Ep.23 | Chief Engineer's Log : เจาะลึกระบบใบพัดร่วมแกน (Coaxial Rotors) ของ Kamov Ka-32
ในฐานะที่ผมเคยออกแบบระบบส่งกำลัง (Drivetrain) และระบบเกียร์ (Transmission) ในรถยนต์มาก่อน ผมเลยอดประทับใจไม่ได้กับความงดงามทางวิศวกรรมของปักเป้าเจ้าเวหา Ka-32 เลยขอเขียนวิเคราะห์เจาะลึกการออกแบบทางวิศวกรรมของระบบ Coaxial Rotors แยกออกมาอีกตอนนึงนะครับ
ในมุมมองของการออกแบบเครื่องจักรกล (Mechanical Design) ระบบใบพัดร่วมแกน (Coaxial Rotors) ถือเป็นผลงานชิ้นเอกของการออกแบบระบบส่งกำลัง (Drivetrain) และพลศาสตร์ (Dynamics) ชั้นสูงเลย ความท้าทายไม่ได้อยู่ที่แค่การทำให้ใบพัดหมุนสวนทางกันเท่านั้น แต่คือการออกแบบสถาปัตยกรรมทางกลที่สามารถจัดการกับแรงบิดและควบคุมทิศทางได้เบ็ดเสร็จในแกนเดียว
ปักเป้าเจ้าเวหา Kamov Ka-32 เมื่อมองจากหลายๆมุม
Kamov Ka-32 Specification
1. สถาปัตยกรรมเพลาซ้อน (Concentric Shafts & Gearbox Drivetrain)
หัวใจหลักที่ทำให้ใบพัดสองชุดสามารถหมุนสวนทางกันได้บนแกนเดียว คือการออกแบบกล่องเกียร์หลัก (Main Gearbox) และเพลาส่งกำลังที่มีโครงสร้างแบบ ซ้อนทับกัน (Concentric)
1.1) เพลากลวง (Outer Shaft) : จะเชื่อมต่อกับใบพัดชุดล่าง (Lower Rotor)
1.2) เพลาตัน (Inner Shaft) : จะสอดทะลุอยู่ตรงกลางเพลากลวง เพื่อขึ้นไปขับใบพัดชุดบน (Upper Rotor)
กำลังจากเครื่องยนต์จะถูกส่งเข้าสู่กล่องเกียร์หลัก ผ่านชุดเฟืองบายศรี (Bevel Gears) หรือชุดเฟืองแพลนเนตทารี (Planetary Gears) ซึ่งทำหน้าที่แยกกำลังขับและกลับทิศทางการหมุน (Reverse Rotation)
ทำให้เพลาทั้งสองเส้นหมุนด้วยความเร็วรอบ (RPM) ที่เท่ากันเป๊ะ แต่มีทิศทางสวนกัน (เช่น ชุดบนหมุนทวนเข็มนาฬิกา ชุดล่างหมุนตามเข็มนาฬิกา)
Kamov Ka-32 "Coaxial Rotors"
2. กลศาสตร์การหักล้างแรงบิด (Torque Cancellation)
ตามกฎข้อที่ 3 ของนิวตัน เมื่อเครื่องยนต์ส่งแรงบิด (τ, Torque) ไปหมุนใบพัด อากาศจะสร้างแรงต้าน (Aerodynamic Drag) ทำให้เกิด แรงปฏิกิริยาบิด (Reaction Torque) กระทำกลับมาที่ลำตัวเครื่อง (Fuselage) ในระบบ Coaxial Rotors กลไกนี้ถูกจัดการด้วยสมการสมดุลอย่างง่ายแต่ทรงพลัง
สมมติว่าใบพัดชุดบนหมุนทวนเข็มนาฬิกา จะสร้างแรงปฏิกิริยาบิดผลักลำตัวเครื่องให้หมุน ตามเข็มนาฬิกา (+τ) ใบพัดชุดล่างหมุนตามเข็มนาฬิกา จะสร้างแรงปฏิกิริยาบิดผลักลำตัวเครื่องให้หมุน ทวนเข็มนาฬิกา (-τ)
เมื่อใบพัดทั้งสองชุดมีขนาดเท่ากัน หมุนด้วยรอบRPMเท่ากันเป๊ะ และมีมุมปะทะอากาศ (Pitch Angle) เท่ากัน แรงต้านอากาศของทั้งสองชุดจะเท่ากันพอดิบพอดี
เมื่อผลลัพธ์แรงบิดรวมเป็นศูนย์ ส่งผลให้ลำตัวของ Ka-32 เกิดสมดุลและอยู่นิ่งสนิทได้โดยไม่ต้องพึ่งพาแรงผลักต้านจากใบพัดหางเลย
3. กลไกการควบคุมทิศทาง (Flight Controls Without a Tail Rotor)
เมื่อไม่มีใบพัดหาง แล้ว Ka-32 จะหันซ้าย-ขวา หรือ เดินหน้า-ถอยหลัง แบบเฮลิคอปเตอร์ปกติได้ยังไงล่ะ ?
การหันซ้าย-ขวา หรือ การเดินหน้า-ถอยหลัง ของ Ka-32 จะถูกควบคุมผ่านชุดกลไก Swashplate แบบคู่ (Dual Swashplates) ที่ทำงานสัมพันธ์กันอย่างซับซ้อน
Dual Swashplates System
3.1) การเดินหน้า/ถอยหลัง และ เอียงซ้าย/ขวา (Pitch & Roll Control)
ใช้หลักการ Cyclic Pitch Control กลไกจะสั่งให้ Swashplate ทั้งชุดบนและชุดล่างเอียงไปในทิศทางเดียวกันพร้อมๆ กัน การเอียงนี้จะทำให้ใบพัดเปลี่ยนมุมปะทะ (Pitch) ขึ้นลงตามรอบการหมุน ส่งผลให้ระนาบของแรงยก (Thrust Vector) เอียงไปด้านหน้า หลัง ซ้าย หรือขวา ทำให้ตัวเครื่องเคลื่อนที่ไปในทิศทางนั้นๆ
3.2) การหันซ้าย/หันขวา (Yaw Control) - จุดไฮไลท์ของระบบนี้
ในเมื่อไม่มีใบพัดหางมาเป่าลมดันหางให้หันซ้ายขวา วิศวกรจึงใช้เทคนิค Differential Collective Pitch (การปรับมุมปะทะแบบส่วนต่าง) เพื่อ "จงใจทำลายสมดุลของแรงบิด" ในข้อ2.ออกไปชั่วคราว
หากนักบินต้องการหันหัวเครื่องไปทางซ้าย (สมมติว่าต้องการให้เกิด Reaction Torque ไปทางซ้าย)
1) กลไกจะไปเพิ่มมุมปะทะ (Increase Collective Pitch) ของใบพัดชุดที่สร้าง Reaction Torque ไปทางซ้าย ทำให้ใบพัดชุดนั้น "กินลม" มากขึ้น และเกิดแรงต้าน (Drag) สูงขึ้น
2) ในเวลาเดียวกัน กลไกจะไปลดมุมปะทะ (Decrease Collective Pitch) ของใบพัดอีกชุดในสัดส่วนที่เท่ากัน ทำให้แรงต้านของใบพัดชุดนี้น้อยลง
3) ผลลัพธ์คือเมื่อแรงต้านที่ไม่เท่ากัน τ_upper ≠ τ_lower ทำให้เกิดแรงบิดลัพธ์ (Net Torque) ผลักลำตัวเครื่องให้หันไปทางซ้ายตามต้องการ โดยที่ "แรงยกรวม (Total Lift)" ของทั้งสองใบพัดบวกกันแล้วยังมีค่าเท่าเดิม เครื่องจึงไม่ไต่ระดับขึ้นหรือลดระดับลงมาขณะหันเลี้ยว
4. ธรรมชาติของการหมุนสวนทาง (Counter-Rotation)
เนื่องจากระบบ Coaxial จำเป็นต้องให้ใบพัดชุดบนและชุดล่างหมุนใน "ทิศทางตรงกันข้าม" เพื่อหักล้างแรงบิด (Torque) ดังนั้น ใบพัดทั้งสองชุดจึงอยู่ในสถานะที่กวาดสวนทางกันตลอดเวลา คล้ายกับการขยับของ "กรรไกร"
สำหรับ Ka-32 ซึ่งมีใบพัดชุดละ 3 ใบ (รวม 6 ใบ) ใบพัดชุดบนและชุดล่างจะกวาดมา "ซ้อนทับกัน" และ "แยกออกจากกัน" สลับไปมาอย่างต่อเนื่องด้วยความเร็วสูงมาก
"ความท้าทายที่สุดของระบบนี้ในเชิงกลศาสตร์ คือระยะห่างระหว่างใบพัดชุดบนและล่าง หากอยู่ใกล้กันเกินไป อากาศที่ถูกตีปั่นจากชุดบน (Downwash) จะไปรบกวนชุดล่าง
และในสภาวะที่เครื่องมีการเคลื่อนที่แบบโลดโผน ใบพัดอาจจะโค้งงอ (Blade Flapping) จนฟาดกระแทกกันเองได้ (Blade Clash) วิศวกรของ Kamov จึงต้องคำนวณระยะห่างระหว่างเพลาอย่างแม่นยำ และใช้วัสดุคอมโพสิตที่มีความแข็งเกร็งสูงมากในการทำใบพัด
5. ปรากฏการณ์ "Blade Crossing Effect"
เมื่อใบพัดหมุนสลับกันไปมาด้วยความเร็วสูง จะเกิดปรากฎการณ์ที่วิศวกรการบินเรียกว่า Blade Crossing Effect หรือ Rotor Interference ในจังหวะเสี้ยววินาทีที่ใบพัดชุดบนและชุดล่างกวาดมา "ซ้อนทับกันพอดี" ลมแรงดันสูง (Downwash) จากใบพัดบนจะกระแทกใส่ใบพัดล่างเต็มๆ ส่งผลให้
・ใบพัดล่างสูญเสียแรงยก (Lift) ไปชั่วขณะ
・เกิดแรงกระแทกทางอากาศ (Aerodynamic Slap) ทำให้เกิดเสียงดัง "พั่บๆๆๆ" ที่เป็นเอกลักษณ์ของเฮลิคอปเตอร์
・เกิดแรงสั่นสะเทือน (Vibration) ส่งผ่านแกนเพลาลงมาที่ลำตัวเครื่อง
6. วิศวกรของ Kamov แก้ปัญหานี้ยังไง ?
ในเมื่อเลี่ยงไม่ให้ใบพัดกวาดมาทับกันไม่ได้ วิศวกรจึงต้องปรับปรุงการออกแบบเพื่อ "บรรเทา" ผลกระทบนี้แทน
・ปรากฏการณ์ Wake Contraction (การคอดตัวของมวลอากาศ)
ตามหลักอากาศพลศาสตร์ เมื่อใบพัดชุดบนเร่งความเร็วและเป่าลมลงมา กฎการอนุรักษ์มวลจะทำให้ลำพวยก๊าซ (Slipstream) ไม่ได้ตกลงมาตรงๆเป็นทรงกระบอก แต่จะ "หดตัวลู่เล็กลง" (Wake Contraction) คล้ายรูปกรวย
"Wake Contraction" in Coaxial Rotors
ผลดีที่ตามมาแบบไม่ได้ตั้งใจคือ พื้นที่ส่วนปลายสุดของ "ใบพัดชุดล่าง" (ซึ่งมีขนาดกว้างเท่าชุดบน) จะยื่นออกไปพ้นแนวกระแสลมปั่นป่วนที่คอดตัวลงมานี้ ทำให้ปลายใบพัดล่างยังคงได้กิน ลมที่สะอาด (Clean Air) และทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในการสร้างแรงยกชดเชย
จากภาพLine Diagramด้านบน จะเห็นว่าพื้นที่ช่วงความยาว ℓ2 (แอลสอง) ซึ่งก็คือ "ส่วนปลายของใบพัดชุดล่างที่ยื่นออกไปพ้นเขตกระแสลมปั่นป่วน" ทำให้มันได้รับกระแสลมที่สะอาด (Clean Air) และสามารถสร้างแรงยก (Thrust: Tₗ) ไปชดเชยประสิทธิภาพที่สูญเสียไปในแกนกลางได้อย่างยอดเยี่ยม
・ระยะห่างของเพลา (Mast Spacing)
ต้องออกแบบแกนเพลาให้มีความสูงห่างกันในระยะที่เหมาะสม เพื่อให้มวลอากาศที่ถูกฟันจากชุดบน มีเวลาเดินทางและลดความรุนแรงของกระแสน้ำวน (Vortices) ลงบ้างก่อนจะไปปะทะใบพัดชุดล่าง
・ใบพัดแข็งเกร็งพิเศษ (Rigid Composite Blades)
ใบพัดของ Ka-32 ทำจากวัสดุคอมโพสิตที่มีความแข็ง (Stiffness) สูงมาก เพื่อต้านทานแรงกระแทกจังหวะที่ใบพัดซ้อนทับกัน ป้องกันไม่ให้ใบพัดกระพือ (Flapping) จนโค้งงอไปฟาดกันเองกลางอากาศ
สรุปคือเป็นการออกแบบให้ใบพัดทั้งสองชุดแข็งแกร่งพอที่จะ "วิ่งทะลวง" ผ่านลมปั่นป่วนของกันและกันไปได้แบบดื้อๆ โดยอาศัยปลายใบพัดล่างที่ยื่นไปรับลมสะอาดในการพยุงตัวเครื่องนั่นเอง
ผู้อ่านท่านใดสนใจอยากอ่านเรื่องการทำงานของ Coaxial Rotors และ Dual Swashplates สามารถติดตามอ่านได้จากลิงค์ด้านล่างนี้ครับ เขียนไว้ดีทีเดียว
7. "Wake Effect" (ลมปั่นป่วนท้ายใบพัด) ของฟาร์มกังหันลม v.s. "Wake Contraction" (คอคอดของมวลอากาศ) ของใบพัดเฮลิคอปเตอร์
ก่อนหน้านี้ผมเคยอ่านเจอเกี่ยวกับหลักการติดตั้งฟาร์มกังหันลม มันมีการระบุถึงคำว่า Wake Effect เอาไว้ด้วย พอเห็นมีคำว่า Wake เหมือนกัน ผมสงสัยเลยไปค้นข้อมูลเพิ่มว่า แล้วเจ้า Wake Effect ของกังหันลม กับ Wake Contraction ของใบพัดเฮลิคอปเตอร์ นี่มันเหมือนหรือต่างกันยังไง ?
ซึ่งจริงๆแล้วคำว่า Wake (เวค) ในทางฟิสิกส์และวิศวกรรม ไม่ใช่ชื่อคนหรือนักวิทยาศาสตร์ผู้ค้นพบปรากฎการณ์แต่อย่างใด แต่ถูกยืมมาจากศัพท์ของชาวเรือ มันแปลว่า "ร่องน้ำกระเพื่อมที่ตามหลังท้ายเรือ" เวลาเรือแล่นผ่านน้ำ
พอวิศวกรการบินมาศึกษาเรื่องลมที่ถูกปั่นป่วนจากการที่วัตถุแหวกผ่านอากาศ (หรือใบพัดแหวกอากาศ) ก็เลยหยิบคำนี้มาใช้เป็น "Wake" (ร่องรอยกระแสลมท้ายวัตถุ)
"Wake" ร่องน้ำกระเพื่อมที่ตามหลังท้ายเรือ
7.1) Wake Effect in Wind Turbine Farm
ผู้อ่านที่ผ่าน Ep.17 : Bladeless Wind Turbineมาแล้ว อาจจะพอคุ้นๆที่ผมเคยกล่าวถึงการติดตั้งฟาร์มกังหันลมแบบดั้งเดิม จะต้องติดตั้งห่างกันด้วยระยะที่เหมาะสม
หลักการติดตั้ง Wind Turbine จำนวนมากแบบฟาร์มกังหันลม หากติดตั้งใกล้กันเกินไป ลมที่ออกจากใบพัดตัวหน้าจะสร้างลมหมุนปั่นป่วน ทำให้ใบพัดตัวหลังทำงานได้ไม่ดี
การติดต้้งกังหันลมจำนวนมากเป็นฟาร์มกังหันลม จึงต้องติดตั้งให้ตัวหน้ากับตัวหลังห่างกัน เป็นระยะห่างกี่เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางใบพัด (D)
- เช่น สมมติว่า D =100 เมตร ตามแนวทิศทางลมหลัก (Downwind / Longitudinal) นิยมติดตั้งระยะห่างประมาณ 7-9 เท่าของ D ก็คือต้องติดตั้งห่างกัน 700-900 เมตร
- หรือถ้าเป็นแนวตั้งฉากกับทิศทางลม (Crosswind / Transverse) นิยมติดตั้งระยะห่างประมาณ 3-5 เท่าของ D ก็คือต้องติดห่างกัน 300-500 เมตร
ปรากฏการณ์ของฟาร์มกังหันลมนี้เรียกว่า "Wake Effect" (กระแสลมท้ายใบพัด) และ "Velocity Deficit" (การสูญเสียความเร็วลม) เมื่อใบพัดกวาดผ่านอากาศ มันจะส่งถ่ายแรง/ดึงพลังงานออกจากอากาศ ทำให้มวลอากาศด้านหลังใบพัดกลายเป็น "ลมปั่นป่วน (Turbulent Flow) ที่มีความเร็วลดลง
ในฟาร์มกังหันลม (Wind Farm) หากวางกังหันลมตัวหลังไว้ใกล้ตัวหน้าเกินไป จะเกิดปัญหาใหญ่ 2 ข้อ
Wind Turbine Power Output Formula (สมการกำลังไฟฟ้าขาออกของกังหันลม)
① กำลังไฟฟ้าตกวูบ
จากสมการกำลังไฟฟ้าขาออกของกังหันลม จะเห็นได้ว่าพลังงานที่สกัดได้จากลม จะแปรผันตรงกับ ความเร็วลมยกกำลังสาม ( P ∝ v³ ) ซึ่งแสดงให้เห็นว่า หากลมที่ผ่านกังหันตัวหน้ามีความเร็ว(v) ลดลงเพียง 20% พลังงานลม(P)ที่เหลือส่งต่อไปยังกังหันตัวหลังจะลดลงหายไปมากกว่า 48% เลยทีเดียว
② เกิด Fatigue Load (แรงสั่นสะเทือนสะสม)
ลมท้ายใบพัดจะไม่ได้ไหลเป็นเส้นตรง แต่หมุนวนและบานออกเหมือนพายุทอร์นาโด (Vortices) ทำให้ใบพัดของกังหันตัวหลังถูกกระแทกด้วยแรงลมที่ไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้โครงสร้างและตลับลูกปืนเสื่อมสภาพไวกว่าปกติ
7.2) Wake Contraction in Helicopters
ทีนี้กลับมาที่คำถามหลักว่า "Wake Contraction" (คอคอดอากาศ) ของใบพัดเฮลิคอปเตอร์ กับ "Wake Effect" (ลมปั่นป่วนของกังหันลม) เป็นปรากฏการณ์เดียวกันไหม?
คำตอบคือ เป็นทฤษฎีอากาศพลศาสตร์เดียวกันเป๊ะ แต่แสดงผลออกมาตรงกันข้ามแบบเดียวกับปรัชญา "หยิน-หยาง" เลย
ถ้าพูดในเชิงวิศวกรรมอากาศยาน ทั้งสองตัวอธิบายด้วยทฤษฎีเดียวกันที่เรียกว่า Actuator Disk Theory (ทฤษฎีจานขับเคลื่อน) เพียงแต่มันทำหน้าที่สวนทางกันโดยสิ้นเชิง
● เฮลิคอปเตอร์ (Ka-32) = ผู้ให้พลังงาน (Energy Adder)
เฮลิคอปเตอร์ใช้เครื่องยนต์หมุนใบพัดเพื่อ "อัดพลังงาน" เข้าใส่มวลอากาศ ทำให้มวลอากาศที่พุ่งทะลุใบพัดลงมามี ความเร็วเพิ่มขึ้น (Accelerated flow)
ตามกฎการอนุรักษ์มวล (Conservation of Mass) ของไหลที่ไหลในท่อล่องหนในอากาศ อธิบายด้วยสมการ
กฎการอนุรักษ์มวลของไหล (Conservation of Mass)
เมื่ออากาศไหลผ่านใบพัดเฮลิคอปเตอร์ลงมาแล้ว "ความเร็ว (V) สูงขึ้น" สิ่งที่ต้องแลกมาคือ "พื้นที่หน้าตัด (A) ต้องเล็กลง"
ผลลัพธ์: กระแสลมที่ถูกเป่าลงมา (Downwash) จึงหดตัวลู่เข้าหากันเป็นรูปกรวย เราจึงเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า Wake Contraction (การหดตัวของกระแสลมท้าย)
"Wake Contraction" (การหดตัวของกระแสลมท้าย) ในเฮลิคอปเตอร์
------------------------
● ฟาร์มกังหันลม (Wind Turbine) = ผู้สูบพลังงาน (Energy Extractor)
ในทางกลับกัน กังหันลมมีหน้าที่รับลมที่พัดมา แล้ว "สูบพลังงาน" จากลมเพื่อเอาไปปั่นไฟ ทำให้มวลอากาศที่ทะลุผ่านใบพัดไปด้านหลังมี ความเร็วลดลง (Decelerated flow)
กลับไปที่สมการเดิม เมื่อความเร็วลม (V) ช้าลง มวลอากาศด้านหลังใบพัดจะเกิดการออและบานออก พื้นที่หน้าตัด (A) จึงต้องขยายตัวกว้างขึ้น
ผลลัพธ์: กระแสลมด้านหลังกังหันจึงบานออกเป็นวงกว้างและเกิดความปั่นป่วน (Turbulence) เราเรียกสิ่งนี้ว่า Wake Expansion (การขยายตัวของกระแสลมท้าย)
ซึ่งเป็นหัวใจหลักของปัญหา Wake Effect ที่ทำให้กังหันตัวหลังๆ โดนลมกวนนั่นเองครับ
"Wake Expansion" (การขยายตัวของกระแสลมท้าย) ใน Wind Turbine
โดยสรุปก็คือ มันคือสมการเดียวกัน กฎฟิสิกส์ข้อเดียวกัน แต่ทำงานในทางตรงข้ามกัน ในแบบที่เอามาทาบกับปรัชญาหยินหยางได้แบบเป๊ะๆเลย
・เฮลิคอปเตอร์ อัดพลังงานใส่อากาศเพื่อสร้างแรงยกมหาศาล : หมุนใบพัดเพื่อ เร่งความเร็วลม ทำให้ลมหดตัว (Wake Contraction)
・Wind Turbine ดึงพลังงานจากอากาศเพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้า : ใช้ใบพัดเพื่อ ชะลอความเร็วลม ทำให้ลมบานออก (Wake Expansion)
8. Vortices (Ep.23) v.s. Vortex Shedding (Ep.17)
พอเขียนถึงคำว่า Vortices ความคิดก็แอบป๊อปกลับไปถึง Vortex Shedding ของกังหันลมไร้ใบใน Ep.17 ขึ้นมาเลยครับ เลยไปลองหาข้อมูลเพิ่ม (อีกแล้ว!!!) ว่าเจ้า Vortices กับ Vortex Shedding นี่มันเหมือนกันไหมนะ เห็นชื่อมันคล้ายๆกัน
คำตอบคือมันเป็น "เครือญาติในตระกูลเดียวกัน" (อยู่ในกลุ่มกระแสลมหมุนวนเหมือนกัน) แต่ถ้าเจาะลึกในทางพลศาสตร์ของไหล (Fluid Dynamics) กลไกการเกิดของมันเป็นคนละแบบ เหมือนเป็นลูกพี่ลูกน้องกัน
เพื่อให้เห็นภาพชัดๆ ในมุมมองทางวิศวกรรม ผมขอแยกให้ดูแบบนี้ละกัน
8.1 Vortices ของฟาร์มกังหันลม และ ใบพัดของเฮลิคอปเตอร์ (เรียกเต็มๆว่า Tip Vortices)
・เกิดจาก "ความต่างของความดัน" (Lift-induced) เมื่อใบพัดกังหัน (หรือใบพัดเฮลิคอปเตอร์) แหวกอากาศ มันจะสร้างพื้นที่ "ความดันสูง" และ "ความดันต่ำ" ที่คนละฝั่งของใบพัด ทีนี้มวลอากาศบริเวณ "ปลายใบพัด" (Tip) จะพยายามไหลหนีจากฝั่งความดันสูง ม้วนข้ามปลายใบพัดไปหาฝั่งความดันต่ำ
・ลักษณะคือมันจะม้วนตัวเป็นเกลียวยาวต่อเนื่องพุ่งไปด้านหลัง คล้ายๆ หางพายุทอร์นาโดแนวนอน (นึกภาพควันสีขาวๆ ที่เป็นเกลียวตามปลายปีกเครื่องบินรบเวลาเลี้ยวแรงๆ นั่นแหละครับตัวเดียวกันเลย)
Tip Vortices ในใบพัดของเรือ
8.2 Vortex Shedding ของกังหันลมไร้ใบพัด (จาก Ep.17)
・เกิดจาก "การชนวัตถุต้านลม" (Bluff Body Flow Separation) อันนี้ไม่ได้เกิดจากการออกแบบปีกเพื่อสร้างแรงยก แต่เกิดจากการที่ลมพัดไปชนวัตถุทรงทื่อๆ เช่น เสาทรงกระบอกกลมๆ เมื่อลมไม่สามารถไหลอ้อมเสาไปประกบกันด้านหลังได้แบบเนียนๆ มันเลยเกิดการฉีกขาด หลุดม้วนออกซ้ายที ขวาที สลับกันไปมา (ผลลัพธ์ของปรากฏการณ์นี้นักฟิสิกส์เรียกว่า Von Kármán vortex street)
・ลักษณะมันคล้ายๆ การสะบัดธง หรือปลาที่ว่ายน้ำสะบัดหางซ้ายขวา ซึ่งการสลับซ้ายขวานี้เองที่ทำให้เสาเกิดแรงสั่นสะเทือนด้านข้าง ซึ่งถ้าการสั่นเกิดไปตรงกับความถี่ธรรมชาติก็จะเกิดการสั่นอย่างรุนแรงแบบใน Ep.17 นั่นเอง
จริงๆแล้วปรากฎการณ์ Vortex Shedding และ Von Kármán vortex street ซึ่งเป็นผลลัพธ์ของมัน เป็นปรากฎการณ์ที่ไม่ได้เกิดขึ้นแค่ในห้องทดลอง หรือสิ่งก่อสร้างเท่านั้น แต่ยังปรากฎเป็นรูปแบบของกระแสอากาศที่ไหลผ่านสิ่งกีดขวางขนาดใหญ่อย่าง "เกาะกลางทะเล" เช่น หมู่เกาะCape Verde ในแอฟริกาตะวันตก, เกาะJeju ในเกาหลีใต้ ดังที่ปรากฎในภาพถ่ายดาวเทียมของNASAด้วยเช่นกัน
Dual set of von Kármán vortices by the Cape Verde Islands (Republic of Cabo Verde) off the coast of West Africa (Photo by NOAA NESDIS)
Von Kármán vortex street in clouds downstream of Jeju Island, Korea (Photo by NASA)
9. แล้วเคยมีไอเดียทำระบบใบพัดซ้อนมากกว่า 2 ชั้นไหม ?
ยัง...สมองผมมันยังป๊อปไม่จบ ถ้าใบพัด2ชั้น มันมีข้อดีคือ พื้นที่ผิวใบพัด (Blade Area) ในการสร้างแรงยกมากกว่าใบพัดเดี่ยว ผมลองคิดเล่นๆว่า มันจะมีคนเคยลองพยายามทำใบพัดซ้อนกัน 3ชั้น - 4ชั้น ไหมนะ ?
คือผมพอเข้าใจแหละว่ามันคงซ้อนกันเป็นสิบๆชั้นไม่ได้หรอก เพราะน้ำหนักรวมของใบพัดมันจะทำให้เครื่องหนักเกิน และการซ้อนจำนวนชั้นเยอะๆมันก็จะกลับไปมีปัญหาเดิมเรื่องความเทอะทะเกะกะเหมือนตอนมีใบพัดหางอยู่ดี
จากที่ไปลองหาข้อมูลมาพบว่า ในยุคบุกเบิกการพัฒนาเฮลิคอปเตอร์ช่วงทศวรรษ 1940-1950 วิศวกรพยายามทดลองกันสารพัดรูปแบบ แต่สุดท้ายมันก็ต้องตกสำรวจไป
ถ้าเราขยายใบพัดซ้อนกันเป็น 3 หรือ 4 ชั้น (Multi-coaxial หรือ Tandem-coaxial ซ้อนกันหลายๆ ชั้น) จะเกิดปัญหาเชิงวิศวกรรมที่หนักหน่วงตามมาหลายข้อ เช่น
9.1 ปัญหา "หลุมอากาศนรก" (Downwash Interference Hell) ที่ทวีความรุนแรงขึ้นเรื่อยๆ
・ระบบ Coaxial 2 ชั้น (แบบ Ka-32) ใบพัดล่างยังพอมีพื้นที่ปลายปีก ยื่นออกไปกิน "ลมสะอาด" นอกแนวคอดได้ (ระยะ ℓ2, แอลสอง ที่เราคุยกันไปในข้อ6.)
・แต่ถ้าเพิ่มเป็น 3 หรือ 4 ชั้น ใบพัดชุดที่อยู่ตรงกลางและด้านล่างจะต้องจมอยู่ในกระแสลมปั่นป่วน (Turbulent Wake) ที่ถูกอัดกระหน่ำลงมาจากชั้นบนแบบเต็มคาราเบล
ใบพัดชั้นล่างๆ จะสูญเสียประสิทธิภาพกลายเป็น "ใบพัดตายซาก" ที่แทบไม่สร้างแรงยกแถมยังเป็นภาระดึงกำลังเครื่องยนต์เปล่าๆ
9.2 น้ำหนักและภาระโครงสร้าง (Mast Weight & Inertia)
・การทำแกนเพลาซ้อนกันหลายชั้น (Concentric Shafts) ที่ต้องหมุนสวนทางกันด้วยความเร็วสูงภายใต้แรงบิดมหึมา ทำให้ระบบเกียร์บ็อกซ์ (Transmission) และแกนเพลามีความซับซ้อนและหนักอึ้งมหาศาล
・น้ำหนักของชุดเกียร์ที่เพิ่มขึ้น จะไปหักลบกับแรงยกที่ได้เพิ่มขึ้นจากใบพัดที่งอกมา จนถึงจุดคุ้มทุน (Diminishing Returns) ที่เพิ่มใบพัดชั้นที่ 3 หรือ 4 เข้าไป แต่เครื่องกลับบินไม่ขึ้นเพราะน้ำหนักตัวมันเอง
9.3 ความสูงที่เกะกะและแรงต้านด้านข้าง (High Profile & Crosswind Vulnerability)
・เฮลิคอปเตอร์จะมีความสูงของเสากระโดงใบพัดที่สูงมากๆ กลายเป็นตึก 2 ชั้นลอยฟ้า
・เมื่อเจอแรงลมปะทะด้านข้าง (Crosswind) จะเกิดโมเมนต์งัด (Moment) มหาศาลที่ฐานเสากระโดง ทำให้ควบคุมทิศทางได้ยากและเสี่ยงต่อการพับหักของเพลา
ดังนั้นการหยุดตรงนีัที่เธอ เอ๊ย หยุดอยู่ที่ "2 ชั้น" (Coaxial) จึงเป็นจุดสมดุลที่สุดที่วิศวกรรมการบินพิสูจน์แล้วว่าคุ้มค่าและทรงพลังที่สุดสำหรับการใช้งานจริง ส่วนชั้นที่ 3 หรือ 4 นั้นก็ปล่อยให้เป็นแค่โมเดลทดลองในห้องแล็บหรือในหน้าประวัติศาสตร์การออกแบบละกัน 🤣
- 5
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2026 Blockdit
