แรงขับดันสู่อวกาศ


คุณอาจจะเคยเป่าลูกโป่งจนเต็มแล้วปล่อยให้ลูกโป่งวิ่งไปข้างหน้าโดยลมที่ขับ ออกจากปากลูกโป่ง การที่ลูกโป่งสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้เกี่ยวข้องกับปริมาณของลมที่ออก จากปากลูกโป่ง ยิ่งมีปริมาณของลมออกจากปากลูกโป่งมากเท่าไหร่ ก็จะยิ่งเกิดแรงไปข้างหน้ามากขึ้นเท่านั้น แรงดังกล่าวนี้สามารถผลักลูกโป่งให้มีการเคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามกับ ทิศการไหลออกของปริมาณลมได้ หลักการดังกล่าวสามารถมาใช้อธิบายการเคลื่อนที่ของจรวดได้ดังรูป








หลักการขับดันให้จรวดสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้




     นั่นหมายถึงจรวดจะยิ่งทะยานไปข้างหน้าด้วยความเร็วมากขึ้นถ้ามวลบางส่วนถูก ทิ้งออกไปทางด้านหลัง ต้นแบบของจรวดเกิดขึ้นในราวคริสตศตวรรษที่ 13 โดยชาวจีนเป็นผู้คิดค้นขึ้นเพื่อใช้ในการทหารจรวดชนิดแรกๆ นี้จะใช้แรงขับดันจากการเผาไหม้ของส่วนผสมระหว่างถ่านไม้ ดินประสิว และกำมะถันแรงขับดันดังกล่าวสามารถทำให้จรวดพุ่งทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้าได้แต่ ยังไม่แรงพอที่จะทำให้จรวดมีความเร็วถึงความเร็วหลุดพ้น จนในปี พ.ศ. 2469 โรเบิร์ต กอดดาร์ด นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันได้ประดิษฐ์จรวดที่ใช้เชื้อเพลิงเหลวจากน้ำมันและ ออกซิเจนเหลวเป็นตัวขับเคลื่อน จรวดดังกล่าวเป็นต้นแบบของจรวดสมัยใหม่ที่มีการปรับปรุงประสิทธิภาพให้เป็น จรวดที่มีแรงขับดันสูงมากยิ่งขึ้นไปอีก จนในวันที่ 24 กุมภาพันธ์ 2492ประเทศเยอรมนีสามารถสร้างจรวดลำแรกที่เรียกว่า วี 2 และถูกใช้เดินทางออกสู่ห้วงอวกาศได้สำเร็จโดยใช้เชื้อเพลิงจากแอลกอฮอล์และ ออกซิเจนเหลวเป็นตัวขับเคลื่อน



จรวด วี2 ถูกส่งออกไปนอกอวกาศเป็นครั้งแรกในสมัยสงครามโลกครั้งที่ 2





     หลักการเบื้องต้นในการขับเคลื่อนจรวดโดยใช้เชื้อเพลิงจากแอลกอฮอล์ โดยมีออกซิเจนเหลวเป็นตัวเผาไหม้ เริ่มจากการสูบเอาสารทั้งสองมาผสมกันที่ห้องเผาไหม้ด้วยความเร็วภายใต้ความ ดันสูง ทำให้เกิดการเผาไหม้ และเกิดก๊าซไหลออกจากปลายจรวดในปริมาณมาก จรวดจึงสามารถเคลื่อนไปข้างหน้าได้ แต่ทั้งนี้ทั้งนั้นห้องเผาไหม้และปลายจรวดจะต้องใช้วัสดุที่ทนความร้อนสูง และมีการหล่อเย็นด้วยของเหลวอุณหภูมิต่ำตลอดเส้นทางที่เคลื่อนที่ และจะต้องไม่มีเชื้อเพลิงรั่วไหลออกจากบริเวณอื่นนอกจากที่ปลายจรวดเท่านั้น






กลไกขับเคลื่อนจรวดโดยใช้เชื้อเพลิงเหลวอย่างง่าย




     นอกจากใช้แอลกอฮอล์และออกซิเจนเหลวดังเช่นจรวด วี 2 เป็นเชื้อเพลิงในการขับเคลื่อนแล้ว ในโครงการอะพอลโลได้ใช้น้ำมันก๊าซและออกซิเจนเป็นเชื้อเพลิง ส่วนโครงการอวกาศหลักๆโดยทั่วไปขององค์การนาซาใช้ไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจน เหลวเป็นเชื้อเพลิงขับเคลื่อน

ในปัจจุบันได้มีการพัฒนาเชื้อเพลิงขับดันยานอวกาศโดยอาศัยการเร่งอนุภาคมี ประจุหรือไอออนของธาตุ แทนการเผาไหม้และปลดปล่อยก๊าซออกสู่ห้วงอวกาศของจรวด โดยการวิจัยของหน่วย JPL (Jet Propulsion Laboratory) ในองค์การนาซา และถูกนำไปใช้ในโครงการ Deep space ซึ่งได้สำรวจดาวเคราะห์น้อยและดาวหางในปี พ.ศ. 2541




ภาพถ่ายไอออนของธาตุซีนอนซึ่งออกมาจากห้องสุญญากาศ