ในประวัติศาสตร์การบิน ยานพาหนะที่เดินทางด้วยความเร็วระดับไฮเปอร์โซนิก (Hypersonic) หรือเร็วกว่าเสียง 5 เท่าขึ้นไป มักต้องพึ่งพาแรงขับดันมหาศาลจากจรวดเชื้อเพลิงแข็งหรือของเหลว ทว่าในวันที่ 16 พฤศจิกายน 2004 องค์การ NASA ได้สร้างหมุดหมายครั้งสำคัญเหนือมหาสมุทรแปซิฟิก ด้วยการปล่อยอากาศยานไร้คนขับขนาดเล็กความยาวเพียง 3 เมตรเศษ นามว่า X-43A จากใต้ปีกเครื่องบินทิ้งระเบิด B-52B
ยานลำดังกล่าวเร่งความเร็วทะลุไปถึง Mach 9.6 (ประมาณ 11,200 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) ซึ่งเร็วกว่ากระสุนปืนไรเฟิลเกือบ 10 เท่า หากเดินทางด้วยความเร็วระดับนี้จากกรุงเทพฯ ไปลอนดอนจะใช้เวลาไม่ถึง 40 นาที แต่สิ่งที่น่าทึ่งยิ่งกว่าความเร็ว คือหัวใจขับเคลื่อนของมัน: เครื่องยนต์ที่ไม่มีชิ้นส่วนกลไกขยับได้เลยแม้แต่ชิ้นเดียว (No Moving Parts) ไม่มีใบพัดหมุน ไม่มีเทอร์ไบน์ใด ๆ ทั้งสิ้น นี่คือผลลัพธ์จากโครงการ Hyper-X ของ NASA ที่ทุ่มงบประมาณกว่า 230 ล้านดอลลาร์ และพัฒนาต่อเนื่องยาวนานถึง 8 ปี
ทำไมเครื่องยนต์เจ็ทแบบเดิมถึงไปต่อไม่ได้?
เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ท (Turbojet) ทั่วไปใช้ใบพัดขนาดใหญ่ด้านหน้าเพื่อดูดและอัดอากาศ ก่อนฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปจุดระเบิด แต่เมื่อความเร็วเข้าใกล้ระดับ Mach 5 อากาศที่ปะทะเข้ามาจะไม่ใช่สายลมธรรมดาอีกต่อไป ทว่ามีความหนาแน่นและแรงต้านประหนึ่ง “กำแพงคอนกรีต” แรงเสียดทานมหาศาลนี้พร้อมที่จะฉีกใบพัดโลหะที่กำลังหมุนอยู่ให้แหลกเป็นชิ้นๆ ได้ทันที
วิศวกรจึงต้องย้อนกลับไปคิดจากหลักการพื้นฐาน (First Principles) ว่า: หากใบพัดทนไม่ไหว ก็จงตัดใบพัดทิ้งไปให้หมด
- Ramjet
เป็นจุดเริ่มต้นของการตัดใบพัดทิ้ง โดยอาศัยความเร็วของตัวยานพุ่งชนอากาศเพื่อบีบอัดเข้าสู่ท่อโดยตรง - ทางตันของ Ramjet
เครื่องยนต์ Ramjet มีกฎเหล็กทางฟิสิกส์ว่า ต้องชะลออากาศที่ทะลักเข้ามาให้ช้ากว่าความเร็วเสียง (Subsonic) ก่อนทำการจุดระเบิด แต่เมื่อยานบินเร็วถึงระดับ Mach 7 หรือ Mach 10 การเบรกอากาศกะทันหันในท่อแคบจะเปลี่ยนพลังงานจลน์เป็นความร้อนสะสมที่สูงจนวัสดุทุกชนิดละลาย ยิ่งไปกว่านั้น ยังเกิดปรากฏการณ์ Thermal Dissociation ที่โมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจนแตกตัวแบบดูดความร้อน (Endothermic) ส่งผลให้พลังงานจากการระเบิดถูกดูดซับไปจนหมดและสูญเสียแรงขับดันในที่สุด
กำเนิด Scramjet: หักดิบฟิสิกส์ ไม่ยอมเบรกอากาศ
NASA จึงแก้เกมด้วยการพัฒนา Scramjet (Supersonic Combustion Ramjet) ซึ่งยอมหักดิบด้วยการไม่ชะลอความเร็วของอากาศ แต่ปล่อยให้อากาศไหลผ่านห้องเผาไหม้ด้วยความเร็วเหนือเสียงไปเลย
โจทย์นี้สร้างความท้าทายระดับสุดขั้ว เพราะมวลอากาศมีเวลาอยู่ในห้องเผาไหม้ (Residence Time) เพียง 0.001 วินาที เท่านั้น ซึ่งนักวิจัยเปรียบเทียบว่า ยากราวกับ “การพยายามจุดไม้ขีดไฟให้ติดท่ามกลางพายุเฮอร์ริเคนระดับ 5”
วิศวกรเอาชนะโจทย์ที่เป็นไปไม่ได้นี้ด้วย 3 นวัตกรรมอากาศพลศาสตร์
- Shock-on-Lip (รูปทรงยานคือคอมเพรสเซอร์)
ขอบจมูกยานถูกออกแบบมุมเฉียงอย่างแม่นยำเพื่อตัดอากาศจนเกิดคลื่นกระแทกแบบเฉียง (Oblique Shock Waves) คลื่นนี้ทำหน้าที่เสมือน “กำแพงล่องหน” ช่วยบีบอัดอากาศให้แน่นและร้อนจัดพุ่งเข้าสู่ช่องรับลมด้านล่างได้พอดี โดยไม่ต้องพึ่งพากลไกบดอัดใดๆ - Cavity Flameholder (หลุมหลบภัยของเปลวไฟ)
เจาะโพรงเว้าขนาดเล็กไว้ที่ผนังห้องเครื่อง เพื่อสร้างกระแสลมหมุนวนจิ๋ว คล้ายแอ่งน้ำวนนิ่ง ๆ ด้านหลังก้อนหินใหญ่กลางสายน้ำเชี่ยว ทำหน้าที่เป็นที่หลบภัยให้เปลวไฟคงอยู่ได้ พร้อมทั้งใช้ก๊าซ ไซเลน (Silane) ซึ่งสามารถลุกไหม้ได้เองทันทีเมื่อสัมผัสออกซิเจนเป็นตัวจุดนำร่อง ก่อนฉีดเชื้อเพลิงหลักคือ ไฮโดรเจน เข้าไปเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ - ท่อ Isolator ป้องกัน Inlet Unstart
เพื่อป้องกันไม่ให้แรงดันระเบิดดันย้อนกลับออกไปทางช่องรับลมด้านหน้า (ซึ่งจะทำลายกำแพงคลื่นกระแทกและทำให้เครื่องยนต์ดับกะทันหันจนตัวยานฉีกขาดกลางอากาศ) วิศวกรจึงใส่ท่อ Isolator ไว้คอยดูดซับแรงกระแทก (Shock Train) ช่วยรักษาเสถียรภาพของความดันไม่ให้ย้อนกลับ
บทเรียนราคาแพงจากความล้มเหลวสู่ความสำเร็จ
การทดสอบเที่ยวบินแรกของ X-43A เมื่อวันที่ 2 มิถุนายน 2001 จบลงด้วยหายนะ หลังปล่อยยานได้เพียง 13 วินาที จรวดบูสเตอร์ Pegasus สั่นสะบัดด้วยความถี่ 2.5 Hz จนปีกและหางเสือรับแรงบิดไม่ไหวและฉีกขาดออกจากกัน ทำให้ต้องสั่งทำลายยานทิ้งกลางทะเล
สิ่งที่น่าตกใจคือความล้มเหลวไม่ได้มาจากตัวเครื่องยนต์ Scramjet หรือวัสดุโครงสร้าง แต่เกิดจาก โมเดลทางคณิตศาสตร์ที่ใช้กับระบบ Auto Pilot คลาดเคลื่อน โดยคอมพิวเตอร์ประเมินแรงต้านอากาศพลศาสตร์ (Dynamic Pressure) ต่ำกว่าความเป็นจริง
ทีมงาน NASA ใช้เวลา 2 ปีเต็มในการถอดบทเรียนและแก้ปัญหา
- ถ่ายเชื้อเพลิงแข็งออกจากจรวดบูสเตอร์ไปถึง 3,400 ปอนด์ และปรับลดเพดานบินปล่อยยานลงมาที่ 40,000 ฟุต เพื่อให้จรวดเร่งความเร็วอย่างนุ่มนวลและลดแรงเค้นต่อโครงสร้าง
- ปรับปรุงวาล์วระบบไนโตรเจนใหม่
- รื้อซอฟต์แวร์ควบคุมและติดตั้งอัลกอริทึม DUScram เพื่อปรับลดการจ่ายเชื้อเพลิงแบบ Real-time ป้องกันแรงดันย้อนกลับ
ความพยายามดังกล่าวผลิดอกออกผลอย่างงดงาม เที่ยวบินที่สองทำความเร็วได้ถึง Mach 6.8 และเที่ยวบินที่สามสามารถทะยานแตะสถิติโลกที่ Mach 9.6 ได้สำเร็จ โดยข้อมูลการบินจริงตรงกับแบบจำลองคอมพิวเตอร์อย่างแม่นยำ
กุญแจปฏิวัติการเดินทางสู่อวกาศ
เป้าหมายสูงสุดของการทุ่มงบประมาณมหาศาลเพื่อพัฒนา Scramjet ไม่ใช่แค่การสร้างสถิติความเร็ว แต่คือเรื่องของ ความคุ้มค่าและประสิทธิภาพของเชื้อเพลิง (Specific Impulse)
ในการปล่อยจรวดสู่อวกาศแบบดั้งเดิม น้ำหนักประมาณ 70–80% ของจรวดคือถังออกซิเจนเหลว ที่ต้องแบกขึ้นไปใช้จุดระเบิดในอวกาศ ทำให้เหลือพื้นที่บรรทุกสัมภาระ (Payload) เพียงนิดเดียว แต่เครื่องยนต์ Scramjet เป็นระบบ Air-breathing ที่ “หายใจ” เอาออกซิเจนจากบรรยากาศรอบตัวเข้ามาเผาไหม้ได้เอง ทำให้ช่วงที่บินผ่านชั้นบรรยากาศโลก ยานไม่จำเป็นต้องแบกถังออกซิเจนขนาดมหึมา ส่งผลให้น้ำหนักเบาลง และเพิ่มพื้นที่สำหรับบรรทุกดาวเทียมหรือสัมภาระได้มากขึ้นด้วยต้นทุนที่ประหยัดลงอย่างมหาศาล
เรื่องราวของ NASA X-43A คือข้อพิสูจน์อันทรงพลังของวิธีคิดแบบ First Principles การกล้าทิ้งกลไกใบพัดที่คุ้นเคยมานานนับศตวรรษ แล้วเปลี่ยนให้รูปทรงภายนอกของตัวยานทำหน้าที่เป็นเครื่องยนต์เสียเอง เปลี่ยนคลื่นกระแทกที่เป็นอุปสรรคให้กลายเป็นกำแพงบีบอัดอากาศ สะท้อนให้เห็นว่าในบางครั้ง การตัดความซับซ้อนทิ้งไปแล้วปล่อยให้สภาวะแวดล้อมทางธรรมชาติดำเนินไปตามหลักฟิสิกส์ อาจเป็นคำตอบที่ปลดล็อกขีดจำกัดทางเทคโนโลยีได้อย่างแท้จริง