การพัฒนาเครื่องยนต์จรวดที่สร้างขึ้นตั้งแต่ต้น
(blog.ablspacesystems.com)- เครื่องยนต์ E2 ของ ABL เป็นเครื่องยนต์จรวดแบบ gas generator cycle ที่ใช้ Jet-A และออกซิเจนเหลว โดยเครื่อง qualification สามารถทำอายุการใช้งานได้ 4 เท่า โดยสมรรถนะไม่ลดลง แม้หลังการสตาร์ต 28 ครั้งและการเผาไหม้รวม 1300 วินาที
- โปรแกรมระบบขับดันที่เริ่มในปี 2018 นั้นใกล้เคียงกับการพัฒนาแบบ clean-sheet ไม่ใช่แค่ตัวเครื่องยนต์ แต่รวมถึงโครงสร้างพื้นฐานการทดสอบ ซอฟต์แวร์ทดสอบ และสนามทดสอบที่สร้างขึ้นเองทั้งหมด และภายใน 4 ปีก็ติดตั้งเครื่องยนต์ที่พร้อมบินได้ 10 เครื่องบนจรวด
- การเลือกช่วงแรกเน้นความเรียบง่าย ได้แก่ turbopump แบบเพลาเดี่ยว ห้องเผาไหม้ Inconel พิมพ์ 3 มิติ และ pintle injector แต่โครงสร้างอินเจ็กเตอร์และการออกแบบ turbopump ก็เปลี่ยนไปอย่างต่อเนื่องตามผลการทดสอบ
- เมื่อการจ้างผลิต impeller และ turbine ภายนอกต้องใช้เงินราว 18,000 ดอลลาร์ และมี lead time 4 เดือนต่อชิ้น ABL จึงนำงานเข้ามาทำเองด้วยเครื่องกัด 5 แกนและบุคลากรด้านการผลิต ทำให้สามารถออกแบบ impeller ที่มีปัญหาใหม่และทดสอบซ้ำได้ภายใน 10 วัน
- แกนกลางของการพัฒนาคือการทดสอบ hotfire แบบทำซ้ำ และ ABL ยังคงสะสมข้อมูลจากการสตาร์ตหลายร้อยครั้งและการเผาไหม้รวมหลายชั่วโมงจากเครื่องยนต์ 50 เครื่อง ที่ 3 ไซต์ และแท่นทดสอบ 6 แท่น เพื่อนำไปปรับปรุงต่อเนื่อง
สถานะปัจจุบันและโครงสร้างพื้นฐานของเครื่องยนต์ E2
- เครื่องยนต์ E2 คือเครื่องยนต์จรวดของ ABL ที่เรียบง่าย แข็งแรง และมีความทนทานต่อปัญหา
- ล่าสุด เครื่อง E2 สำหรับ qualification ทำอายุการใช้งานได้ 4 เท่า เมื่อวัดจากเวลาการเผาไหม้รวมและจำนวนครั้งที่สตาร์ต
- เครื่องดังกล่าวยังไม่แสดงสัญญาณว่าสมรรถนะลดลง แม้หลังการสตาร์ต 28 ครั้งและ runtime 1300 วินาที
- เชื้อเพลิงขับดันคือ Jet-A และ ออกซิเจนเหลว
- ทั้งสองชนิดถือเป็นเชื้อเพลิงขับดันที่หาได้ง่ายที่สุดในโลก
- เครื่องยนต์ใช้ gas generator cycle และขับเคลื่อนด้วย turbopump แบบเพลาเดี่ยว
- จรวด RS1 ใช้ E2 อยู่ 3 แบบย่อย
- ขั้นที่ 2: E2 Vacuum
- ขั้นที่ 1: E2 Sea Level Radial
- กลางขั้นที่ 1: Center ซึ่งเป็นรุ่นสองห้องเผาไหม้ของ Radial
- เครื่องยนต์แต่ละตัวให้แรงขับมากกว่า 16,000 lbf ในสุญญากาศ และ ABL เป็นผู้ออกแบบ ผลิต และทดสอบภายในบริษัททั้งหมด
โปรแกรมเครื่องยนต์ที่เริ่มจาก clean-sheet
- โปรแกรมเครื่องยนต์ของ ABL เริ่มขึ้นในปี 2018 โดยอาศัย สัญชาตญาณเชิงกล, ความอยากรู้ และการแก้ปัญหาเชิงปฏิบัติ มากกว่าประสบการณ์ตรงด้านเครื่องยนต์
- การเรียนรู้ในช่วงแรกอาศัยตำรา, NASA monograph และงานวิจัยเป็นหลัก
- NASA monograph มีข้อมูลเกี่ยวกับปัญหาการออกแบบ วิธีแก้ กฎประสบการณ์ และการเลือกวัสดุของเครื่องยนต์จรวดและชิ้นส่วนต่าง ๆ ในยุคทศวรรษ 1960
- การออกแบบเครื่องยนต์จรวดส่วนใหญ่มักมีจุดตั้งต้น เช่น เครื่องยนต์เดิม ตัวสาธิตเทคโนโลยี ชิ้นส่วนที่ซื้อจากภายนอก หรือ IP แต่ ABL แทบจะเริ่มจาก clean-sheet จริง ๆ
- ชิ้นส่วนขนาดเล็กบางอย่าง เช่น seal, bearing และ sensor ซื้อจาก vendor
- แต่ตัวเครื่องยนต์หลัก โครงสร้างพื้นฐานการทดสอบ ซอฟต์แวร์ทดสอบ และสนามทดสอบนั้นออกแบบและสร้างขึ้นเอง
- เพื่อหลีกเลี่ยงสถานการณ์ที่มีทางเลือกมากเกินไป ทีมจึงล็อกการออกแบบหลักอย่างรวดเร็วในช่วงต้น
- gas generator cycle ถูกเลือกเพราะให้ประสิทธิภาพระดับกลาง และสามารถทดสอบหรือปรับแต่งแต่ละองค์ประกอบได้ค่อนข้างอิสระจากกัน
- พื้นที่งานหลักถูกแบ่งเป็น turbopump, ห้องเผาไหม้หลัก, อินเจ็กเตอร์ของห้องเผาไหม้หลัก และ gas generator
- การ sizing ในช่วงแรกทำผ่านการรวบรวมสมการไว้ในสเปรดชีต Excel
- คำนวณลำดับจากแรงขับที่ต้องการ อัตราการไหลของเชื้อเพลิง เส้นผ่านศูนย์กลางทางออกของห้องเผาไหม้ ไปจนถึงการ sizing impeller ของ turbopump
- หลังจากนั้นจึงพบว่าในอุตสาหกรรมเรียกสิ่งนี้ว่า power balance หรือ 1D code
การลองผิดลองถูกในการออกแบบ turbopump, injector และห้องเผาไหม้
- Turbopump หมุนที่ประมาณ 50,000 RPM เพิ่มความดันเชื้อเพลิงจากราว 50 psi เป็น 2000 psi และส่งของไหลหลายแกลลอนต่อวินาทีเข้าสู่ห้องเผาไหม้
- ปั๊มเชื้อเพลิงของรถแข่ง Formula 1 ก็รับมือกับแรงดันระดับหลายพัน psi ได้เช่นกัน แต่มีอัตราการไหลต่ำกว่า 1 แกลลอนต่อนาที
- turbopump ของจรวดอาจมีโครงสร้างประกอบซับซ้อน เช่น slinger, balance piston, labyrinth seal และ recirculation channel ร่วมกับ impeller, turbine, bearing และทางเดินของไหล
- หลักการออกแบบ turbopump ของ ABL คือจะไม่เพิ่มฟังก์ชันใด ๆ จนกว่าจะมั่นใจว่าจำเป็น
- 1D code ให้ผลลัพธ์เรื่องความเร็ว ขนาดทางเข้า/ทางออก มุมใบพัด และประสิทธิภาพที่คาดการณ์ไว้
- แต่รูปทรงใบพัดขั้นสุดท้ายต้องใช้ซอฟต์แวร์เฉพาะทางและการปรับซ้ำหลายรอบ
- การออกแบบ impeller และ turbine จึงเป็นงานที่ผสมทั้งสมการ กฎประสบการณ์ และสัญชาตญาณ
- อินเจ็กเตอร์ของห้องเผาไหม้หลักรุ่นแรกเลือกใช้ โครงสร้างแบบ pintle
- อินเจ็กเตอร์แบบ showerhead หรือ impinging jet ที่มีอยู่เดิมต้องใช้รูขนาดเล็กหลายร้อยรู ทางเดินภายในซับซ้อน และต้องควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลาง มุม และตำแหน่งของรูอย่างแม่นยำ
- จากข้อมูลที่เข้าถึงได้ในเวลานั้น มองว่าเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติยังไม่เหมาะกับการให้มิติความแม่นยำและผิวสำเร็จที่ต้องการ
- pintle ทำให้แผ่นเชื้อเพลิงสองชั้นที่พ่นตามแนวแกนและแนวรัศมีชนกันเพื่อสร้างการแตกตัวเป็นฝอย และสามารถออกแบบผลิตได้คล้ายวาล์ว
- ห้องเผาไหม้หลักถูกออกแบบบนพื้นฐานของ Inconel พิมพ์ 3 มิติ
- ทีมตัดสินใจใช้เครื่องมือและวัสดุที่แพร่หลายและเป็นที่เข้าใจดี และหลีกเลี่ยงอุปกรณ์หรือวัสดุล้ำหน้าเกินไป
- Inconel เป็นซูเปอร์อัลลอยนิกเกิลที่พัฒนามาสำหรับเครื่องยนต์เจ็ต มีความแข็งแรง ทนความร้อน และเชื่อมได้ดี อีกทั้งหาใช้กับเครื่องพิมพ์ 3 มิติได้ง่าย
- ข้อเสียคือขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรได้ยากและมีค่าการนำความร้อนต่ำ
- การออกแบบการระบายความร้อนของห้องเผาไหม้เป็นโจทย์ประนีประนอมระหว่างอุณหภูมิการเผาไหม้ระดับ 6000°F กับขีดจำกัดของโลหะ
- โลหะจะอ่อนตัวลงอย่างมากที่ 1200°F และอาจหลอมละลายได้ที่ 2500°F
- จึงใช้วิธีให้เชื้อเพลิงบางส่วนไหลผ่านด้านในผนังห้องเผาไหม้เพื่อระบายความร้อน
- ผนังด้านในต้องบางพอให้การระบายความร้อนส่งผ่านได้ แต่ก็ต้องหนาพอไม่ให้แตกจากแรงดัน
- ช่องระบายความร้อนต้องแคบพอให้ความเร็วการไหลสูง แต่ไม่แคบเกินจนสร้าง backpressure มากเกินไปและเพิ่มภาระให้ turbopump
- วิศวกรห้องเผาไหม้ได้เขียนโค้ดเพื่อปรับพารามิเตอร์การระบายความร้อนอย่างต่อเนื่องตามแนวยาว แล้วเชื่อมผลลัพธ์เข้ากับงานสร้างโมเดล 3 มิติและการพิมพ์
- วิธีแก้ปัญหาการระบายความร้อนชุดแรกนี้ไม่เปลี่ยนเลยแม้ผ่านไป 5 ปี
- จนถึงปัจจุบัน การออกแบบการระบายความร้อนของห้องเผาไหม้ดั้งเดิมยังคงถูกใช้อยู่
การนำงานกลับมาทำเองและการปรับปรุงด้านความสามารถในการผลิต
- ในช่วงแรก ชิ้นส่วนหลักถูกพิมพ์และกลึงโดยบริษัทผู้ผลิตด้านอากาศยานทั่วสหรัฐฯ
- มีการผลิตชิ้นส่วนห้องเผาไหม้ขนาดเล็ก, gas generator, ชิ้นส่วนห้องเผาไหม้ และชิ้นส่วนอินเจ็กเตอร์ตามลำดับ
- ใบเสนอราคาจากผู้รับจ้างผลิตเฉพาะทางสำหรับ impeller และ turbine อยู่ที่ราว 18,000 ดอลลาร์ ต่อชิ้น พร้อม lead time 4 เดือน
- ปัญหาใหญ่กว่าค่าใช้จ่ายคือ lead time 4 เดือน
- คาดไว้อยู่แล้วว่าต้องแก้แบบหลายครั้ง และหากทุก iteration ใช้เวลา 4 เดือน ก็ไม่สอดคล้องกับความเร็วการพัฒนาของสตาร์ตอัป
- ABL จึงเช่าเครื่องกัด 5 แกนเครื่องแรกและจ้างบุคลากรด้าน machining เพื่อดึงงานผลิตกลับเข้ามาทำเอง
- ในชุดแรก ค่า endmill ที่หักไปอาจแพงกว่าราคาจ้างผลิตภายนอกเสียอีก
- แต่เมื่อเวลาผ่านไป ทั้งวิธีการ machining และตัวแบบก็พัฒนาขึ้นพร้อมกัน
- มีปัญหาว่าระยะห่างระหว่างใบ turbine แคบเกินไปจนโปรแกรม machining ใช้เวลาเกือบหนึ่งเดือน และ endmill ขนาดเล็กหักบ่อยมาก
- ทีมจึงศึกษาการลดจำนวนใบ turbine
- แม้ลดจำนวนใบลง ผลกระทบต่อสมรรถนะก็มีน้อย
- ทำให้สามารถใช้เครื่องมือที่ใหญ่ขึ้นและเปราะน้อยลง และลดเวลา machining เหลือน้อยกว่าหนึ่งวัน
- หลังนำงานกลับมาทำเอง impeller และ turbine สามารถผลิตได้ภายในไม่กี่วันด้วยต้นทุนที่ต่ำลงมาก
- ในการทดสอบปั๊มช่วงแรก มีปัญหาที่ impeller ฝั่งเชื้อเพลิงจับการไหลขาเข้าได้ไม่ดี ทำให้สมรรถนะของเครื่องยนต์คาดเดาไม่ได้
- หลังตัดสินว่าไม่เหมาะกับการใช้งานบินจริง ทีมใช้เวลาเพียง 10 วัน ในการออกแบบใหม่ ผลิต ประกอบปั๊ม ทำ balancing และทดสอบซ้ำ
- หากยังใช้การจ้างภายนอก ก็อาจต้องล่าช้าไปหลายเดือน หรือไม่ก็ผลักภาระของปัญหาไปยังระบบจรวดส่วนอื่นหรือสมรรถนะรวมของจรวด
- หลังจากนั้น ขอบเขตของการทำเองภายในก็กว้างขึ้นอีก
- ABL ใช้งานเครื่องพิมพ์ 3 มิติหลายเครื่อง เครื่องกัด 5 แกนหลายเครื่อง และเครื่องกลึงหลายแกนภายในบริษัท
- การทำ balancing ของโรเตอร์ turbopump ก็ทำภายในเช่นกัน
- กระบวนการและเทคนิคที่ตอนแรกดูยากก็กลายเป็นเรื่องปกติจากการทำซ้ำอย่างต่อเนื่อง
ทีมขนาดเล็กและการพัฒนาที่ขับเคลื่อนด้วยการทดสอบ
- ทีม propulsion ของ ABL ถูกบริหารให้มีขนาดเล็กให้นานที่สุดเท่าที่ทำได้
- ในปี 2018 เริ่มจาก 2 คน
- ตลอด 2 ปีแรกจนถึงการขับเครื่องยนต์แบบบูรณาการเต็มรูปแบบครั้งแรก ทีมมีเพียง 5 คน
- ปัจจุบันทีมมี 15 คน
- คุณลักษณะของวิศวกรที่ประสบความสำเร็จถูกนิยามให้สอดคล้องกับสถาปัตยกรรมเครื่องยนต์ที่เรียบง่ายและแนวทางแบบ first principles
- วิศวกรที่ไม่ได้อยู่แต่หน้าโต๊ะ แต่ลงมือกับฮาร์ดแวร์ หน้างาน และการทดสอบด้วยตนเอง มักทำงานได้มีประสิทธิภาพกว่า
- วิศวกรที่มีประสบการณ์ควรใช้ประสบการณ์เป็นเพียงส่วนหนึ่งของจิ๊กซอว์ ไม่ใช่คำตอบทั้งหมด
- แม้รับผิดชอบชิ้นส่วนใดชิ้นส่วนหนึ่ง ก็ต้องเข้าใจว่าชิ้นส่วนนั้นส่งผลต่อการผลิต การปฏิบัติการ สมรรถนะ และทีมอินเทอร์เฟซของจรวดอย่างไร
- ไม่ควรยึดติดกับสิ่งที่คิดว่าถูกอยู่นานเกินไป แต่ต้องลงมืออย่างรวดเร็ว หรือพูดขึ้นมาโดยไม่ขึ้นกับโครงสร้างองค์กรหรืออาวุโส
- ตัวชี้วัดที่สำคัญที่สุดคือสัญชาตญาณด้านกลศาสตร์และพลศาสตร์ของไหลที่แข็งแรง
- แคมเปญทดสอบ E2 ชุดแรกเริ่มในฤดูร้อนปี 2019 ที่ Spaceport America ใน New Mexico
- ตอนนั้นยังไม่ถึงหนึ่งปีหลังเริ่มออกแบบเครื่องยนต์
- มีการติดตั้งแท่นทดสอบแรกบนแผ่นคอนกรีตเรียบ
- ทดสอบ gas generator และ thrust chamber แบบ pressure-fed โดยไม่มี turbopump
- ทีมได้เรียนรู้การจุดระเบิดด้วย TEA-TEB การจัดการของไหลอุณหภูมิต่ำมาก และการปฏิบัติงานในสถานที่ที่สิ่งอำนวยความสะดวกจำกัด
- snap ring ใช้งานได้ไม่ดีภายในห้องเผาไหม้ และ pintle ก็ละลายง่าย ทำให้มันไม่ได้เรียบง่ายอย่างที่หวัง
- ในปี 2020 ทีมย้ายไปยัง AFRL site 1-56 ใกล้ฐานทัพอากาศ Edwards
- มีการติดตั้งแท่นทดสอบแบบ pressure-fed และถังจรวดพัฒนาสำหรับการทดสอบแบบ pump-fed
- turbopump ตัวแรกถูกขับใช้งาน และสามารถปั๊มของไหลได้จริง
- แม้ turbine จะละลายและเกิด power instability แต่ก็มีการแก้ทั้งแท่นทดสอบ ระบบไอเสีย turbine และตัว turbopump เอง
- ระหว่างการทดสอบที่ Spaceport America และ AFRL ทีมได้ออกแบบและผลิต อินเจ็กเตอร์แบบใหม่ที่ไม่ใช้ pintle
- เมื่อยืนยันได้แล้วว่าห้องเผาไหม้และ gas generator ทำงานได้ ความกังวลต่ออินเจ็กเตอร์ประเภทอื่นก็ลดลง
- วิธีการผลิตแบบใหม่ลำบากน้อยกว่าแบบดั้งเดิม และอินเจ็กเตอร์ตัวใหม่ก็ทำงานได้ทันที
- หลังจากนั้นอินเจ็กเตอร์แบบนี้ก็ไม่ถูกเปลี่ยนอีก
- หนึ่งในความสำเร็จสำคัญที่สุดที่ AFRL คือการเดินเครื่องยนต์แบบบูรณาการเต็มรูปแบบได้สำเร็จ
- ปั๊ม, gas generator และ TCA จากถังพัฒนาของ Stage 2 สามารถปิดลูปและขับเคลื่อนตัวเองได้
- จากจุดนั้นเป็นต้นมา ABL ก็เข้าสู่ช่วงการทดสอบเครื่องยนต์แบบบูรณาการเต็มรูปแบบ
เครื่องยนต์สำหรับการบินหลังยุค Mojave และการพัฒนาแบบวนซ้ำ
- ปี 2021 มุ่งเน้นไปที่การสร้างสนามทดสอบใหม่และเริ่มการทดสอบที่ Mojave ใน California
- มีการอัปเกรด turbopump
- การออกแบบส่วนอื่น ๆ รอบจรวดก็เติบโตสมบูรณ์ขึ้น
- ปลายปี 2021 เริ่มแคมเปญทดสอบเครื่องยนต์สำหรับ Flight 1
- แคมเปญทดสอบ Flight 1 แตกต่างจากก่อนหน้าอย่างมาก
- ใช้แท่นทดสอบหลายแท่น
- ทดสอบเครื่องยนต์จำนวนมาก
- ทำการทดสอบแบบ full flight duration
- runtime รวมของเครื่องยนต์เริ่มถูกวัดเป็นหลักพันวินาที แทนที่จะเป็นเพียงหลักสิบวินาที
- ในปี 2022 มีการอัปเกรดแรงขับของเครื่องยนต์เพื่อให้ได้กำลังมากขึ้น
- และเริ่มสร้างสนามทดสอบเครื่องยนต์ใหม่สำหรับการทดสอบการผลิตโดยเฉพาะ
- ทำให้สามารถทำการทดสอบเพื่อการพัฒนาและการทดสอบเพื่อการผลิตแบบขนานกันได้อย่างสมบูรณ์
- ในปี 2023 มีการจัดแพ็กเกจชิ้นส่วนเครื่องยนต์ชุดเดิมใหม่ให้อยู่ในรูปแบบที่เป็นโมดูลมากขึ้น
- ทำให้การผลิตและการทดสอบง่ายขึ้น
- จากนั้นมีการปรับแต่งฟังก์ชันสำคัญ เช่น ระบบ TEA-TEB เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือและสมรรถนะระยะยาว
- จนถึงตอนนี้ ABL ได้สร้างเครื่องยนต์เดี่ยวมาแล้ว 50 เครื่อง และใช้งานที่แท่นทดสอบ 6 แท่นใน 3 ไซต์
- มีการสตาร์ตสะสมหลายร้อยครั้งและเวลา hotfire รวมหลายชั่วโมง
- การพัฒนาแบบวนซ้ำของ E2 ยังไม่เสร็จสิ้น และอาจไม่มีวันเสร็จสมบูรณ์จริง ๆ
- ยังมีพื้นที่ให้ปรับปรุงเล็ก ๆ น้อย ๆ ด้านการผลิต สมรรถนะ มวล และต้นทุนอยู่เสมอ
- ปัญหาที่พบระหว่างการพัฒนารวมถึงผงพิมพ์ใน bearing ของปั๊ม, volute และ impeller ที่สมรรถนะต่ำ, liner, turbine, manifold และ tube ที่หลอมละลาย, chugging pump, gas generator ที่ไม่เสถียร, seal รั่ว และ hard start
- การแก้แต่ละปัญหาทำให้วิศวกร เครื่องยนต์ และบริษัทแข็งแกร่งขึ้น
- ความผิดพลาดครั้งใหญ่ที่สุดคือการตัดสินใจว่าไม่จำเป็นต้องทดสอบต่อ แล้วปล่อยให้การพบปัญหาเลื่อนไปเกิดในขั้นที่มีผลกระทบมากกว่าในภายหลัง
- ABL ยังคงขยายทีมต่อไปด้วยการผสมผสาน talented generalist engineer และ propulsion engineer
- สมมติฐานและองค์ความรู้ขององค์กรที่สะสมมาตลอด 6 ปีที่ผ่านมา ถูกนำมาใช้พร้อมกับถูกท้าทายไปพร้อมกัน
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นจาก Hacker News
เซิร์ฟเวอร์รายงานของ NASA เป็นสมบัติระดับชาติ โดยเฉพาะเอกสารยุคทศวรรษ 1950–1960 ที่อ้างถึงในบทความ
เป็นงานเขียนเชิงเทคนิคที่ชัดเจนและกระชับที่สุดกลุ่มหนึ่ง และยังช่วยให้อนุมานได้มากว่าการบริหารโครงการในยุคนั้นเป็นอย่างไร
รายงานของ NRO ที่ถูกปลดชั้นความลับแล้วก็ยอดเยี่ยมเช่นกัน และทำให้เห็นว่าแนวทางของ Lockheed Skunk Works ทำงานจริงอย่างไร
ตัวอย่าง: https://www.nro.gov/Portals/135/documents/foia/declass/WS117...
ผมมี ตำรา Rad Lab อยู่บางส่วน ซึ่งจนถึงตอนนี้ก็ยังมีประโยชน์ และเพราะเขียนให้คนรุ่นที่ไฟฟ้ายังเป็นแนวคิดค่อนข้างใหม่ จังหวะการอธิบายจึงรอบคอบมาก
อีกอย่างที่น่าเสียดายคือหนังสือเก่า ๆ ถูกทำขึ้นอย่างประณีตจริง ๆ ทั้งปกหนัง กระดาษหนาแต่เรียบลื่น เป็นต้น
ประเด็นที่ว่าระยะห่างระหว่างใบกังหันแคบเกินไปจนโปรแกรมกัดชิ้นงานต้องรันเกือบเป็นเดือน และต้องใช้ดอกเอ็นมิลล์ขนาดเล็กมากที่หักง่ายนั้น สุดท้ายคือกรณีที่ได้เรียนรู้อย่างเจ็บปวดว่า รอบป้อนกลับที่สั้น และความรู้ที่ฝังอยู่ภายในทีมสำคัญแค่ไหน
ใจความสำคัญคือ เมื่อ ลดจำนวนใบเพื่อเพิ่มระยะห่าง ผลกระทบต่อสมรรถนะกลับน้อย และเมื่อใช้เครื่องมือที่ใหญ่ขึ้น แข็งแรงขึ้นได้ เวลากัดชิ้นงานก็ลดเหลือน้อยกว่าหนึ่งวัน ทำให้ทั้งต้นทุนและกำหนดการดีขึ้นมาก
ถ้าวิศวกรเครื่องกลที่ออกแบบชิ้นส่วนเป็นคนประเภทที่เวลาว่างก็ลงมือทำของเอง ก็น่าจะสังเกตเห็น ปัญหาความสามารถในการผลิตด้วยการกัด/กลึง แบบนี้ได้ทันที
แน่นอนว่าเราไม่อาจคาดการณ์ทุกอย่างล่วงหน้าได้ ดังนั้นหากทำได้ วงจรป้อนกลับที่ถี่จึงดีมาก
จึงไม่ใช่บทเรียนที่เรียนรู้อย่างเจ็บปวดเท่าไร แต่เป็นการออกแบบบริษัทไปในทิศทางนั้นตั้งแต่แรกมากกว่า
ในฐานะบทความเกี่ยวกับการสร้างฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อนอย่างยิ่งตั้งแต่ศูนย์ ถือว่ายอดเยี่ยม แต่ในมุมธุรกิจ ทั้งบล็อกนี้และเว็บไซต์ของ ABL ยังตอบคำถามแรกอย่าง “ทำไม?” ได้ไม่พอ
ในเมื่อมี SpaceX อยู่แล้ว และความเป็นไปได้ของ Starship บนฐานของ Falcon ก็กำลังใกล้เข้ามาอย่างรวดเร็ว ผมสงสัยว่าเป้าหมายหลักของระบบจรวดนี้คืออะไร
อยากอ่านบทความที่พูดถึงว่าจะแข่งขันอย่างไร ลูกค้าคือใคร การนำ payload ระดับ 1 ตันขึ้นสู่วงโคจรได้เร็วกว่า ถูกกว่า ง่ายกว่าหรือไม่ เครื่องยนต์ที่ออกแบบตั้งแต่ศูนย์เหนือกว่าแบบเดิมตรงไหน ค่า specific impulse ปัจจุบันเท่าไร และภายใต้เงื่อนไขภารกิจที่คาดไว้ Jet-A + LOX เป็นตัวเลือกเชื้อเพลิงที่ดีกว่าหรือไม่
การสร้างระบบนิเวศของผู้ผลิตจรวดขนาดเล็กแทนการมีผู้ผูกขาดรายใหญ่รายเดียว จะกระตุ้นการแข่งขันและนวัตกรรม
จากมุมมองนักลงทุน SpaceX ก็อาจล้มเหลวได้ และแม้ Falcon ตอนนี้แทบไม่มีใครสู้ได้ ก็ยังไม่รู้ว่า Starship จะเป็นอย่างไร
ยังพอนึกภาพได้ว่า Falcon อาจถูกจอดอยู่บนพื้นหลายปีหากพบข้อบกพร่องบางอย่าง และที่เป็นจริงมากกว่าคือการลดราคาของ SpaceX อาจทำให้ตลาดขยายจนมีลูกค้าเพียงพอ
จากมุมมองคนวงใน มันย่อมเป็นความท้าทายที่สนุก และเป็นวิทยาศาสตร์จรวดตามตัวอักษรจริง ๆ
บางรายอาจเดินตามเส้นทางเดียวกัน ออกแบบ ฮาร์ดแวร์ที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ และลดต้นทุนการปล่อย
SpaceX ใช้เวลา 20 ปีกว่าจะพึ่งพาระบบที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างเสถียร ดังนั้นบริษัทอื่นอาจไปถึงสถานะคล้ายกันได้เร็วกว่า
รัฐบาลสหรัฐฯ ก็น่าจะจงใจซื้อสัญญาปล่อยที่ไม่ใช่ SpaceX เพื่อรักษาบริษัทปล่อยจรวดขนาดเล็กเอาไว้ ไม่ให้ต้องผูกติดกับผู้ให้บริการรายเดียว
รัฐบาลสหรัฐฯ สามารถเป็นเจ้าของและปฏิบัติการเอง โดยปล่อยได้จากภาคพื้นดิน ทะเล หรือสภาพแวดล้อมปฏิบัติการนอกพื้นที่ และในเชิงทฤษฎีสามารถทิ้งสินค้าไปยังที่ใดก็ได้บนโลกภายใน 5 นาที
นั่นคือขีดความสามารถแบบที่นักยุทธศาสตร์การทหารใฝ่ฝันพอดี
เรื่องที่ว่าสามารถ พิมพ์ 3D ชิ้นส่วนโลหะที่ทนต่ออุณหภูมิและความดันของเครื่องยนต์จรวดได้นั้นน่าสนใจมากจริง ๆ
อยากรู้ว่าต้นทุนอยู่ที่เท่าไร
เวลาใช้งาน เครื่องพิมพ์ซินเทอริงด้วยลำอิเล็กตรอน โดยทั่วไปอยู่ที่ 100~200 ดอลลาร์ต่อชั่วโมง และชิ้นงานขนาดใหญ่มักใช้เวลาหลายวัน
หลังพิมพ์เสร็จต้องกำจัดผงที่หลวมออก ซึ่งบริเวณอย่างช่องหล่อเย็นเล็ก ๆ ในผนังห้องเผาไหม้ทำได้ยากมากและใช้เวลานาน
จากนั้น หากต้องการเพิ่มความแข็งแรงให้สูงสุด อาจต้องมีขั้นตอนหลังการผลิตอย่าง การขึ้นรูปแบบอัดร้อนสมดุลทุกทิศทาง โดยให้ความร้อนชิ้นส่วนในรีทอร์ทที่บรรจุก๊าซเฉื่อยความดันสูง
สำหรับเครื่องยนต์จรวด โดยปกติด้านในควรเป็นชั้นที่มีค่าการนำความร้อนสูง เช่น โลหะผสมตระกูลทองแดง ส่วนด้านนอกควรเป็นวัสดุโครงสร้างที่แข็งแรงกว่า จึงต้องใช้กระบวนการพิเศษอย่างการพิมพ์หลายโลหะหรือการเคลือบสะสมโลหะบนชิ้นงานพิมพ์
การตรวจว่ารูปทรงภายในที่มองไม่เห็นถูกสร้างและทำความสะอาดอย่างถูกต้องหรือไม่ ก็ต้องมีการควบคุมคุณภาพ เช่น การตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์เชิงอุตสาหกรรมความละเอียดสูง
นอกจากนี้ รูปทรงที่พิมพ์ให้แม่นยำพอได้ยากหรือเป็นไปไม่ได้ก็ต้องนำไปกลึงเพิ่มเติม ทำให้ต้นทุนรวมสูงมาก
บางส่วนของกระบวนการข้างต้นดูได้ในวิดีโอนี้: https://www.youtube.com/watch?v=7pXEf0wHU1Y
ในการพิมพ์ 3D ความซับซ้อนแทบจะได้มาฟรี และวัสดุที่ใช้ทนอุณหภูมิและความดันของเครื่องยนต์จรวดคืออะไรนั้นขึ้นอยู่กับว่าเป็นชิ้นส่วนใดของเครื่องยนต์โดยสิ้นเชิง
ตัวอย่างเช่น หัวฉีดเชื้อเพลิงกับสตรัทค้ำยันมีข้อกำหนดต่างกันมาก
ไทเทเนียมพิมพ์ 3D อยู่ที่ประมาณกิโลกรัมละ 300~400 ดอลลาร์ ส่วนเหล็กถูกกว่านิดหน่อย โดยอยู่ที่ประมาณกิโลกรัมละ 150 ดอลลาร์สำหรับเกรด Inconel ส่วนใหญ่
ใน http://rocketmoonlighting.blogspot.com/2010/ ก็มีกรณีที่ทำเครื่องยนต์ขนาดเล็กซึ่งหล่อเย็นด้วยไนตรัสออกไซด์ทั้งหมดด้วยเงินส่วนตัว
เวลาผ่านมาพอสมควรแล้ว แต่คิดว่าตัวเลขเหล่านี้ยังใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงในการกะราคาปัจจุบันได้
ผง Inconel ก็ไม่ค่อยดีต่อสุขภาพ และในขนาดอนุภาคที่เครื่องพิมพ์ของบริษัทจรวดใช้ หากต้องจัดการผงที่ฟุ้งลอยอย่างปลอดภัยจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ป้องกันทั้งตัว
ตัวอุปกรณ์เองก็อยู่ในระดับหลายล้านดอลลาร์ และ EOS, SLM, Velo3D เป็นผู้เล่นหลักในตลาดนี้
ต้องใช้พื้นที่ไม่น้อย และต้องมีการฝึกอบรมจึงจะใช้งานได้อย่างถูกต้อง
มีแนวโน้มสูงว่าต้องมีวิศวกรเครื่องกลที่เข้าใจวัสดุศาสตร์และทนรับมือกับเครื่องจักรจุกจิกที่เสียบ่อยได้
แค่สต็อกผงโลหะก็อาจอยู่ที่ 1~2 ล้านดอลลาร์แล้ว ยังต้องใช้ไฟฟ้าแรงสูง ก๊าซอย่างไนโตรเจน·ฮีเลียม·อาร์กอนหลายพันลิตรต่อเดือน การจัดการของเสีย อุปกรณ์ความปลอดภัย การควบคุมสภาพแวดล้อมสำหรับผงที่ไวต่อความชื้น และเครื่องมืออย่างแผ่นฐานที่กลึงจากบล็อกเหล็กตัน
สุดท้ายยังมีงานหลังการพิมพ์อย่างการอบชุบความร้อน การเคลือบ การวิเคราะห์ และการกลึง CNC ตามมาอีก
การพิมพ์ 3D โลหะระดับอุตสาหกรรมเป็นงานที่มี รายจ่ายลงทุน สูง และไม่ใช่งานสำหรับคนใจไม่แข็ง
อย่างไรก็ดี มีหลายแห่งที่ให้เช่าเวลาใช้งานอุปกรณ์แบบนี้ ดังนั้นออกแบบจรวดแล้วขอใบเสนอราคาดูก็ได้
ราคามักคิดตามปริมาตร และโลหะก็ไม่ถูก ดังนั้นควรทำชิ้นงานพลาสติกสักสองสามชิ้นเพื่อตรวจสอบมิติก่อน
ถ้าพื้นฐานเดิมคืออินทีเรียร์เครื่องบินพาณิชย์, การพัฒนาเว็บ, ชิ้นส่วนของไหลในแฟ็บเซมิคอนดักเตอร์, และระบบไฮดรอลิกของ SpaceX Falcon 9 ก็สงสัยว่าทำไม ABL ถึงจ้างเขามาเป็นผู้นำโปรแกรมเครื่องยนต์
ตอนนี้เห็นชัดว่าเป็นการเลือกที่ยอดเยี่ยม แต่ถ้าดูแค่ประวัตินั้นคงคาดเดาได้ยาก
บางทีอาจกลายเป็นเพื่อนกัน วางแผนจะทำเรื่องนี้ร่วมกัน และเขาเข้าร่วมทันทีที่เงื่อนไขพร้อม หรือไม่ผู้ก่อตั้งก็อาจมีแรงส่งมากพอจนดึงตัวเขามาจาก SpaceX ได้
ผมทำงานอยู่ที่ซัพพลายเออร์ของ ABL และบังเอิญว่าวันนี้กำลังเตรียมนำชิ้นส่วนบางอย่างของพวกเขาเข้า ห้องทดสอบอุณหภูมิ เพื่อทดสอบแบบวนรอบพอดี เลยน่าทึ่งดี
เราทำงานกับบริษัทปล่อยจรวดหลายแห่ง แต่ ABL น่าสนใจที่สุด และแนวทางการทำให้ทั้งระบบอยู่ในคอนเทนเนอร์เป็นการประยุกต์วิธีเดิมอย่างชาญฉลาดเพื่อสร้างระบบปล่อยที่รวดเร็ว
ในสถานการณ์ที่สร้างเครื่องยนต์ตัวแรกขึ้นมาตั้งแต่ศูนย์ ตัวเลือกด้านการออกแบบดูค่อนข้าง อนุรักษนิยม และนั่นก็มีเหตุผลรองรับเพียงพอ
งานออกแบบรุ่นถัดไปน่าจะกล้าและเสี่ยงมากกว่านี้
เทคโนโลยีถังรับแรงดันก็พัฒนาแล้ว ดังนั้นคิดว่าแค่ปั๊มสารอย่างอากาศเหลวเข้าไปในถังแรงดันแล้วบรรทุกขึ้นจรวดก็พอ
แนวคิดคือไม่ต้องผสมหรือปั๊ม แค่เปิดวาล์วปล่อยแรงดันออกมาก็ได้จรวดที่ถูกและเรียบง่ายมาก
การออกแบบหัวฉีด เป็นปัจจัยสำคัญที่สุดในการออกแบบห้องแรงขับ และถ้าสารขับดันผสมกันไม่ดี จะเกิดความไม่เสถียรในการเผาไหม้อย่างรุนแรง ซึ่งมักนำไปสู่การระเบิด
โครงการอวกาศยุคแรก ๆ ก็ทดสอบการเลือกสารขับดันและการออกแบบหัวฉีดกันอย่างมาก
ลองอ่าน Ignition! ของ John D. Clark ดู
อีกอย่าง จรวดแบบป้อนด้วยแรงดัน ก็เป็นการออกแบบที่ค่อนข้างแย่มาโดยตลอด
ระบบป้อนด้วยแรงดันต้องใช้ถังหนัก และมีบทลงโทษหนักต่ออัตราส่วนมวล หรือก็คือมวลแห้ง/มวลเปียก
นอกจากกรณีที่พบได้ยาก ส่วนใหญ่จึงใช้เฉพาะการทดสอบภาคพื้นดิน
ถ้าเป็นโครงสร้างที่พิมพ์ 3D เมื่อดูจากพอร์ตในตัวแล้ว ดูเหมือนว่าบางส่วนของหัวฉีดจะเป็นโพรง และความร้อนแฝงของการระเหยของ LOX ต่ำกว่ามาก ดังนั้นน่าจะใช้ การหล่อเย็นด้วย Jet A
หนึ่งในพอร์ตอาจเป็นของเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ
สงสัยว่าบริษัทอวกาศนี้คืออะไร และมีจุดแข็งอะไรเมื่อเทียบกับ SpaceX
ดูจากเว็บไซต์แล้ว พวกเขาชูเรื่องการปล่อยตามสั่ง ระบบเรียบง่ายที่ไปได้ทุกที่ และการปล่อยเชิงยุทธวิธี
ฟังดูเหมือนอาวุธนิวเคลียร์หรือการใช้งานทำนองนั้น
งานแบบนั้นมีไซโลและเรือดำน้ำอยู่แล้ว
นี่เป็นเรื่อง การปล่อยแบบตอบสนอง และถ้ามองแบบสงสัย ก็เป็นความต้องการที่เกิดจากกระทรวงกลาโหมมีงบอวกาศมากแต่ไม่ค่อยรู้ว่าจะทำอะไร
คล้ายกับโมเดลธุรกิจของ Astra แต่หวังว่าจะไม่มีโมเดลความล้มเหลวแบบ Astra
ในทางปฏิบัติ เพราะไม่สามารถใช้เงินลงทุนร่วมทุนหรือ SPAC ปั้นบริษัทปล่อยจรวดขนาดใหญ่ขึ้นมาทันทีได้ จรวดปล่อยดาวเทียมขนาดเล็กจึงทำหน้าที่เป็นการพิสูจน์แนวคิดสำหรับจรวดขนาดกลางถึงใหญ่