กำเนิดจรวด
อวกาศอยู่สูงเหนือศีรษะขึ้นไปเพียงหนึ่งร้อยกิโลเมตรแต่การที่จะขึ้นไปถึงมิใช่เรื่องง่าย เมื่อสามร้อยปีมาแล้ว เซอร์ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ผู้คิดค้นทฤษฎีเรื่องแรงโน้มถ่วงของโลก อธิบายว่า หากเราขึ้นไปอยู่บนที่สูงแล้วปล่อยวัตถุให้หล่น วัตถุจะตกลงสู่พื้นในแนวดิ่ง เมื่อออกแรงขว้างวัตถุออกไปในทิศทางขนานกับพื้น วัตถุจะเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้ง (A)
แรงลัพธ์ซึ่งเกิดขึ้นจากแรงที่เราขว้างและแรงโน้มถ่วงของโลกรวมกันทำให้วัตถุเคลื่อนที่เป็นวิถีโค้ง ถ้าเราออกแรงมากขึ้น วิถีการเคลื่อนที่ของวัตถุจะโค้งน้อยลง วัตถุจะยิ่งตกไกลขึ้น (B) และหากเราออกแรงมากจนวิถีของวัตถุขนานกับความโค้งของโลก วัตถุจะไม่ตกสู่พื้นโลกแต่จะโคจรรอบโลกเป็นวงกลม (C) เราเรียกการตกในลักษณะเช่นนี้ว่า “การตกอย่างอิสระ” (Free fall) และนี่คือหลักการส่งยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจรรอบโลก หากเราเพิ่มแรงให้กับวัตถุมากขึ้นไปอีกก็จะได้วงโคจรเป็นรูปวงรี (D) และถ้าเราส่งวัตถุด้วยความเร็ว 11.2 กิโลเมตรต่อวินาที วัตถุจะไม่หวนกลับคืนมาแต่จะเดินทางออกสู่ห้วงอวกาศ (E) เราเรียกความเร็วนี้ว่า “ความเร็วหลุดพ้น” (Escape speed) และนี่คือหลักการส่งยานอวกาศไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น
หมายเหตุ: ในทางปฏิบัติเราไม่สามารถส่งวัตถุขึ้นสู่อวกาศในแนวราบได้ เพราะโลกมีบรรยากาศห่อหุ้มอยู่ ความหนาแน่นของอากาศจะต้านทานให้วัตถุเคลื่อนที่ช้าลงและตกสู่พื้นเสียก่อนที่จะเข้าสู่วงโคจร ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์จึงออกแบบวิถีของจรวดให้ขึ้นสู่ท้องฟ้าในแนวดิ่ง แล้วค่อยปรับวิถีให้โค้งขนานกับผิวโลกเมื่อเหนือชั้นบรรยากาศในภายหลัง
จรวด (Rocket) เป็นเครื่องยนต์ที่ใช้ขับเคลื่อนพาหนะสำหรับขนส่งอุปกรณ์หรือมนุษย์ขึ้นสู่อวกาศ จรวดสามารถเดินทางไปในอวกาศ เนื่องจากไม่จำเป็นต้องอาศัยออกซิเจนในบรรยากาศมาใช้ในการสันดาปเชื้อเพลิง ทั้งนี้เพราะว่าจรวดมีถังบรรจุออกซิเจนอยู่ในตัวเอง จรวดที่ใช้เดินทางไปสู่อวกาศจะต้องมีแรงขับเคลื่อนสูงมากและต่อเนื่อง เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก (Gravity) ซึ่งมีความเร่ง 9.8 เมตร/วินาที2 ในการเดินทางจากพื้นโลกสู่วงโคจรรอบโลก จรวดทำงานตามกฎของนิวตัน 3 ข้อดังนี้
กฎข้อที่ 3 “แรงกริยา = แรงปฏิกิริยา” จรวดปล่อยแก๊สร้อนออกทางท่อท้ายด้านล่าง (แรงกริยา) ทำให้จรวดเคลื่อนที่ขึ้นสู่อากาศ (แรงปฏิกิริยา)
กฏข้อที่ 2 “ความเร่งของจรวดแปรผันตามแรงขับของจรวด แต่แปรผกผันกับมวลของจรวด” (a = F/m) ดังนั้นจรวดต้องเผาไหม้เชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง เพื่อสร้างความเร่งเอาชนะแรงโน้มถ่วง และเพื่อให้ได้ความเร่งสูงสุด นักวิทยาศาสตร์จะต้องออกแบบให้จรวดมีมวลน้อยที่สุดแต่มีแรงขับดันมากที่สุด
กฎข้อที่ 1 “กฎของความเฉื่อย” เมื่อจรวดนำดาวเทียมหรือยานอวกาศเข้าสู่วงโคจรรอบโลกแล้ว จะดับเครื่องยนต์เพื่อเคลื่อนที่ด้วยแรงเฉื่อย ให้ได้ความเร็วคงที่ เพื่อรักษาระดับความสูงของวงโคจรให้คงที่
จรวดที่ขับเคลื่อนด้วยพลังจากดินปืนลำแรกถูกพัฒนาขึ้นในประเทศจีนยุคกลางภายใต้การปกครองของราชวงศ์ซ่ง (Song dynasty) ในศตวรรษที่ 13 ชาวมองโกลได้รับเอาเทคโนโลยีจรวดของจีนและการแพร่กระจายเทคโนโลยีจรวดนี้ผ่านการรุกรานของชาวมองโกล (Mongol invasions) ไปยังตะวันออกกลางและยุโรปในช่วงกลางศตวรรษที่ 13 [3] ด้วยความที่หาได้ง่ายของดินดำ (ดินปืน) ได้ถูกนำมาใช้ขับดันกระสุนยิงอันเป็นพัฒนาการยุคเริ่มแรกของจรวดเชื้อเพลิงแข็ง วิทยาการจรวดเริ่มขึ้นตั้งแต่คริสต์ศตวรรษที่ 9 มีการคิดค้นดินปืนโดยนักพรตชาวจีนในลัทธิเต๋าซึ่งได้ค้นพบผงสีดำในขณะที่กำลังทำการค้นหาตัวยาสำหรับการทำชีวิตให้เป็นอมตะ การค้นพบโดยบังเอิญนี้ได้นำไปสู่การทดลองทำเป็นอาวุธเช่น ระเบิด, ปืนใหญ่, ธนูไฟ สำหรับการก่อความไม่สงบและจรวดขับเคลื่อนธนูไฟ [nb 1][nb 2] การค้นพบดินปืนอาจเป็นผลผลิตแห่งศตวรรษของการทดลองเล่นแร่แปรธาตุในลัทธิเต๋าซึ่งนักเล่นแร่แปรธาตุได้พยายามที่จะสร้างยาอายุวัฒนะ (panacea)แห่งความเป็นอมตะที่จะช่วยให้คนที่กินมันจะกลายเป็นอมตะทางร่างกาย [6]
เป็นเวลาพอดิบพอดีเมื่อมีเที่ยวบินแรกของจรวดเกิดขึ้นคือเกิดการประกวดประชันแข่งขันกัน ปัญหาคือว่าลูกธนูไฟของชาวจีนสามารถเป็นลูกธนูทั้งที่มีวัตถุระเบิดที่แนบมาหรือลูกธนูที่ขับเคลื่อนโดยดินปืนกันแน่ มีรายงานของธนูไฟและ’หม้อเหล็ก’ซึ่งอาจจะได้ยินเป็นระยะทางไกลได้ถึง 5 ลี้ (25 กิโลเมตรหรือ 15 ไมล์) เมื่อมีการระเบิดขณะเกิดปะทะกัน, ก่อให้เกิดการทำลายล้างรัศมี 600 เมตร (2,000 ฟุต), อย่างเด่นชัดเนื่องจากเศษกระสุน [7] ได้มีการอ้างสิทธิการวิจัยร่วมกันคือบันทึกแรกที่ใช้จรวดในการสู้รบโดยชาวจีนในปี 1232 กับกองทัพมองโกลที่ไคเฟงฟู (Kai Feng Fu) อย่างไรก็ตาม ขนาดที่ลดลงมาของหม้อเหล็กอาจถูกใช้เป็นวิธีสำหรับกองทัพเพื่อล้อมยิงผู้รุกราน ข้อมูลอ้างอิงทางวิชาการ กล่าวว่าในปี ค.ศ. 998 ชายคนหนึ่งชื่อ ถัง ฟู่ (Tang Fu) ได้คิดค้นลูกธนูไฟชนิดใหม่ที่มีหัวเหล็ก ธนูไฟ คือธนูที่แนบติดกับวัตถุระเบิดหรือธนูที่ขับดันโดยดินปืนอย่างใดอย่างหนึ่งดังเช่นอาวุธ ฮวาชา (Hwacha) ของเกาหลี
จรวดขับเคลื่อนด้วยพลังดินปืนได้รับการพัฒนาขึ้นเป็นครั้งแรกในสมัยราชวงศ์ซ่งของประเทศจีนในยุคกลางในคริสต์ศตวรรษที่ 13 เทคโนโลยีจรวดของจีนได้รับการยอมรับโดยชาวมองโกลและสิ่งประดิษฐ์นี้ได้แพร่ขยายออกไปโดยการรุกรานของมองโกล (Mongol invasions) ไปยังตะวันออกกลางและยุโรปในช่วงกลางคริสต์ศตวรรษที่ 13 [9] จรวดถูกบันทึกไว้ว่าถูกใช้ในกองทัพเรือของราชวงศ์ซ่ง (Song navy) ในการฝึกซ้อมของทหารซึ่งระบุปี ค.ศ. 1245 การขับเคลื่อนจรวดแบบสันดาปภายในถูกกล่าวถึงในเอกสารอ้างอิงในปี ค.ศ. 1264 ซึ่งบันทึกว่า ‘ground-rat’ ซึ่งเป็นดอกไม้ไฟชนิดหนึ่ง ได้ทำให้จักรพรรดินี “Gongsheng” (Empress-Mother Gongsheng) รู้สึกตกใจในงานเลี้ยงที่จัดขึ้นเพื่อเป็นเกียรติแก่พระนางโดยลูกชายของพระนางเองคือจักรพรรดิซ่งลี่จง (Emperor Lizong) [10] ต่อมา, จรวดถูกรวมอยู่ในตำราทางทหารที่ชื่อว่า Huolongjing หรือที่รู้จักกันในชื่อว่า Fire Drake Manual ซึ่งเขียนขึ้นโดยเจ้าหน้าที่เหล่าทหารปืนใหญ่ของจีนชื่อ Jiao Yu ในช่วงกลางคริสต์ศตวรรษที่ 14 ข้อความนี้กล่าวถึงจรวดแบบหลายตอนที่รู้จักกันเป็นครั้งแรกว่า ‘มังกรไฟที่ไหลออกจากน้ำ’ (huo long chu shui) ซึ่งถูกใช้โดยกองทัพเรือจีน
จรวดสมัยใหม่ในยุคกลางและยุคต้นถูกใช้เป็นอาวุธเพลิง (Incendiary weapon) ในทางการทหารในการล้อมเมือง (siege)
