จรวดมีความสำคัญต่อเทคโนโลยีอวกาศเป็นอย่างมาก เนื่องจากตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบันการส่งวัตถุออกสู่อวกาศนั้นยังคงทำได้วิธีเดียวเท่านั้น นั่นคือ การใช้จรวด
สาเหตุที่จรวดมีความเหมาะสมในการใช้ส่งดาวเทียม เนื่องมาจากคุณลักษณะเด่นสองประการของการขับเคลื่อนด้วยจรวด นั่นคือ ประการแรกจรวดทำงานได้โดยไม่อาศัยอากาศหรือออกซิเจนจากภายนอก จึงสามารถขับเคลื่อนสิ่งต่าง ๆ ในอวกาศได้ และประการที่สอง จรวดสามารถออกแรงขับเคลื่อนอย่างนุ่มนวล ค่อย ๆ เร่งให้วัตถุมีความเร็วสูงขึ้น โดยไม่เกิดความเร่ง หรือ “แรงจี” ที่สูงเกินไป จึงสามารถใช้จรวดส่งมนุษย์ หรืออุปกรณ์ดาวเทียมที่มีความละเอียดอ่อน ขึ้นสู่อวกาศโดยไม่ชำรุดเสียหายได้
คุณลักษณะเด่นของจรวดนั้นมาจากหลักการทำงานของมัน ซึ่งการขับเคลื่อนของจรวดอาศัยหลักการ จากกฎข้อที่สามของนิวตัน “ทุกกิริยาจะมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นในขนาดที่เท่ากัน ในทิศทางตรงกันข้าม”
จรวดจะขับเคลื่อนไปโดยการพ่นแก๊สร้อนที่มีความเร็วสูงออกทางท่อท้ายของจรวด แก๊สร้อนดังกล่าวได้จากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงจรวดหรือดินขับจรวด ในที่นี้ กิริยา คือ โมเมนตัม ของแก๊สร้อน (มวลของแก๊ส คูณกับความเร็วของแก๊ส) ที่พุ่งออกไปทางท้าย ทำให้เกิดปฏิกิริยา คือ ตัวจรวดเกิดโมเมนตัมเพิ่มขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม คือไปข้างหน้า อัตราการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของจรวดนี้เรียกว่า “แรงขับ” (Thrust)
คำศัพท์อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งจะพบเห็นได้เสมอในวงการจรวด ได้แก่ “การดลรวม” (Total Impulse) หมายถึงการดลหรือโมเมนตัมทั้งหมดที่ได้จากส่วนขับเคลื่อนของจรวด เป็นผลคูณระหว่างแรงขับกับระยะเวลาเผาไหม้ของส่วนขับเคลื่อนของจรวดนั้น เป็นค่าที่บ่งชี้ถึงสมรรถนะของส่วนขับเคลื่อนของจรวดว่าจะสามารถขับดันให้ตัวจรวดนั้นเคลื่อนที่ไปได้เร็วและไกลเพียงใด
“การดลจำเพาะ” (Specific Impulse) หมายถึงการดลหรือโมเมนตัมที่ได้ต่อมวลของเชื้อเพลิงหรือดินขับจรวดหนึ่งหน่วย เป็นค่าที่ได้จากการดลรวมหารด้วยมวลของเชื้อเพลิงหรือดินขับจรวด เป็นค่าที่บ่งชี้ถึงสมรรถนะของเชื้อเพลิงหรือดินขับจรวดว่าสูตรนี้ “แรง” เพียงใด
ซึ่งในส่วนขับเคลื่อนของจรวดนั้นจะบรรจุทั้งเชื้อเพลิงและตัวให้ออกซิเจนไว้ภายใน การเผาไหม้เพื่อสร้างแก๊สร้อนสำหรับการขับเคลื่อน จึงไม่ต้องอาศัยออกซิเจนจากภายนอก
จรวดอาจแบ่งออกตามลักษณะของส่วนขับเคลื่อน ได้เป็น 3 ชนิด คือจรวดเชื้อเพลิงเหลว, จรวดเชื้อเพลิงแข็ง และน้องใหม่ของวงการจรวด คือ จรวดลูกผสม (ไฮบริด)
จรวดเชื้อเพลิงเหลวเป็นจรวด ที่ใช้เชื้อเพลิงกับสารออกซิไดส์ ซึ่งเป็นของเหลว บรรจุภายในถังเก็บ สารทั้งสองชนิดจะถูกปั๊มมาพบกันในห้องสันดาป เพื่อเผาไหม้เกิดแก๊สร้อนสำหรับขับดันจรวด ส่วนขับเคลื่อนของจรวดเชื้อเพลิงเหลวเรียกว่าเครื่องยนต์จรวด (Rocket Engine)
จรวดเชื้อเพลิงเหลวมีจุดเด่น คือ ค่า Specific Impulse สูง ตัวอย่างเช่น จรวดส่งดาวเทียมส่วนมากจะมีเครื่องยนต์หลักซึ่งใช้ไฮโดรเจนเหลวเป็นเชื้อเพลิง กับใช้ออกซิเจนเหลวเป็นสารออกซิไดส์ และสามารถปรับเพิ่มหรือลดแรงขับได้โดยการปรับอัตราการจ่ายเชื้อเพลิงและสารออกซิไดส์ แต่จรวดเชื้อเพลิงเหลวมีข้อด้อยคือมักบรรจุเชื้อเพลิงไว้เป็นเวลานานไม่ได้ เนื่องจากเชื้อเพลิงและสารออกซิไดส์มีความเย็นจัด หรือเป็นสารพิษที่กัดกร่อนวัสดุต่าง ๆ เป็นต้น จึงมักต้องมีการเตรียมการนานก่อนยิงจรวด
จรวดเชื้อเพลิงแข็งเป็นจรวดที่เชื้อเพลิงกับสารออกซิไดส์อยู่ในรูปของแข็ง มักผสมอยู่ด้วยกันเป็นแท่งเรียกว่าแท่งดินขับจรวด (Rocket Propellant Grain) ส่วนขับเคลื่อนของจรวดเชื้อเพลิงแข็งเรียกว่ามอเตอร์จรวด (Rocket Motor)
ในดินขับจรวดนั้น บางครั้งเชื้อเพลิงกับตัวออกซิไดส์รวมกันอยู่ในโมเลกุลของสารประกอบชนิดเดียว ตัวอย่างเช่น ดินขับฐานคู่ (Double Base Propellant) ประกอบด้วยสารไนโตรเซลลูโลส และไนโตรกลีเซอรีน โมเลกุลของสารทั้งสองชนิดมีหมู่ “ไนเตรท” ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารออกซิไดส์ ในขณะที่ส่วนที่เหลือของโมเลกุลประกอบด้วย คาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน ทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิง บางครั้งสารที่เป็นเชื้อเพลิงกับสารออกซิไดส์เป็นสารคนละชนิดกัน อยู่ในรูปของผสมที่มีผงสารทั้งสองประเภทรวมกันอยู่โดยมีตัวยึด (Binder) ซึ่งเป็นยางสังเคราะห์ ดินขับประเภทนี้เรียกดินขับคอมโพซิต (Composite Propellant) ข้อเด่นของจรวดเชื้อเพลิงแข็งคือ การใช้งานง่าย และมีความซับซ้อนน้อยกว่า ไม่ต้องมีการเตรียมการล่วงหน้ามาก เมื่อจุดจรวด ก็จะทำงานได้ทันที จึงมักใช้กับจรวดทางทหาร และใช้เป็นจรวดเสริมแรงขับในการส่งดาวเทียม ข้อด้อยของจรวดเชื้อเพลิงแข็งคือ ให้ค่า Specific Impulse น้อยกว่าจรวดเชื้อเพลิงเหลว และเมื่อจุดจรวดแล้ว ไม่สามารถปรับเพิ่มหรือลดแรงขับได้ การกำหนดค่าของแรงขับต้องกระทำโดยออกแบบรูปร่างของพื้นผิวเผาไหม้ของแท่งดินขับ ตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบของจรวดนั้น
จรวด Hybrid เป็นจรวดซึ่งรวมเอาข้อเด่นของเชื้อเพลิงเหลวกับเชื้อเพลิงแข็งเข้าด้วยกัน โดยออกแบบให้เชื้อเพลิงเป็นของแข็งประเภทยางติดตั้งอยู่ในห้องสันดาป ส่วนสารออกซิไดส์นั้นเป็นของเหลว ตัวอย่างเช่น ไนตรัสออกไซด์อัดความดัน ในการใช้งานจะพ่นสารออกซิไดส์เข้าสู่ห้องสันดาป แล้วจุดเพื่อให้ทำปฏิกิริยาเผาไหม้กับแท่งเชื้อเพลิงแข็งเกิดแก๊สร้อนสำหรับขับดันจรวด ข้อเด่นของจรวด Hybrid คือ สามารถปรับเพิ่มหรือลดแรงขับได้โดยการปรับอัตราการไหลของสารออกซิไดส์เหลวนั้น ข้อเด่นอีกประการหนึ่งคือ ให้ค่า Specific Impulse สูงกว่าเชื้อเพลิงแข็ง (แต่ต่ำกว่าเชื้อเพลิงเหลว)
จรวดที่เคลื่อนที่ไปในบรรยากาศนั้น มีแรงกระทำต่าง ๆ ต่อจรวด สามส่วน ส่วนแรก คือน้ำหนักของจรวดซึ่งเกิดจากแรงโน้มถ่วงของโลก ออกแรงดึงจรวดในทิศทางลง กระทำผ่านจุดศูนย์ถ่วง (Center of Gravity – CG) ของจรวด แรงส่วนที่สองคือแรงขับของจรวด จากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงหรือดินขับจรวด ตามที่ได้กล่าวไว้แล้ว มีทิศไปหน้าทางตามแนวกรวยท่อท้ายจรวด (Nozzle) และส่วนที่สามเป็นแรงทางอากาศพลศาสตร์ซึ่ง อาจแตกแรงย่อยออกได้เป็นสองส่วน คือส่วนแรกเป็นแรงต้านอากาศ (Drag) มีทิศทางตรงกันข้ามกับแนวการเคลื่อนที่ของจรวด อีกส่วนหนึ่งเป็นยก (Lift) มีทิศทางตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของจรวด เนื่องจากจรวดมักมีลักษณะที่สมมาตรรอบแนวแกนตามแนวยาวของมัน แรงยกจึงมีผลต่อการเคลื่อนที่ของจรวดไม่มากนัก แต่จะมีผลสำคัญต่อความเสถียรในการเคลื่อนที่หรือการทรงตัวของจรวด
จรวดส่งยานอวกาศหรืออาวุธนำวิถี จะมีระบบควบคุมอัตโนมัติเพื่อให้เกิดความเสถียรในการเคลื่อนที่ โดยจะติดตั้งอุปกรณ์ไจโร ซึ่งตรวจวัดการหมุนของจรวดตามแนวแกนต่าง ๆ ส่งสัญญาณให้ส่วนควบคุม เพื่อคำนวณแล้วส่งสัญญาณไปยังอุปกรณ์บังคับ เช่น ระบบนิวมาติก ซึ่งจะขยับพื้นบังคับของจรวด หรือขยับกรวยท้ายของมอเตอร์จรวด หรือยิงจรวดขนาดเล็กทางด้านข้าง เพื่อปรับทิศทาง ต้านผลจากแรงที่มากระทำต่าง ๆ เหล่านั้น
ในจรวดที่ไม่มีระบบควบคุมอัตโนมัติ รวมถึงจรวดจำลอง จะอาศัยการทรงตัวอย่างง่าย โดยใช้แรงจากอากาศที่ไหลผ่านจรวดจำลองและกระทำต่อครีบหาง
แรงทางอากาศพลศาสตร์ทั้งหมดนั้น สามารถพิจารณาได้ว่าเสมือนกระทำต่อจรวด ที่จุดจุดหนึ่งเรียก Center of Pressure (CP)
ตำแหน่งของ CG และ CP มีความสำคัญต่อการเสถียรของจรวด หาก CG อยู่หน้า CP จรวดจะมีความเสถียรเชิงบวก (Positive Stability) คือเมื่อมีแรงใด มากระทำให้หัวจรวดหันออกจากทิศทางที่เคลื่อนที่อยู่เดิม จะมุมปะทะขึ้นซึ่งเป็นผลให้เกิดแรงยก แรงยกจะทำให้เกิดโมเมนต์ในทิศทางที่พยายามหันหัวจรวดกลับคืนเข้าสู่แนวการเคลื่อนที่เดิม จรวดจึงมีความเสถียร เมื่อยิงจะวิ่งในทิศทางตรง
หาก CG อยู่หลัง CP จรวดจะมีความเสถียรเชิงลบ (Negative Stability) คือเมื่อมีแรงใด มากระทำให้หัวจรวดหันออกจากทิศทางที่เคลื่อนที่อยู่เดิม จะมุมปะทะขึ้นซึ่งเป็นผลให้เกิดแรงยก แรงยกจะทำให้เกิดโมเมนต์ในทิศทางที่พยายามหันหัวจรวด ให้เกิดมุมปะทะมากยิ่งขึ้น จรวดจึงไม่เสถียร ในทางปฏิบัติจรวดจะตีลังกาหมุนไปในอากาศ หรือเลี้ยวอย่างไร้ทิศทาง ซึ่งเป็นอันตราย เพราะจรวดอาจวิ่งเข้าหาผู้คนได้
ข้อมูลอ้างอิง: NASA
