วันอังคารที่ 20 พฤษภาคม พ.ศ. 2551

Flight Dynamics (กลศาสตร์การบิน) Part 2

บทความนี้เป็นบทความต่อจากบทความที่แล้ว จะกล่าวถึงแรงต่างๆ ที่กระทำต่อเครื่องบินในกรณีที่เครื่องบินบินแบบ S&L เพื่อความเข้าใจที่สมบูรณ์ผมแนะนำว่าควรอ่านบทความก่อนหน้านี้ก่อน

ก่อนอื่นต้องมารู้จักสมการพื้นฐานทางแอโรไดนามิกส์ของแรงยกและแรงต้านก่อน ถ้าไปดูบทความเกี่ยวกับแรงยกจะเห็นการพูดถึงสมการของ Bernoulli สมการนี้สามารถเขียนให้อยู่ในรูปของพลังงานหรือความดันก็ได้ ถ้าเขียนให้อยู่ในรูปของความดันจะได้ว่า

P + 0.5×ρ×v^2 = Constant

P คือ Static Pressure ซึ่งคือความดันอากาศ

ρ คือ ความหนาแน่นของของไหล ซึ่งก็คือความหนาแน่นของอากาศในกรณีของเครื่องบิน

v คือความเร็วของของไหล ในกรณีของเครื่องบินอากาศอยู่กับที่โดยมีเครื่องบินบินผ่าน v จึงเป็นความเร็วของเครื่องบิน

ตัวแรก P คือความดันอากาศที่เราคุ้นเคยกันดีนั่นเอง ส่วนตัวที่สอง 0.5×ρ×v^2 เป็นความดันที่เกิดขึ้นจากการที่ของไหลเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v ภาษาอังกฤษเรียกว่า Dynamic Pressure เราสามารถรู้สึกถึงความดันนี้ได้ถ้ามีพื้นผิวตั้งฉากกับทิศทางที่ของไหลไหลผ่าน (เช่นการกางมือรับลม) แน่นอนว่าทั้งสองตัวมีหน่วยเหมือนกัน (ถ้าไม่เหมือนกันจะบวกกันไม่ได้) หน่วยที่เราคุ้นเคยกันดีของความดันก็คือปาสกาล (Pascal) แต่บางครั้งเราก็ใช้ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (PSI) เพราะใช้มากในยุโรปและอเมริกา ถ้าเรารวมทั้งสองตัวเข้าด้วยกันจะได้ค่าคงที่ (Constant) ค่านึงที่จะเท่ากันตลอดทางที่ของไหลนั้นไหลผ่าน

สังเกตุว่าสมการนี้ไม่ได้รวมพลังงานศักย์ พลังงานที่ต้องใช้ในการบีบอัดของไหล พลังงานจากคลื่นชอกค์เวฟ หรือพลังงานอื่นๆ ดังนั้นสมการนี้จะถูกก็ต่อเมื่อของไหลไหลด้วยความเร็วต่ำ ไม่มีการเปลี่ยนความสูงมาก และไม่มีการเพิ่มพลังงานให้กับของไหลหรือดึงพลังงานออกมาจากของไหล

สองย่อหน้าที่ผ่านมาอาจเข้าใจยาก แต่จริงๆ แล้วไม่สำคัญมาก แค่เป็นการแนะนำให้รูจักกับ Dynamic Pressure เท่านั้นว่ามาได้อย่างไร เพราะค่านี้เป็นค่าที่เราต้องใช้ และเนื่องจากว่าเป็นค่าที่สำคัญเราจึงให้มีสัญลักษ์แทนค่าของมัน คือ q โดยที่ q = 0.5×ρ×v^2

จากการทดลองในวิชากลศาสตร์ของไหลที่ทำกันมาตั้งไม่รู้กี่สิบกี่ร้อยปีแล้ว เรารู้ว่าแรงยกและแรงต้านเป็นฟังก์ชันของ Dynamic Pressure

L = 0.5×ρ×v^2×CL×S และ D = 0.5×ρ×v^2×CD×S

หรือเราอาจเขียน L = q×CL×S และ D = q×CD×S ก็ได้

โดยที่ S เป็นพื้นที่อ้างอิง สำหรับเครื่องบินเราใช้พื้นที่ของปีก CL เป็นค่าสัมประสิทธิ์แรงยก และ CD เป็นค่าสัมประสิทธิ์แรงต้าน (จริงๆ แล้วเวลาเขียน CL และ CD ตัว L และตัว D ต้องเป็นตัวห้อย แต่ผมไม่รู้ว่าเขียนยังไงในบล็อกนี้)

ค่า CL และ CD ขึ้นอยู่กับรูปร่างและมุมปะทะของปีก เราสามารถหาได้จากการทดลองหรือ Computer Simulation เท่านั้น ขอย้ำว่าเท่านั้นนะครับ นักทฤษฎีหลายท่านอาจไม่เห็นด้วย แต่เราต้องยอมรับว่าในเวลานี้ทฤษฎีทางกลศาสตร์ของไหลยังไม่สมบูรณ์ ทฤษฎีสามารถหาค่า CL และ CD ได้อย่างคร่าวๆ และสำหรับรูปร่างง่ายๆ เท่านั้น ส่วนการใช้ Computer Simulation ใช้ทฤษฎีก็จริงแต่ต้องใช้ Finite Element และ Numerical Method เข้าช่วย ซึ่งจริงๆ แล้วเหมือนกับการลองผิดลองถูกมากกว่า ไม่ใช่ทฤษฎีที่สมบูรณ์จริงๆ

คราวนี้มาดูแรงขับกันบ้าง แรงขับได้มาจากเครื่องยนต์ดังนั้นต้องดูว่าเครื่องยนต์เป็นแบบไหน ดังที่ได้กล่าวมาในบทความเกี่ยวกับเครื่องยนต์แล้วว่าเครื่องยนต์โดยหลักๆ มีสองแบบ แบบลูกสูบและแบบเจ็ต

เรามาดูแบบเจ็ตกันก่อน เครื่องยนต์เจ็ตจะให้แรงขับที่คงที่ที่ความเร็วรอบเครื่องความเร็วหนึ่ง ดังนั้นนักบินสามารถปรับแรงขับได้โดยการปรับความเร็วรอบเครื่องยนต์ (แน่นอนว่าอัตราการใช้น้ำมันก็เปลี่ยนไปด้วย)

ส่วนเครื่องยนต์ลูกสูบจะให้กำลังคงที่ที่ความเร็วรอบเครื่องความเร็วหนึ่ง ดังนั้นการปรับความเร็วรอบเครื่องไม่ได้เป็นการปรับแรงขับโดยตรง สมการคร่าวๆ ที่เชื่อมระหว่างกำลังและแรงขับคือ P = T×v โดยที่ P คือกำลัง T คือแรงขับ และ v คือความเร็วของเครื่องบิน ดังนั้นการปรับแรงขับต้องดูที่ความเร็วของเครื่องบินด้วย

สุดท้ายมาดูน้ำหนัก ถ้าใครเคยเรียนฟิสิกส์มาอันนี้ง่ายมาก W = m×g โดยที่ W คือน้ำหนัก m คือมวล และ g เป็นอัตราเร่งที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงของโลก

เมื่อดูครบทุกแรงแล้วลองย้อนกลับไปดูบทความที่แล้ว เราบอกว่า L = W และ T = D

แทนค่าในสมการ L = W เราจะได้

0.5×ρ×v^2×CL×S = m×g

สมมุติว่าเราปรับค่า CL ให้มีค่าค่านึง (โดยการปรับรูปร่างและมุมปะทะของปีก) ค่าอื่นๆ จะเป็นค่าที่ไม่สามารถบังคับได้ยกเว้น v ซึ่งก็คือความเร็วของเครื่องบิน (ค่า S อาจปรับได้นิดหน่อยโดยเพิ่มหรือลดพื้นที่ปีก ค่า m ปรับได้นิดหน่อยโดยการเผาเชื้อเพลิง ทิ้งเชื้อเพลิง หรือทิ้งสัมภาระออกมานอกเครื่อง แต่โดยทั่วไปเราสมมุติให้เป็นค่าคงที่ ไม่สามารถบังคับได้) ดังนั้นเมื่อเราจัดรูปสมการใหม่ ค่า v จะเป็น

v = SQRT[m×g/(0.5×ρ×CL×S)]

โดยที่ v เป็นฟังก์ชันของ CL เท่านั้น

อีกสมการคือ T = D แทนค่าจะได้

T = 0.5×ρ×v^2×CD×S

แทนค่า v จากสามบรรทัดที่แล้วลงไปจะได้

T = m×g×CD/CL

จากสมการสุดท้ายนี้เรานะเห็นได้ว่า T เป็นฟังก์ชันของ CL และ CD

สรุปได้ว่าถ้าต้องการให้เครื่องบินบินแบบ S&L โดยที่มีค่า CL และ CD ค่าใดค่าหนึ่ง (อันเนื่องมาจากรูปร่างของปีกแบบใดแบบหนึ่ง และมุมปะทะของปีกมุมใดมุมหนึ่ง) เราต้องปรับ T ให้เป็นไปตามสมการที่ได้กล่าวมานี้ โดยถ้าเป็นเครื่องยนต์เจ็ตก็สามารถปรับจากความเร็วรอบได้เลย ถ้าเป็นเครื่องยนต์ลูกสูบก็ต้องดูที่ความเร็วของเครื่องบินด้วย

ถ้านักบินปรับแรงขับไม่เป็นไปตามสมการนี้ก็จะเกิดอัตราเร่งในทิศทางใดทิศทางหนึ่งขึ้น

หวังว่าคงไม่ยากเกินไปนะครับ บทความต่อไปมีแผนว่าจะเขียนเกี่ยวกับกลศาสตร์การบินในกรณีที่เครื่องบินปรับระดับความสูง

วันเสาร์ที่ 17 พฤษภาคม พ.ศ. 2551

Flight Dynamics (กลศาสตร์การบิน) Part 1

บทความต่อไปนี้อาจมีคณิตศาสตร์ที่ค่อนข้างซับซ้อนสำหรับผู้อ่านบางท่าน แต่ว่าจะพยายามอธิบายให้ง่ายที่สุดเท่าที่จะทำได้ ถ้ามีคำถามอะไรสามารถเขียนเป็นความเห็นไว้ได้นะครับ จะพยายามตอบถ้ามีเวลา

กลศาสตร์การบินคือการศึกษาเกี่ยวกับแรงที่กระทำต่อเครื่องบินและการเคลื่อนที่ของเครื่องบินที่เป็นผลมาจากแรงเหล่านั้น

ก่อนอื่นมาดูแกนที่ใช้ในกลศาสตร์การบิน ในวิชานี้มีแกนที่ใช้สามแกนคือแกนx แกนy และแกนz



รูปที่ 1 แกนที่ใช้ในกลศาสตร์การบิน

จากรูปที่ 1 แกนx ลากผ่านกลางเครื่องบิน จากท้ายเครื่องบินไปยังหัวเครื่องบิน แกนz ลากผ่านกลางเครื่องบินจากด้านบนเครื่องบินลงด้านล่างเครื่องบิน ส่วนแกนy ลากผ่านกลางเครื่องบินจากปีกซ้ายไปปีกขวา ในรูปไม่ได้แสดงแกนy เพราะเป็นรูปสองมิติไม่สามารถแสดงเป็นเส้นได้ แต่จะสังเกตุได้ว่าแกนy ชี้เข้าไปในหน้ากระดาษ

แกนเหล่านี้จะเปลี่ยนตามทิศทางการบิน สมมุติว่าเครื่องบินบินโดยหันหัวขึ้นชี้ฟ้า แกนx ก็จะอยู่ในแนวตั้งแทนที่จะเป็นแนวนอน ส่วนแกนz ก็จะอยู่ในแนวนอนแทนที่จะเป็นแนวตั้ง

ตัวอย่างที่ 1 ถ้าเราบอกว่าเครื่องบินมีอัตราเร่งในแกนบวกx ก็แสดงว่าเครื่องบินมีอัตราเร่งไปข้างหน้าโดยไม่สนว่าข้างหน้าของเครื่องบินจะชี้ไปทางไหน อาจจะเป็นข้างบน ข้างล่าง ทิศเหนือ ทิศใต้ ทิศตะวันออก ทิศตะวันตก หรือองศาต่างๆ ระหว่างทิศทางเหล่านี้ก็ได้

ตัวอย่างที่ 2 ถ้าเราบอกว่าเครื่องบินมีอัตราเร่งในแกนลบz ก็แสดงว่าเครื่องบินมีอัตราเร่งในทิศด้านบนของตัวเครื่องบิน (เพราะแกนบวกz คือด้านล่างเครื่องบิน)โดยไม่สนว่าด้านบนของตัวเครื่องชี้ไปทางด้านใด อาจจะเร่งลงพื้นโลกก็ได้ถ้าเครื่องบินตีลังกาอยู่

เรามาดูสถานการณ์พื้นฐานที่สุดที่ทุกคนควรรู้ก่อน สถานการณ์นี้คือสถานการณ์ที่เครื่องบินบินไปข้างหน้าตรงตรงในแนวนอน (เคลื่อนที่ไปในแนวแกนx และแกนx และแกนy ขนานกับพื้นโลก) โดยที่ไม่มีอัตราเร่งในแกนใดๆ (บินที่อัตราความเร็วคงที่ในทุกแกน) ภาษาอังกฤษเรียกว่า Straight and level flight หรือ S&L

เรามาพิจารณากันว่าในสถานการณ์นี้มีแรงอะไรบ้างที่กระทำต่อเครื่องบินและแต่ละแรงควรที่จะเท่ากับเท่าไร




รูปที่ 2 แรงสี่แรงในกรณี Straight and level flight

รูปที่ 2 แสดงให้เห็นถึงแรงพื้นฐานสี่แรงที่กระทำต่อเครื่องบินเมื่อเครื่องบินบินแบบ S&L

L ย่อมาจาก Lift คือแรงยก แรงยกจะชี้ในแกนลบz เสมอเพราะเป็นแกนที่ชี้ขึ้นด้านบนของปีกเครื่องบิน ในกรณี S&L แรงยกจะชี้ขึ้นฟ้าตรงๆ

W ย่อมาจาก Weight คือน้ำหนัก (ขอให้เข้าใจว่าน้ำหนักมีหน่วยเป็นนิวตัน (Newton, N) ไม่ใช่กิโลกรัม (Kilogram, kg, ซึ่งเป็นหน่วยของมวล) ผู้อ่านที่เคยเรียนฟิสิกส์มาบ้างคงรู้อยู่แล้ว) น้ำหนักจะชี้ลงพื้นเสมอ ในกรณี S&L ทิศทางนนี้จะขนานกับแกนบวกz พอดี

T ย่อมาจาก Thrust คือแรงขับ จะชี้ไปในแกนบวกx เสมอเพราะแรงขับดันให้เครื่องบินไปข้างหน้า

และ D ย่อมาจาก Drag คือแรงต้าน จะชี้ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางที่เครื่องบินเคลื่อนที่เสมอ ในกรณีส่วนมาก รวมทั้งกรณี S&L ด้วย แรงต้านจะชี้ไปในแนวแกนลบx

สังเกตุว่าไม่มีแรงในแนวแกนy ในกรณีนี้

แรงเหล่านี้มีหน่วยเป็นนิวตันหรือปอนด์ก็ได้ แต่ปกติแล้วจะใช้หน่วยเป็นปอนด์ เพราะเป็นหน่วยที่ใช้ในยุโรปและอเมริกาซึ่งเป็นผู้นำทางด้านการบิน แม้แต่ในออสเตรเลียเองที่พยายามรณรงค์ให้คนใช้หน่วยเป็นนิวตัน ก็ยังใช้ปอนด์กันอย่างแพร่หลายเวลาพูดเกี่ยวกับกลศาสตร์การบิน

กฎของนิวตันข้อแรกกล่าวว่าวัตถุจะไม่มีอัตราเร่ง (นั่นหมายความว่าอัตราความเร็วไม่เปลี่ยนแปลง) ถ้าแรงที่กระทำต่อวัตถุนั้นรวมกันแล้วเท่ากับศูนย์ ในกรณี S&L เราบอกแต่ต้นแล้วว่าเครื่องบินไม่มีอัตราเร่งดังนั้นถ้าเรารวมแรงทั้งสี่แรงจะได้เท่ากับศูนย์

จากรูปที่ 2 เราจะเห็นว่าแรงยกต้องเท่ากับน้ำหนัก เพราะถ้าไม่เท่ากันจะไม่หักล้างกันทำให้มีอัตราเร่งในแนวตั้ง ส่วนแรงขับต้องเท่ากับแรงต้าน เพราะถ้าไม่เท่ากันจะไม่หักล้างกันทำให้มีอัตราเร่งในแนวนอน

สรุปว่า L = W และ T = D ถ้าไม่เป็นเช่นนี้จะมีอักตราเร่งและเครื่องบินจะไม่บินแบบ S&L

ในบทความต่อไปเราจะมาดูว่าค่าเหล่านี้ควรนะเป็นเท่าไร

On Holiday

พอดีไปยุโรปมาเลยไม่มีเวลาเขียนบล็อก ตอนนี้กำลังคิดว่าจะเขียนเกี่ยวกับกลศาสตร์การบินและการบังคับเครื่องบิน คิดว่าบทความนี้น่าจะเสร็จเร็วๆ นี้ครับ

วันจันทร์ที่ 24 มีนาคม พ.ศ. 2551

Aircraft Engine (เครื่องยนต์) Part 2

ตอนนี้จะกล่าวถึงเครื่องยนต์แบบ Turboprop, Turbojet และ Turbofan โดยที่เครื่องยนต์ Turboprop เป็นแบบใบพัด ส่วน Turbojet และ Turbofan เป็นแบบเจ็ต

ก่อนอื่นต้องรู้จักสิ่งที่เรียกว่ากังหันแก๊ส หรือที่เรียกว่า Gas turbine ในภาษาอังกฤษ ที่จริงแล้วกังหันแก๊สไม่ได้ถูกนำมาใช้ในเครื่องยนต์ของเครื่องบินอย่างเดียว แต่ยังสามารถนำมาใช้ในวงการอุตสาหกรรมได้อีกด้วย
การทำงานของกังหันแก๊สมีหลักการคล้ายๆ กันกับเครื่องยนต์ลูกสูบสี่จังหวะ แต่ว่าทั้งสี่กระบวนการ (การดูดอากาศเข้า, การบีบอัดอากาศ, การขยายตัว และการนำไอเสียออก) เกิดขึ้นพร้อมๆ กันอย่างต่อเนื่อง สำหรับผู้ที่สนใจในวิชา thermodynamics อาจเคยได้ยิน cycle ที่เรียกว่า Otto cycle ซึ่งเป็น cycle ที่ใช้ในเครื่องยนต์ลูกสูบสี่จังหวะ (ที่ใช้น้ำมันเบนซิน) ส่วน cycle ที่ใช้ในกังหันแก๊สเรียกว่า Breyton cycle ซึ่งก็มีการดูดอากาศเข้า การบีบอัดอากาศ การขยายตัวของอากาศ และการนำไอเสียออกเช่นกัน


จากรูปด้านบน ด้านหน้าของกังหันแก๊สคือคอมเพรสเซอร์ (Compressor) ซึ่งทำหน้าที่ดูดอากาศและอัดอากาศเข้าไปในห้องเผาไหม้ (Combustion chamber) ในห้องเผาไหม้นี้เชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าไป เนื่องจากอากาศที่ถูกบีบอัดมีอุณหภูมิและความดันสูง ทำให้เชื้อเพลิงเกิดการเผาไหม้ทำให้อากาศเกิดการขยายตัว อากาศที่ขยายตัวจะถูกดันออกมาทางด้านหลังผ่านกังหัน (หรือที่เรียกว่าเทอร์ไบน์ Turbine) กังหันก็ดึงพลังงานออกมาจากอากาศที่ไหลผ่าน เกิดการหมุนของกังหันขึ้นและสามารถนำพลังงานนี้มาใช้ประโยชน์ต่อได้ สุดท้ายแล้วอากาศที่ไหลผ่านกังหันก็ถูกปล่อยออกมาสู่บรรยากาศอีกครั้ง เนื่องจากอากาศไหลผ่านกังหันแก๊สอย่างต่อเนื่องทำให้ทั้งสี่กระบวนการเกิดขึ้นพร้อมๆ กันตามจุดต่างๆ ของเครื่องยนต์

ในเครื่องยนต์แบบ Turboprop จะมีเพลาเชื่อมกังหันและคอมเพรสเซอร์ ทำให้คอมเพรสเซอร์ดึงพลังงานมาใช้ได้โดยไม่ต้องอาศัยพลังงานจากแหล่งอื่น โดยทั่วไปแล้วพลังงานที่ต้องใช้ในการหมุนคอมเพรสเซอร์น้อยมากเมื่อเทียบกับพลังงานที่ได้จากกังหัน ในเครื่องยนต์แบบ Turboprop เพลาที่เชื่อมระหว่างกังหันกับคอมเพรสเซอร์ยังถูกเชื่อมต่อกับใบพัดของเครื่องบินด้วย ซึ่งพลังงานที่เหลือจากการหมุนคอมเพรสเซอร์ก็จะถูกนำมาใช้หมุนใบพัดนี้ ทำให้เกิดแรงขับขึ้น

เครื่องยนต์แบบ Turbojet (บางครั้งเรียกว่า Pure jet) คล้ายกันกับเครื่องแบบ Turboprop แต่ว่ากังหันดึงพลังงานแค่บางส่วนจากอากาศที่ไหลผ่านกังหัน เพียงพอที่จะหมุนคอมเพรสเซอร์เท่านั้น ดังนั้นอากาศจึงเหลือพลังงานอยู่มาก ซึ่งหมายถึงอากาศที่ไหลออกมาสู่บรรยากาศยังความเร็วสูงมาก อากาศที่มีความเร็วสูงนี้เรียกว่าเจ็ต (Jet) ซึ่งทำให้เกิด Impulse ซึ่งผลลับที่ได้คือแรงขับ ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน (จริงๆ แล้วกฎข้อสอง F = ma มีความหมายทาง impulse ด้วยถ้าพิจารณาอย่างถี่ถ้วน)

ส่วนเครื่องยนต์แบบ turbofan นั้นจะมีใบพัดใบใหญ่อยู่ข้างหน้าเพื่อดูดอากาศเข้า (ดูรูปด้านล่าง) ส่วนถัดมาจะแยกเป็นสองส่วน ส่วนตรงกลาง (Core) และส่วนด้านนอก (Bypass) ส่วนตรงกลางเป็นเครื่องยนต์ turbojet ธรรมดา ส่วนด้านนอกเป็นช่องให้อากาศไหลผ่านโดยไม่มีการฉีดเชื้อเพลิงเข้าไป ดังนั้นอากาศในส่วนนี้ (Bypass air) จึงไหลช้ากว่าอากาศตรงกลาง (Air through core) อากาศทั้งสองส่วนจะถูกรวมกันอีกครั้งทางด้านหลัง ทำให้อากาศที่ไหลออกสู่บรรยากาศมีความเร็วที่อยู่ระหว่างความเร็วทั้งสอง การทำเช่นนี้จะให้แรงขับน้อยกว่า Turbojet แต่จะเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของแรงขับ (Propulsive efficiency) ให้กับเครื่องยนต์ แน่นอนว่าใบพัดด้านหน้าของเครื่องยนต์ turbofan เชื่อมอยู่กับเพลาในเครื่อง Turbojet ตรงกลาง ทำให้ไม่ต้องอาศัยพลังงานจากแหล่งอื่นมาหมุนใบพัด

วันศุกร์ที่ 25 มกราคม พ.ศ. 2551

Aircraft Engine (เครื่องยนต์) Part 1

เครื่องบินจำเป็นต้องเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเพื่อให้มีอากาศไหลผ่านปีก การที่เครื่องบินเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้ต้องมีแรงขับเพื่อดันมัน แรงขับนี้ได้มาจากเครื่องยนต์ของเครื่องบินนั่นเอง

โดยทั่วไปเราแบ่งเครื่องยนต์ของเครื่องบินเป็นสองประเภท คือ เครื่องยนต์แบบใบพัด (Propeller) และเครื่องยนต์แบบเจ็ต (Jet) เครื่องยนต์แบบใบพัดยังสามารถแยกประเภทย่อยลงไปได้อีกเป็นสองประเภท คือ เครื่องยนต์แบบลูกสูบ (Piston prop) และเครื่องยนต์แบบเทอร์ไบน์ (Turboprop) ส่วนเครื่องยนต์แบบเจ็ตนั้นมีหลายประเภทแต่ที่ใช้กันส่วนใหญ่เป็นแบบที่เรียกว่าเทอร์โบแฟน (Turbofan)

เครื่องยนต์เครื่องบินแบบลูกสูบนั้นคล้ายกันมากกับเครื่องยนต์ของรถยนต์แต่จะมีขนาดใหญ่กว่า เครื่องประเภทนี้เป็นเครื่องยนต์ลูกสูบแบบสี่จังหวะ หมายความว่าในหนึ่งรอบมีสี่จังหวะ โดยจังหวะแรกเป็นการให้อากาศและเชื้อเพลิงเข้าสู่ห้องเผาไหม้ จังหวะที่สองเป็นการบีบอัดอากาศและเชื้อเพลิงดังกล่าว จังหวะที่สามมีการจุดหัวเทียนทำให้เกิดการเผาไหม้และขยายตัวอย่างรวดเร็วของแก๊ส ส่วนจังหวะที่สี่คือการไล่ไอเสียออกจากห้องเผาไหม้ แล้วก็กลับไปเริ่มจังหวะหนึ่งใหม่ เราสามารถดึงพลังงานมาใช้ได้จากจังหวะที่สามตอนที่แก๊สขยายตัวเพื่อดันลูกสูบ โดยลูกสูบจะเชื่อมกับเพลาที่ทำหน้าที่หมุนใบพัด ใบพัดนี้เองที่สร้างแรงขับให้กับเครื่องบิน

การเผาไหม้มีแต่เชื้อเพลิงอย่างเดียวไม่ได้ จำเป็นต้องมีออกซิเจนด้วย ออกซิเจนที่เผาไหม้ในเครื่องยนต์มาจากในอากาศ เครื่องยนต์ลูกสูบทั่วไปจึงมีคอมเพรสเซอร์เพื่ออัดอากาศก่อนที่จะเข้าสู่ห้องเผาไหม้เพื่อเพิ่มกำลังให้กับเครื่องยนต์ สาเหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะอากาศที่ถูกบีบอัดมีจำนวนโมเลกุลของออกซิเจนอยู่มากกว่า จึงทำให้เผาไหม้กับเชื้อเพลิงได้มากขึ้นในหนึ่งรอบ เป็นผลให้เครื่องยนต์ให้กำลังมากขึ้นด้วย

แต่ว่าคอมเพรสเซอร์ไม่สามารถทำงานได้ด้วยตัวมันเองดังนั้นต้องมีอะไรซักอย่างไปขับมัน มีอยู่สองวิธีที่ใช้กัน คือ การต่อคอมเพรสเซอร์เข้ากับเพลาที่หมุนโดยลูกสูบ เรียกว่าเครื่องแบบซูเปอร์ชาร์จเจอร์ (Supercharger) และการต่อคอมเพรสเซอร์เข้ากับเทอร์ไบน์ เรียกว่าเครื่องแบบเทอร์โบชาร์จเจอร์ (Turbocharger) ในเครื่องแบบเทอร์โบชาร์จเจอร์นั้น เทอร์ไบน์จะอยู่ระหว่างเครื่องกับท่อไอเสีย ซึ่งแรงดันของไอเสียนั่นเองที่เป็นตัวทำให้เทอร์ไบน์หมุน โดยมากแล้วทั้งรถยนต์และเครื่องบินใช้เครื่องแบบเทอร์โบชาร์จเจอร์เพราะประหยัดเชื้อเพลิงได้มากกว่าเครื่องแบบซูเปอร์ชาร์จเจอร์ ทำไมนะหรือ?? เพราะเครื่องแบบซูเปอร์ชาร์จเจอร์ต่อตรงกับเพลาทำให้พลังงานบางส่วนที่จะไปหมุนใบพัดเครื่องบินหรือล้อรถเสียไปในการหมุนคอมเพรสเซอร์ แต่ก็มีบ้างที่ใช้เครื่องแบบซูเปอร์ชาร์จเจอร์คือพวกรถหรือเครื่องบินที่เน้นสมรรถภาพมากกว่าการประหยัดเชื้อเพลิง เช่นรถแข่งหรือเครื่องบินรบ เพราะเครื่องแบบซูเปอร์ชาร์จเจอร์ให้การตอบสนองที่เร็วกว่าแบบเทอร์โบชาร์จเจอร์ เพราะเทอร์ไบน์ต้องใช้เวลานิดหน่อยกว่าจะหมุนได้เร็วพอที่จะหมุนคอมเพรสเซอร์

ในตอนหน้าจะเขียนเกี่ยวกับเครื่องยนต์ที่เหลือ

วันพุธที่ 16 มกราคม พ.ศ. 2551

Introduction to Lift (แรงยก)

แรงยกมีอยู่หลายประเภท แต่แรงยกที่ทำให้เครื่องบินบินได้เรียกว่า Bernoulli Lift ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทาง aerodynamics

สาเหตุที่เรียกว่า Bernoulli Lift เพราะแรงยกที่ได้เป็นไปตามกฎของ Bernoulli คือถ้าความเร็วของของไหล (สำหรับเครื่องบินคืออากาศ) เพิ่มขึ้น ความดันจะลดลง หรือถ้าความเร็วของของไหลลดลง ความดันจะเพิ่มขึ้น ถ้าผู้อ่านท่านใดต้องการรู้ลึกกว่านี้สามารถเรียนเพิ่มเติมได้จากหนังสือเรียนกลศาสตร์ของไหล หรือภาษาอังกฤษเรียกว่า Fluid Mechanics

ปีกของเครื่องบินมีลักษณะที่ด้านบนโค้งมากกว่าด้านล่าง นั่นหมายความว่าด้านบนมีระยะทางที่ให้อากาศไหลผ่านยาวกว่าด้านล่างด้วย ทำให้อากาศที่ไหลผ่านด้านบนต้องไหลเร็วกว่าอากาศที่ไหลผ่านด้านล่างเพื่อตามอากาศด้านล่างให้ทัน ตามกฎของ Bernoulli เมื่ออากาศด้านล่างไหลช้ากว่าด้านบนความดันอากาศด้านล่างก็ต้องมากกว่าด้านบน เลยทำให้เกิดแรงยกดันขึ้นบริเวณปีกของเครื่องบิน



รูป 1 ลักษณะหน้าตัดของปีกเครื่องบินที่มีด้านบนโค้งมากกว่าด้านล่าง

หมายเหตุ: บทความนี้เป็นหลักการพื้นฐานเท่านั้น ข้อมูลบางอย่างอาจไม่เป็นจริงเสมอไป เช่น ลักษณะของปีก หรือ กฎของ Bernoulli เมื่อเกิดการบีบอัดหรือมี shockwave เข้ามาเกี่ยวข้อง

ยินดีต้อนรับ

ยินดีต้อนรับสู่ Aerospace Blog
ผมตั้งใจจะเขียนเรื่องที่เป็นพื้นฐานเกี่ยวกับวิชา Aerospace Engineering ในบล็อกนี้ หวังว่าผู้อ่านที่สนใจจะได้รับทั้งความรู้ใหม่ๆ และความสนุกสนานนะครับ