|
|
กลศาสตร์การบินของเฮลิคอปเตอร์
เฮลิคอปเตอร์ มีส่วนประกอบหลักที่ใช้ในการในการบินคือ
ใบพัดหรือโรเตอร์ เครื่องยนต์ และกลไกส่งผ่านกำลังจากเครื่องยนต์ไปสู่ใบพัด และใบพัดส่วนหาง
โครงสร้างของลำตัว รวมถึงระบบต่างๆที่ใช้ประกอบการบิน
ในยุคปัจจุบันนี้มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างยิ่งยวด ทำให้เฮลิคอปเตอร์ในยุคใหม่มีสมรรถนะที่ดีขึ้น
และเหมาะสมกับการบินในแทบทุก รูปแบบและทุกสภาพอากาศ
ใบพัดโรเตอร์หลักเป็นส่วนสำคัญที่สุดในการสร้างแรงยก
ใบพัดหลักหรือเมนโรเตอร์ทำหน้าที่เช่นเดียวกันกับปีกของเครื่องบิน
โดยปีกของเครื่องบินจะต้องเคลื่อนที่ไปข้างหน้า เพื่อให้กระแสอากาศไหลผ่านแพนปีก
แต่ใบพัดหลักของเฮลิคอปเตอร์ ทำให้กระแสอากาศไหลผ่านด้วยการหมุนรอบแกนโรเตอร์
ใบพัดหลักของเฮิลคอปเตอร์มีตั้งแต่ 2 ใบขึ้นไป
ในปัจจุบันนี้มีเฮลิคอปเตอร์ที่มีเครื่องยนต์มากถึง 3 เครื่องเช่น EH101 Cormorant, EH 101 Heliliner
และ CH 53E Super Stallion ทั้งสามแบบเป็นอากาศยานปีกหมุนขนาดใหญ่ ที่ใช้ในการบรรทุกสัมภาระจำนวนมาก
Rotor
ด้วยเหตุที่ใบพัดหลักหมุนรอบแกนๆหนึ่ง ความเร็วที่ได้จากการหมุนจึงมีความแตกต่างกันตามระยะห่าง
จากแกนจุดที่อยู่ใกล้กับแกนหมุนมากที่สุด จะใช้ระยะทางน้อยกว่าจุดที่อยู่ปลายสุดของใบพัดในการเคลื่อนที่
ให้ครบรอบในเวลาเดียวกัน เนื่องจากความเร็วที่ปลายใบพัดมีมากกว่าที่โคนใบพัด
ทำให้เกิดความแตกต่างในการสร้างแรงยก จากโคนใบพัดถึงปลายใบพัดตามไปด้วย
หากต้องการให้เฮลิคอปเตอร์สร้างแรงยกได้มากขึ้น จะต้องออกแบบให้ใบพัดหลักมีพื้นที่มากขึ้นเพื่อเพิ่มแรงยก
สามารถทำได้ด้วยการเพิ่มขนาดและความยาวของใบพัดหลัก หรือเพิ่มจำนวนของใบพัด
การหมุนของใบพัดหลัก จะสร้างแรงคู่ควบในแกนโรเตอร์ทำให้ลำตัวของเฮลิคอปเตอร์หมุนตามไปด้วย
จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่เฮลิคอปเตอร์ทุกๆลำ จะต้องมีใบพัดหางหรือโรเตอร์ท้าย
เพื่อทำหน้าที่ต้านแรงหมุนควบคู่ที่เกิดขึ้น
การสร้างแรงในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงควบคู่ของใบพัดท้าย
ทำให้เฮลิคอปเตอร์ สามารถบินหรือลอยตัวนิ่งๆได้
แต่ก็มีเฮลิคอปเตอร์บางรุ่นที่ไม่มีใบพัดหางหรือโรเตอร์ท้าย
วิศวกรการบินผู้ออกแบบแก้ไขอาการหมุนรอบตัวเอง ด้วยการใช้แกนของใบพัดหลักแกนเดียวกัน
แต่มีใบพัดหลักสองชุดซ้อนกันอยู่และหมุนสวนทางกัน
ลักษณะของแกนใบพัดหลักสองชุดซ้อนกันและหมุนสวนทางกันนี้มีอยู่ใน เฮลิคอปเตอร์รุ่นใหม่ๆ เช่น
KA 27 Helix, KA 25 Alligator, KA 226 และ KA32
หรือเฮลิคอปเตอร์บางประเภท ที่มีใบพัดหลักสองชุดแต่อยู่ในตำแหน่งแยกกัน ที่ส่วนหน้าและส่วนหลัง
โดยมีการทำงานของใบพัดหลักทั้งหน้าและหลังหมุนสวนทางกัน
เช่นเฮลิคอปเตอร์ ลำเลียงทางยุทธวิธีขนาดใหญ่ CH 47
Engine Of Helicopters
หัวใจสำคัญของอากาศยานทุกแบบก็คือ เครื่องยนต์
ในยุคแรกเริ่มของการพัฒนาเฮลิคอปเตอร์ เครื่องยนต์แบบลูกสูบถูกนำมาใช้งานมากที่สุด
แต่ในปัจจุบันนี้มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี และวัสดุที่ใช้ผลิตเครื่องยนต์ มากขึ้น
เครื่องยนต์ส่วนใหญ่ของอากาศยานแบบปีกหมุน จึงหันไปใช้เครื่องยนต์แบบ TurboShaft
ซึ่งมีหลักการเดียวกันกับเครื่องยนต์แบบ Turboprop ของเครื่องบิน
หลักการทำงานของเครื่องยนต์ TurboShaft จะมีลักษณะดูดอากาศมาผสมกับเชื้อเพลิง
และจุดระเบิดใน Gas Generator เพื่อขับดันให้ใบพัดหมุนเพื่อสร้างแรงขับ
แต่ในเครื่องยนต์แบบ 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 1 ตัวที่ 22,841 รอบต่อนาที
การหมุนผ่านชุดเกียร์จนไปถึงใบพัดหลัก ความเร็วรอบจะลดลงจนเหลือเพียง 265 รอบต่อนาที
ส่วนใบพัดหางมีความเร็วรอบที่ 1279 รอบต่อนาที ชุดส่งผ่านกำลังไปสู่ใบพัดหางจะมีชุดเกียร์ที่ทำมุมต่างกัน
ตามตำแหน่งที่ติด ตั้งใบพัดหาง
นอกเหนือไปจากกลไกส่งผ่านกำลังแล้ว
ส่วนหนึ่งของชุดกลไกจะต้องออกแบบให้มีชุดสำหรับหยุดการหมุนของใบพัด
เมื่อเฮลิคอปเตอร์ลงจอดเรียบร้อยแล้วอีกด้วย
โครงสร้างของ Helicopters
โครงสร้างของเฮลิคอปเตอร์ประกอบด้วย
ลำตัวที่ใช้ประโยชน์ในการบรรทุกนักบิน ผู้โดยสาร สัมภาระและอุปกรณ์ต่างๆที่จำเป็นบนเครื่อง
โครงที่ห่อหุ้มโครงสร้างหลักจนถึงส่วนหางเพื่อลดแรงต้านทานของอากาศ เมื่อเฮลิคอปเตอร์เกิดการเคลื่อนที่
รวมถึงฐานล้อที่เป็นโครงแข็ง เพื่อรองรับน้ำหนักทั้งหมดของตัวเครื่องเมื่อลงจอด
โดยส่วนใหญ่ฐานล้อของเฮลิคอปเตอร์ไม่ต้องรับแรงกดหรือกระแทกมากนัก
เนื่องจากการลงจอดไม่มีแรงกระแทกสูง เท่ากับการร่อนลงจอดของเครื่องบิน
ระบบต่างๆของเฮลิคอปเตอร์สามารถแบ่งออกเป็น2ประเภท คือระบบพื้นฐานเช่น ระบบวิทยุรับส่ง
ระบบบังคับสำหรับนักบิน ระบบตรวจสอบการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ
ในยุคปัจจุบันยังมีระบบเพิ่มเติม ที่ถูกออกแบบให้ใช้งานเพื่อเพิ่มความสะดวกในการบังคับควบคุม เช่น
ระบบนำร่องแบบอัตโนมัตและระบบนักบินกลหรือออโตไพล็อต โดยระบบเหล่านี้ช่วยในการควบคุมการบิน
และลดภาระของนักบิน ทำให้บินได้ง่ายขึ้นและมีความปลอดภัยมากขึ้น
โครงสร้างของเฮลิคอปเตอร์ในยุคใหม่ มีการนำวัสดุผสมแบบคาร์บอนคอมโพสิตมาใช้งานมากขึ้น
เนื่องจากข้อได้เปรียบทางด้านความแข็งแกร่ง และน้ำหนักเมื่อเทียบกับโลหะ
เพื่อปรับปรุงสมรรถนะของเฮลิคอปเตอร์ให้สูงขึ้นกว่าในอดีต
วัสดุประเภทคาร์บอนคอมโพสิตจะถูกนำมาใช้ในการผลิตโครงสร้างของลำตัว และใบพัด
โดยใช้โครงสร้างแบบแซนวิชซึ่งใช้วัสดุน้ำหนักเบาเป็นไส้ใน และใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงห่อหุ้มเป็นผิวด้านนอก
วัสดุน้ำหนักเบาที่อยู่ภายในอาจเป็นไม้ โฟม หรืออลูมินัมอัลลอยที่ขึ้นรูปโดยมีลักษณะคล้ายกับรังผึ้ง
เพื่อความแข็งแกร่งในการรับแรงกดและแรงดึง ส่วนวัสดุที่ใช้ทำพื้นผิวเพื่อห่อหุ้มอาจเป็นแบบลามิเนต
หรือเส้นใยคาร์บอน/ใยแก้ว/ใยอรามิค ซึ่งจะผสมกับสารประกอบที่ทำหน้าที่ประสานกันในการยึดติด
ข้อดีของโครงสร้างแบบแซนวิชในเฮลิคอปเตอร์คือ มีน้ำหนักเบา สามารถต้านทานการโก่งตัวได้สูง
ส่วนโครงสร้างรูปตัวไอของคานชนิดต่างๆ ที่ประกอบกันเป็นโครงสร้างของเฮลิคอปเตอร์
ก็จะใช้วัสดุ ประเภทเดียวกันคืออาจใช้โครงลำตัวรอบนอกแบบรังผึ้ง
รวมกับผิวนอกแบบลามิเนต คาร์บอนอีพ๊อกซี่
ลำตัวของเฮลิคอปเตอร์บางประเภทในยุคนี้ใช้แผ่นลามิเนตแบบ Plain Weave 2 ชั้นเรียงกัน
โดยมีความหนา 0.45 มิลลิเมตร หรืออาจใช้แผ่นลามิเนตในจำนวนที่ไม่เท่ากัน ประกบขึ้นเป็นโครงสร้างในแบบ
แซนวิช โดยการส่งผ่านแรง จะส่งผ่านไปยังบริเวณที่มีผิวหนากว่าส่วนที่มีผิวบางกว่า
จึงช่วยเสริมค่าความต้านทานการโก่งตัวให้กับโครงสร้าง เรียกว่าโครงสร้างแบบแซนวิชไม่สมมาตร
Rotor
ใบพัดของ เฮลิคอปเตอร์จะใช้รูปทรงของแพนอากาศแบบสมมาตร
การขึ้นรูปของใบพัดในโรงงานประกอบ จึงต้องมีรูปทรงภายนอกที่เป็นรูปของแพร อากาศ
เพื่อสามารถสร้างแรงยกในปริมาณมากๆได้ ส่วนประกอบของกลีบใบจะประกอบไปด้วย
Rotor
-ชาย หน้าแบบใช้ โลหะ มีทั้งแบบไททาเนียมและเหล็กกันสนิมประเภทสเตนเลสสตีล
เพื่อป้องกันการกระแทกจากวัสดุแปลกปลอม
และโลหะทั้งสองชนิดนี้มีความแข็งแรงในการรับแรงกระแทก มากกว่าวัสดุแบบ คาร์บอนคอมโพสิต
-ผิวของใบพัดโรเตอร์ที่ห่อหุ้มแพนอากาศโดยรอบของใบ พัด ใช้วัสดุคอมโพสิตแบบผสม
มีทั้งเส้นใยแก้วและเส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์แบบ Plain Weave สองชั้น
ทำหน้าที่รับแรงบิดที่เกิดจากแรงต่างๆ ทางอากาศพลศาสตร์ในระหว่างการบิน
-ติดกับผิวชายหน้าและหลังใช้เส้นใยแก้วUD เพื่อรองรับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางหรือแรงจีของกลีบใบพัด
-ชิ้น ส่วนในใจกลางของใบพัดใช้โฟมหรือกระดาษแข็งแบบรังผึ้ง
ทำหน้าที่สร้างสมดุลย์ให้กับผิว และค้ำยันตลอดทั่วทั้งพื้นผิวเพื่อลดการยุบ ตัวของผิว
-แกนหลักของใบพัด ทำหน้าที่แบบเดียวกันกับแกนปีกหรือ Spar
นอกเหนือจากการรับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแล้ว ยังทำหน้าที่เช่นเดียวกันกับแกนปีกของเครื่องบิน
ที่รับแรงทางอากาศพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นบนกลีบใบพัด
-รอบชายหลังปีกใช้โลหะ ซึ่งจะช่วยในการปิดแพนอากาศทั้งหมดให้สามารถต้านทานแรงบิด และแรงต้านได้
Rotor
การนำวัสดุสมัยใหม่มาใช้งานในเฮลิคอปเตอร์
ทำให้บริษัทผู้ผลิตอากาศยานแบบปีกหมุน สามารถขึ้นรูปของใบพัดได้จากแบบ
และทำให้มีต้นทุนในการผลิตลดลงมากเมื่อเทียบกับการใช้โลหะในยุคก่อน
นอกจากนั้นใบพัดแบบวัสดุผสมมีอายุการใช้งานยาวนาน
สามารถตรวจสอบได้ตามกำหนดของขั้นตอนในการบำรุงรักษา ในความเป็นจริงนั้น
การลดน้ำหนักของใบพัด สามารถทำได้อีก
แต่บริษัทผู้ผลิตต้องจำกัดน้ำหนักในการลด เพื่อไม่ให้ต่ำไปกว่าเกณฑ์ที่กำหนดมากนัก
เพื่อรักษาเสถียรภาพของใบพัดไม่ให้โก่งงอจนมากเกินไป และอาจเกิดผลเสียในการใช้งาน
ข้อจำกัดทางการบินของ Helicopters
ข้อ จำกัดทางกายภาพของเฮลิคอปเตอร์ในอดีต ขึ้นอยู่กับกำลังของเครื่องยนต์
แต่ในยุคปัจจุบันนี้วิศวกรผู้ออกแบบ และพัฒนาเครื่องยนต์ของเฮลิคอปเตอร์ สามารถข้ามขีดจำกัดนี้ไปได้
จึงเหลือเพียงสองส่วนหลักๆที่สำคัญคือ ส่วนที่เกี่ยวข้องกับใบพัดหลัก เช่นการร่วงหล่นของกลีบใบพัดหลัก
การเกิดกระแสอากาศที่ไปรบกวนระหว่างกลีบใบพัด และทำให้ใบพัดหลักไม่เกาะอากาศ
การบังคับควบคุมที่ไม่สามารถกระทำได้อย่างเต็มประสิทธิ์ภาพ ในขณะที่บินด้วยความเร็วสูงสุด
และส่วนของรูปทรงในเฮลิคอปเตอร์ที่สร้างแรงต้านขึ้น โดยไม่สามารถแก้ไขได้ เช่น
ช่วงแกนหมุนของใบพัดหลัก ลำตัวและฐานล้อ
การเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของเฮลิคอปเตอร์ เป็นหัวใจหลักที่ต้องคำนึงถึงในการออกแบบเฮลิคอปเตอร์
เนื่องจากความเร็วในบริเวณปลายใบพัดสูงกว่า ความเร็วตรงแกนกลางของแกนโรเตอร์
และสามารถเพิ่มขึ้นได้จากการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า จนใกล้กับความเร็วเสียง
ซึ่งจะส่งผลกระทบอย่างยิ่งยวดกับแรงทางอากาศพลศาสตร์ และโครงสร้างของกลีบใบพัด
ปลายของใบพัดที่หมุนด้วยความเร็วสูง จนใกล้ความเร็วเสียงสามารถทำการคำนวนค่า อย่างคร่าวๆได้ดังนี้
เฮลิคอปเตอร์ทั่วๆไปที่มีความเร็วสูงสุดประมาณ 300 กิโลเมตรต่อชั่วโมงหรือ V=83เมตร/วินาที
ด้วยทฤษฎีของแรงต้านความเร็วมัค 0.85 เป็นความเร็วในค่าวิกฤติที่ไม่เหมาะสมกับโครงสร้าง
ดังนั้นใช้ความเร็วที่ 0.85 มัคคำนวนหาความเร็วที่เกิดขึ้นจากการหมุนของใบพัดจะได้U=210 เมตร/วินาที
หากกำหนดให้รัศมีของกลีบใบพัดเท่ากับ 6 เมตร ความเร็วรอบของใบพัดจะมีค่าประมาณ 350รอบ/นาที
ในกรณีของสมรรถนะของเฮลิคอปเตอร์ ในความเป็นจริงค่อนข้างสลับซับซ้อนมาก
เนื่องจากการไหลวนของกระแสอากาศผ่านใบพัดหลัก
มีความปั่นป่วนที่ยากต่อการเทียบเคียงให้ใกล้กับค่าที่แท้จริง
มีทฤษฎีอย่างง่ายๆที่อยู่ภายใต้สมมติฐานของอากาศไหลไม่อัดตัว
อากาศเป็นก๊าชที่ไหลอย่างสม่ำเสมอตลอดหน้าตัดของใบพัดหลัก
(ใช้สมกรณ์แบร์นูลลี และกฎของการรักษามวล)
ซึ่งทฤษฎีเหล่านี้สามารถอธิบายปรากฏการณ์ได้ในบางกรณีเท่านั้น คือ การลอยตัวของเฮลิคอปเตอร์นิ่งๆ
การบินขึ้นสู่อากาศด้วยความเร็วต่ำ และการบินลงด้วยความเร็วสูง
Collective
เฮลิคอปเตอร์ สามารถสร้างแรงยกได้โดยนักบินยกคันบังคับ Collective ของในบริเวณด้ายซ้ายของนักบิน
และจะไปบังคับให้แผ่นไม่หมุน Stationary Star เลื่อนขึ้น เป็นผลให้แผ่นหมุนหรือ Rotating Star ด้านบน
ไปบังคับกลไกให้ทำการปรับมุมกลีบโรเตอร์ใบพัดหลักทุกใบให้ทำมุมปะทะ กับอากาศสูงขึ้น
และทำให้เฮลิคอปเตอร์ยกตัวขึ้นได้
แต่ในทางกลับกันหากต้องการให้เฮลิคอปเตอร์ลดระดับความสูง นักบินต้องกดคันบังคับ Collective ลง
มุมปะทะกับอากาศของกลีบใบพัดหลักจะลดลง ทำให้ตัวเครื่องลดระดับความสูงลงมา
สำหรับการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า หรือไปทางซ้าย-ขวา หรือบินถอยหลัง สามารถทำได้
โดยนักบินจะใช้ Cyclic ที่อยู่ด้านหน้าตรงกลางของตำแหน่งที่นั่งนักบิน บังคับไปในทิศทางที่ต้องการ เช่น
ถ้าจะบินไปข้างหน้าก็ดัน Cyclic ไปข้างหน้า กลไกบังคับจะทำให้แผ่นไม่หมุนเอียงไปข้างหน้า
ซึ่งจะเป็นผลให้กลไกของแผ่นหมุนทำงาน ทำให้ชุดของใบพัดหลักเอียงไปด้านหน้าด้วย
เฮลิคอปเตอร์จึงเคลื่อนที่ไปข้างหน้า
ในทางกลับกันหากต้องการบินถอยหลัง นักบินก็เพียงแต่ดึง Cyclic มาด้านหลัง
ชุดใบพัดหลักจะปรับเอียงมาด้านหลัง ทำให้เฮลิคอปเตอร์สามารถบินถอยหลังได้อย่างง่ายดาย
และสำหรับการเลี้ยว ก็ทำได้โดยการโยกคัน Cyclic ไปยังทิศทางที่ต้องการจะเลี้ยว
แต่การเลี้ยวในลักษณะนี้อาจไม่ Coordinate นักบินเฮลิคอปเตอร์จึงจำเป็นต้องใช้คันบังคับที่เท้าหรือ Rudder
ช่วยเสริมในการเลี้ยวตัวเครื่อง เช่นเดียวกันกับการบังคับเลี้ยวในเครื่องบิน ปีกตรึงนั่นเอง
ที่มา : //www.thairath.co.th
| Create Date : 25 มกราคม 2553 |
| Last Update : 25 มกราคม 2553 15:50:39 น. |
|
0 comments
|
| Counter : 2563 Pageviews. |
 |
|
|
|
|
|
|
ฝากข้อความหลังไมค์
Rss Feed
ผู้ติดตามบล็อก : 200 คน [
