ฟิ้วววว...ฟิ้วววว...ชู่! เสียงจรวดดินขับกว่า 40 ลำ ที่ถูกจุดขึ้นสู่ท้องฟ้าเพื่อประลองความสูง ยังคงดังกึกก้องอยู่ในความทรงจำของเหล่าเยาวชนกว่าร้อยชีวิตที่มาเข้า “ค่ายวิทย์จรวดประดิษฐ์” ค่ายวิทย์แนวทหารที่พาทุกคนไปรู้จักเรื่องราวของ “จรวดดินขับ” แต่ละคนต้องทำอะไรกันบ้าง? และจรวดลำแรกในชีวิตของพวกเขาจะหน้าตาเป็นอย่างไร?
ทีมข่าววิทยาศาสตร์ ASTV-ผู้จัดการออนไลน์ได้ลงภาคสนามติดตามการประดิษฐ์จรวดดินขับใน “ค่ายวิทย์จรวดประดิษฐ์ครั้งที่ 4” ที่จัดขึ้นสำหรับเยาวชนในชั้นมัธยมศึกษาตอนปลาย เมื่อเดือน พ.ค.58 ที่ผ่านมาเป็นเวลา 3 วัน 4 คืน โดยสถาบันเทคโนโลยีป้องกันประเทศ (องค์การมหาชน) หรือ สทป. ณ บ้านวิทยาศาสตร์สิรินธร อุทยานวิทยาศาสตร์ประเทศไทย ก่อนนำผลงานไปแข่งขันกัน ณ สนามประลองจรวดเขาพุโลน ศูนย์การทหารปืนใหญ่ จ.ลพบุรี
เยาวชนที่ได้รับคัดเลือกให้เข้าค่าย ผ่านการพิจารณาผลการเรียน และความคิดสร้างสรรค์จากการเขียนเรียงความ ในหัวข้อ "การสร้างความอยู่รอดของมวลมนุษยชาติในอนาคตด้วยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี" โดยคณะกรรมการจาก สทป.กำหนดขึ้น ซึ่งถือเป็นโอกาสเฉพาะสำหรับเยาวชน เพราะกฏหมายไทยบางข้อยังไม่เอื้อต่อการสร้างหรือดัดแปลงจรวดดินขับไว้ในครอบครอง รวมถึงจรวดของเล่นหรือจรวดสำหรับการทดลองทางวิทยาศาสตร์
วีรวุฒ จารุพันธ์ รักษาการผู้อำนวยการส่วนงานวิศวกรรมอากาศยาน หนึ่งในวิทยากรของ สทป. กล่าวว่า จรวด (Rocket) หมายถึง ยานพาหนะ หรือ อาวุธที่ขับเคลื่อนตัวเองไปข้างหน้า ด้วยการพ่นมวลก๊าซความเร็วสูงไปข้างหลัง ก่อให้เกิดแรงปฏิกริยาตามกฎข้อที่ 3 ของนิวตัน สำหรับจรวดลูกแรกไม่มีปรากฏแน่ชัดว่าถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อไร แต่บันทึกอารยธรรมหลายฉบับได้ยกให้จีนเป็นชาติแรก ที่ประดิษฐ์จรวดเพื่อนำมาใช้ในสงครามกับชาวมองโกล
"ในระยะหลังจรวดได้ถูกพัฒนาเพื่อนำมาใช้ประโยชน์ในอีกหลายรูปแบบทั้งจรวดที่เป็นอาวุธ จรวดป้องกันข้าศึก จรวดช่วยขับดันอากาศยาน ดอกไม้ไฟสวยงาม ตลอดจนจรวดที่ใช้ส่งมนุษย์ขึ้นสู่ห้วงอวกาศ แต่อย่างไรก็ดี จรวดทุกลำล้วนอาศัยหลักการเคลื่อนที่แบบเดียวกันซึ่งก็คือ “กฎของนิวตัน” วีรวุฒบรรยายให้ความรู้
วีรวุฒ อธิบายต่อว่า กฎของนิวตันทั้ง 3 ข้อคือคำอธิบายที่ดีที่สุดของการขับเคลื่อนจรวด โดยเฉพาะกฏข้อที่ 3 ที่กล่าวไว้ว่า ทุกแรงกริยาจะมีคู่แรงปฏิกริยาที่เท่ากันแต่มีทิศตรงข้าม “Action = Reaction” เพราะจรวดขับเคลื่อนตัวเองไปข้างหน้าด้วยการพ่นมวลก๊าซความเร็วสูงไปข้างหลัง
"หากเรานำกฎข้อที่ 3 มาใส่กับวัตถุที่มีรูปร่างแบบจรวดวัตถุนั้นย่อมเคลื่อนที่ได้ นอกจากนี้กฎของความเฉื่อย และกฎของความเร่งก็สามารถนำมาใช้อธิบายการเคลื่อนที่ของจรวดได้ ด้วยหลักการอนุรักษ์โมเมนตัม ที่จรวดจะมีมวลไม่คงที่เพราะขณะเคลื่อนที่จะมีการเผาไหม้พ่นดินขับออกมาเรื่อยๆ ทำให้มวลของจรวดลดลง" วีรวุฒกล่าว
เมื่อทราบถึงหลักการทำงานที่แท้จริงแล้ว ขั้นตอนถัดไปคือการออกแบบเพื่อสนับสนุนการเคลื่อนที่ของจรวดให้ขึ้นไปในอากาศได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งในส่วนนี้ต้องอาศัยปัจจัยแห่งอากาศพลศาสตร์ (Aerodynamics) ที่เกี่ยวข้องกับการไหลของอากาศผ่านวัตถุมาเป็นตัวช่วย ซึ่งแรงพลจนศาสตร์ที่ว่าก็คือ แรงยก (Lift force) และแรงดึง (Drag force) นั่นเอง โดยแรงเหล่านี้จะกระทำที่จุดศูนย์กลางความดัน (Center of pressure: CP) ซึ่งส่งผลต่อวิถีการเคลื่อนที่ของจรวด
ดังนั้นการจะออกแบบให้จรวดสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างมีเสถียรภาพจึงต้องคำนึงถึงอากาศพลศาสตร์ และระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางแรงดันกับจุดศูนย์กลางมวล (Static margin) เป็นอันดับต้นๆ ก่อนที่จะนำองค์ประกอบข้างเคียงอื่นๆ เช่น ครีบจรวด (Fin), หัวจรวด, ชนิดของดินขับ ที่ล้วนมีผลต่อจรวดแต่ละลำเข้ามาร่วมด้วย
นอกจากการออกแบบที่ดี เชื้อเพลิงในระบบขับเคลื่อนจรวดก็เป็นสิ่งสำคัญที่จะทำให้จรวดลำนั้นๆ สามารถเคลื่อนที่ไปได้อย่างมีเสถียรภาพ โดย ไพศาล อภิณพัฒน์ นักวิจัยส่วนงานวิศวกรรมระบบขับเคลื่อน สทป.ให้ข้อมูลว่า เชื้อเพลิงในระบบขับเคลื่อนจรวดมีด้วยกันอยู่หลายชนิด ทั้งเชื้อเพลิงแข็ง, เชื้อเพลิงเหลว, เชื้อเพลิงลูกผสม และเชื้อเพลิงแบบไออน ซึ่งเชื้อเพลิงแต่ละชนิดจะมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไป แต่ค่ายวิทย์จรวดประดิษฐ์นี้จะใช้มุ่งไปที่เชื้อเพลิงแข็งหรือ “ดินขับ” เชื้อเพลิงที่นิยมใช้มากที่สุดสำหรับการทำจรวดประดิษฐ์
ไพศาล กล่าวว่า ดินขับ (Rocket Propellant Grain) หรือดินส่งกระสุน เป็นเชื้อเพลิงขับเคลื่อนจรวดในรูปแบบแท่งอัดแข็ง แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือดินขับเนื้อเดียว และดินขับเนื้อผสม โดยดินขับเนื้อเดียวจะเป็นแท่งเรียบเนียน เกิดจากการอัดรีด (Extrude) หรือ การหล่อ (Cast) สารจำพวกไนโตรเซลลูโลส ไนโตรกลีเซอรีนและตัวเร่งปฏิกริยาเข้าด้วยกันแต่พลังงานที่ได้มักต่ำกว่า ดินขับแบบเนื้อผสม ที่มีเนื้อหยาบเพราะเกิดจากการนำสารเคมีมาผ่านการบดและผสมก่อนอัดขึ้นเป็นของแข็ง
การอัดดินขับแบบเนื้อผสมเป็นเนื้อแข็ง มีืทั้งในรูป
-ดินดำ ที่นำส่วนผสมของโพแทสเซียมไนเตรด, ถ่าน, ซัลเฟอร์โพแทสเซียมไนเตรดมาอัดเป็นแท่งแบบมีแกนกลาง ดินขับแบบไพโรเทคนิคที่เกิดจากการนำโซเดียมเอไซด์ เพนตะอะมิโนเททระโซลและโพแทสเซียมเปอร์คลอเรตมาอัดขึ้นรูปเป็นเม็ด
-ดินขับแบบคอมโพสิต ที่เกิดจากของผสมจากดินขับ 2 ชนิดแรกมาหล่อและอัดรีดจนเป็นดินขับที่มีประสิทธิภาพดีที่สุด ซึ่งจรวดที่น้องๆ ทำขึ้นก็จะถูกบรรจุด้วยดินขับแบบคอมโพสิทที่มีแรงขับ 100 นิวตันเท่ากันทุกๆ กลุ่ม
ด้านนาวาอากาศโท รศ.โอฐศิลป์ นิลุบล รองศาสตราจารย์กองการศึกษา โรงเรียนนายเรืออากาศนวมินทกษัตริยาธิราช วิทยากรพิเศษที่มาร่วมบรรยายเกี่ยวกับการออกแบบจรวด กล่าวแก่ทีมข่าววิทยาศาสตร์ว่า จรวดจะดีหรือไม่ดี ขึ้นอยู่กับการออกแบบทั้งหมด เพราะทุกๆ ส่วนของจรวดมีผลต่อการทะยานเพื่อต่อสู้กับแรงกดดันอากาศบนฟากฟ้า
"จรวดที่ดีหรือที่ในวงการเรียกกันว่าจรวดที่มีเสถียรภาพ จะต้องเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ไม่แกว่ง ไม่ควง ไม่ส่าย หรือตีลังกาเลี้ยวกลับมาหาผู้ปล่อย ซึ่งการรักษาโมเมนตัมของจรวดเกิดจากการคำนวณระยะห่างระหว่างจุด CG-CP รวมไปถึงการออกแบบสัดส่วนและองค์ประกอบต่างๆ ทั้งหัวจรวด ท่อลำตัว ร่มชูชีพ ท้ายจรวด และส่วนครีบ" นาวาอากาศโท รศ.โอฐศิลป์กล่าว
ก่อนการออกแบบทุกครั้งนาวาอากาศโท รศ.โอฐศิลป์แนะว่า ผู้ประดิษฐ์จะต้องทราบภารกิจของจรวดก่อนว่าทำไปเพื่ออะไร มีวัตถุประสงค์ในการสร้างเป็นอย่างไร แล้วจึงออกแบบต่อไปว่าภายในจรวดจะบรรจุอะไรลงไปบ้าง ในค่ายนั้นต้องการจรวดประดิษฐ์ที่สามารถทำความสูงได้มากที่สุด โดยมีข้อจำกัดคือ ขนาดของท่อลำตัวถูกกำหนดให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน และใช้ดินขับคอมโพสิทความแรงเท่ากัน ดังนั้น เสถียรภาพของจรวดจึงขึ้นอยู่กับการออกแบบ
"จรวดที่ดีจะต้องขึ้นตรงจากจุดปล่อยไปยังจุดสูงสุด แล้วตกลงมาช้าๆ แบบได้รับความเสียหายน้อย การออกแบบชิ้นส่วนภายนอกจะต้องคำนึงถึง แรงต้านและเสถียรภาพเป็นหลักแล้วถึงมาสู่ขั้นการออกแบบแต่ละส่วนของจรวด ซึ่งล้วนแล้วแต่มีความละเอียดอ่อนด้วยกันทั้งสิ้นตั้งแต่ส่วนหัว ส่วนท่อลำตัว ส่วนครีบ ไปจนถึงการทำลวดลายและพ่นสีเพื่อความสวยงาม” นาวาอากาศโท รศ.โอฐศิลป์ เผย
วิทยากรพิเศษเผยต่อไปว่า คนทั่วไปมักคิดไปเองว่าจรวดหัวยิ่งแหลมจะยิ่งเคลื่อนที่ได้เร็ว แต่สำหรับจรวดประดิษฐ์ที่ไม่ได้เคลื่อนที่ในย่านความเร็วสูงนัก หัวจรวดทรงวงรีจะมีแรงต้านอากาศน้อยกว่าทำให้เคลื่อนที่ได้สูงขึ้น ต่อมาคือการออกแบบท่อลำตัว ภายในท่อลำตัวจะมีการบรรจุอุปกรณ์ต่างๆ ทั้งร่มชูชีพที่จะพาจรวดกลับมาสู่พื้น อุปกรณ์ที่ต้องการจะติดไปกับจรวด เช่น กล้องขนาดเล็ก เป็นต้น
แม้กระทั่งแท่งดินขับที่เป็นแหล่งเชื้อเพลิง (Motor) น้ำหนักที่เหมาะสมจึงเป็นสิ่งที่สำคัญ เพราะน้ำหนักยิ่งมากจรวดก็จะยิ่งขึ้นได้ต่ำ และถ้าจรวดมีสัดส่วนที่ใหญ่เทอะทะก็จะทำให้ต้องเผชิญกับแรงต้านมหาศาลด้วย ซึ่งผู้เชี่ยวชาญแนะนำว่าจรวดที่ดีควรมีความยาวประมาณ 10-15 เท่าของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของจรวด ดังนั้น จรวดของน้องๆ ที่ถูกกำหนดด้วยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อกระดาษขนาด 2.5 นิ้ว จึงมีความยาวอยู่ที่ประมาณ 65-90 เซนติเมตร
ขั้นตอนสำคัญที่จะเป็นตัวชี้ชะตาว่าจรวดลำนั้นจะลอยขึ้นฟ้าหรือร่วงปักดิน นั่นก็คือ การคำนวนค่าศูนย์กลางความดัน (CP) และค่าศูนย์กลางมวล (CG) เพื่อหาค่า Static Margin ที่เป็นตัวบ่งบอกความเสถียร โดยจรวดที่มีเสถียรภาพจะต้องจำให้ขึ้นใจเลยว่าจะต้องออกแบบให้จุด CG อยู่หน้า CP เสมอในระยะห่างที่พอเหมาะที่เมื่อคำนวณออกมาแล้วมีระยะห่างอยู่ที่ 1-2 ในหน่วยคาลิเบอร์ (Caliber) ซึ่งขั้นตอนนี้โปรแกรมประยุกต์ที่ใช้สำหรับการออกแบบจรวดจะคำนวณออกมาให้ จากนั้นก็มาถึงการออกแบบครีบจรวด (Fin) อีกส่วนหนึ่งที่จะช่วยควบคุมทิศทางการบินให้เป็นไปตามเป้าหมาย
การออกแบบครีบจะเริ่มจากการเลือกตำแหน่งที่จะติด,จำนวน, ขนาดและรูปร่างซึ่งมีให้เลือกอยู่ไม่น้อยแต่ทั้งหมดจะขึ้นอยู่กับค่าขอบเขตสถิต (Static Margin) จากนั้นจึงตรวจสอบด้วยการทดสอบการแกว่ง (Swing Test) โดยการผูกเชือกที่จุดศูนย์กลางมวลของจรวดแล้วแกว่งรอบตัวถ้าปรากฏว่าหัวจรวดเคลื่อนที่นำและมีวงรอบการหมุนที่ดี ก็สามารถนำไปประดิษฐ์จริงได้
ในขั้นตอนนี้ น.ส.เจนจิรา แดงปะละ นักเรียนชั้น ม.5 โรงเรียนวัฒโนทัยพายัพ จ.เชียงใหม่ เผยว่า อาจฟังดูยุ่งยากแต่ความจริงแล้วสนุก เพราะถึงแม้การคำนวณจะต้องทำด้วยสมการที่ซับซ้อน แต่พอถึงเวลาออกแบบจริงก็จะได้ใช้โปรแกรมช่วยคำนวณจากพี่ๆ โปรแกรมเมอร์ในค่ายมาช่วยให้การทำงานง่ายขึ้น
เจนจิรา เผยว่าการทำจรวดสำหรับเธอไม่ใช่เรื่องยากเกินความสามารถ เพราะก่อนการทำจริง วิทยากรและพี่ๆ จาก สทป.ได้อธิบายและสอนหลักการต่างๆ จนเข้าใจเกือบทั้งหมด อีกทั้งตอนจับกลุ่มเริ่มการทำงานจริง เธอยังได้เจอกับเพื่อนใหม่ต่างโรงเรียนที่มาเข้าค่ายร่วมกันให้ความช่วยเหลือ จนจรวดออกมาเสร็จสมบูรณ์ภายในเวลา
เธอได้ลงมือทำตั้งแต่การเหลาหัวจรวด ตัดไม้พัลซ่าเพื่อทำครีบ ไปจนถึงการพ่นสี ซึ่งเป็นประสบการณ์ที่ค่อนข้างแปลกใหม่และตอบโจทย์เด็กผู้หญิงจากโรงเรียนต่างจังหวัดอย่างเธอ เพราะเจนจิราฝันอยากเป็นนักวิจัยและแอดมิชชั่นเข้าคณะวิทยาศาสตร์ ค่ายจรวดประดิษฐ์ที่เธอมาเข้าร่วมครั้งนี้จึงให้อะไรกับเธอมากกว่าการทำจรวดดินขับเป็น
ด้านนายพงศกร ยอดรัก หรือน้องก้อง นักเรียนชั้น ม.6 จากโรงเรียนบางพลีราษฎร์บำรุง จ.สมุทรปราการที่มาเข้าค่ายเพื่อหาประสบการณ์เพียงลำพังแถมยังคว้าแชมป์จากการแข่งขันจรวดขนาดเล็ก เผยกับทีมข่าววิทยาศาสตร์ ASTV-ผู้จัดการออนไลน์ว่า เขามีความฝันเล็กๆ อยากเป็นวิศวกร เพราะชื่นชอบเครื่องยนต์กลไกและชอบฟิสิกส์การคำนวณอยู่เป็นทุนเดิม
ทั้งนี้พงศกรได้เผยเทคนิคที่ทำให้จรวดประดิษฐ์ของทีมพงศกรได้รางวัลที่ 1 ด้วยว่า เขาแยกลำตัวจรวดออกเป็น 2 ตัว คือส่วนบ่ารับหัวจรวดที่เสียบกับหัวจรวด และส่วนล่างเพราะได้รับคำแนะนำจากวิทยากรว่าเมื่อจรวดขึ้นสู่ท้องฟ้า จุดศูนย์กลางมวล และจุดศูนย์กลางความดันจะแยกออกจากกัน โดยจะแบ่งงานออกไปตามความถนัดของสมาชิกในกลุ่มที่มีทั้งสิ้น 5 คน
“ผมรับผิดชอบหัวจรวดแล้วก็ครีบครับ ใช้เวลาเกือบ 1 วันเต็มกว่าจะเสร็จ เหนื่อยแต่สนุกดีแล้วผมก็ไม่เคยทำมาก่อนเลยค่อนข้างสนุกกับมัน ส่วนหัวจรวดผมต้องนั่งเหลาโฟมจากก้อนสี่เหลี่ยมทื่อๆ จนมนเป็นหัวจรวดตามแบบที่ต้องการ เล่นเอาเมื่อยเลยครับ แต่ผมว่าที่สำคัญกว่าน่าจะเป็นการทำให้ได้จรวดสมดุล ซึ่งต้องจำไว้เสมอว่าจุด CP ต้องอยู่ข้างหลัง CG ไม่เกิน 1.5-2 คาลิเบอร์เสมอ ทีมของผมใช้ 1.6 เพราะพี่เลี้ยงบอกว่าจุดทั้งสองจะแยกกันเมื่อเคลื่อนที่ ซึ่งก็ได้ผลจริง จรวดของทีมผมพุ่งขึ้นไปสูงถึง 469 เมตร ดีใจมากครับ เอาแค่ตอนเห็นจรวดของตัวเองพุ่งขึ้นฟ้าได้ ยังไม่รู้ว่าได้ที่ 1 นี่ก็ดีใจมากๆ แล้ว เพราะสำหรับผมนี่คือจรวดดินขับเลยนะ จรวดที่ทหารเขาใช้เลยนะ ไม่ใช่จรวดขวดน้ำแบบที่เคยทำ เป็นประสบการณ์ที่ดีคิดถูกแล้วที่มาเข้าค่ายนี้ครับ” พงศกรกล่าวทิ้งท้ายแก่ ทีมข่าววิทยาศาสตร์ ASTV-ผู้จัดการออนไลน์
*******************************
