ข่าว
100 year

กลศาสตร์การบินของเฮลิคอปเตอร์

อาคม รวมสุวรรณ5 พ.ค. 2558 08:05 น.
SHARE

เฮลิคอปเตอร์ มีส่วนประกอบหลักที่ใช้ในการบิน คือ ใบพัด หรือโรเตอร์ เครื่องยนต์ และกลไกการขับเคลื่อนส่งผ่านกำลังจากเครื่องยนต์ไปสู่ใบพัด และใบพัดส่วนหาง โครงสร้างของลำตัว รวมถึงระบบต่างๆ ที่ใช้ประกอบการบิน ในยุคปัจจุบันนี้มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างยิ่งยวด ทำให้เฮลิคอปเตอร์ในยุคใหม่ มีสมรรถนะที่ดีขึ้น และเหมาะสมกับการบินในแทบทุกรูปแบบและทุกสภาพอากาศ

ใบพัดโรเตอร์หลักเป็นส่วนสำคัญที่สุดในการสร้างแรงยก ใบพัดหลักหรือเมนโรเตอร์ทำหน้าที่เช่นเดียวกันกับปีกของเครื่องบิน โดยปีกของเครื่องบินจะต้องเคลื่อนที่ไปข้างหน้า เพื่อให้กระแสอากาศไหลผ่านแพนปีก แต่ใบพัดหลักของเฮลิคอปเตอร์ทำให้กระแสอากาศไหลผ่านด้วยการหมุนรอบแกนโรเตอร์ ใบพัดหลักของเฮิลคอปเตอร์มีตั้งแต่ 2 ใบขึ้นไป ในปัจจุบันนี้มีเฮลิคอปเตอร์ที่มีเครื่องยนต์มากถึง 3 เครื่อง เช่น EH101 Cormorant, EH 101 Heliliner และ CH 53E Super Stallion ทั้งสามแบบเป็นอากาศยานปีกหมุนขนาดใหญ่ ที่ใช้ในการบรรทุกสัมภาระจำนวนมาก

ด้วยเหตุที่ใบพัดหลักหมุนรอบแกนๆ หนึ่ง ความเร็วที่ได้จากการหมุนจึงมีความแตกต่างกันตามระยะห่างจากแกน จุดที่อยู่ใกล้กับแกนหมุนมากที่สุด จะใช้ระยะทางน้อยกว่าจุดที่อยู่ปลายสุดของใบพัดในการเคลื่อนที่ให้ครบรอบในเวลาเดียวกัน เนื่องจากความเร็วที่ปลายใบพัดมีมากกว่าที่โคนใบพัด ทำให้เกิดความแตกต่างในการสร้างแรงยกจากโคนใบพัดถึงปลายใบพัดตามไปด้วย หากต้องการให้เฮลิคอปเตอร์สร้างแรงยกได้มากขึ้น จะต้องออกแบบให้ใบพัดหลักมีพื้นที่มากขึ้น เพื่อเพิ่มแรงยก สามารถทำได้ด้วยการเพิ่มขนาดและความยาวของใบพัดหลัก หรือเพิ่มจำนวนของใบพัดการหมุนของใบพัดหลัก จะสร้างแรงคู่ควบในแกนโรเตอร์ทำให้ลำตัวของเฮลิคอปเตอร์หมุนตามไปด้วย จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่เฮลิคอปเตอร์ทุกๆ ลำ จะต้องมีใบพัดหาง หรือโรเตอร์ท้าย เพื่อทำหน้าที่ต้านแรงหมุนควบคู่ที่เกิดขึ้น


การสร้างแรงในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงควบคู่ของใบพัดท้ายทำให้เฮลิคอปเตอร์ สามารถบินหรือลอยตัวนิ่งๆ ได้ แต่ก็มีเฮลิคอปเตอร์บางรุ่นที่ไม่มีใบพัดหาง หรือโรเตอร์ท้าย วิศวกรการบินผู้ออกแบบแก้ไขอาการหมุนรอบตัวเอง ด้วยการใช้แกนของใบพัดหลักแกนเดียวกัน แต่มีใบพัดหลักสองชุดซ้อนกันอยู่ และหมุนสวนทางกัน ลักษณะของแกนใบพัดหลักสองชุดซ้อนกันและหมุนสวนทางกันนี้มีอยู่ในเฮลิคอปเตอร์รุ่นใหม่ๆ เช่น KA 27 Helix, KA 25 Alligator, KA 226 และ KA32 หรือเฮลิคอปเตอร์บางประเภทที่มีที่มีใบพัดหลักสองชุด แต่อยู่ในตำแหน่งแยกกันที่ส่วนหน้าและส่วนหลัง โดยมีการทำงานของใบพัดหลักทั้งหน้าและหลังหมุนสวนทางกัน เช่น เฮลิคอปเตอร์ลำเลียงทางยุทธวิธีขนาดใหญ่ CH 47

หัวใจสำคัญของอากาศยานทุกแบบ ก็คือ เครื่องยนต์ ในยุคแรกเริ่มของการพัฒนาเฮลิคอปเตอร์ เครื่องยนต์แบบลูกสูบถูกนำมาใช้งานมากที่สุด แต่ในปัจจุบันนี้มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและวัสดุที่ใช้ผลิตเครื่องยนต์มากขึ้น เครื่องยนต์ส่วนใหญ่ของอากาศยานแบบปีกหมุน จึงหันไปใช้เครื่องยนต์แบบ Turbo Shaft ซึ่งมีหลักการเดียวกันกับเครื่องยนต์แบบ Turboprop ของเครื่องบิน หลักการทำงานของเครื่องยนต์ Turbo Shaft จะมีลักษณะดูดอากาศมาผสมกับเชื้อเพลิง และจุดระเบิดใน Gas Generator เพื่อขับดันให้ใบพัดหมุนเพื่อสร้างขับแต่ในเครื่องยนต์แบบ Turbo Shaft จะแตกต่างจากเครื่องยนต์แบบ Turbo prop คือ กำลังของเครื่องยนต์จะถูกส่งผ่าน Transmission Gear เข้าสู่ Shaft หรือเพลาเพื่อไปยังใบพัดหลักและใบพัดหาง กำลังที่ได้ทั้งหมดประมาณ 82% จะถูกส่งไปที่ใบพัดหลักอีก 10% ถูกส่งไปที่ใบพัดหาง ส่วนกำลังที่เหลืออีก 8% จะสูญเสียไปในระหว่างการหมุนและแรงเสียดทานในการขับดันเกียร์ ตัวอย่างของอัตราการส่งกำลังในเฮลิคอปเตอร์รุ่นซุปเปอร์พูม่า (Super Puma MK1) ของบริษัท Eurocopter แบบสองเครื่องยนต์ จะมีความเร็วรอบที่ออกมาจากเครื่องยนต์ 1 ตัวที่ 22,841 รอบต่อนาที การหมุนผ่านชุดเกียร์จนไปถึงใบพัดหลัก ความเร็วรอบจะลดลงจนเหลือเพียง 265 รอบต่อนาที ส่วนใบพัดหางมีความเร็วรอบที่ 1,279 รอบต่อนาที ชุดส่งผ่านกำลังไปสู่ใบพัดหางจะมีชุดเกียร์ที่ทำมุมต่างกันตามตำแหน่งที่ติดตั้งใบพัดหาง นอกเหนือไปจากกลไกส่งผ่านกำลังแล้วส่วนหนึ่งของชุดกลไกจะต้องออกแบบให้มีชุดสำหรับหยุดการหมุนของใบพัด เมื่อเฮลิคอปเตอร์ลงจอดเรียบร้อยแล้วอีกด้วย

โครงสร้างของเฮลิคอปเตอร์ ประกอบด้วย ลำตัวที่ใช้ประโยชน์ในการบรรทุกนักบิน ผู้โดยสาร สัมภาระ และอุปกรณ์ต่างๆ ที่จำเป็นบนเครื่อง โครงที่ห่อหุ้มโครงสร้างหลักจนถึงส่วนหาง เพื่อลดแรงต้านทานของอากาศ เมื่อเฮลิคอปเตอร์เกิดการเคลื่อนที่ รวมถึงฐานล้อที่เป็นโครงแข็งเพื่อรองรับน้ำหนักทั้งหมดของตัวเครื่องเมื่อลงจอด โดยส่วนใหญ่ฐานล้อของเฮลิคอปเตอร์ไม่ต้องรับแรงกด หรือกระแทกมากนัก เนื่องจากการลงจอดไม่มีแรงกระแทกสูงเท่ากับการร่อนลงจอดของเครื่องบิน ระบบต่างๆ ของเฮลิคอปเตอร์ สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ ระบบพื้นฐาน เช่น ระบบวิทยุรับส่ง ระบบบังคับสำหรับนักบิน ระบบตรวจสอบการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ ในยุคปัจจุบันยังมีระบบเพิ่มเติมที่ถูกออกแบบให้ใช้งานเพื่อเพิ่มความสะดวก ในการบังคับควบคุม เช่น ระบบนำร่องแบบอัตโนมัติและระบบนักบินกล หรือออโตไพล็อต โดยระบบเหล่านี้ช่วยในการควบคุมการบินและลดภาระของนักบิน ทำให้บินได้ง่ายขึ้นและมีความปลอดภัยมากขึ้น

โครงสร้างของเฮลิคอปเตอร์ในยุคใหม่ มีการนำวัสดุผสมแบบคาร์บอนคอมโพสิตมาใช้งานมากขึ้น เนื่องจากข้อได้เปรียบทางด้านความแข็งแกร่งและน้ำหนักเมื่อเทียบกับโลหะ เพื่อปรับปรุงสมรรถนะของเฮลิคอปเตอร์ให้สูงขึ้นกว่าในอดีต วัสดุประเภทคาร์บอนคอมโพสิตจะถูกนำมาใช้ในการผลิตโครงสร้างของลำตัวและใบพัด โดยใช้โครงสร้างแบบแซนด์วิช ซึ่งใช้วัสดุน้ำหนักเบาเป็นไส้ใน และใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงห่อหุ้มเป็นผิวด้านนอก วัสดุน้ำหนักเบาที่อยู่ภายในอาจเป็นไม้ โฟม หรืออลูมินัมอัลลอยที่ขึ้นรูป โดยมีลักษณะคล้ายกับรังผึ้งเพื่อความแข็งแกร่งในการรับแรงกดและแรงดึง

ส่วนวัสดุที่ใช้ทำพื้นผิวเพื่อห่อหุ้มอาจเป็นแบบลามิเนต หรือเส้นใยคาร์บอน/ใยแก้ว/ใยอรามิค ซึ่งจะผสมกับสารประกอบที่ทำหน้าที่ประสานกันในการยึดติด ข้อดีของโครงสร้างแบบแซนด์วิชในเฮลิคอปเตอร์ คือ มีน้ำหนักเบา สามารถต้านทานการโก่งตัวได้สูง ส่วนโครงสร้างรูปตัวไอของคานชนิดต่างๆ ที่ประกอบกันเป็นโครงสร้างของเฮลิคอปเตอร์ ก็จะใช้วัสดุประเภทเดียวกัน คือ อาจใช้โครงลำตัวรอบนอกแบบรังผึ้ง รวมกับผิวนอกแบบลามิเนต คาร์บอนอีพ็อกซี่ ลำตัวของเฮลิคอปเตอร์บางประเภทในยุคนี้ใช้แผ่นลามิเนต แบบ Plain Weave 2 ชั้นเรียงกันโดยมีความหนา 0.45 มิลลิเมตร หรืออาจใช้แผ่นลามิเนตในจำนวนที่ไม่เท่ากันประกบขึ้นเป็นโครงสร้างในแบบแซนด์วิช โดยการส่งผ่านแรงจะส่งผ่านไปยังบริเวณที่มีผิวหนากว่าส่วนที่มีผิวบางกว่า จึงช่วยเสริมค่าความต้านทานการโก่งตัวให้กับโครงสร้าง เรียกว่าโครงสร้างแบบแซนด์วิชไม่สมมาตร

ใบพัดของเฮลิคอปเตอร์ จะใช้รูปทรงของแพนอากาศแบบสมมาตร การขึ้นรูปของใบพัดในโรงงานประกอบ จึงต้องมีรูปทรงภายนอกที่เป็นรูปของแพรอากาศ เพื่อสามารถสร้างแรงยกในปริมาณมากๆได้ ส่วนประกอบของกลีบใบจะประกอบไปด้วย

-ชายหน้าแบบใช้ โลหะ มีทั้งแบบไททาเนียมและเหล็กกันสนิมประเภทสเตนเลสสตีล เพื่อป้องกันการกระแทกจากวัสดุแปลกปลอม และโลหะทั้งสองชนิดนี้มีความแข็งแรงในการรับแรงกระแทกมากกว่าวัสดุแบบ คาร์บอนคอมโพสิต


-ผิวของใบพัดโรเตอร์ที่ห่อหุ้มแพนอากาศโดยรอบของใบพัด ใช้วัสดุคอมโพสิตแบบผสม มีทั้งเส้นใยแก้วและเส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์แบบ Plain Weave สองชั้น ทำหน้าที่รับแรงบิดที่เกิดจากแรงต่างๆ ทางอากาศพลศาสตร์ในระหว่างการบิน

-ติดกับผิวชายหน้าและหลังใช้เส้นใยแก้ว UD เพื่อรองรับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง หรือแรงจีของกลีบใบพัด

-ชิ้นส่วนในใจกลางของใบพัดใช้โฟม หรือกระดาษแข็งแบบรังผึ้ง ทำหน้าที่สร้างสมดุลให้กับผิวและค้ำยันตลอดทั่วทั้งพื้นผิวเพื่อลดการยุบตัวของผิว

-แกนหลักของใบพัด ทำหน้าที่แบบเดียวกันกับแกนปีก หรือ Spar นอกเหนือจากการรับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแล้ว ยังทำหน้าที่เช่นเดียวกันกับแกนปีกของเครื่องบิน ที่รับแรงทางอากาศพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นบนกลีบใบพัด

-รอบชายหลังปีกใช้โลหะ ซึ่งจะช่วยในการปิดแพนอากาศทั้งหมดให้สามารถต้านทานแรงบิด และแรงต้านได้

การนำวัสดุสมัยใหม่มาใช้งานในเฮลิคอปเตอร์ ทำให้บริษัทผู้ผลิตอากาศยานแบบปีกหมุนสามารถขึ้นรูปของใบพัดได้จากแบบ และทำให้มีต้นทุนในการผลิตลดลงมาก เมื่อเทียบกับการใช้โลหะในยุคก่อน นอกจากนั้น ใบพัดแบบวัสดุผสมมีอายุการใช้งานยาวนาน สามารถตรวจสอบได้ตามกำหนดของขั้นตอนในการบำรุงรักษา ในความเป็นจริงนั้น การลดน้ำหนักของใบพัดสามารถทำได้อีก แต่บริษัทผู้ผลิตต้องจำกัดน้ำหนักในการลด เพื่อไม่ให้ต่ำไปกว่าเกณฑ์ที่กำหนดมากนัก เพื่อรักษาเสถียรภาพของใบพัดไม่ให้โก่งงอจนมากเกินไป และอาจเกิดผลเสียในการใช้งาน

ข้อจำกัดทางกายภาพของเฮลิคอปเตอร์ในอดีต ขึ้นอยู่กับกำลังของเครื่องยนต์ แต่ในยุคปัจจุบันนี้วิศวกรผู้ออกแบบและพัฒนาเครื่องยนต์ของเฮลิคอปเตอร์ สามารถข้ามขีดจำกัดนี้ไปได้ จึงเหลือเพียงสองส่วนหลักๆ ที่สำคัญ คือ ส่วนที่เกี่ยวข้องกับใบพัดหลัก เช่น การร่วงหล่นของกลีบใบพัดหลัก การเกิดกระแสอากาศที่ไปรบกวนระหว่างกลีบใบพัด และทำให้ใบพัดหลักไม่เกาะอากาศ การบังคับควบคุมที่ไม่สามารถกระทำได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ ในขณะที่บินด้วยความเร็วสูงสุด และส่วนของรูปทรงในเฮลิคอปเตอร์ ที่สร้างแรงต้านขึ้นโดยไม่สามารถแก้ไขได้ เช่น ช่วงแกนหมุนของใบพัดหลัก ลำตัวและฐานล้อ การเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของเฮลิคอปเตอร์ เป็นหัวใจหลักที่ต้องคำนึงถึงในการ ออกแบบเฮลิคอปเตอร์ เนื่องจากความเร็วในบริเวณปลายใบพัด สูงกว่าความเร็วตรงแกนกลางของแกนโรเตอร์ และสามารถเพิ่มขึ้นได้จากการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าจนใกล้กับความเร็วเสียง ซึ่งจะส่งผลกระทบอย่างยิ่งยวดกับแรงทางอากาศพลศาสตร์ และโครงสร้างของกลีบใบพัด ปลายของใบพัดที่หมุนด้วยความเร็วสูงจนใกล้ความเร็วเสียง สามารถทำการคำนวณค่าอย่างคร่าวๆ ได้ดังนี้ เฮลิคอปเตอร์ ทั่วๆ ไป ที่มีความเร็วสูงสุดประมาณ 300 กิโลเมตรต่อชั่วโมง หรือ V=83 เมตร/วินาที ด้วยทฤษฎีของแรงต้านความเร็วมัค 0.85 เป็นความเร็วในค่าวิกฤติที่ไม่เหมาะสมกับโครงสร้าง ดังนั้น ใช้ความเร็วที่ 0.85 มัค คำนวณหาความเร็วที่เกิดขึ้นจากการหมุนของใบพัด จะได้ U=210 เมตร/วินาที หากกำหนดให้รัศมีของกลีบใบพัดเท่ากับ 6 เมตร ความเร็วรอบของใบพัดจะมีค่าประมาณ 350 รอบ/นาที ในกรณีของสมรรถนะของเฮลิคอปเตอร์ในความเป็นจริง ค่อนข้างสลับซับซ้อนมาก เนื่องจากการไหลวนของกระแสอากาศผ่านใบพัดหลัก มีความปั่นป่วนที่ยากต่อการเทียบเคียงให้ใกล้กับค่าที่แท้จริง มีทฤษฎีอย่างง่ายๆ ที่อยู่ภายใต้สมมติฐานของอากาศไหลไม่อัดตัว อากาศเป็นก๊าชที่ไหลอย่างสม่ำเสมอตลอดหน้าตัดของใบพัดหลัก (ใช้สมกรณ์แบร์นูลลี และกฎของการรักษามวล) ซึ่งทฤษฎีเหล่านี้สามาถอธิบายปรากฏการณ์ได้ในบางกรณีเท่านั้น คือ การลอยตัวของเฮลิคอปเตอร์นิ่งๆ การบินขึ้นสู่อากาศด้วยความเร็วต่ำและการบินลงด้วยความเร็วสูง

เฮลิคอปเตอร์สามารถสร้างแรงยกได้โดยนักบินยกคันบังคับ Collective ของในบริเวณด้านซ้ายของนักบิน และจะไปบังคับให้แผ่นไม่หมุน Stationary Star เลื่อนขึ้น เป็นผลให้แผ่นหมุนหรือ Rotating Star ด้านบนไปบังคับกลไกให้ทำการปรับมุมกลีบโรเตอร์ใบพัดหลักทุกใบให้ทำมุมปะทะกับอากาศสูงขึ้น และทำให้เฮลิคอปเตอร์ยกตัวขึ้นได้ แต่ในทางกลับกันหากต้องการให้เฮลิคอปเตอร์ลดระดับความสูง นักบินต้องกดคันบังคับ Collective ลง มุมปะทะกับอากาศของกลีบใบพัดหลักจะลดลง ทำให้ตัวเครื่องลดระดับความสูงลงมา สำหรับการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า หรือไปทางซ้าย-ขวา หรือบินถอยหลัง สามาถทำได้โดยนักบินจะใช้ Cyclic ที่อยู่ด้านหน้าตรงกลางของตำแหน่งที่นั่งนักบิน บังคับไปในทิศทางที่ต้องการ เช่น ถ้าจะบินไปข้างหน้าก็ดัน Cyclic ไปข้างหน้า กลไกบังคับจะทำให้แผ่นไม่หมุนเอียงไปข้างหน้า ซึ่งจะเป็นผลให้กลไกของแผ่นหมุนทำงาน ทำให้ชุดของใบพัดหลักเอียงไปด้านหน้าด้วย เฮลิคอปเตอร์จึงเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ในทางกลับกันหากต้องการบินถอยหลัง นักบินก็เพียงแต่ดึง Cyclic มาด้านหลังชุดใบพัดหลักจะปรับเอียงมาด้านหลัง ทำให้เฮลิคอปเตอร์สามารถบินถอยหลังได้อย่างง่ายดาย และสำหรับการเลี้ยวก็ทำได้โดยการโยกคัน Cyclic ไปยังทิศทางที่ต้องการจะเลี้ยว

แต่การเลี้ยวในลักษณะนี้ อาจไม่ Coordinate นักบินเฮลิคอปเตอร์จึงจำเป็นต้องใช้คันบังคับที่เท้าหรือ Rudder ช่วยเสริมในการเลี้ยวตัวเครื่องเช่นเดียวกันกับการบังคับเลี้ยวในเครื่องบินปีกตรึงนั่นเอง.

อาคม รวมสุวรรณ
E-Mail chang.arcom@thairath.co.th
Facebook https://www.facebook.com/chang.arcom

อ่านเพิ่มเติม...

แท็กที่เกี่ยวข้อง

ARCOM ROUMSUWANกลศาสตร์การบินของเฮลิคอปเตอร์กรุงเทพมหานครอาคม รวมสุวรรณ

Most Viewed

คุณอาจสนใจข่าวนี้