กลศาสตร์การบินของเฮลิคอปเตอร์

เฮลิคอปเตอร์ มีส่วนประกอบหลักที่ใช้ในการในการบินคือใบพัดหรือโรเตอร์ เครื่องยนต์ และกลไกส่งผ่านกำลังจากเครื่องยนต์ไปสู่ใบพัด และใบพัดส่วนหาง โครงสร้างของลำตัว รวมถึงระบบต่างๆที่ใช้ประกอบการบิน  ในยุคปัจจุบันนี้มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างยิ่งยวด ทำให้เฮลิคอปเตอร์ในยุคใหม่มีสมรรถนะที่ดีขึ้นและเหมาะสมกับการบินในแทบทุก รูปแบบและทุกสภาพอากาศ

ใบพัดโรเตอร์หลักเป็นส่วนสำคัญที่สุดใน การสร้างแรงยก ใบพัดหลักหรือเมนโรเตอร์ทำหน้าที่เช่นเดียวกันกับปีกของเครื่องบิน โดยปีกของเครื่องบินจะต้องเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเพื่อให้กระแสอากาศไหลผ่าน แพนปีก แต่ใบพัดหลักของเฮลิคอปเตอร์ทำให้กระแสอากาศไหลผ่านด้วยการหมุนรอบแกนโร เตอร์ ใบพัดหลักของเฮิลคอปเตอร์มีตั้งแต่ 2 ใบขึ้นไป ในปัจจุบันนี้มีเฮลิคอปเตอร์ที่มีเครื่องยนต์มากถึง 3 เครื่องเช่น EH101 Cormorant, EH 101 Heliliner และ CH 53E Super Stallion ทั้งสามแบบเป็นอากาศยานปีกหมุนขนาดใหญ่ที่ใช้ในการบรรทุกสัมภาระจำนวนมาก


Rotor

ด้วย เหตุที่ใบพัดหลักหมุนรอบแกนๆหนึ่ง ความเร็วที่ได้จากการหมุนจึงมีความแตกต่างกันตามระยะห่างจากแกน จุดที่อยู่ใกล้กับแกนหมุนมากที่สุดจะใช้ระยะทางน้อยกว่าจุดที่อยู่ปลายสุด ของใบพัด ในการเคลื่อนที่ให้ครบรอบในเวลาเดียวกัน เนื่องจากความเร็วที่ปลายใบพัดมีมากกว่าที่โคนใบพัด ทำให้เกิดความแตกต่างในการสร้างแรงยกจากโคนใบพัดถึงปลายใบพัดตามไปด้วย หากต้องการให้เฮลิคอปเตอร์สร้างแรงยกได้มากขึ้น จะต้องออกแบบให้ใบพัดหลักมีพื้นที่มากขึ้นเพื่อเพิ่มแรงยก สามารถทำได้ด้วยการเพิ่มขนาดและความยาวของใบพัดหลัก หรือเพิ่มจำนวนของใบพัดการหมุนของใบพัดหลักจะสร้างแรงคู่ควบในแกนโรเตอร์ทำ ให้ลำตัวของเฮลิคอปเตอร์หมุนตามไปด้วย จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่เฮลิคอปเตอร์ทุกๆลำจะต้องมีใบพัดหางหรือโรเตอร์ท้าย เพื่อทำหน้าที่ต้านแรงหมุนควบคู่ที่เกิดขึ้น การสร้างแรงในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงควบคู่ของใบพัดท้ายทำให้เฮลิคอปเตอร์ สามารถบินหรือลอยตัวนิ่งๆได้ แต่ก็มีเฮลิคอปเตอร์บางรุ่นที่ไม่มีใบพัดหางหรือโรเตอร์ท้าย วิศวกรการบินผู้ออกแบบแก้ไขอาการหมุนรอบตัวเองด้วยการใช้แกนของใบพัดหลักแกน เดียวกัน แต่มีใบพัดหลักสองชุดซ้อนกันอยู่และหมุนสวนทางกัน ลักษณะของแกนใบพัดหลักสองชุดซ้อนกันและหมุนสวนทางกันนี้มีอยู่ใน เฮลิคอปเตอร์รุ่นใหม่ๆเช่น KA 27 Helix, KA 25 Alligator, KA 226 และ KA32 หรือเฮลิคอปเตอร์บางประเภทที่มีที่มีใบพัดหลักสองชุดแต่อยู่ในตำแหน่งแยกกัน ที่ส่วนหน้าและส่วนหลัง โดยมีการทำงานของใบพัดหลักทั้งหน้าและหลังหมุนสวนทางกันเช่นเฮลิคอปเตอร์ ลำเลียงทางยุทธวิธีขนาดใหญ่ CH 47


Engine Of Helicopters

หัวใจสำคัญของ อากาศยานทุกแบบก็คือเครื่องยนต์ ในยุคแรกเริ่มของการพัฒนาเฮลิคอปเตอร์ เครื่องยนต์แบบลูกสูบถูกนำมาใช้งานมากที่สุด แต่ในปัจจุบันนี้มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและวัสดุที่ใช้ผลิตเครื่องยนต์ มากขึ้น เครื่องยนต์ส่วนใหญ่ของอากาศยานแบบปีกหมุนจึงหันไปใช้เครื่องยนต์แบบ TurboShaft ซึ่งมีหลักการเดียวกันกับเครื่องยนต์แบบ Turboprop ของเครื่องบิน หลักการทำงานของเครื่องยนต์ TurboShaft จะมีลักษณะดูดอากาศมาผสมกับเชื้อเพลิง และจุดระเบิดใน Gas Generator เพื่อขับดันให้ใบพัดหมุนเพื่อสร้างขับแต่ในเครื่องยนต์แบบ TurboShaft จะแตกต่างจากเครื่องยนต์แบบ Turboprop คือ กำลังของเครื่องยนต์จะถูกส่งผ่าน Transmission Gear เข้าสู่ Shaft หรือเพลาเพื่อไปยังใบพัดหลักและใบพัดหาง กำลังที่ได้ทั้งหมดประมาณ 82% จะถูกส่งไปที่ใบพัดหลักอีก10%ถูกส่งไปที่ใบพัดหาง ส่วนกำลังที่เหลืออีก 8%จะสูญเสียไปในระหว่างการหมุน และแรงเสียดทานในการขับดันเกียร์ ตัวอย่างของอัตราการส่งกำลังในเฮลิคอปเตอร์รุ่น ซุปเปอร์พูม่า (Super Puma MK1)ของบริษัท Eurocopter แบบสองเครื่องยนต์ จะมีความเร็วรอบที่ออกมาจากเครื่องยนต์ 1ตัวที่ 22,841 รอบต่อนาที การหมุนผ่านชุดเกียร์จนไปถึงใบพัดหลัก ความเร็วรอบจะลดลงจนเหลือเพียง 265 รอบต่อนาที ส่วนใบพัดหางมีความเร็วรอบที่ 1279 รอบต่อนาที ชุดส่งผ่านกำลังไปสู่ใบพัดหางจะมีชุดเกียร์ที่ทำมุมต่างกันตามตำแหน่งที่ติด ตั้งใบพัดหาง นอกเหนือไปจากกลไกส่งผ่านกำลังแล้วส่วนหนึ่งของชุดกลไกจะต้องออกแบบให้มีชุด สำหรับหยุดการหมุนของใบพัด เมื่อเฮลิคอปเตอร์ลงจอดเรียบร้อยแล้วอีกด้วย


โครงสร้างของ Helicopters

โครงสร้างของเฮลิคอปเตอร์ประกอบด้วยลำตัวที่ใช้ประโยชน์ในการบรรทุกนักบิน ผู้โดยสาร สัมภาระและอุปกรณ์ต่างๆที่จำเป็นบนเครื่อง โครงที่ห่อหุ้มโครงสร้างหลักจนถึงส่วนหางเพื่อลดแรงต้านทานของอากาศเมื่ิิอ เฮลิคอปเตอร์เกิดการเคลื่อนที่ รวมถึงฐานล้อที่เป็นโครงแข็งเพื่อรองรับน้ำหนักทั้งหมดของตัวเครื่องเมื่อลงจอด โดยส่วนใหญ่ฐานล้อของเฮลิคอปเตอร์ไม่ต้องรับแรงกดหรือกระแทกมากนัก เนื่องจากการลงจอดไม่มีแรงกระแทกสูงเท่ากับการร่อนลงจอดของเครื่องบิน ระบบต่างๆของเฮลิคอปเตอร์สามารถแบ่งออกเป็น2ประเภท คือระบบพื้นฐานเช่น ระบบวิทยุรับส่ง ระบบบังคับสำหรับนักบิน ระบบตรวจสอบการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ ในยุคปัจจุบันยังมีระบบเพิ่มเติมที่ถูกออกแบบให้ใช้งานเพื่อเพิ่มความสะดวก ในการบังคับควบคุมเช่น ระบบนำร่องแบบอัตโนมัตและระบบนักบินกลหรือออโตไพล็อต โดยระบบเหล่านี้ช่วยในการควบคุมการบินและลดภาระของนักบิน ทำให้บินได้ง่ายขึ้นและมีความปลอดภัยมากขึ้น


โครงสร้างของ Helicopters

โครง สร้างของเฮลิคอปเตอร์ในยุคใหม่มีการนำวัสดุผสมแบบคาร์บอนคอมโพสิตมาใช้งาน มากขึ้น เนื่องจากข้อได้เปรียบทางด้านความแข็งแกร่งและน้ำหนักเมื่อเทียบกับโลหะ เพื่อปรับปรุงสมรรถนะของเฮลิคอปเตอร์ให้สูงขึ้นกว่าในอดีต วัสดุประเภทคาร์บอนคอมโพสิตจะถูกนำมาใช้ในการผลิตโครงสร้างของลำตัว และใบพัด โดยใช้โครงสร้างแบบแซนวิชซึ่งใช้วัสดุน้ำหนักเบาเป็นไส้ใน และใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงห่อหุ้มเป็นผิวด้านนอก วัสดุน้ำหนักเบาที่อยู่ภายในอาจเป็นไม้ โฟม หรืออลูมินัมอัลลอยที่ขึ้นรูปโดยมีลักษณะคล้ายกับรังผึ้งเพื่อความแข็งแกร่ง ในการรับแรงกดและแรงดึง ส่วนวัสดุที่ใช้ทำพื้นผิวเพื่อห่อหุ้มอาจเป็นแบบลามิเนต หรือเส้นใยคาร์บอน/ใยแก้ว/ใยอรามิค ซึ่งจะผสมกับสารประกอบที่ทำหน้าที่ประสานกันในการยึดติด ข้อดีของโครงสร้างแบบแซนวิชในเฮลิคอปเตอร์คือมีน้ำหนักเบา สามารถต้านทานการโก่งตัวได้สูง ส่วนโครงสร้างรูปตัวไอ ของคานชนิดต่างๆที่ประกอบกันเป็นโครงสร้างของเฮลิคอปเตอร์ก็จะใช้วัสดุ ประเภทเดียวกันคืออาจใช้โครงลำตัวรอบนอกแบบรังผึ้ง รวมกับผิวนอกแบบลามิเนต คาร์บอนอีพ๊อกซี่ ลำตัวของเฮลิคอปเตอร์บางประเภทในยุคนี้ใช้แผ่นลามิเนตแบบ Plain Weave 2 ชั้นเรียงกันโดยมีความหนา 0.45 มิลลิเมตรหรืออาจใช้แผ่นลามิเนตในจำนวนที่ไม่เท่ากันประกบขึ้นเป็นโครงสร้าง ในแบบแซนวิช โดยการส่งผ่านแรงจะส่งผ่านไปยังบริเวณที่มีผิวหนากว่าส่วนที่มีผิวบางกว่า จึงช่วยเสริมค่าความต้านทานการโก่งตัวให้กับโครงสร้าง  เรียกว่าโครงสร้างแบบแซนวิชไม่สมมาตร


Rotor

ใบพัดของ เฮลิคอปเตอร์จะใช้รูปทรงของแพนอากาศแบบสมมาตร การขึ้นรูปของใบพัดในโรงงานประกอบจึงต้องมีรูปทรงภายนอกที่เป็นรูปของแพร อากาศเพื่อสามารถสร้างแรงยกในปริมาณมากๆได้ ส่วนประกอบของกลีบใบจะประกอบไปด้วย


Rotor

-ชายหน้าแบบใช้ โลหะ มีทั้งแบบไททาเนียมและเหล็กกันสนิมประเภทสเตนเลสสตีล เพื่อป้องกันการกระแทกจากวัสดุแปลกปลอม และโลหะทั้งสองชนิดนี้มีความแข็งแรงในการรับแรงกระแทกมากกว่าวัสดุแบบ คาร์บอนคอมโพสิต

-ผิวของใบพัดโรเตอร์ที่ห่อหุ้มแพนอากาศโดยรอบของใบพัด ใช้วัสดุคอมโพสิตแบบผสม  มีทั้งเส้นใยแก้วและเส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์แบบ Plain Weave สองชั้น ทำหน้าที่รับแรงบิดที่เกิดจากแรงต่างๆทางอากาศพลศาสตร์ในระหว่างการบิน

-ติดกับผิวชายหน้าและหลังใช้เส้นใยแก้วUD เพื่อรองรับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางหรือแรงจีของกลีบใบพัด

-ชิ้นส่วนในใจกลางของใบพัดใช้โฟมหรือกระดาษแข็งแบบรังผึ้ง ทำหน้าที่สร้างสมดุลย์ให้กับผิวและค้ำยันตลอดทั่วทั้งพื้นผิวเพื่อลดการยุบ ตัวของผิว

-แกนหลักของใบพัด ทำหน้าที่แบบเดียวกันกับแกนปีกหรือ Spar นอกเหนือจากการรับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแล้ว ยังทำหน้าที่เช่นเดียวกันกับแกนปีกของเครื่องบิน ที่รับแรงทางอากาศพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นบนกลีบใบพัด

-รอบชายหลังปีกใช้โลหะ ซึ่งจะช่วยในการปิดแพนอากาศทั้งหมดให้สามารถต้านทานแรงบิด และแรงต้านได้


Rotor

การ นำวัสดุสมัยใหม่มาใช้งานในเฮลิคอปเตอร์ ทำให้บริษัทผู้ผลิตอากาศยานแบบปีกหมุนสามารถขึ้นรูปของใบพัดได้จากแบบ และทำให้มีต้นทุนในการผลิตลดลงมากเมื่อเทียบกับการใช้โลหะในยุคก่อน นอกจากนั้นใบพัดแบบวัสดุผสมมีอายุการใช้งานยาวนาน สามารถตรวจสอบได้ตามกำหนดของขั้นตอนในการบำรุงรักษา ในความเป็นจริงนั้น การลดน้ำหนักของใบพัดสามารถทำได้อีก แต่บริษัทผู้ผลิตต้องจำกัดน้ำหนักในการลดเพื่อไม่ให้ต่ำไปกว่าเกณฑ์ที่กำหลด มากนัก เพื่อรักษาเสถียรภาพของใบพัดไม่ให้โก่งงอจนมากเกินไปและอาจเกิดผลเสียในการ ใช้งาน


ข้อจำกัดทางการบินของ Helicopters

ข้อจำกัดทางกายภาพของเฮลิคอปเตอร์ในอดีต ขึ้นอยู่กับกำลังของเครื่องยนต์ แต่ในยุคปัจจุบันนี้วิศวกรผู้ออกแบบและพัฒนาเครื่องยนต์ของเฮลิคอปเตอร์ สามารถข้ามขีดจำกัดนี้ไปได้ จึงเหลือเพียงสองส่วนหลักๆที่สำคัญคือ ส่วนที่เกี่ยวข้องกับใบพัดหลัก เช่นการร่วงหล่นของกลีบใบพัดหลัก การเกิดกระแสอากาศที่ไปรบกวนระหว่างกลีบใบพัดและทำให้ใบพัดหลักไม่เกาะอากาศ การบังคับควบคุมที่ไม่สามารถกระทำได้อย่างเต็มประสิทธิ์ภาพในขณะที่บินด้วย ความเร็วสูงสุด และส่วนของรูปทรงในเฮลิคอปเตอร์ที่สร้างแรงต้านขึ้นโดยไม่สามารถแก้ไขได้ เช่น ช่วงแกนหมุนของใบพัดหลัก ลำตัวและฐานล้อ การเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของเฮลิคอปเตอร์เป็นหัวใจหลักที่ต้องคำนึงถึงในการ ออกแบบเฮลิคอปเตอร์เนื่องจากความเร็วในบริเวณปลายใบพัดสูงกว่าความเร็วตรง แกนกลางของแกนโรเตอร์และสามารถเพิ่มขึ้นได้จากการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าจน ใกล้กับความเร็วเสียงซึ่งจะส่งผลกระทบอย่างยิ่งยวดกับแรงทางอากาศพลศาสตร์ และโครงสร้างของกลีบใบพัด ปลายของใบพัดที่หมุนด้วยความเร็วสูงจนใกล้ความเร็วเสียงสามารถทำการคำนวนค่า อย่างคร่าวๆได้ดังนี้ เฮลิคอปเตอร์ทัั่วๆไปที่มีความเร็วสูงสุดประมาณ 300 กิโลเมตรต่อชั่วโมงหรือ V=83เมตร/วินาที ด้วยทฤษฎีของแรงต้านความเร็วมัค 0.85 เป็นความเร็วในค่าวิกฤติที่ไม่เหมาะสมกับโครงสร้าง ดังนั้นใช้ความเร็วที่ 0.85 มัคคำนวนหาความเร็วที่เกิดขึ้นจากการหมุนของใบพัดจะได้U=210เมตร/วินาที หากกำหนดให้รัศมีของกลีบใบพัดเท่ากับ 6เมตร ความเร็วรอบของใบพัดจะมีค่าประมาณ 350รอบ/นาที ในกรณีของสมรรถนะของเฮลิคอปเตอร์ในความเป็นจริงค่อนข้างสลับซับซ้อนมาก เนื่องจากการไหลวนของกระแสอากาศผ่านใบพัดหลักมีความปั่นป่วนที่ยากต่อการ เทียบเคียงให้ใกล้กับค่าที่แท่้จริง มีทฤษฎีอย่างง่ายๆที่อยู่ภายใต้สมมติฐานของอากาศไหลไม่อัดตัว อากาศเป็นก๊าชที่ไหลอย่างสม่ำเสมอตลอดหน้าตัดของใบพัดหลัก (ใช้สมกรณ์แบร์นูลลี และกฎของการรักษามวล) ซึ่งทฤษฎีเหล่านี้สามาถอธิบายปรากฏการณ์ได้ในบางกรณีเท่านั้น คือ การลอยตัวของเฮลิคอปเตอร์นิ่งๆ การบินขึ้นสู่อากาศด้วยความเร็วต่ำ และการบินลงด้วยความเร็วสูง


Collective

เฮลิคอปเตอร์สามารถ สร้างแรงยกได้โดยนักบินยกคันบังคับ Collective  ของในบริเวณด้ายซ้ายของนักบิน และจะไปบังคับให้แผ่นไม่หมุน Stationary Star เลื่อนขึ้น เป็นผลให้แผ่นหมุนหรือ Rotating Star ด้านบนไปบังคับกลไกให้ทำการปรับมุมกลีบโรเตอร์ใบพัดหลักทุกใบให้ทำมุมปะทะ กับอากาศสูงขึ้น 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 มาด้านหลังชุดใบพัดหลักจะปรับเอียงมาด้านหลังทำให้เฮลิคอปเตอร์สามารถบินถอย หลังได้อย่างง่ายดาย และสำหรับการเลี้ยว ก็ทำได้โดยการโยกคัน Cyclic ไปยังทิศทางที่ต้องการจะเลี้ยว

แต่การเลี้ยวในลักษณะนี้อาจไม่ Coordinate นักบินเฮลิคอปเตอร์จึงจำเป็นต้องใช้คันบังคับที่เท้าหรือ Rudder ช่วยเสริมในการเลี้ยวตัวเครื่องเช่นเดียวกันกับการบังคับเลี้ยวในเครื่องบิน ปีกตรึงนั่นเอง

เอกสารอ้างอิงโดย

The Aerospace Magazine April 2007
Encyclopedia Of World Helicopters 2002 -2008
arcom roumsuwan
E-Mail chang.arcom@thairath.co.th
Photo By
www.commons.wikimedia.org
www.flickr.com
www.dedoimedo.com