จรวดทำงานอย่างไรและใช้อะไรเป็นเชื้อเพลิงขับเคลื่อน
#สาระความรู้จากGistda
(ภาพโดย วิศัลย์ศยา ลอยไสว)
จรวดคือ ยานพาหนะที่สามารถสร้างแรงขับดัน(Thrust) เพื่อการเดินทางขึ้นสู่อวกาศได้ โดยมีจุดประสงค์ปลีกย่อยที่หลากหลาย ได้แก่ การส่งยานอวกาศไปยังดาวเคราะห์อื่นๆ การส่งดาวเทียมไปโคจรรอบโลก หรือ การส่งนักบินอวกาศไปยังสถานีอวกาศนานาชาติ เป็นต้น
แม้จรวดจะมีหลายประเภทและขนาด แต่ทั้งหมดล้วนสร้างแรงขับดันด้วยหลักการฟิสิกส์อย่างเดียวกัน
นั่นคือ เมื่อจรวดขับไอพ่นออกมา ไอพ่นก็จะออกแรงผลักจรวดในทิศทางทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้า ตามกฎการเคลื่อนที่ข้อสามของนิวตัน ที่แถลงว่า ทุกแรงกิริยาจะมีแรงปฏิกิริยาเกิดขึ้นเป็นคู่ แต่ในทิศทางตรงกันข้ามเสมอ
ที่มารูป.https://www.mirror.co.uk/news/uk-news/space-tourism-one-step-closer-11151359
พูดง่ายๆว่าการเคลื่อนที่ของจรวดอาศัยหลักการไม่ต่างจากการเคลื่อนที่ของลูกโป่งที่ถูกเป่าจนพอง แล้วปล่อยให้พุ่งออกไป
ส่วนเชื้อเพลิงที่ใช้ในการสร้างแรงขับดันนั้น แม้จะมีหลากหลาย แต่ทั้งหมดล้วนปลดปล่อยพลังงานออกมาจากการเผาไหม้ (combustion) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาทางเคมีในลักษณะเดียวกับการเผาฟืนหรือการลุกไหม้ของไส้เทียนไข
การเผาไหม้จะเกิดขึ้นได้ต้องมีความร้อน เชื้อเพลิง และ สารออกซิไดซ์ (Oxidizing agent) ซึ่งสารออกซิไดซ์ จะทำให้การเผาไหม้เกิดขึ้นได้ ในอากาศที่เราหายใจมีแก๊สออกซิเจนเป็นสารออกซิไดซ์อยู่อย่างเหลือเฟือ แต่ก็ไม่พอสำหรับอัตราการเผาไหม้ในเครื่องยนต์จรวด นอกจากนี้แก๊สออกซิเจนมีปริมาณน้อยลง ที่ระดับความสูงเหนือผิวโลกมากๆ ทำให้ต้องมีการเตรียมสารออกซิไดซ์สำหรับการเผาไหม้ของจรวดไปกับเชื้อเพลิงด้วย
ที่มารูป.https://flatearth.ws/oxidizer
เราอาจแบ่งจรวดออกตามลักษณะของเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ได้ 3 ประเภทหลักๆได้แก่
1.จรวดเชื้อเพลิงแข็ง (Solid-propellant rockets)
เป็นจรวดที่เรียบง่าย แต่เมื่อจุดระเบิดแล้วจะไม่สามารถหยุดกลางคันได้ โดยทั่วไปจะใช้สารประกอบเปอร์คลอเรตเป็นตัวออกซิไดซ์(70%) และใช้ผงอะลูมิเนียมเป็นเชื้อเพลิง (16%) สารอื่นๆโดยมากจะเป็นสารที่ทำหน้าที่ยึดประสาน และมีตัวเร่งปฏิกิริยาอีกเล็กน้อย
เราอาจเห็นจรวดเชื้อเพลิงแข็งมีลักษณะเป็นแท่งยาวหลายๆแท่งติดประกบเข้ากับตัวจรวดขนาดใหญ่เพื่อช่วยสร้างแรงขับดันในช่วงแรกๆ
ที่มารูป.https://es.dreamstime.com/
2.จรวดเชื้อเพลิงเหลว (Liquid-propellant rocket)
เป็นจรวดที่มีโครงสร้างซับซ้อนกว่าจรวดเชื้อแพลิงแข็งมาก แต่มีข้อดีคือสามารถควบคุมการเผาไหม้ได้ กล่าวคือ หยุดการเผาไหม้และจุดการเผาไหม้ใหม่อีกครั้งได้
เชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์จะถูกเก็บแยกจากกัน เมื่อต้องการให้เกิดการเผาไหม้ สารทั้งสองจะถูกปั๊มเข้าสู่ถังเดียวกันเรียกว่า ถังเผาไหม้ (combustion chamber) เมื่อแก๊สถูกเผาไหม้จะมีอุณหภูมิสูงและมีความดันสูงมาก ซึ่งมันจะไหลออกจากท่อไอพ่น (nozzle) เพื่อสร้างแรงขับดันให้กับจรวด
ที่มารูป.https://airfreshener.club/quotes/liquid-fuel-model-rockets.html
หลักๆแล้ว ลักษณะท่อไอพ่นของจรวดโดยทั่วไปจะมีลักษณะคอดเล็กก่อนจะเปิดออกสู่อากาศด้านนอก เรียกว่า de Laval nozzle ซึ่งแก๊สที่ไหลผ่านบริเวณคอดจะไหลด้วยความเร็วสูงขึ้น(ไม่ต่างจากการบีบปลายสายยางให้น้ำที่พุ่งออกจาปลายสายไหลเร็วขึ้น) เมื่อความเร็วเพิ่มถึงที่สุด ท่อไอพ่นจะเปิดกว้างขึ้นปล่อยให้แก๊สไหลออกสู่บรรยากาศภายนอกได้อย่างรุนแรงนั่นเอง
ที่มารูป.https://vi.wikipedia.org
ส่วนเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์นั้นแตกต่างไปตามชนิดของจรวด
- จรวดในยุคแรกๆที่เพิ่งทดสอบโดยนักวิทยาศาสตร์ชื่อโรเบิร์ต กอดดาร์ด ใช้ออกซิเจนเหลวกับน้ำมัน
ที่มารูป.https://rabbitfinance.com
- กระสวยอวกาศ รวมทั้งจรวดอย่าง อาริอาน 5 ใช้ออกซิเจนเหลวและไฮโดรเจนเหลว
- จรวดหลายรุ่น เช่น Atlas V ใช้น้ำมันก๊าด (kerosene )กับ ออกซิเจนเหลว เป็นต้น
ที่มารูป. https://commons.wikimedia.org
ที่มารูป.https://en.wikipedia.org/wiki/RP-1
3. จรวดเชื้อเพลิงผสม (hybrid-propellant rocket)
เป็นจรวดที่พยายามนำข้อดีของทั้งจรวดเชื้อเพลิงแข็งและเหลวมาผสมกัน โดยจรวดเชื้อเพลิงผสมจะใช้สารออกซิไดซ์เป็นของเหลว และ เชื้อเพลิงเป็นของแข็ง ทำให้สามารถควบคุมการเผาไหม้และหยุดกลางคันได้ แต่มีความซับซ้อนน้อยกว่าจรวดเชื้อเพลิงเหลว
อย่างไรก็ตาม จรวดเชื้อเพลิงผสมนั้นมีปัญหาทางเทคนิคหลายอย่าง ซึ่งอย่างที่สำคัญคือ อัตราการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงแข็งที่ต้องมาผสมกับสารออกซิไดซ์นั้นเกิดขึ้นช้ากว่าจรวดแบบอื่นๆมาก
ที่มารูป.https://www.slideshare.net/srikanthlaxmanvinjam/hybrid-propellant-rockets
ปัจจุบัน มีหลายหน่วยงานที่พยายามวิจัยและพัฒนาจรวดเชื้อเพลิงผสมเพื่อลดข้อด้อย ซึ่งในอนาคตมันอาจกลายมาเป็นกำลังสำคัญของจรวดตระกูลต่างๆที่ช่วยให้มนุษย์เราสำรวจอวกาศได้กว้างขวางขึ้นก็เป็นได้
ใครสนใจเทคโนโลยีด้านอวกาศและดาวเทียม
กดติดตามเรื่องราวเหล่านี้ได้ที่ GISTDA สำนักงานพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศและภูมิสารสนเทศ (องค์การมหาชน)
#gistdaก้าวเข้าสู่ปีที่19
#gistda #จิสด้า
หนังสือ
Introduction to Aerospace Engineering with a Flight Test Perspective
โดย Stephen Corda
Design Methodologies for Space Transportation Systems
โดย Walter Edward Hammond
Chemical Rocket Propulsion: A Comprehensive Survey of Energetic Materials
Design Methodologies for Space Transportation Systems
โดย Walter Edward Hammond
National Security Space Launch Report
โดย Forrest McCartney
Popular Mechanics มี.ค. 1996
- 30
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
