มันไม่ใช่ปัญหาใหญ่ แม้แต่วัตถุรูปทรงแบบแผ่นเรียบเวลาทำมุมปะทะอากาศมันก็มีแรงยก แอสชิม่านั้นในร่างยานจะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางราว 18 เมตร (อันนี้เราอิงตามรูปวาด) รูปทรงพื้นผิวขนาด 250 ตารางเมตรแบบจานแบนย่อมสามารถทำมุมปะทะอากาศได้ตั้งแต่ 5 - 30 องศาและอาจมีสัมประสิทธิ์การยก (lift coefficient)ได้ตั้งแต่ 0.15 - 0.6[2] และย่อมสามารถสร้างแรงยกได้สมดุลกับน้ำหนักตัวหุ่นได้ตั้งแต่ที่ช่วงความเร็ว 100 m/s เป็นต้นไป (ได้ Lift สูงกว่า 626 kN หรือ มากกว่า 63.8 ตัน) ปัญหาจริงๆของหุ่นแอสชิม่าคือแรงเสียดทานการไหลมากกว่า
 
 
รูปที่ 3 สมดุลแรงทั้ง 4 ของการบิน
แรงทั้งสี่ของเครื่องบินนั้น แรงยกจะดุลเข้ากับแรงจากน้ำหนัก ส่วนแรงขับจากทรัสเตอร์หรือไอพ่นจะดุลเข้ากับแรงเสียดทานอากาศ ซึ่ง โดยปรกติ แม้แต่ปีกเครื่องบินที่ออกแบบดีๆบางๆ ก็จะยังมีขนาดสัมประสิทธิ์ความเสียดทานอากาศ (drag coefficient) ที่ราว 0.04 [3] แถมเอาเข้าจริงๆจะหลุดไปแถว 0.2-0.3 ก็ไม่แปลกแถมค่า drag ปรกติมันจะกระโดดช่วงที่ชนกำแพงเสียงด้วย [4] แต่ไม่เป็นไร เราพยายามแถช่วยใช้ค่า drag coefficient คงที่แถมต่ำสุดๆเท่าที่มีปรากฎ แต่แม้เราจะให้ค่า drag coefficient ต่ำขนาดนั้น ด้วยขนาดพื้นที่ๆสร้างแรงยก มันจะมีขนาดของแรงเสียดทานเกินแรงขับของเครื่องยนต์ (226 kN) ที่ความเร็วราว 200 m/s ปัญหาตรงนี้ ผู้เขียนมั่นใจว่า มันเกิดจากการประเมินขนาดของเครื่องยนต์ตอนออกแบบหุ่นยนต์ผิดพลาด
 
ตารางที่ 2 จากการคำนวณ ในสภาพที่ดีที่สุด Asshimar ไม่ควรเดินทางได้เร็วกว่า 200 m/s ด้วยแรงขับเท่านี้ถ้าจะไปให้ถึง มัค 3 ค่า drag coefficient ต้องต่ำไปถึง 0.002 ซึ่งผมก็อยากเห็นเหมือนกันว่าปีกแบบไหนมันจะทำได้เลิศเลอขนาดนี้
 
ปรกติ ขนาดของ thrust ต่อ weight สำหรับเครื่องบินเจ็ตพาณิชย์จะอยู่แถวๆ 30% ซึ่ง แอสชิม่าก็จะมีขนาด Thrust ต่อ น้ำหนักเครื่องคือ 26,090 : 63,800 ก็ประมาณ 30% ตามสูตรเครื่องบินโบอิ้ง ซึ่งความเร็วของเครื่องบินพาณิชย์ทั่วไปจะอยู่ต่ำกว่าความเร็วเสียง ส่วนใหญ่เต็มที่ก็ 1,100 km/h ซึ่งก็คือราวๆ 300 m/s ส่วนเครื่องบินขับไล่ที่จะทำความเร็ว supersonic ได้ ปรกติจะมีขนาด thrust ต่อ weight ตั้งแต่ 1 เป็นต้นไป อย่างกริพเพนที่ทำความเร็วมัค 2 ก็มีขนาด t/w ที่ 1.06 สำหรับแอสชิม่า ผมประเมินไว้ว่าถ้ามันจะทำความเร็วไปถึงมัค 3 ตามเรื่อง มันต้องเติม 0 เข้าไป 1 ตัวในสเปคทรัสเตอร์ และให้นั่นคือขนาด 260,900 kg thrust ต่อขา นั่นละ มันถึงจะขับเคลื่อนไปได้ถึง มัค 3  ถ้าหาก แอสชิม่าจะต้องการลดขนาดของแรงเสียดทานเพื่อที่จะใช้ thrust ต่อ weight ที่ต่ำกว่านั้นในการทำความเร็วถึงมัค 3 มันควรออกแบบมาเป็นเครื่องบินแบบ Valkyries เพื่อลดพื้นที่ผิวที่บานออกมาเป็นจานบินอันใหญ่ และควรลดขนาดการโม้ความเร็วที่ว่าไปถึงมัค 3 ลงมาเสียหน่อย
 
โดยสรุป
 
หุ่น แอสชิม่า น่าจะบินได้ตามหลักอากาศพลศาสตร์ แต่ไม่น่าจะบินได้ถึงความเร็ว Supersonic เพราะกำลังขับไม่พอ และจริงๆถ้าหากมันมีเครื่องไอพ่นไอออนทรัสเตอร์ที่สร้างแรงขับได้ถึงหลักหมื่นกิโลกรัม ขอแค่เอา blower สูบอากาศข้างนอกเข้ามา แล้วเอาพลังงานความร้อนตรงนั้นไปเพิ่มแรงดัน มันน่าจะสร้างแรงขับเพิ่มได้ 30-40 เท่า ซึ่งเพียงพอจะโม้ว่ามันสามารถบินได้ด้วยความเร็วเสียง ดังนั้นควรเอาสเปคทรัสเตอร์ที่บอกไว้ว่า มีกำลังขับ 26,000 kg ก็เติมศูนย์ไปสักตัวนึงแล้วคูณสองหรือสามก็น่าจะหมดปัญหาละหยอกเย้าหยอกเย้าหยอกเย้า
 
  

อ้างอิง
[1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Aircraft_Nuclear_Propulsion
[2] https://slideplayer.com/slide/6258414/
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient
[4] http://www.braeunig.us/space/aerodyn_wip.htm
แก้ไขข้อความเมื่อ
แสดงความคิดเห็น
โปรดศึกษาและยอมรับนโยบายข้อมูลส่วนบุคคลก่อนเริ่มใช้งาน อ่านเพิ่มเติมได้ที่นี่