ไฮเปอร์โซนิก: เครื่องบินเร็วเหนือเสียง 5 เท่า ที่กำลังพัฒนาอยู่ มีความก้าวหน้าถึงขั้นไหน

"ผมทำงานกับสิ่งที่บินเร็วมาตลอด" อาดัม ดิสเซล หัวหน้าฝ่ายปฏิบัติการในสหรัฐฯ ของบริษัทรีแอ็กชัน เอนจินส์ (Reaction Engines) กล่าว

บริษัทของอังกฤษแห่งนี้กำลังสร้างเครื่องยนต์ที่สามารถบินได้เร็วจนมองแทบไม่ทัน และหากใช้เครื่องยนต์ไอพ่นที่มีอยู่ในขณะนี้ทำการบิน เครื่องยนต์ก็หลอมละลายไปเลย - BBCไทย

ทางบริษัทต้องการทำความเร็วให้ได้ระดับไฮเปอร์โซนิก หรือมากกว่า 5 เท่าของความเร็วเสียง ที่อัตราเร็วประมาณ 6,400 กม./ชั่วโมง หรือ มัค 5 (Mach 5)

แนวคิดนี้มาจากความต้องการสร้างเครื่องบินโดยสารความเร็วสูงให้ได้ภายในทศวรรษ 2030

"ไม่จำเป็นต้องถึงระดับมัค 5 ก็ได้ อยู่ที่มัค 4.5 ก็จะง่ายกว่าในทางฟิสิกส์" นายดิสเซล กล่าว

ด้วยความเร็วระดับนั้น คุณสามารถบินจากลอนดอนไปซิดนีย์ได้ในเวลา 4 ชั่วโมง หรือจากลอสแอนเจลิสไปโตเกียวได้ในเวลา 2 ชั่วโมง

อย่างไรก็ตาม งานวิจัยส่วนใหญ่เกี่ยวกับเที่ยวบินไฮเปอร์โซนิกไม่ใช่เพื่อการบินพลเรือน แต่งานวิจัยเหล่านี้เกิดขึ้นมาจากวัตถุประสงค์ทางการทหาร ซึ่งในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา หลายประเทศแข่งกันพัฒนาด้านนี้

"ระบบหลากหลาย"

เจมส์ แอ็กตัน เป็นนักฟิสิกส์ของสหราชอาณาจักร ที่ทำงานให้กับมูลนิธิคาร์เนกีเพื่อสันติภาพระหว่างประเทศ (Carnegie Endowment for International Peace) ในกรุงวอชิงตัน ดี.ซี. ของสหรัฐฯ กล่าวว่าจากการสำรวจความพยายามของสหรัฐฯ จีน และรัสเซียในการพัฒนาอาวุธที่มีความเร็วระดับไฮเปอร์โซนิก เขาได้ข้อสรุปว่า "มีระบบไฮเปอร์โซนิกหลากหลายรูปแบบที่กำลังอยู่ระหว่างการออกแบบ"

วัสดุพิเศษต่าง ๆ ที่สามารถทนทานต่อความร้อนที่สูงมากซึ่งเกิดจากการทำความเร็วระดับมัค 5 และใช้เป็นที่ติดตั้งเทคโนโลยีอื่น ๆ ได้ กำลังจะทำให้เที่ยวบินไฮเปอร์โซนิกในชั้นบรรยากาศโลกเกิดขึ้นได้จริง

....................................

เคยมีการทดลองเที่ยวบินไฮเปอร์โซนิกที่มีนักบินขับมาแล้วหลายครั้งในสมัยศตวรรษที่ 1960 ด้วยเครื่องบินจรวดเอ็กซ์-15 ของสหรัฐฯ นอกจากนี้ยังมีขีปนาวุธพิสัยไกลข้ามทวีป (Intercontinental Ballistic Missile--ICBM) อีกหลายลูกที่เดินทางกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกด้วยความเร็วระดับไฮเปอร์โซนิก

ตอนนี้ชาติมหาอำนาจหลายชาติ กำลังแข่งกันสร้างอาวุธที่สามารถอยู่ในชั้นบรรยากาศได้โดยไม่จำเป็นต้องออกไปนอกโลก เพื่อใช้ประโยชน์จากความเย็นในการลดความร้อน นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมอาวุธเหล่านี้เพื่อใช้โจมตีเป้าหมายที่อาจเคลื่อนที่ได้ ต่างจาก ICBM ที่ใช้โจมตีเป้าหมายที่เป็นเมือง

มือสังหารเรือบรรทุกเครื่องบิน (Carrier-killers)

การทุ่มงบประมาณทางทหารของ 3 ชาติยักษ์ใหญ่ได้ช่วยผลักดันด้านไฮเปอร์โซนิก

ในการแถลงข่าวของกระทรวงกลาโหมสหรัฐฯ เมื่อไม่นานนี้ นายไมก์ ไวต์ ผู้ช่วยผู้อำนวยการด้านไฮเปอร์โซนิกของกองทัพสหรัฐฯ ได้พูดถึงการพัฒนาที่กำลังได้รับการผลักดันโดย "คู่แข่งมหาอำนาจของเราและความพยายามของพวกเขาในการท้าทายการครอบงำของเรา"

ความแม่นยำคือความท้าทายสำคัญสำหรับขีปนาวุธไฮเปอร์โซนิกเหล่านี้

แค่การมีขีปนาวุธไฮเปอร์โซนิกที่ได้รับการขนานนามว่า "มือสังหารเรือบรรทุกเครื่องบิน" (carrier-killers) อยู่ในครอบครอง ก็อาจทำให้เรือบรรทุกเครื่องบินของสหรัฐฯ จำเป็นต้องอยู่กลางมหาสมุทรแปซิฟิกห่างจากชายฝั่งของจีน

แต่การโจมตีเรือบรรทุกเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ที่กำลังเดินทางด้วยอัตราเร็ว 30 นอต หรือประมาณ 56 กม./ชั่วโมง จำเป็นต้องมีการคำนวณวิถีของขีปนาวุธอย่างละเอียด ซึ่งเป็นเรื่องยากที่จะทำความเร็วถึงระดับมัค 5

ความร้อนที่เกิดขึ้นรอบ ๆ ผิวขีปนาวุธเมื่อทำความเร็วถึงระดับไฮเปอร์โซนิก จะทำให้เกิดพลาสมาห่อหุ้ม หรือเกิดสสารที่เป็นแก๊สขึ้น

มันอาจจะขัดขวางการรับสัญญาณที่มาจากภายนอกได้ อย่างเช่น สัญญาณดาวเทียมสื่อสาร และอาจจะทำให้ระบบเล็งเป้าหมายหมาย (internal targeting systems) จับตำแหน่งไม่ได้ โดยระบบนี้จะพยายามมองหาตำแหน่งของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่อยู่ด้านนอกเพื่อระบุเป้าหมายในการโจมตี

พลาสมาจะเกิดขึ้นบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงที่สุดเท่านั้น

ขีปนาวุธที่มีรูปทรงกรวยจะถูกเคลือบด้วยพลาสมา แต่ขีปนาวุธที่มีลักษณะคล้ายกับลูกดอกที่มีปีกมันเป็นประกาย อาจจะดันพลาสมาออกไปจากพื้นผิวที่มีตัวรับสัญญาณที่อ่อนไหวที่สุดอยู่

ปากฉลาม

นอกจากนี้ การแตกตัวทางเคมียังเป็นอีกปัญหาหนึ่งที่เพิ่มเข้ามาของเที่ยวบินไฮเปอร์โซนิกด้วย

ที่ระดับความเร็วและอุณหภูมิสูงอย่างมากนั้น ปรากฏการณ์นี้อาจจะทำให้โมเลกุลของออกซิเจนแยกตัวออกมาจากอะตอม

ปัญหานี้จะส่งผลกระทบต่อแบบจำลองทางเคมี และอาจสร้างปัญหาให้กับเครื่องยนต์ที่ใช้อากาศระบายความร้อนซึ่งต้องพึ่งสารเคมีเหล่านี้

ความก้าวหน้าในการแข่งขันด้านอาวุธไฮเปอร์โซนิกเป็นเรื่องที่สร้างความตื่นเต้นมาโดยตลอด ในปี 2010 สหรัฐฯ ได้ปล่อยเครื่องบินไร้คนขับที่มีลักษณะเหมือนปากฉลามบินเหนือน่านน้ำมหาสมุทรแปซิฟิกที่ระดับความเร็วไฮเปอร์โซนิกเป็นเวลานาน 5 นาที

เป้าหมายของการปล่อยเครื่องบินลำนี้ไม่ใช่แค่เรื่องของความเร็ว แต่ยังเป็นเรื่องของเวลาด้วย

เวลา 5 นาทีอาจฟังดูเหมือนไม่นาน แต่ในแง่ของการโจมตีอุปสรรคที่มีความเร็วระดับไฮเปอร์โซนิก นั่นหมายถึงชัยชนะ

เครื่องบินเอ็กซ์-51เอ (X-51A) ที่มีความเร็วระดับนี้ ถูกปล่อยออกมาจากเครื่องบินทิ้งระเบิดบี-52 ที่บินอยู่ในระดับสูง จากนั้นมีการใช้จรวดช่วยเร่งความเร็วจนถึงระดับมัค 4.5 ก่อนที่เครื่องยนต์ของมันจะเริ่มทำงาน

เครื่องยนต์นี้รู้จักกันในชื่อว่า สแครมเจ็ต (scramjet) มันจะนำอากาศที่ไหลเข้ามาไปผสมเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ เพื่อเร่งความเร็วให้ได้ถึงระดับไฮเปอร์โซนิก

นั่นหมายความว่าต้องใช้เวลานานหลายนาทีกว่าที่อุณหภูมิจะร้อนถึงระดับ 1,000 องศาเซลเซียส ในที่สุด เอ็กซ์-51เอ 4 ลำ ก็สามารถบินข้ามมหาสมุทรแปซิฟิกได้ ระหว่างปี 2010 และ 2013

คลื่นกระแทก (Shockwave)

แอโรเจ็ต ร็อกเก็ตไดน์ (Aerojet Rocketdyne) เป็นบริษัทผู้เชี่ยวชาญด้านเครื่องยนต์จรวดและอวกาศในแคลิฟอร์เนียที่ร่วมงานกับโครงการเอ็กซ์-51เอ มาตรการเก็บรักษาความลับของเทคโนโลยีนี้ ทำให้พนักงานของบริษัทไม่สามารถเปิดเผยชื่อได้ แม้ว่าโครงการนี้จะสิ้นสุดลงไปแล้ว 7 ปี

ผู้เชี่ยวชาญด้านไฮเปอร์โซนิกคนหนึ่งของบริษัทนี้กล่าวถึงเอ็กซ์-51เอ ว่า "ส่วนที่ร้อนมาก ๆ ของเครื่องยนต์ คือ ส่วนหน้าที่เกิดคลื่นกระแทกขึ้น ดังนั้น จึงมีการลงทุนในการทำวัสดุส่วนนี้"

เขากล่าวว่าทีมงานได้บทเรียนหลายอย่างจากเครื่องบินจรวดเอ็กซ์-15 ในสมัยศตวรรษที่ 16 และจากโครงการกระสวยอวกาศที่เกิดขึ้นในเวลาต่อมา

บริษัทรีแอ็กชัน เอนจินส์ ได้สาธิตกระบวนการที่ทำให้เครื่องยนต์ที่ใช้อากาศนำอากาศที่ร้อนอย่างยิ่งในช่วงที่ทำความเร็วระดับไฮเปอร์โซนิกเข้าไปในเครื่องยนต์ได้โดยไม่มีการสะดุด

เครื่องยนต์ SABRE (Synergetic Air Breathing Rocket Engine) ของทางบริษัทจะผสมสิ่งที่เรียกว่า "ตัวลดอุณหภูมิส่วนหน้า" (pre-cooler) ซึ่งเป็นส่วนแรกของเครื่องยนต์ที่สัมผัสกับอากาศร้อนที่ระดับความเร็วไฮเปอร์โซนิก จากนั้นจึงนำอากาศที่อุณหภูมิลดลงนี้ไปผสมกับเชื้อเพลิงเพื่อสร้างแรงผลักไปข้างหน้า

ร้อนเหมือนลาวา

เครื่องยนต์ SABRE ถูกนำไปทดสอบอย่างละเอียดที่โคโลราโดในเดือน ต.ค. 2019 ซึ่งทางรีแอ็กชัน เอนจินส์ ต้องหาวิธีในการจำลองความเร็วลมระดับไฮเปอร์โซนิก

ทางบริษัทนำเครื่องยนต์ซูเปอร์โซนิกเครื่องหนึ่งมายึดไว้ แล้วส่งลมที่ออกมาจากด้านหลังของเครื่องยนต์นี้เข้าไปในเครื่องยนต์ SABRE

ตัวลดอุณหภูมิส่วนหน้าของเครื่องยนต์ SABRE จะทำหน้าที่ของมัน ด้วยการสูบสารทำความเย็นเข้าไปในระบบด้วยแรงดันสูงและให้เครื่องยนต์ SABRE ผสมอากาศนั้นกับเชื้อเพลิง

การหาวัสดุที่จำเป็นต้องใช้งานไม่ใช่เรื่องง่าย กระสวยอวกาศใช้กระเบื้องเซรามิกที่ประกอบด้วยวัสดุหลายอย่างในการปกป้องตัวมันเองในช่วงที่ร้อนจัดจนมีสีขาวแผ่ออกมา ตอนกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลก

อีกทางเลือกหนึ่งคือ การใช้โลหะผสมนิกเกิล ที่ชื่อว่า อินโคเนล (Inconel) ซึ่งสามารถทานทนกับลมที่ร้อนเทียบเท่ากับลาวาได้

นายดิสเซลกล่าวว่า รีแอ็กชัน เอนจินส์ กำลังใช้โลหะผสมอินโคเนล "นั่นคือจุดที่เราอยู่ในตอนนี้ และเราใส่ท่อทำความเย็นเข้าไปเพื่อระบายความร้อนด้วย" เขากล่าว

ระบบจัดการความร้อนที่ซับซ้อนประกอบกับการใช้อินโคเนล ทำให้มีหนทางเดินหน้าต่อไปได้

ผู้นำด้านไฮเปอร์โซนิก

ถ้าการผสมผสานนี้ได้ผล เที่ยวบินไฮเปอร์โซนิกที่รับส่งผู้โดยสารได้ ก็อาจจะกลายเป็นความจริงภายใน 15 ปีนี้

กองทัพอากาศสหรัฐฯ ที่ดูแลเครื่องบินของประธานาธิบดีสหรัฐฯ ได้มองเห็นความเป็นไปได้ในการให้บุคคลสำคัญได้เดินทางด้วยความเร็วระดับไฮเปอร์โซนิก

ทางกองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้สั่งการให้บริษัทสตาร์ตอัป เฮอร์เมียส (Hermeus) ที่ทำงานด้านไฮเปอร์โซนิกในเมืองแอตแลนตา ประเมินรูปแบบการเดินทางด้วยความเร็วระดับมัค 5 ที่สามารถรองรับผู้โดยสารได้ 20 คน

นั่นหมายความว่าในอนาคต ประธานาธิบดีสหรัฐฯ พร้อมกับคนอีกจำนวนไม่มากที่ได้รับเลือก อาจจะได้ร่วมเดินทางด้วยความเร็วระดับมัค 5 ในสักวันหนึ่ง