เกม Kerbal Space Program: ตอนที่ 1 รู้จักกับเครื่องยนต์

พอดีช่วงนี้เกิดติดเกม Kerbal Space Program ขึ้นมา จริงๆ ผมก็เพิ่งเล่นเป็นไม่นานนี้เอง แต่ด้วยความที่เกมนี้มีทฤษฎีและเนื้อหาที่ลึกมาก พอได้เรียนรู้แล้วมันอึ้งทึ่งเสียจนยากที่จะเก็บเอาไว้อยู่คนเดียวได้ ต้องเอามาเขียนเป็นบล็อกให้คนที่อยากจะหัดเล่นได้อ่าน เพราะผมไม่ค่อยเห็นคนเขียนบทความเกี่ยวกับเกมนี้เป็นภาษาไทยเท่าไหร่เลย นี่ก็นับเป็นบทความแรกในบล็อกของผมที่ไม่เกี่ยวกับการเขียนโปรแกรมเลยด้วย ผมคงจะไม่เน้นสอนเล่นประมาณว่ากดตรงไหนยังไง แต่จะเน้นเขียนถึงทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์จริงๆ ที่มีให้เห็นในเกมมากกว่า เพราะคุณต้องเข้าใจทฤษฎีเหล่านี้จริงๆ คุณถึงจะเล่นเกมได้ดี ไม่มั่ว และมันก็จะสนุกตรงนี้แหละ

ออกตัวนิดนึง จริงๆ เกม KSP นี้ มีให้สร้างทั้งจรวดและเครื่องบินอวกาศ แต่ผมเป็นคนชอบสร้างแต่จรวด เลยอาจจะเขียนได้เฉพาะเรื่องเกี่ยวกับจรวดนะครับ ยังไงถ้าเข้าใจเรื่องเครื่องบินอวกาศเพิ่มขึ้น อาจจะมาอัพเดตเพิ่มเติมอีกที

สำหรับบล็อกแรกของซีรี่ส์นี้ จะให้คุณได้มารู้จักกับเครื่องยนต์จรวดที่มีให้เล่นในเกม

ประเภทของเครื่องยนต์

  1. เครื่องยนต์เชื้อเพลิงแข็ง (Solid Fuel Engine) ลักษณะเป็นท่อนบรรจุส่วนผสมของเชื้อเพลิงซึ่งเป็นของแข็งอยู่ภายในท่อและมีหัวฉีดอยู่ด้านปลาย เมื่อจุดระเบิด การสันดาปจะเกิดขึ้นภายในท่อเชื้อเพลิงนั้นและพ่นไอออกมาเป็นแรงขับดัน
    • ราคาถูก น้ำหนักค่อนข้างเบา แต่เป็นเชื้อเพลิงที่จุดติดแล้วดับไม่ได้ และจุดได้ไม่นาน
    • เหมาะสำหรับใช้หนีแรงโน้มถ่วง เพราะอัดกำลังเต็มที่ไม่ต้องยั้ง ใช้เวลาไม่นาน ใช้เสร็จแล้วก็สลัดทิ้งเลย

    ตัวอย่างเครื่องยนต์เชื้อเพลิงแข็ง
  2. เครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลว (Liquid Fuel Engine) จะแบ่งเป็นส่วนของเครื่องยนต์ที่ใช้ทำการจุดระเบิด กับส่วนที่เป็นถังเชื้อเพลิง (Tank) เราอาจต่อถังหลายอันเพื่อเพิ่มปริมาณเชื้อเพลิงได้ เชื้อเพลิงเหลวยังอาจแบ่งได้เป็นสองประเภท
    • เชื้อเพลิงสายคู่ (Bi-propellant) ให้แรงขับจากการสันดาปเชื้อเพลิงกับออกซิไดเซอร์ (Fuel + Oxidizer) เช่นไฮโดรเจนเหลวกับออกซิเจนเหลว (มักย่อว่า LH2/LOX)
      • ราคาแพงกว่าเชื้อเพลิงแข็ง น้ำหนักมากกว่า แต่เปิดปิดปรับความเร่งได้ บางชนิดมีกิมบอล (Gimbal) ปรับทิศทางหัวฉีดได้ และถ้าเครื่องยนต์มีประสิทธิภาพสูง(ประหยัดเชื้อเพลิง) จะสามารถใช้งานได้นานมาก
      • เหมาะสำหรับการขับเคลื่อนทั่วไปที่ต้องเร่งบ้างหยุดบ้าง
      • ถังเชื้อเพลิงชนิดนี้ต้องวางไว้ติดกับเครื่องยนต์ และหากมีหลายถังเชื้อเพลิงแต่วางไม่อยู่ติดกัน เราต้องใช้ท่อเชื้อเพลิง (Fuel Duct) เชื่อมโยงระหว่างถัง

      ตัวอย่างเครื่องยนต์และถังเชื้อเพลิง Bi-Propellant

    • เชื้อเพลิงสายเดี่ยว (Mono-propellant) ทำงานโดยฉีดเชื้อเพลิงให้ลุกไหม้ในห้องเร่งปฏิกิริยาและเกิดแรงขับดัน โดยไม่จำเป็นต้องใช้ออกซิไดเซอร์ เชื้อเพลิงชนิดนี้เช่นไฮดราซีน ถ้าคุณเคยดูหนังเรื่อง The Martian เชื้อเพลิงชนิดนี้แหละ ที่พระเอกนำมาใช้ในการผลิตน้ำ
      • น้ำหนักเบา กำลังไม่มาก
      • เหมาะสำหรับใช้ปรับทิศทางเล็กน้อย เช่นในระบบ RCS
      • ในเกมถือว่าเครื่องยนต์ชนิดนี้สามารถดึงเชื้อเพลิงใช้ได้ตลอดทั้งจรวด/ยาน โดยไม่จำเป็นต้องต่อท่อ

      ตัวอย่างเครื่องยนต์และถังเชื้อเพลิง Mono-Propellant

  3. เครื่องยนต์พลังไฟฟ้าหรือเครื่องยนต์ไอออน (Ion Engine) ทำงานโดยใช้ไฟฟ้าทำให้ก๊าซเฉื่อย (Xenon) เกิดประจุเป็นไอออน แล้วเร่งความเร็วให้อะตอมนั้นพุ่งออกไป เกิดเป็นแรงขับดัน
    • ราคาแพงมาก ให้กำลังขับต่ำมาก ใช้ในบรรยากาศไม่ได้ ใช้ในอวกาศเท่านั้น กินไฟฟ้ามาก แต่ประสิทธิภาพสูง(กินก๊าซน้อย) และใช้งานได้นานมากๆ
    • เหมาะกับยานสำรวจขนาดเล็กที่ต้องการเชื้อเพลิงไว้ใช้นานๆ แต่เนื่องจากกำลังขับที่ต่ำ ทำให้ต้องใช้เวลาเดินเครื่องนานมากๆ (เวลาเล่นเกม) กว่าจะปรับวงโคจรได้ บางทีอาจจะหมดความอดทนไปเสียก่อน

    ตัวอย่างเครื่องยนต์ Ion และถัง Xenon

  4. เครื่องยนต์พลังความร้อนนิวเคลียร์ (Nuclear Thermal Engine) ทำงานโดยใช้ปฏิกรณ์นิวเคลียร์เผาเชื้อเพลิง (เช่นไฮโดรเจนเหลว) ให้กลายเป็นไอแล้วพุ่งออกไปเกิดเป็นแรงขับดัน เครื่องยนต์ชนิดนี้ไม่ต้องใช้ออกซิไดเซอร์ ดังนั้นถังจ่ายเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ชนิดนี้จึงใช้พวกที่บรรจุแต่เชื้อเพลิงก็พอ ไม่ต้องเอาออกซิไดเซอร์ไปด้วย (แต่ไม่ใช่ถัง Mono-Propellant นะ อย่าสับสน)
    • ราคาแพงมาก น้ำหนักมาก กำลังขับต่ำไม่เหมาะจะใช้ใกล้พื้นผิว แต่ประสิทธิภาพสูง(กินเชื้อเพลิงน้อย) ยิ่งไม่ต้องใช้ออกซิไดเซอร์ จึงสามารถใช้งานได้นานกว่าเครื่องยนต์สันดาปมากเมื่อเทียบน้ำหนักเชื้อเพลิงที่แบกไปเท่ากัน
    • เหมาะกับการเดินทางระหว่างดวงดาวที่ใช้เวลาเดินทางนานและต้องการเชื้อเพลิงจำนวนมาก

    ตัวอย่างเครื่องยนต์นิวเคลียร์และถังเชื้อเพลิงเหลว

  5. เครื่องยนต์เจ็ต (Jet Engine) ทำงานโดยดูดอากาศ(ซึ่งมีออกซิเจนอยู่)ด้วย Air Intake เข้าไปอัดจนความดันสูง จากนั้นฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปผสมแล้วจุดระเบิด เกิดเป็นไอพ่นขับดัน เครื่องยนต์ชนิดนี้ไว้ใช้กับเครื่องบินมากกว่าไว้ใช้กับจรวด
    • เครื่องเจ็ตธรรมดา ใช้ในชั้นบรรยากาศที่มีออกซิเจนเท่านั้น ราคาถูก กินเชื้อเพลิงน้อยกว่าเครื่องยนต์จรวดมากๆ
    • เครื่องเจ็ตลูกผสมระหว่างเครื่องเจ็ตธรรมดากับเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเหลว โดยขณะที่ยังอยู่ในชั้นบรรยากาศจะดึงออกซิเจนจากอากาศภายนอก แต่พอขึ้นอวกาศแล้วสามารถดึงออกซิเจนจากถังออกซิเจนเหลวแทนได้

    ตัวอย่าง Air Intake, ถังเชื้อเพลิงเหลว, เครื่องยนต์เจ็ต, ถังเชื้อเพลิงแบบมีออกซิไดเซอร์, และเครื่องยนต์เจ็ตลูกผสม


คุณสมบัติที่ควรรู้ของเครื่องยนต์


เวลาที่อยู่ในโรงประกอบจรวด ถ้าเราดู Spec ของเครื่องยนต์จะเห็นรายละเอียดที่น่ารู้ดังนี้

  1. กำลังขับ (Thrust) ใช้บอกว่าเครื่องยนต์มีแรงขับดันมากน้อยเท่าไหร่ มีหน่วยเป็นนิวตัน ในเกมจะบอกกำลังขับที่สองสภาวะคือในชั้นบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเล (จะมีวงเล็บว่า ASL) และในสุญญากาศ (จะมีวงเล็บว่า VAC) เครื่องยนต์บางชนิดทำงานได้ไม่ดีนักในชั้นบรรยากาศแต่ทำงานได้ดีในสุญญากาศ จึงต้องเลือกใช้งานให้ถูกส่วน
  2. ค่าแรงดลจำเพาะ (Specific Impulse หรือตัวย่อ Isp) เป็นตัวเลขบอกสัดส่วนแรงที่เครื่องยนต์สามารถให้ออกมาได้ต่อปริมาณเชื้อเพลิงที่ใช้ หรือว่าง่ายๆ ใช้บอกว่าเครื่องยนต์มีประสิทธิภาพในการประหยัดเชื้อเพลิงขนาดไหน ตัวเลขยิ่งมากหมายถึงยิ่งประหยัดมาก และก็เช่นกันค่า Isp อาจแตกต่างกันในชั้นบรรยากาศและในสุญญากาศ
engine spec

คลิกเมาส์ขวาขณะชี้ที่เครื่องยนต์เพื่อดูรายละเอียด


อัตรากำลังขับต่อน้ำหนักของจรวด (Thrust to Weight Ratio หรือ TWR)


เรื่องสุดท้ายที่จะกล่าวถึงในบล็อกนี้คืออัตรากำลังขับต่อน้ำหนักจรวด ค่านี้ไม่มีบอก เพราะมันไม่ใช่คุณสมบัติของเครื่องยนต์ แต่มันคือคุณสมบัติของจรวดที่คุณสร้างขึ้น ซึ่งต้องลองคำนวณดูเอง (หรือจะใช้ mod ช่วยคำนวณก็ตามแต่)

ประเด็นคือการที่คุณจะส่งจรวดขึ้นฟ้า ต้องแน่ใจว่ากำลังเครื่องยนต์มากกว่าน้ำหนักของจรวด หมายความว่าอัตราส่วน กำลังขับ/น้ำหนัก ต้องมากกว่า 1 ถ้า TWR เท่ากับ 1 แปลว่าจรวดจะลอยอยู่นิ่งๆ แต่ถ้าไม่ถึง 1 ก็คือจรวดจะไม่ขึ้น หรือถ้าลอยอยู่กลางอากาศก็คือเตรียมร่วงได้เลย เท่าที่สังเกต ควรจะทำ TWR ให้ได้ประมาณ 2 ถ้าแรงมากเกินไปโครงสร้างอาจรับแรงเสียดทานกับชั้นบรรยากาศไม่ไหว แต่ถ้าพ้นบรรยากาศไปแล้วก็ไม่เป็นไร

การคำนวณ TWR ทำได้โดยดูว่า ณ ขณะหนึ่ง เรามีเครื่องยนต์ทำงานอยู่กี่ตัว รวมกำลังขับเป็นกี่ kN (กิโลนิวตัน) และน้ำหนักจรวด ณ ขณะนั้นเป็นเท่าไหร่ (น้ำหนักเท่ากับมวลคูณจี หน่วยเป็นนิวตันเหมือนกัน, w = m.g โดยที่ g=9.81 m/s2)
ตัวอย่าง จรวดของเราประกอบไปด้วย

Part Mass (t)
MK1 Command Pod 0.84
MK16 Parachute 0.1
RT-5 “Flea” Solid Fuel Booster เชื้อเพลิงเต็ม = 1.5, เชื้อเพลิงหมด = 0.45

เครื่องยนต์ Flea มีกำลังขับในชั้นบรรยากาศ 162.91 kN
ตอนเริ่มปล่อยจรวดจะมีมวลรวม = 0.84 + 0.1 + 1.5 = 2.44 t
ดังนั้น TWR ตอนเริ่มปล่อยจรวดจะมีค่าเท่ากับ 162.91 / (2.44 * 9.81) = 6.806 (พุ่งปรี๊ดเลย)
เมื่อปล่อยไปแล้วค่า TWR ยังจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากทั้ง thrust ที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามความบางของขั้นบรรยากาศ และมวลของเชื้อเพลิงที่ลดลงเรื่อยๆ

2 Responses to “เกม Kerbal Space Program: ตอนที่ 1 รู้จักกับเครื่องยนต์”

  1. เกม Kerbal Space Program: ตอนที่ 5 ไปดวงจันทร์ | Panya's Blog: Programmer Thoughts Says:

    […] (หน่วยเป็นวินาที) (มีอธิบายไว้ในโพสตอนที่ 1) […]

  2. Pop Mitwongsa Says:

    ชอบครับเล่นอยู่แต่จะมาหาความรู้ คือตอนเด็กเกเรไม่ชอบเรียนครับโตมาดันมาสนใจเรื่องอวกาศ


Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: