80 ปี สิทธิบัตรเฮลิคอปเตอร์ของ อิกอร์ ซิกอร์สกี ตอนที่ 3
(ต่อจากตอนที่ 2)
ปัจจัยหนึ่งที่ช่วยให้เฮลิคอปเตอร์ของซิกอร์สกีพลิกโฉมการบินจากยุคก่อนหน้านั้น ไม่ได้อยู่ที่การออกแบบของตัวเฮลิคอปเตอร์เอง แต่เป็นพัฒนาการของเครื่องยนต์ที่มีสมรรถนะดีขึ้นกว่าเดิมมาก เครื่องยนต์ Anzani สมัยปี 1909 นั้นให้กำลังงานเพียง 0.4 แรงม้าต่อน้ำหนักเครื่อง 1 กิโลกรัม ซึ่งแม้แต่การยกน้ำหนักตัวเองก็ยังทำได้ยาก
แต่เครื่องยนต์ลูกสูบแบบเรเดียล สำหรับ VS-300 ในปี 1939 ให้กำลังงานได้ถึง 0.9 แรงม้าต่อกิโลกรัม (เครื่องยนต์กังหันแกสสำหรับ ฮ. แบลคฮอว์คยุคปัจจุบันมีอัตราส่วนนี้ประมาณ 8 แรงม้าต่อกิโลกรัม)
แม้ว่าการทำงานของโรเตอร์บนเฮลิคอปเตอร์นั้นคล้ายกับใบพัด (propeller) ของเครื่องบิน คือส่งมวลอากาศไปด้านหลังใบพัดเพื่อให้เกิดแรงขับไปด้านหน้า แต่ใบพัดเครื่องบินซึ่งมีแกนอยู่ในแนวราบนั้น ต้องการสร้างแรงขับ (thrust) เพื่อให้เอาชนะแรงต้านการไหลของอากาศ (drag) เท่านั้น เมื่อเครื่องบินเคลื่อนที่จะได้แรงยก (lift) จากการไหลของอากาศผ่านปีกเครื่องบินที่ออกแบบรูปร่าง airfoil ไว้ให้มีค่าแรงยกประมาณ 10-20 เท่าของแรงต้าน ดังนั้นปีกเครื่องบินจะยกน้ำหนักได้อีกราว 10 เท่าตัวของแรงขับจากใบพัดเครื่องยนต์
เครื่องยนต์ 185 แรงม้า ของเฮลิคอปเตอร์ลำแรกที่มีการผลิตจำนวนมาก
เครื่องบินลำแรกของไรท์ในปี 1903 นั้น ใช้เครื่องยนต์ทำเองที่ให้กำลังงานเพียง 0.15 แรงม้าต่อน้ำหนัก 1 กิโลกรัมก็บินได้แล้ว ขณะที่โรเตอร์ของเฮลิคอปเตอร์นั้นทำหน้าที่สร้างแรงขับในแนวดิ่งที่ใช้ยกน้ำหนักตัวยานทั้งหมดโดยตรง แม้ว่าจะลอยอยู่นิ่งๆก็ตาม
เฮลิคอปเตอร์จึงต้องการเครื่องยนต์ที่ให้พลังขับดันต่อน้ำหนักสูง ทำให้เฮลิคอปเตอร์ต้องใช้เวลาพัฒนาหลังจากเครื่องบินถึงเกือบ 40 ปีจึงจะใช้การได้จริง ก็เพราะรอการพัฒนาของเครื่องยนต์นั่นเอง
สิ่งสำคัญต่อมาคือกลไกการควบคุม เฮลิคอปเตอร์ที่ใช้การได้ย่อมไม่ใช่เพียงแค่ลอยตัวขึ้นได้ แต่ต้องสามารถบังคับให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางต่างๆตามต้องการ และยังต้องสามารถหมุนตัวรอบแต่ละแกนได้ด้วย หากไม่มีกลไกควบคุมที่ดีและมีขนาดกะทัดรัดแล้ว แม้แต่การลอยตัวอยู่นิ่งๆก็ไม่สามารถทำได้ เพราะการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย เช่นมีลมพัดผ่านก็จะทำให้เสียการทรงตัวได้
ส่วนประกอบทิศทางการเคลื่อนที่ของเฮลิคอปเตอร์ (Source: Behdad Geranmehr)
เมื่อนำมาเปรียบเทียบกับเครื่องบินอีกเช่นกัน จะเห็นว่าการควบคุมทิศทางของเครื่องบินทำได้ง่ายกว่า เพราะเครื่องบินต้องเคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยความเร็วสูง ทำให้มีอากาศไหลผ่านลำตัวตลอดเวลา การควบคุมทำได้โดยการปรับตำแหน่งพื้นผิวต่างๆบนปีกและหางเพื่อปรับเปลี่ยนการไหล ก็จะเกิดแรงกระทำให้เครื่องบินเปลี่ยนทิศทางได้ แต่เฮลิคอปเตอร์ซึ่งออกแบบมาเพื่อความคล่องตัวใช้ระบบที่ต่างออกไป
การควบคุมทิศทางของเฮลิคอปเตอร์จะใช้กลไกซึ่งรวมอยู่ที่โรเตอร์ ตัวอย่างเช่น การควบคุมตำแหน่งในแนวดิ่งโดยการปรับแรงยกของโรเตอร์ ในยุคแรกๆใช้การเพิ่ม-ลดแรงยกโดยการปรับความเร็วรอบของเครื่องยนต์ ซึ่งเป็นวิธีที่ผิด ด้วยหลายเหตุผล สิ่งแรกคือการตอบสนองที่ช้าเนื่องจากความเฉื่อยของใบพัดขนาดใหญ่ ขณะที่การตอบสนองที่ฉับไว คือหัวใจสำคัญของการบินเฮลิคอปเตอร์
อีกสาเหตุมาจากการที่ใบพัดหมุนในระนาบนอน ปกติแล้ว ความเร็วการหมุนของใบพัดจะสูงกว่าความเร็วการเคลื่อนที่ของตัว ฮ. แต่ถ้าไปลดความเร็วการหมุนด้วยการลดรอบให้ต่ำลงเกินไป จนความเร็วการหมุนของใบพัดที่หมุนถอยหลังไปในทิศตรงข้ามการเคลื่อนที่นั้นเท่ากับหรือน้อยกว่าความเร็วการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของ ฮ. แรงยกจากฝั่งนั้นจะเป็นศูนย์ ทำให้ ฮ. โคลง (roll) เสียการทรงตัว หรือพลิกคว่ำได้
มุมพิทช์ของใบพัด (blade pitch angle) ของโรเตอร์
ดังนั้นการควบคุมแรงยกของโรเตอร์ จะไม่ใช้การเปลี่ยนความเร็วรอบอย่างเดียว แต่จะควบคุมแรงยก ด้วยกลไกปรับเปลี่ยนมุมเอียงของใบพัด หรือ blade pitch แทน แล้วค่อยปรับรอบเครื่องยนต์ตามหลังให้สัมพันธ์กัน
หน้าตัดของใบพัดเฮลิคอปเตอร์จะมีรูปร่างเหมือนปีกเครื่องบินหรือ airfoil ขณะที่ตัวใบพัดหมุนไปรอบแกนของโรเตอร์นั้น ยังสามารถปรับมุมเอียงโดยหมุนรอบแกนของตัวเองได้ด้วย มุมของใบพัด หรือ blade pitch (ศัพท์ที่นำมาจากใบจักรเรือ) เทียบกับทิศทางของการเคลื่อนที่ จะเริ่มจากศูนย์เมื่อใบพัดอยู่ในระนาบการหมุนในแนวนอน ซึ่งให้แรงยกและแรงต้านต่ำที่สุด เมื่อ blade pitch เพิ่มขึ้น ใบพัดจะอยู่ในแนวตั้งมากขึ้น มุมปะทะกับอากาศก็เพิ่มขึ้นทำให้แรงยกเพิ่มขึ้นตามไปด้วย
(จนถึงจุดหนึ่งแรงยกจะลดลงแต่แรงต้านยังเพิ่มขึ้นต่อ เรียกว่าใบพัดเกิดการ stall ซึ่งจะต้องไม่เพิ่มมุมใบพัดให้ถึงจุดนี้)
การหมุนปรับมุมพิทช์ รอบแกนตามความยาวของใบพัด ซึ่งอยู่ในแนวรัศมีของโรเตอร์นี้ บางทีเรียกว่า feathering (ศัพท์ที่นำมาจากการพายเรือ)
การปรับมุมพิทช์ของใบพัดหน้าตัดรูปแอร์ฟอยล์ ทำให้แรงยกเปลี่ยน
แรงยกของเฮลิคอปเตอร์จึงเพิ่ม-ลดได้โดยการปรับมุม blade pitch ให้มากขึ้นหรือลดลง ในขณะที่โรเตอร์หมุนอยู่ การปรับมุมพิทช์ของใบพัดทุกใบเท่ากัน เรียกว่า collective pitch control หรือการปรับแบบรวมหมู่ ซึ่งจะมีการปรับความเร็วรอบของเครื่องยนต์ให้สัมพันธ์กันไปด้วย ส่วนการปรับมุมพิทช์ของใบพัดแต่ละใบตามตำแหน่งเชิงมุมของการหมุน เรียกว่า cyclic pitch control
การควบคุมโรเตอร์ด้วย blade pitch นี้ ซึ่งมีมาก่อนซิกอร์สกี เป็นหลักการสำคัญที่สุดสำหรับการบินเฮลิคอปเตอร์มาจนปัจจุบัน มีนักประดิษฐ์อื่นเคยนำมาใช้ในเฮลิคอปเตอร์แล้วหลายรูปแบบ เช่น บอริส ยูเรียฟ ในปี 1911 หรือ ราอูล เพสคารา ในปี 1922
โดยเฉพาะ เจคอป เอลฮัมเมอร์ ชาวเดนมาร์ก ได้เคยจดสิทธิบัตรหลักการนี้เอาไว้ด้วยตั้งแต่ปี 1912 เอลฮัมเมอร์ได้สร้างเฮลิคอปเตอร์แบบโรเตอร์คู่ที่มีกลไก pitch control ด้วย แต่เอลฮัมเมอร์ซึ่งมีสิทธิบัตรนับร้อยเรื่องตั้งแต่เครื่องเอกซเรย์ จนถึงมอเตอร์ไซค์ หันไปสนใจเรื่องอื่นแทน ไม่ได้พัฒนาต่อจนใช้การได้
สิทธิบัตรอังกฤษและต้นแบบของเอลฮัมเมอร์ ที่มีการปรับมุมใบพัด (สีเหลือง) ระหว่างการหมุน
ฮ.ต้นแบบ VS-300 ลำแรกในการทดสอบเมื่อวันที่ 14 กันยายน 1939 นั้น ซิกอร์สกี ใช้กลไก collective pitch control ตามแบบสิทธิบัตรปี 1935 คือใช้พวงมาลัยทางด้านขวาของที่นั่ง (สีแดง) หมุนโซ่ (สีส้ม) ซึ่งจะไปหมุนเฟืองดอกจอก (116-117) จากนั้นเฟืองจะหมุนยกสกรูส่งกำลังแนวตั้ง (100) ที่สอดอยู่ในเพลากลวงของโรเตอร์ เพื่อไปดันก้านต่อของใบพัด (สีเหลือง) ทุกใบให้เปลี่ยนมุมพิทช์ ได้พร้อมกัน ที่ปลายด้านบนของสกูรแนวตั้งจะมีตลับลูกปืนรองรับจึงทำให้สามารถปรับมุมพิทช์ได้ในขณะที่โรเตอร์กำลังหมุน
กลไกการปรับ collective pitch ตามสิทธิบัตรฉบับปี 1935 ของซิกอร์สกี
ฮ.ต้นแบบ VS-300 ลำแรก ยังใช้ collective pitch control แบบพวงมาลัย
เนื่องจากโครงสร้างแบบแรกนี้ค่อนข้างซับซ้อน และไม่สะดวกในการหมุนพวงมาลัย ในรุ่นต่อมาซิกอร์สกี จึงเปลี่ยนมาเป็นควบคุมด้วยคันโยกฝั่งขวา และใช้ก้านต่อที่ง่ายขึ้นแทน ตามที่บรรยายไว้ในสิทธิบัตร 2,318,259 ฉบับปี 1943
ภาพด้านข้าง กลไกการปรับ blade pitch ตามสิทธิบัตรฉบับปี 1943 ของซิกอร์สกี
วิธีนี้จะใช้คันโยกสีเหลือง (192) ไปดันก้านต่อ ซึ่งเชื่อมต่อผ่านตลับลูกปืนกับชุดกลไกปรับมุมใบพัด (สีแดง) ที่ด้านบน ชุดกลไกปรับมุม (สีแดง) จะหมุนไปกับใบพัดแต่จะถูกบังคับตำแหน่งให้ขึ้น-ลงด้วยแผ่นควบคุม (สีเหลือง, 158) ซึ่งอยู่กับที่
เนื่องจากก้านต่อ (178, 180) ของระบบ collective pitch นี้เชื่อมต่อกับแผ่นควบคุมที่ตรงกลางพอดี ทำให้แผ่นควบคุมอยู่ในแนวนอนขณะที่เลื่อนขึ้นลง ซึ่งจะไปบังคับใบพัด (สีเขียว) ทุกใบให้ปรับมุมพิทช์เท่ากันหมด และยังมีสายโยงไปปรับรอบเครื่องยนต์ (สีน้ำตาล 16) ตามมุมพิทช์ด้วย
คลิปอธิบายการทำงานของ collective pitch control
ระบบ collective pitch ซึ่งควบคุมมุมเอียงของใบพัดทุกใบเท่าๆกัน ใช้สำหรับการปรับแรงยกให้ตัว ฮ. ขึ้น-ลงในแนวดิ่งเท่านั้น แต่การเคลื่อนที่ทิศทางอื่นๆ ก็จะต้องมีวิธีปรับแรงยกในแต่ละทิศให้ไม่เท่ากัน โดยการปรับมุมพิทช์ของใบพัดแต่ละใบให้แปรเปลี่ยนไปตามตำแหน่งเชิงมุมของการหมุน เรียกว่า cyclic pitch control
เช่นการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของเฮลิคอปเตอร์ ทำได้โดยการปรับมุมพิทช์ของใบพัด (ไม่ว่าใบใดก็ตาม) เมื่อหมุนมาอยู่ด้านหน้าให้สร้างแรงยกลดลง และปรับมุมพิทช์ของใบพัดใบที่หมุนมาอยู่ด้านหลังให้สร้างแรงยกเพิ่มขึ้น แรงยกโดยรวมจึงมีทิศทางชี้ขึ้นและพุ่งไปข้างหน้า โดยด้านหน้าของเฮลิคอปเตอร์เอียงลงเล็กน้อย การเคลื่อนที่ในทิศทางอื่นๆก็ใช้วิธีปรับมุมพิทช์แบบไม่สมมาตรนี้เช่นเดียวกัน
เฮลิคอปเตอร์บินไปข้างหน้าด้วย cyclic control ปรับให้พิทช์ด้านหน้าลดต่ำกว่าพิทช์ด้านหลังเล็กน้อย
กลไกการปรับ cyclic control นี้ มีผู้อื่นคิดขึ้นและนำมาใช้ก่อนซิกอร์สกีเช่นกัน ตั้งแต่บอริส ยูเรียฟ และเครื่อง Fw-61 ของเยอรมัน ก็ใช้หลักการนี้ โดยใช้ชิ้นส่วน สวอชเพลท (swashplate) ซึ่งมีแผ่นล่างเป็นแผ่นควบคุมอยู่กับที่ เชื่อมต่อกับคันบังคับที่นักบินโยกไปมาได้ ส่วนแผ่นบนจะหมุนไปกับโรเตอร์และมีก้านต่อกับใบพัดเพื่อปรับมุมพิทช์ในขณะที่กำลังหมุน ทั้งแผ่นบนและแผ่นล่างจะยึดติดเข้าด้วยกันผ่านตลับลูกปืน ทำให้ต้องเคลื่อนที่ขึ้นลงไปด้วยกันแต่หมุนสัมพัทธ์กันได้
แผนผังการควบคุม cyclic pitch ด้วยสวอชเพลท
ในรูปชิ้นส่วนสีเหลืองด้านบน คือโรเตอร์ที่กำลังหมุน(ตามเข็มนาฬิกา) ชิ้นส่วนสีแดงด้านล่างคือส่วนอยู่กับที่ซึ่งเชื่อมต่อกับคันโยกที่นักบินใช้ควบคุม ทั้งสองส่วนยึดติดกันที่สวอชเพลทด้วยตลับลูกปืน
เมื่อควบคุม cyclic control ให้ตำแหน่งที่ 1 ยกสูงขึ้นตำแหน่งที่ 2 ต่ำลง ใบพัดทุกใบเมื่อหมุนผ่านตรงตำแหน่งที่ 1 จะถูกบังคับให้มุมพิทช์เพิ่มขึ้น และตำแหน่งที่ 2 จะถูกบังคับให้มุมพิทช์ลดลง แรงยกจึงไม่สมมาตร เกิดแรงลัพธ์ทำให้เฮลิคอปเตอร์เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ต้องการได้
ในรูปตามสิทธิบัตรปี 1943 ข้างต้น คันโยกปรับ cyclic pitch จะอยู่ตรงกลาง (สีฟ้า 220) สามารถโยกได้ทั้งหน้า-หลัง หรือซ้าย-ขวา และทุกทิศทาง ไม่เหมือน collective pitch ที่ปรับเพิ่มลดได้เท่านั้น cyclic pitch control จึงเป็นวิธีการควบคุมที่สำคัญ และนักบินเฮลิคอปเตอร์ใช้งานบ่อยที่สุด
รายละเอียดด้านบนของโรเตอร์ จากสิทธิบัตรปี 1943 ของซิกอร์สกี (แสดง 1 ใบพัดจาก 3 ใบ)
ภาพด้านบนของโรเตอร์ จากสิทธิบัตรของซิกอร์สกี แสดงให้เห็นรายละเอียดก้านต่อของกลไกปรับพิทช์หมายเลข 140 (สีแดง) ในรูป จะเชื่อมต่อกับขอบหน้า (leading edge) ของใบพัด หมายเลข 118 (สีเขียวอ่อน) ซึ่งในรูปมี 3 ใบพัด เมื่อก้านต่อ (สีแดง) ถูกยกขึ้นในขณะที่หมุนตามเพลา 62 (สีเหลือง) ไปด้วย ขอบหน้าของใบพัดจะถูกดันขึ้นให้หมุนรอบแกน feathering ทำให้มุมพิทช์ และแรงยกของใบพัดเพิ่มขึ้น
จะเห็นว่าใบพัดไม่ได้เชื่อมติดกับแกนเพลาแบบแข็งเกร็ง แต่ใบพัดแต่ละใบจะมีบานพับให้หมุนตัวได้อีก 2 แกน คือบานพับ drag หรือ lead-lag (สีชมพู) ซึ่งเป็นจุดหมุนในแนวดิ่ง ที่แกน feathering ของใบพัดเชื่อมต่อกับแผ่นเหวี่ยง 112 ตรงกลาง เพื่อลดการกระชาก
และบานพับ flapping (สีส้ม) ตรงจุดที่แผ่นเหวี่ยงเชื่อมต่อกับเพลากลางในแนวนอน เพื่อให้ใบพัดปรับเอียงตัวขึ้นได้ขณะที่ตัว ฮ. มีการเคลื่อนที่ เนื่องจากแรงยกของใบพัดที่วิ่งไปข้างหน้ากับวิ่งถอยหลังไม่เท่ากัน ดังนั้นใบพัดจะอ่อนตัวได้เล็กน้อย เมื่อเทียบกับเพลาของโรเตอร์ ดังรูป
ภาพสามมิติของระบบข้อแขนสมบูรณ์ (fully articulated) ของโรเตอร์
โครงสร้างข้อต่ออ่อนของโรเตอร์ ที่มีแกนหมุน feathering เพื่อปรับพิทช์ และบานพับdrag และ flap นี้ เรียกว่าโรเตอร์ระบบข้อแขนสมบูรณ์ (fully articulated) ถือเป็นเอกลักษณ์ของ ฮ. ซิกอร์สกี แต่จริงๆเป็นความคิดริเริ่มของฮวน เดอลา เซียวา (1895–1936) นักประดิษฐ์ชาวสเปน ผู้สนับสนุนรัฐบาลฟัสซิสต์ของนายพลฟรังโก ซึ่งประกาศเป็นกลางในสงครามโลก และ เดอลาเซียวา ได้จดสิทธิบัตรในสหรัฐไว้จำนวนมาก ซิกอร์สกีจึงต้องจ่ายค่ารอยัลตีให้กับบริษัท Autogiro ของ เดอลาเซียวา ด้วย
สิ่งที่ซิกอร์สกี เพิ่มเติมขึ้นเอง คือติดกระบอกน้ำมันระหว่างใบพัดกับแกนหมุน feathering ซึ่งช่วยลดการสั่นสะเทือนจากใบพัดได้
บานพับ flap จะยอมให้ใบพัดซ้าย-ขวา ยกตัวขึ้นไม่เท่ากันได้เพื่อปรับสมดุลแรงยก
ซิกอร์สกีได้นำลักษณะพิเศษเหล่านี้ตั้งแต่การใช้โรเตอร์หลักแกนเดียวแบบ fully articulated ควบคุมมุมใบพัดได้ทั้ง collective และ cyclic pitch และมีโรเตอร์หางปรับการส่าย (yaw) ทั้งหมดมารวมไว้ใน ฮ.ต้นแบบรหัส VS-300 ซึ่งไม่ได้มีลำเดียว แต่มีวิวัฒนาการรูปแบบต่างกันไม่ต่ำกว่า 5 แบบ
ลำที่ใช้บินทดสอบครั้งแรกโดย ซิกอร์สกี เมื่อวันที่ 14 กันยายน 1939 นั้น มักจะถูกเข้าใจผิดว่าเป็นเฮลิคอปเตอร์ที่ขึ้นบินได้สำเร็จเป็นครัั้งแรกของโลก อย่างที่ได้อธิบายไปแล้วว่ามี “เฮลิคอปเตอร์” รูปแบบอื่นๆ หลายลำได้เคยบินมาก่อนแล้ว และ VS-300 รุ่นแรกนั้น ยังต้องมีสายโยง ฮ. ไว้กับพื้น ไม่สามารถบินอย่างอิสระได้แต่อย่างใด
VS-300 รุ่นแรกสุด เมื่อวันที่ 14 กันยายน 1939
ในรูป ซิกอร์สกีกำลังบังคับก้าน cyclic pitch ให้เชิดขึ้น เป็นครั้งแรกของโลกที่สามารถควบคุม ฮ. ที่มีโรเตอร์หลักตัวเดียว (single main rotor) ให้ลอยตัวขึ้นได้ แม้จะเป็นการยกตัวขึ้นเหนือพื้นไม่เกินหนึ่งฟุต ได้เพียง 10 วินาที สั้นกว่าสถิติ “หมึกลอยฟ้า” ของโบเทซัทเมื่อปี 1922 อีก
ความเร็วไม่ต้องพูดถึงเพราะมันเคลื่อนที่ได้ทุกทางยกเว้นไปข้างหน้า จะเกิดการเอียงและสั่นอย่างรุนแรงทุกครั้ง ตอนแรก ซิกอร์สกี ก็ไม่รู้ว่าเหตุผลคืออะไร ?
คำตอบคือ gyroscopic precession ซึ่งเป็นหลักกลศาสตร์ของวัตถุหมุน 3 มิติทุกชนิด หากตัว ฮ. กดหน้าลงเพื่อเคลื่อนไปข้างหน้า ความเฉื่อยในการหมุนของโรเตอร์หลัก จะทำให้เกิดการโคลง (rolling) เอียงไปข้างหนึ่ง ซึ่งแก้ด้วยการควบคุม cyclic pitch ในทางตรงข้าม และเพิ่มกระบอกไฮดรอลิกลดการสั่นสะเทือนจากใบพัด
แม้ว่าการบินในปี 1939 นั้น คือประวัติศาสตร์ เมื่อมองย้อนกลับไป แต่ขณะที่ทดสอบนั้น ซิกอร์สกี ตกอยู่ภายใต้ความกดดัน รายได้หลักของบริษํท Vought-Sikorsky มาจากส่วนที่เป็น Vought ซึ่งผลิตเครื่องบินรบ F4U Corsair ส่วนเรือบินของ Sikorsky หยุดการผลิตไปแล้วเพราะไม่มีลูกค้า เหลือเพียงมุมเล็กๆในโรงงานให้โครงการเฮลิคอปเตอร์เท่านั้น และขณะนั้นกองทัพยังไม่ได้ให้ทุนซิกอร์สกี แต่ไปสนับสนุนเฮลิคอปเตอร์อีกโครงการหนึ่งของ Platt-LePage แทน
Platt-LePage XR-1 คู่แข่งของซิกอร์สกี นำรูปแบบมาจาก Fｗ-61
ซิกอร์สกี ทำงานแข่งกับเวลาทุกวัน อีกหนึ่งเดือนต่อมา เขาได้ปรับโครงสร้างตัวถังและการลงจอดเล็กน้อย ครีบแนวตั้งที่หางเพื่อช่วยต้านการหมุนถูกนำออกไป ที่สำคัญคือเปลี่ยนจากพวงมาลัยควบคุม collective pitch มาเป็นคันโยกเหมือนสิทธิบัตรปี 1943
VS-300 รุ่นที่สอง (มีนาคม 1940)
ในรุ่นที่สอง (มีนาคม 1940) มีการเปลี่ยนแปลงไปมาก คันโยก collective ย้ายมาอยู่ข้างซ้ายของนักบิน ส่วน cyclic control ที่โรเตอร์หลักใช้เดินหน้าถอยหลังเท่านั้น และเพิ่มโรเตอร์เสริมในแนวตั้งด้านข้าง บนแขนยื่นสองข้าง ใช้ควบคุมการโคลง (roll) แทน ซึ่งได้รับอิทธิพลมาจากคู่แข่ง Platt-LePage นั่นเอง
เมื่อต้องการเอียงตัว ฮ. ไปด้านข้าง คันโยกตรงกลางจะไปดึงสายเคเบิลเพื่อปรับมุมพิทช์ของโรเตอร์เสริมด้านข้าง (สีฟ้า) แทน ซึ่งหมุนในทิศตรงข้ามกับการหมุนของโรเตอร์หลัก
การควบคุมของ VS-300 รุ่นที่สอง ตามสิทธิบัตร US 2,318,260
ส่วนโรเตอร์หางก็ยังมีอยู่ เท่ากับมีใบพัดถึง 4 โรเตอร์ ขับด้วยเครื่องยนต์เดียวกันทั้งหมด มุมพิทช์ของโรเตอร์หางก็สามารถปรับได้ผ่านสายเคเบิล ด้วยแป้นเหยียบที่เท้าสองข้าง โครงสร้างของ ฮ.รุ่นนี้ มีอยู่ในสิทธิบัตรที่เขาได้รับอีกฉบับหนึ่งในปี 1943 ด้วย
โรเตอร์เสริมแกนตั้ง (สีฟ้า) และโรเตอร์หาง (สีม่วง) ตามสิทธิบัตร US 2,318,260 ปี 1943
ซิกอร์สกี ทดสอบต้นแบบรุ่นที่สองที่บริดจ์พอร์ด คอนเนคติคัท เมื่อ 20 พฤษภาคม 1940 ยังมีสายโยง
ภาพบนนี้ถูกเข้าใจผิดกันมากว่าเป็นการบินครั้งแรกของ VS-300 ซึ่งไม่ใช่ ดูได้จากโรเตอร์เสริมแกนตั้งด้านท้าย แสดงว่าเป็นรุ่นที่สอง เห็นได้ชัดเจนจากคลิปวิดีโอด้านล่าง
การบินอิสระครั้งแรกของ VS-300 พฤษภาคม 1940
ในเดือนเดียวกัน ซิกอร์สกี ทำการบินทดสอบต้นแบบรุ่นที่สอง แบบอิสระไร้สายโยงเป็นครั้งแรก ที่เห็นด้านขวาคือโรเตอร์เสริมด้านข้าง ผลการทดสอบของเครื่องรุ่นที่สองนี้เอง ทำให้ได้รับเงินทุน 5 หมื่นดอลลาร์จากกองทัพบกสหรัฐ เมื่อเดือนมกราคม 1941 (ราว 30 ล้านบาทตามมูลค่าสมัยนี้)
ขณะที่คู่แข่ง Platt-LePage ซึ่งใช้โรเตอร์คู่รูปแบบคล้ายกับ Fw-61 เกิดปัญหาการควบคุม ไม่สามารถส่งมอบ ฮ. ที่ใช้การได้ตามกำหนด
ซิกอร์สกีใช้ ฮ. VS-300 รุ่นนี้ทำลายสถิติลอยตัวในอากาศได้นานที่สุด เดิมเป็นของ ฮ.เยอรมัน Fw-61 คือ 1 ชั่วโมง 32 นาทีได้ในเดือนพฤษภาคมปี 1941
ชาลส์ เลสเตอร์ มอริส ผู้ช่วยของซิกอร์สกี ทดสอบ VS-300 รุ่นที่ 3
VS-300 รุ่นที่ 3 (สิงหาคม 1941) เปลี่ยนโครงสร้างใหม่ โดยนำโรเตอร์บนแขนยื่นสองข้างมารวมไว้ตรงกลางแกนเดียว ช่วยลดน้ำหนักและแรงต้านลงได้มาก รุ่นนี้ใช้ cyclic pitch ควบคุมเฉพาะการเอียงซ้ายขวา (roll) เท่านั้น ส่วนมุมก้มเงยของตัว ฮ. (body pitch) ควบคุมด้วยโรเตอร์แนวตั้งแกนที่สอง ซึ่งอยู่ใกล้กับโรเตอร์หาง
เพียงหนึ่งวันหลังการโจมตีที่เพิร์ลฮาเบอร์ และวันเดียวกับการประกาศเข้าสู่สงครามโลกของประธานาธิบดีรูสเวลต์ ซิกอร์สกีได้พัฒนา ฮ. รุ่นที่สี่หรือว่า VS-300A ซึ่งค่อนข้างสมบูรณ์ ใช้ผ้าใบหุ้มตัวถังเรียบร้อย สามารถบินได้เองโดยไม่มีสายจูง ด้วยกำลังจากเครื่องยนต์ 100 แรงม้า ทำการทดลองบินในวันที่ 8 ธันวาคม 1941 บินได้สูง 30 เมตร และทำความเร็วได้ 97 กิโลเมตร/ชั่วโมง
รุ่นสุดท้ายนี้ไม่ต้องมีโรเตอร์แนวตั้งด้านหลังช่วยอีก มีเพียงโรเตอร์หลักกับโรเตอร์หาง และโรเตอร์หลักเป็นแบบ fully articulated ที่มีทั้ง collective และ cyclic pitch control ปัญหาการสั่นสะเทือนก็ได้รับการแก้ไขแล้วด้วยการออกแบบหัวโรเตอร์ใหม่ โครงสร้างแบบนี้กลายมาเป็นมาตรฐานของเฮลิคอปเตอร์ส่วนใหญ่ในปัจจุบัน
เฮลิคอปเตอร์ รุ่น VS-300A ซึ่งใช้การได้อย่างสมบูรณ์
ในปี 1942 นั้นเอง อากาศยานปีกหมุนแบบใหม่ของกองทัพอากาศนาซี ก็ได้ปรากฏตัวขึ้นแถบทะเลบอลติก นั่นคือ “synchropter” FL-282 หรือ ฮัมมิงเบิร์ด ประดิษฐ์โดยแอนทอน เฟลทเนอร์
เฮลิคอปเตอร์โรเตอร์คู่รุ่นนี้ต่างจาก Fw-61 ของไฮน์ริช ฟอคเกอ ตรงที่คู่โรเตอร์วางติดกันจนดูเหมือนเป็นโรเตอร์เดี่ยว ทำให้ลดแรงต้านของลำตัวได้มาก และทำการบินได้อย่างคล่องแคล่ว โรเตอร์แกนละสองใบพัดซึ่งเอียงจากกันเล็กน้อย และหมุนสวนทางกัน ขับด้วยเครื่องยนต์ตัวเดียว ผ่านระบบส่งกำลัง intermeshing ที่ทำให้ใบพัดเว้นระยะการหมุนได้พอดีโดยไม่กระทบกัน
เยอรมันเตรียมให้ BMW ผลิต FL-282 "ฮัมมิงเบิร์ด" กว่า 1 พันลำเข้าประจำการ แต่โรงงานที่มิวนิคถูกทิ้งระเบิดถล่มราบเรียบเสียก่อน ไม่เช่นนั้นสถิติ ฮ. ที่ผลิตจำนวนมากลำแรกคงเป็นของเฟลทเนอร์ไปแล้ว
FL-282 อาวุธลับของนาซีที่เกือบได้ตำแหน่ง ฮ. รุ่นแรกของโลก
หลังจากนั้น กองทัพอเมริกันจึงเร่งพัฒนาเฮลิคอปเตอร์เพื่อใช้ปฏิบัติการจริง ซิกอร์สกีได้รับเงินอัดฉีดก้อนโตจากกระทรวงกลาโหม นำมาพัฒนารุ่นใหม่เป็น VS-316A หรือ S-47 ซึ่งเป็นลำแรกที่ได้เข้าประจำการให้กองทัพบก เรียกชื่อรหัสในกองทัพว่า R-4 (R มาจาก Rotorcraft)
R-4 มีโครงสร้างหลักเหมือนกับ VS-300A แต่เพิ่มเป็น 2 ที่นั่ง ใช้เครื่องยนต์เรเดียล 7 สูบ 185 แรงม้า ความเร็วสูงสุดกว่า 120 กิโลเมตรต่อชั่วโมง และบินได้สูงถึง 2,400 เมตร เป็นเฮลิคอปเตอร์รุ่นแรกของโลกที่มีการผลิตใช้จริงจำนวนมาก
ซิกอร์สกีส่งมอบ R-4 ให้กองทัพสหรัฐทั้งหมด 131 ลำ ระหว่างปี 1942-1944 ได้ใช้งานจริงช่วงปลายสงครามโลกครั้งที่สองในพม่าและในยุทธการฟิลิปปินส์
Sikorsky R-4 เฮลิคอปเตอร์ประจำการลำแรกของกองทัพสหรัฐ ต้นทุนผลิตถูกกว่า และดีกว่า Platt-LePage XR-1 มาก
Sikorsky R-4 ใช้ในภารกิจขนส่งทหารบาดเจ็บและอะไหล่เครื่องบิน ที่ฟิลิปปินส์ในปี 1945
แต่การใช้เฮลิคอปเตอร์ ปฏิบัติการทางพลเรือนครั้งแรกเกิดขึ้นในอเมริกานี่เอง เมื่อเรือบรรทุกวัตถุระเบิด USS Turner ได้เกิดระเบิดขึ้นขณะเทียบท่าที่รัฐนิวเจอร์ซีย์ ในต้นปี 1944 เฮลิคอปเตอร์ R-4 “Hoverfly” ได้ใช้งานขนส่งเกล็ดเลือดไปช่วยชีวิตผู้บาดเจ็บจากเหตุการณ์ครั้งนั้น เซอร์เก ลูกชายของอิกอร์ ซิกอร์สกี ซึ่งไปเป็นทหารเรืออยู่มีส่วนร่วมด้วย
เซอร์เก ซิกอร์สกี กำลังฝึกโรยตัวด้วยกว้านกู้ภัยจากฮ. R-4 (Hoverfly) ด้านล่างซ้ายคือต้นแบบ ฮ. H-5 (Dragonfly)
เมื่อมีการผลิต R-4 ออกใช้แล้ว ฮ. รุ่น VS-300A ได้ถูกใช้เป็นต้นแบบสำหรับการทดลองแทน หลังจากบินทดสอบกว่า 100 ชั่วโมง ก็ได้ถูกมอบเป็นของขวัญให้เฮนรี ฟอร์ด นำมาจัดแสดงอยู่ที่พิพิธภัณฑ์ในรัฐมิชิแกนมาจนปัจจุบัน ชื่อของซิกอร์สกีได้กลายเป็นสัญลักษณ์ของเฮลิคอปเตอร์ไป เพราะคนอเมริกันไม่รู้จักเฮลิคอปเตอร์แบบอื่นมาก่อน
VS-300A แบบลงจอดในน้ำ ขึ้นปกนิตยสาร LIFE ในปี 1943
บินไปซื้อกับข้าวด้วย VS-300 ภาพยนตร์โฆษณาปี 1943
จากนั้นซิกอร์สกี ซึ่งแยกตัวออกมาผลิตเฮลิคอปเตอร์โดยเฉพาะ ก็ได้สร้าง ฮ. ให้กองทัพสหรัฐอีกหลายรุ่น เช่น H-5 Dragonfly ที่ตัวถังมีความลู่ลมมากกว่าเดิม ผลิตออกมากว่า 300 ลำ ซึ่งรุ่นนี้เป็นเฮลิคอปเตอร์ลำแรกที่เข้ามาประจำในกองทัพไทยประมาณปี พ.ศ. 2496 (1953) ด้วย ระหว่างสงครามคาบสมุทรเกาหลี
Sikorsky H-5 “Dragonfly” ปัจจุบันจัดแสดงอยู่ที่พิพิธภัณฑ์กองทัพอากาศไทย
ในปี 1952 Sikorsky H-19 Chickasaw (S-55) เป็นเฮลิคอปเตอร์ลำแรกที่บินข้ามมหาสมุทรแอตแลนติก โดยไม่แวะพัก ใช้เครื่องยนต์ลูกสูบ 600 แรงม้า อิกอร์ ซิกอร์สกี ร่วมออกแบบเองด้วย
ฮ. Sikorsky รุ่น H-34 ก็ได้ใช้เป็น ฮ.ประจำตำแหน่งประธานาธิบดี (Marine One) ตั้งแต่ยุคไอเซนฮาวร์ จนถึงปัจจุบันก็ยังใช้บริการ ฮ. ของบริษัท Sikorsky Aircraft ซึ่งได้ควบรวมเข้าเป็นส่วนหนึ่งของ Lockheed-Martin ไปแล้วตั้งแต่ปี 2015
“Black Hawk” UH-60 ฮ. ทางการทหารชื่อดัง ก็เป็นผลงานของบริษัทอายุร้อยปีแห่งนี้
ฮ. ประจำตัวเคนเนดี (บน) รุ่น UH-34 นี้เมืองไทยก็เคยใช้งาน (ล่าง)
หลังสงครามโลก มีบริษัทเฮลิคอปเตอร์เกิดขึ้นใหม่กว่า 300 แห่ง วิทยาการใหม่ๆเกิดขึ้น การแข่งขันก็เข้มข้นขึ้นด้วย ทั้งในตลาดทางทหารและพลเรือน เมื่อมีการนำเครื่องยนต์กังหันแกสมาใช้แทนลูกสูบ บริษัทซิกอร์สกี เริ่มจะตามการแข่งขันไม่ทัน แม้จะเริ่มต้นก่อน แต่ส่วนแบ่งตลาดในปัจจุบันตกเป็นรองผู้ผลิตอื่น เช่น Bell หรือ Eurocopter (Airbus) หลายช่วงตัว
โครงสร้างและการควบคุมหลักของเฮลิคอปเตอร์ทุกวันนี้ ยังใช้แนวทางของซิกอร์สกี VS-300A
อย่างไรก็ตามแม้ว่าเครื่องยนต์และรายละเอียดชิ้นส่วนจะพัฒนาไปต่างจากเดิมมาก โครงสร้างการจัดวางหลักของเฮลิคอปเตอร์แบบที่นิยมมากที่สุด ก็ยังเป็นไปตาม VS-300A ที่ได้บรรยายไว้ในสิทธิบัตร US 2,318,259 ฉบับปี 1943 ของอิกอร์ ซิกอร์สกี เมื่อ 80 ปีที่แล้วนั่นเอง คือมีโรเตอร์หลักขนาดใหญ่เหนือห้องโดยสารกับโรเตอร์หาง ขับด้วยเครื่องยนต์ตัวเดียวกัน และมีคันโยก collective pitch และ cyclic pitch ควบคุมทิศทางผ่านโรเตอร์หลัก ส่วนโรเตอร์หางใช้เท้าเหยียบเพื่อปรับมุมพิทช์ของใบพัด
สิทธิบัตร US 2,318,259 “Direct Lift Aircraft” ฉบับปี 1943 ของอิกอร์ ซิกอร์สกี ซึ่งยื่นคำขอไว้ตั้งแต่ปี 1940
จะเห็นได้ว่าส่วนประกอบหลักใน ฮ. ลำประวัติศาสตร์ของซิกอร์สกีเหล่านี้ ล้วนได้ความคิดมาจากผู้อื่นทั้งสิ้น ถึงแม้อิกอร์ ซิกอร์สกี จะมิใช่คนแรกที่คิดค้นทฤษฎีเครื่องบินปีกหมุน มิใช่คนแรกที่จดสิทธิบัตร หรือสร้าง “เฮลิคอปเตอร์” ให้ขึ้นบินได้สำเร็จ แต่เขาเป็น system integrator ผู้ที่คัดสรรไอเดียต่างๆมาบูรณาการได้อย่างลงตัว แปลงจินตนาการของดาวินชี และจูลส์ เวิร์น ให้กลายเป็นอากาศยานที่ผลิตออกขาย และใช้งานได้จริงเป็นครั้งแรก เขาจึงกลายเป็นผู้ที่ถูกจดจำในประวัติศาสตร์ในฐานะผู้ให้กำเนิดเฮลิคอปเตอร์
ภาพสุดท้ายของอิกอร์ ซิกอร์สกี กับนักบินอวกาศอพอลโล 16 ในปี 1972 คนนั่งซ้ายคือจอห์น ยัง ต่อมาเป็นกัปตันยานกระสวยอวกาศเที่ยวแรก (โคลัมเบีย)
แหล่งอ้างอิง
James Chiles, “The God Machine: From Boomerangs to Black Hawks: The Story of the Helicopter”, Bantam, September 30, 2008
U.S. Department of Transportation FEDERAL AVIATION ADMINISTRATION, "The Helicopter Flying Handbook" 2012
การทดสอบ VS-300 ที่ซิกอร์สกีรอดมาได้หวุดหวิด
การเปิดตัวครั้งแรกของ R-4 ต่อสาธารณะ ในปี 1942
"สิ่งใดมีผู้จินตนาการถึงได้ สิ่งนั้นย่อมมีผู้อื่นสามารถทำให้มันปรากฏเป็นจริง" จูลส์ เวิร์น
#ประวัติศาสตร์เฮลิคอปเตอร์
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
