เครื่องยนต์แรมเจ็ตและสแครมเจ็ต เทคโนโลยีขับเคลื่อนขั้นสูงประสิทธิภาพสูงขึ้นที่ความเร็วเหนือเสียง

เครื่องยนต์ แรมเจ็ตและสแครมเจ็ตเป็นเทคโนโลยีเครื่องยนต์ขับเคลื่อนสมัยใหม่ที่ออกแบบมาสำหรับการบินด้วยความเร็วสูงมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระดับเหนือเสียงและความเร็วเหนือเสียงขั้นสูง โดยทั้งสองประเภทนี้จัดอยู่ในกลุ่มเครื่องยนต์ไอพ่นแบบ “Air-breathing” คือใช้อากาศจากภายนอก มาเป็นตัวช่วยในการสันดาปเชื้อเพลิง ซึ่งแตกต่างจากจรวดที่ต้องบรรทุกออกซิไดเซอร์ของตัวเอง

เครื่องยนต์ แรมเจ็ตและสแครมเจ็ตเครื่องยนต์ที่ใช้อากาศหายใจเหล่านี้คืออนาคตของการบินความเร็วสูง โดยมีศักยภาพในการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ขีปนาวุธทางทหารขั้นสูงไปจนถึงระบบปล่อยยานอวกาศรุ่นใหม่

เครื่องยนต์ Ramjet (แรมเจ็ต)
หลักการทำงาน:
Ramjet อาศัยความเร็วของตัวยานที่เคลื่อนที่ผ่านอากาศเพื่อ “อัด” (ram) อากาศเข้าสู่ห้องเผาไหม้ ไม่มีการใช้คอมเพรสเซอร์หรือกังหันเหมือนเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตทั่วไป อากาศที่เข้ามาจะถูกบีบอัดและลดความเร็วลงจนอยู่ในระดับความเร็วต่ำกว่าเสียง (subsonic) ก่อนที่จะผสมกับเชื้อเพลิงและจุดระเบิด การเผาไหม้จะสร้างก๊าซร้อนที่มีความดันสูง ซึ่งจะถูกเร่งความเร็วผ่านหัวฉีดด้านท้ายเพื่อสร้างแรงขับ

คุณสมบัติเด่น:
ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่หลัก: ทำให้โครงสร้างเรียบง่าย น้ำหนักเบา และมีความทนทานสูง
เหมาะสำหรับความเร็วเหนือเสียง: ทำงานได้ดีที่สุดที่ความเร็วประมาณ Mach 2-6 (2-6 เท่าของความเร็วเสียง)
ไม่สามารถสร้างแรงขับจากหยุดนิ่ง: ต้องอาศัยระบบขับเคลื่อนอื่น (เช่น จรวด) ในการเร่งความเร็วให้ถึงระดับที่ Ramjet สามารถเริ่มทำงานได้

ข้อดี:
โครงสร้างเรียบง่ายและน้ำหนักเบา
มีประสิทธิภาพสูงที่ความเร็วเหนือเสียง
ใช้เชื้อเพลิงทั่วไปได้ (เช่น เชื้อเพลิงเจ็ต)

ข้อเสีย:
ไม่สามารถทำงานที่ความเร็วต่ำหรือจากหยุดนิ่งได้
ประสิทธิภาพลดลงเมื่อความเร็วเกิน Mach 6 เนื่องจากปัญหาเรื่องการจัดการความร้อน
การลดความเร็วอากาศที่เข้ามาสู่ระดับ Subsonic สร้างแรงต้านและลดประสิทธิภาพที่ความเร็วสูงมาก

เครื่องยนต์ Scramjet (สแครมเจ็ต)
หลักการทำงาน:
Scramjet ย่อมาจาก “Supersonic Combustion Ramjet” ซึ่งหมายถึง Ramjet ที่มีการเผาไหม้ในสภาวะความเร็วเหนือเสียง นี่คือความแตกต่างที่สำคัญที่สุดจาก Ramjet ทั่วไป Scramjet ก็อาศัยการอัดอากาศจากการเคลื่อนที่ความเร็วสูงเช่นกัน แต่จะไม่มีการลดความเร็วอากาศที่เข้ามาให้ต่ำกว่าเสียง อากาศจะยังคงไหลด้วยความเร็วเหนือเสียงผ่านห้องเผาไหม้ การผสมเชื้อเพลิงและจุดระเบิดในกระแสอากาศความเร็วเหนือเสียงเป็นความท้าทายทางเทคนิคอย่างมาก

คุณสมบัติเด่น:
การเผาไหม้ในกระแสอากาศเหนือเสียง: ช่วยให้เครื่องยนต์ทำงานได้ที่ความเร็วสูงกว่า Ramjet มาก (Mach 5 ขึ้นไป จนถึง Mach 15 หรือสูงกว่าในทางทฤษฎี)
ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่หลัก: เหมือน Ramjet ทำให้มีน้ำหนักเบาและโครงสร้างไม่ซับซ้อน
ไม่สามารถสร้างแรงขับจากหยุดนิ่ง: เช่นเดียวกับ Ramjet ต้องใช้ระบบอื่นในการเร่งความเร็วเริ่มต้น

ข้อดี:
ศักยภาพในการทำความเร็วสูงมากในระดับ Hypersonic
มีประสิทธิภาพเชื้อเพลิงสูงที่ความเร็ว Hypersonic เนื่องจากใช้ประโยชน์จากออกซิเจนในบรรยากาศ
ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่ที่ซับซ้อน ทำให้ทนทานต่ออุณหภูมิและความเค้นสูง

ข้อเสีย:
ความท้าทายทางเทคนิคสูง: การจัดการการเผาไหม้ในกระแสอากาศเหนือเสียงเป็นเรื่องที่ซับซ้อนอย่างยิ่ง “เหมือนการพยายามจุดเทียนในพายุเฮอริเคน”
อุณหภูมิและความเค้นสูงมาก: วัสดุที่ใช้ต้องทนทานต่ออุณหภูมิและแรงทางอากาศพลศาสตร์ที่รุนแรง
ต้องใช้ระบบอื่นในการเร่งความเร็วเริ่มต้น (มักจะเป็นจรวด) ให้ถึงระดับ Mach 5 ขึ้นไป
ระยะเวลาการทำงานที่พิสูจน์แล้วในปัจจุบันยังจำกัดอยู่เพียงไม่กี่วินาทีสำหรับการทดสอบ

เทคโนโลยีเครื่องยนต์ขับเคลื่อนสมัยใหม่ในปัจจุบัน
ทั้ง Ramjet และ Scramjet ยังคงอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนาอย่างเข้มข้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Scramjet ซึ่งถือเป็นก้าวสำคัญสู่การบินด้วยความเร็ว Hypersonic

การประยุกต์ใช้:
ขีปนาวุธความเร็วสูง (Hypersonic Missiles): ช่วยให้ขีปนาวุธเดินทางได้เร็วขึ้น ทำให้ยากต่อการตรวจจับและสกัดกั้น หลายประเทศกำลังพัฒนาเทคโนโลยีนี้ เช่น อินเดีย (DRDO) ได้ทำการทดสอบภาคพื้นดินของ Scramjet combustor ที่ทำงานได้ 120 วินาที
เครื่องบินสอดแนม/โจมตีความเร็วสูง: สำหรับภารกิจที่ต้องการความรวดเร็วในการเข้าถึงพื้นที่
การเดินทางสู่อวกาศที่ประหยัดต้นทุน: แนวคิดคือการใช้เครื่องยนต์ Scramjet ในส่วนแรกของการขับเคลื่อนเพื่อประหยัดเชื้อเพลิงและลดน้ำหนักของจรวด เนื่องจากไม่ต้องบรรทุกออกซิไดเซอร์ทั้งหมด
เครื่องบินโดยสารความเร็วสูงในอนาคต: แม้จะยังอยู่ในขั้นแนวคิดที่ไกลออกไป แต่ Scramjet อาจเป็นหัวใจสำคัญของการเดินทางระหว่างทวีปด้วยความเร็ว Hypersonic

สถานะปัจจุบัน:
มีการทดสอบภาคพื้นดินและเที่ยวบินทดสอบหลายครั้ง โดยโครงการเด่นๆ เช่น NASA X-43A และ X-51 ของสหรัฐอเมริกา, HFL Kholod ของรัสเซีย, และ HyShot ของออสเตรเลีย
ความท้าทายหลักยังคงอยู่ที่การทำให้เครื่องยนต์สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องและมีเสถียรภาพเป็นระยะเวลานานภายใต้สภาวะความเร็วสูงและอุณหภูมิสูง รวมถึงการพัฒนาวัสดุที่ทนทาน
เทคโนโลยี Ramjet ค่อนข้างเป็นที่ยอมรับและถูกนำไปใช้ในขีปนาวุธบางชนิดแล้ว ในขณะที่ Scramjet ยังคงเป็นเทคโนโลยีแห่งอนาคตที่กำลังก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว

Ramjet และ Scramjet คือนวัตกรรมสำคัญที่ผลักดันขีดจำกัดของการบินด้วยความเร็วสูง ซึ่งมีศักยภาพในการปฏิวัติทั้งการป้องกันประเทศ การเดินทาง และการเข้าถึงอวกาศในอนาคต