Experiments to measure the Aerodynamics in the near-space conditions compare to normal ground conditions (Team Project, 2014)

บทคัดย่อ

โครงการนี้เป็นการทดลองเพื่อพิสูจน์และเปรียบเทียบหลักการด้านอากาศพลศาสตร์ของจรวดที่เคลื่อนที่ในสภาวะใกล้เคียงอวกาศเทียบกับสภาวะปกติบนพื้นโลก ดำเนินการภายใต้การแข่งขันในโครงการ THASA Contest 2014 จัดโดย สทอภ. กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี โดยโครงการนี้เกิดขึ้นมาจากแนวคิดของจรวดที่เป็นหนึ่งในพาหนะนำพา/นำส่งอุปกรณ์การทดลองและอุปกรณ์สารสนเทศด้านดาราศาสตร์และอวกาศขึ้นสู่อวกาศ สำหรับการส่งจรวดขึ้นสู่อวกาศจากภาคพื้นดินต้องเคลื่อนที่ผ่านชั้นบรรยากาศที่มีความหนาแน่นของอากาศอยู่ ส่งผลให้ต้องใช้เชื้อเพลิงมากขึ้นในการขับเคลื่อนจรวดให้ไปถึงที่หมาย โครงการนี้จึงมีความสนใจที่จะเสนอและพิสูจน์แนวคิดทางอากาศพลศาสตร์ของการปล่อยจรวดบนบอลลูนใกล้อวกาศ ภายใต้สภาวะความดันบรรยากาศต่ำกว่าบนพื้นโลกใกล้เคียงสุญญากาศ โดยมีสมมุติฐานว่า จรวดสามารถเคลื่อนที่ไปได้สูงมากยิ่งขึ้นเมื่อเทียบจากการปล่อยบนพื้นโลก อันเนื่องมาจากแรงต้านอากาศที่น้อยกว่า ในโครงการนี้ได้แบ่งการดำเนินการออกเป็น 3 ขั้น ได้แก่ ขั้นที่ 1 ศึกษาและวิเคราะห์สภาวะการปล่อยด้วย Free body diagram การเคลื่อนที่ของจรวดในแนวตั้ง และคำนวณด้วยโปรแกรม Matlab ขั้นที่ 2 คัดเลือก ออกแบบ และประดิษฐ์อุปกรณ์ที่จำเป็นต่อการทดลองในโครงการ ประกอบไปด้วย 2.1.การคัดเลือกจรวด ได้พิจารณาความเหมาะสมจากมวล ขนาด และ รูปทรงจรวดให้มีความเสถียรต่อการเคลื่อนที่บนพื้นโลก จรวดในงานวิจัยนี้ได้ขับด้วยเชื้อเพลิงแข็ง 2.2.การออกแบบฐานปล่อยบอลลูน ได้พิจารณาจากหลักการเชิงสมดุลของการเคลื่อนที่ของบอลลูนในบรรยากาศสูงมาร่วมการออกแบบให้มีความเสถียรในสภาวะบรรยากาศสูง รวมทั้งการคัดเลือกวัสดุที่เบา และเหมาะสมต่อการใช้งานในสภาวะบรรยากาศสูง 2.3.คัดเลือกและทดสอบตัวจุดระเบิด ตัวจุดระเบิดในโครงการนี้ได้เลือกใช้ชนิดจุดระเบิดด้วยไฟฟ้า โดยวิเคราะห์ถึงกำลังไฟฟ้าที่สามารถจุดติดเชื้อเพลิงแข็งได้ทั้งสภาวะบนพื้นโลกและใกล้อวกาศ 2.4.คัดเลือกอุปกรณ์เก็บข้อมูล อุปกรณ์เก็บข้อมูลที่ใช้ในโครงการนี้สามารถวัดความสูงและบันทึกพิกัด GPS ได้ และส่งข้อมูลด้วยสัญญาณวิทยุแบบตลอดเวลา (Real time) สู่ตัวรับสัญญาณภาคพื้นดิน โดยอุปกรณ์ทั้งหมดจะนำติดตั้งกับบอลลูนของโครงการฯ โดยจำกัดมวลทั้งหมดไม่เกิน 1 กก ตามเงื่อนไขของบอลลูนในการแข่งขัน ขั้นที่ 3 ทดลองวัดความสูงที่จรวดทำได้และเปรียบเทียบการเคลื่อนที่ในสองสภาวะ 1.ปล่อยจากบนพื้นโลก 2.ปล่อยจากฐานบนบอลลูนที่ความสูง 30 กม เหนือระดับน้ำทะเล โดยทำการวัดผลความสูงในช่วงเวลาเดียวกัน เพื่อเป็นการลดตัวแปรความคลาดเคลื่อนของการเปลี่ยนสภาวะอากาศโลกในแต่ละช่วงเวลา สำหรับผลการดำเนินการ พบว่า ในภาคการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีนั้น จรวดที่ปล่อยจากฐานปล่อยบนบอลลูนใกล้อวกาศ สามารถขึ้นไปได้สูงกว่าการปล่อยจากพื้นโลกเมื่อเทียบความสูงที่ทำได้จากจุดปล่อย สำหรับการดำเนินการต่อไปนั้น จะเป็นการทดสอบยิงจริงเพื่อเก็บข้อมูลการเคลื่อนที่ของจรวด และนำมาวิเคราะห์ต่อไป คาดการณ์ว่าจะให้ผลสอดคล้องกับการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีและได้ข้อมูลลักษณะการเคลื่อนที่ที่อยู่นอกเหนือจากการวิเคราะห์ภาคทฤษฎี อันเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาลักษณะการบินของจรวดภายใต้สภาวะใกล้อวกาศและต่อการพัฒนาโครงการนี้ ให้สามารถใช้งานได้จริงต่อไป

คำสำคัญ: อากาศพลศาสตร์ของจรวด บอลลูนใกล้อวกาศ(บอลลูนบรรยากาศสูง) สภาวะบรรยากาศสูง

การดำเนินงาน

โครงการนี้จะทำการเปรียบเทียบการเคลื่อนที่ของจรวดในสองสภาวะ ได้แก่ สภาวะบนพื้นโลก และ สภาวะบนบอลลูนใกล้อวกาศ ในที่นี้จึงเริ่มจากการศึกษาลักษณะการเคลื่อนที่ของจรวดเทียบกันทั้งสองสภาวะในภาคทฤษฎี จากนั้นทำการ คัดเลือก ออกแบบ และประดิษฐ์อุปกรณ์ที่จำเป็นต่อการทดลองในโครงการ  แล้วทดลองวัดความสูงที่จรวดทำได้และเปรียบเทียบการเคลื่อนที่ในสองสภาวะ ขั้นตอนท้ังสามมีรายละเอียดดังนี้

ขั้นที่ 1 การศึกษาและวิเคราะห์ลักษณะการเคลื่อนที่ของจรวดในสภาวะใกล้เคียงอวกาศเทียบกับสภาวะบนพื้นโลก ในส่วนแรกเป็นการใช้ Free body diagram วิเคราะห์การเคลื่อนที่ของจรวดในความสัมพันธ์ จากนั้นวิเคราะห์ผลการบินเชิงตัวเลขด้วยโปรแกรม OpenRocket

ขั้นที่ 2 คัดเลือก ออกแบบ และประดิษฐ์อุปกรณ์ที่จำเป็นต่อการทดลองในโครงการ

ขั้นที่ 3 ทดลองวัดความสูงที่จรวดทำได้และเปรียบเทียบการเคลื่อนที่ในสองสภาวะ

สภาวะบรรยากาศบนพื้นโลก: จรวดขึ้นได้สูง 196 m จากพื้นโลก

สภาวะบรรยากาศ: จรวดไม่สามารถจุดติดตัวเองได้ที่ความสูง 15 กม จากพื้นโลก และบอลลูนได้แตกที่ความสูงประมาณ 17 กม. จากพื้นโลก อุปกรณ์ทั้งหมดตกอยู่ภายในจังหวัดเดียวกับที่ปล่อยและอยู่ในเขตพื้นที่การเกษตรประชาชน ทำให้สามารถเก็บกู้ซากได้

สรุปผลการดำเนินงาน

ในภาคการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีนั้น จรวดที่ปล่อยจากฐานปล่อยบนบอลลูนใกล้อวกาศ สามารถขึ้นไปได้สูงกว่าการปล่อยจากพื้นโลกเมื่อเทียบความสูงที่ทำได้จากจุดปล่อย เนื่องจากปัจจัยด้านแรงต้านอากาศที่เกี่ยวข้องต่อการเคลื่อนที่ของจรวดเป็นหลัก

สำหรับผลการดำเนินการทดลองยิงจริง ยังไม่เป็นไปตามที่คาดไว้ เนื่องจากตัวจุดระเบิดนั้นเกิดความผิดพลาดไม่สามารถจุดระเบิด ณ บรรยากาศสูงได้ อาจเนื่องมาจาก ระบบจุดระเบิดนั้นมีพลังงานจุดติดเชื้อเพลิงไม่เพียงพอ

หากมีการทดลองหรือดำเนินการโครงการต่อเนื่องจากนี้ คาดการณ์ว่าจะให้ผลสอดคล้องกับการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีและได้ข้อมูลลักษณะการเคลื่อนที่ที่อยู่นอกเหนือจากการวิเคราะห์ภาคทฤษฎี อันเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาลักษณะการบินของจรวดภายใต้สภาวะใกล้อวกาศและต่อการพัฒนาโครงการนี้ ให้สามารถใช้งานได้จริงในการขนส่งทางอวกาศโดยใช้บอลลูนได้ต่อไป

ออกรายการ อัจฉริยะระฟ้า TPBS วันที่ 30 สิงหาคม 2015

คณะผู้จัดทำ

นายตะวัน ถิ่นถาวรกุล
Email: tawandawei@hotmail.com
ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
นายอภิมุข เจนวิถีสุข
Email: apimuk.j@gmail.com
โครงการ Twinning Engineering Program คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์