อากาศยาน

เครื่องบินแอร์บัส เอ-380 อากาศยานโดยสารที่ใหญ่ที่สุดในโลก

อากาศยาน หมายถึง ยานพาหนะที่สามารถบินไปในชั้นบรรยากาศของโลกหรือบรรยากาศอื่นๆได้ จรวดที่เดินทางทะลุชั้นบรรยากาศไม่ถือว่าเป็นอากาศยานเนื่องจากไม่ได้ใช้แรงยกในการเดินทาง จรวจใช้แรงขับดันเป็นหลัก สำหรับกิจกรรมเที่ยวข้องกับการเดินทางขนส่งทางอากาศนี้เรียกว่า การบิน (aviation)

อากาศยานที่มีคนขับนั้นขับด้วยบุคคลที่เรียกว่า นักบิน จนกระทั่งในคริสต์ทศวรรษที่ 1960 ก็มีอากาศยานแบบที่ไม่มีคนขับเกิดขึ้น มีชื่อเรียกว่า "drone" ในช่วงทศวรรษที่ 1960 นั้น กองทัพสหรัฐได้นำคำว่า อากาศยานที่ควบคุมจากระยะไกล (remotely piloted vehicle :RPV) มาใช้เรียกชื่ออากาศยานชนิดนี้ ปัจจุบันอากาศยานชนิดนี้มีชื่อเรียกโดยทั่วไปว่า อากาศยานไร้คนขับ (unmanned aerial vehicle : UAV)

ประเภทของอากาศยาน

อากาศยานแบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่ๆ คือ อากาศยานประเภทเบากว่าอากาศ (aerostat) และ อากาศยานประเภทหนักกว่าอากาศ (aerodyne)

อากาศยานประเภทเบากว่าอากาศ (aerostat)

อากาศยานประเภทนี้ใช้แรงลอยตัวในการลอยขึ้นสู่อากาศเช่นเดียวกับที่เรือลอยอยู่ในน้ำได้ ส่วนใหญ่จะใช้ถุงแก๊สหรือผ้าคลุมขนาดใหญ่แล้วเติมแก๊สที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ต่ำเข้าไป เช่น ฮีเลียม, ไฮโดรเจน หรืออากาศร้อนที่จะเบากว่าอากาศที่อยู่รอบๆ น้ำหนักที่สามารถใส่เข้าไปได้บนอากาศยานประเภทนี้นั้นจะมีค่าเท่ากับน้ำหนักของอากาศที่มีปริมาตรเท่ากับที่อากาศยานประเภทนี้เข้าไปแทนที่ (คุณสมบัติของแรงลอยตัว)

เรือเหาะ (Air ship)

ย้อนกลับไปเมื่อ 300 ปีก่อนคริสต์ศักราช บอลลูนอากาศร้อนขนาดเล็กที่มีชื่อเรียกว่า โคมลอยฟ้า ถือว่าเป็นอากาศยานชนิดที่สองของโลกที่มนุษย์สร้างขึ้นที่สามารถลอยอยู่บนฟ้าได้ อากาศยานชนิดแรกคือ ว่าว นั่นเอง

ต่อมามีการคิดค้นบอลลูนขึ้นมา และก็มีอากาศยานคล้ายๆกับบอลลูนตามมาอีกมายมาย เช่น เรือเหาะไฮเดนเบิร์ก จึงมีการแบ่งประเภทของอากาศยานประเภทนี้ออกเป็น 2 ประเภทย่อยๆ ได้แก่ บอลลูน ซึ่งเป็นอากาศยานที่ไม่ติดตั้งเครื่องยนต์ และ เรือเหาะ (airship) ซึ่งเป็นอากาศยานที่ติดตั้งเครื่องยนต์เข้าไปด้วย

อากาศยานเบากว่าอากาศ:บอลลูน Balloon launch at the Great Pershing Balloon Derby near Brookfield, Missouri on September 4, 2005. Photo taken by Joe DeShon

อากาศยานประเภทหนักกว่าอากาศ (aerodyne)

อากาศยานประเภทหนักกว่าอากาศนี้จะใช้วิธีการผลักอากาศหรือแก๊สลงไปข้างล่างเพื่อให้อากาศหรือแก๊สเหล่านั้นเกิดแรงปฏิกิริยาขึ้นมายกอากาศยานประเภทนี้ขึ้นมา (ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน) การเคลื่อนที่ลักษณะไดนามิคผ่านอากาศนี้เป็นที่มาของชื่อ aerodyne ซึ่งเป็นชื่อในภาษาอังกฤษของอากาศยานประเภทนี้นั่นเอง ปัจจุบันมี 2 วิธีเท่านั้นที่จะสร้างแรกยกเหล่านี้ได้ ทางช่างยนต์เรียกว่า แรงยกอากาศพลศาสตร์(aerodynamic lift) และแรงยกกำลัง (powered lift)

แรงยกอากาศพลศาสตร์ เป็นแรงยกที่ใช้กันโดยทั่วไป เช่น เครื่องบิน, เรือบิน เป็นต้น ส่วนแรงยกกำลัง เป็นแรงยกที่ใช้ในอากาศยานประเภทบินขึ้นทางดิ่ง สำหรับจรวดนั้นไม่จัดอยู่ในอากาศยานประเภทนี้เนื่องจากจรวดไม่ได้ใช้อากาศในการยกตัว (และยังสามารถเคลื่อนที่ได้ในอวกาศได้อีกด้วย)

อากาศยานปีกตรึง (Fixed-wing aircraft)

อากาศยานปีกตรึง จัดเป็นอากาศยานชนิดหนักกว่าอากาศ ที่เราเห็นและคุ้นเคยกันอย่างดีคือ เครื่องบินต่างๆ

ในการบินในอากาศของเครื่องบิน จะมีแรงหลักๆ อย่างน้อย 4 แรงเกิดขึ้นเสมอ ได้แก่

1. แรงยก (Lift) เครื่องบินสามารถลอยอยู่ในอากาศได้ เนื่องมาจากแรงยกที่เกิดขึ้นที่ปีก ซึ่งแรงยกนี้ จะเกิดขณะที่เครื่องบินมีการเคลื่อนที่ผ่านอากาศ (หรือมองในมุมกลับคือ มีอากาศเคลื่อนที่ผ่านปีก) ด้วยความเร็วที่เหมาะสม จะเกิดแรงยกที่เพียงพอจะ ยกเครื่องบินให้ลอยขึ้นได้
2. แรงต้าน (Drag) แรงต้านคือแรงที่เกิดขึ้นขณะเครื่องบินมีการเคลื่อนที่ผ่านอากาศ ตัวแปรหลักของแรงต้านคือ ขนาดรูปทรงของเครื่องบิน และความเร็วขณะเคลื่อนที่
3. น้ำหนัก (Weight) น้ำหนักรวมของเครื่องบิน
4. แรงขับดัน (Thrust) แรงที่ขับดัน หรือผลัก ฉุด เครื่องบินให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า มีแหล่งกำเนิดมาจากเครื่องยนต์ชนิดต่างๆ

แพนอากาศ(Air foil) หรือภาพตัดขวางของปีกที่แสดงแรงที่เกี่ยวข้องอย่างง่าย

อากาศยานปีกหมุน (Rotorcraft)

อากาศยานปีกหมุน ใช้หลักการหมุนของใบพัดที่มีหน้าตัดเป็นรูปแพนอากาศ (Air foil) หมุนเพื่อสร้างแรงยก ตัวอย่างของอากาศยานประเภทนี้คือ เฮลิคอปเตอร์ ใบพัดของเฮลิคอปเตอร์หมุนด้วยแรงขับจากเพลาที่ต่อออกมาจากเครื่องยนต์

อากาศยานที่บินหรือลอยตัวอื่นๆ (Rotorcraft)

ตัวอย่างเช่น

1. อากาศยานที่ไม่มีหรือแทบจะไม่มีปีก ใช้ลำตัวสร้างแรงยก (Lifting Body) ในบางชนิดอาจจะมีปีกขนาดเล็ก เพื่อช่วยในการทรงตัว อากาศยานเหล่านี้ประสิทธิภาพไม่ค่อยดีนัก เนื่องจากปีกเล็กหรือไม่มีปีกจึงต้องใช้ความเร็วสูง เพื่อจะสร้างแรงยกให้เพียงพอ
   

   

   X24B Lifting Body Courtesy NASA/JPL-Caltech
2. อากาศยานที่ใช้กำลังในการยกโดยตรง (Powered lift type)

อากาศยานชนิดนี้ ใช้เครื่องยนต์สร้างแรงขับในแนวดิ่ง เพื่อลอยตัวขึ้น ในขณะบินขึ้น หรือลงจอด (vertical takeoff and landing (VTOL)) ซึ่งอากาศยานเหล่านี้จะใช้เครื่องยนต์ไอพ่นในการสร้างแรงยกดังกล่าว มักใช้ในการปฏิบัติงานในพื้นที่จำกัดเช่นเรือบรรทุกเครื่องบินทางการทหาร

ระบบขับดันอากาศยาน (propulsion)

ระบบขับดันทำหน้าที่ สร้างแรงขับดันให้อากาศยานเคลื่อนที่ แบ่งเป็นระบบขับดันของ อากาศยานที่ไม่ใช้กำลังขับ และแบบใช้กำลังขับ

อากาศยานที่ไม่ใช้กำลังขับ

เครื่องร่อนนับเป็นอากาศยานที่หนักกว่าอากาศ ที่ไม่ได้ขับเคลื่อนด้วยกำลังขับจากเครื่องยนต์ แต่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าอาจเป็นการออกบินจากที่สูงร่อนลงสู่ที่ต่ำ หรือจากการลากจูงของพาหนะบนภาคพื้น (เช่นรถหรือเรือ) บอลลูนบางชนิดก็จัดเป็นอากาศยานที่ไม่ใช้กำลังขับเช่นกัน

อากาศยานแบบไม่ใช้กำลังขับ Hang glider being towed by a trike Deutsch: Hängegleiter im UL-Schlepp Flickr: Aero Towing by: Andreas Beeker

อากาศยานที่ใช้กำลังขับ

อากาศยานที่ใช้กำลังขับจากใบพัด (Propeller aircraft)

อากาศยานที่ใช้กำลังขับจากใบพัด นั้นใบพัดจะหมุนรอบแกน ที่เป็นทิศทางเดียวกันกับแรงขับดัน การหมุนนี้ทำให้เกิดแรงขับในทิศการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า โดยทั่วไป ใบพัดจะติดตั้งไว้ที่ส่วนหน้าของแหล่งกำเนิดกำลัง

ใบพัดเหล่านี้จะหมุนโดยแหล่งกำเนิดกำลังที่แล้วแต่การออกแบบ เช่นในสมัยก่อน เรือเหาะให้แรงคน หรือเครื่องจักรไอน้ำ เป็นตัวขับเคลื่อนใบพัด ถัดมาเป็นยุคของเครื่องยนต์ลูกสูบ(internal combustion piston engine)สำหรับอากาศยานขนาดเล็ก และในปัจจุบันมีการพัฒนาสำหรับอากาศยานที่มีขนาดใหญ่ มาใช้เครื่องยนต์กังหัน (turbine engine) สร้างกำลังไปหมุนใบพัด ซึ่งเรียกว่า เทอร์โบปอร์ป

สำหรับเครื่องบินวิทยุบังคับอาจจะใช้แหล่งกำเนิดกำลังจากแบตเตอร์รี่หมุนมอเตอร์ไฟฟ้าเล็กๆ และในอากาศยานไร้คนขับ (UAV) บางรุ่นก็ใช้แหล่งกำเนิดกำลังจาก เซลล์แสงอาทิตย์ (Solar cell)

อากาศยานแบบเครื่องยนต์ใบพัด

อากาศยานที่ใช้กำลังขับจากเครื่องยนต์ไอพ่น (Jet aircraft)

อากาศยานที่ใช้ไอพ่นเป็นกำลังขับนี้ จะใช้เครื่องยนต์ที่ใช้อากาศ (Airbreathing jet engines) หลักการคร่าวๆ คือดูดเอากาศเข้ามาในเครื่องยนต์ แล้วบีบอัดให้มีความดันสูง จากนั้นจุดระเบิดในห้องเผาไหม้ จะได้ไอเสียที่มีความเร่งสูงพ่นออกจากท้ายเครื่องยนต์ ทำให้เกิดแรงขับไปข้างหน้า นอกจากนี้ อาจจะมีการพ่นเชื้อเพลิงอีกครั้งนอกห้องเผาไหม้ (afterburner) ไปยังไอพ่นที่มีความร้อนสูงก่อนที่ไอพ่นจะออกจากท้ายเครื่องยนต์ เพื่อเพิ่มแรงขับ และใช้ประโยชน์จากไอพ่นที่มีความร้อนสูงให้คุ้มค่ามากขึ้น การพ่นเชื้อเพลิงอีกครั้งนี้มักจะมีใช้ในเครื่องบินรบ

เครื่องยนต์ไอพ่น จะให้แรงขับที่มากกว่าเครื่องยนต์ใบพัด และยังใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ (อัตราส่วนเชื้อเพลิงที่ใช้ต่อแรงขับที่สร้างขึ้น) ที่ดีกว่าเครื่องยนต์ใบพัดเมื่อทำการบินในระดับความสูงที่สูงกว่า (ซึ่งอาจสูงถึง 12,000 เมตร) เพราะเหตุนี้ อากาศยานความเร็วสูง และอากาศยานที่ทำการบินระดับสูงจึงได้รับการออกแบบมาให้ใช้เครื่องยนต์ไอพ่น

อากาศยานแบบเครื่องยนต์ไอพ่นใช้ในการทหาร

อากาศยานแบบเครื่องยนต์ไอพ่น

อากาศยานที่ใช้กำลังขับจากปีกหมุน (Rotorcraft)

เครื่องบินปีกหมุน เช่นพวกเฮลิคอปเตอร์ การหมุนของปีกหรือแพนอากาศ จะสร้างแรงยก ณ ขณะนั้นหากมีการเอียงแนวแกนจะเกิดแรงขับให้เคลื่อนที่ได้ไปด้านหน้า (หรือด้านข้าง ตามแต่การเอียง) ได้ด้วยเช่นกัน

องค์ประกอบทั่วไปของ อากาศยาน

โครงสร้าง (airframe)

คือ โครงสร้างหลัก หรือโครงส่วนรับแรงต่างๆ ทางกล ซึ่งเป็นโครงสร้างทั้งหมดของอากาศยานยกเว้นส่วนของระบบขับดัน การออกแบบโครงสร้างนี้ต้องคำนึงถึงหลักอากาศพลศาสตร์ (aerodynamics) วัสดุศาสตร์ (materials technology) กระบวนการผลิต (manufacturing methods) เพื่อให้เกิดประิสิทธิภาพ ความปลอดภัย สุงสุดและอยู่ในงบประมาณที่เหมาะสม

ลำตัว (fuselage)

คือลำตัวหลักของอากาศยาน ประกอบด้วยห้องผู้โดยสาร ห้องลูกเรือ ห้องนักบิน และที่เก็บสัมภาระ

ปีก (wing)

ปีกของอากาศยานมีหลากหลายรูปแบบ บางประเภทมีปีก 2 ปีก บางประเภทมีมากกว่านั้น ถ้าเราจินตาการว่าตัดขวางปีกออกมา(crossection) จะเห็นเป็นแพนอากาศ (air foil) หน้าที่หลักของปีกคือ สร้างแรงยกที่ทำให้อากาศยานลอยอยู่ในอากาศได้ นอกจากนี้ในอากาศยานบางรุ่น ปีกยังเป็นส่วนที่ไว้ติดตั้งเครื่องยนต์ หรือเก็บน้ำมันเชื้อเพลิงด้วย

วัสดุหลักสำหรับโครงสร้าง ลำตัว และปีก (กรณีของเครื่องบิน) ได้แก่

1. อะลูมิเนียม อัลลอยด์-- เป็นวัสดุหลักที่ใช้กันอย่างกว้างขวาง ตัวอย่างเช่น เครื่องบินโบอิง 747 โครงสร้างทำมาจาก อะลูมิเนียมถึง 80% อะลูมิเนียมเป็นที่นิยมเพราะ การตัดขั้นรูปสะดวก ราคาเหมาะสม มีความต้านทาน การกัดกร่อนพอสมควร และมีอัตราความแข็งแรงเมื่อเทียบกับน้ำหนักดีมาก
2. เหล็กกล้า -- ในเครื่องบินพาณิชทั่วไป ใช้เหล็กกล้า ประมาณ 17% ในการทำเป็นโครงสร้าง ใช้ในบริเวณที่ต้องการความแข็งแรงสูง เช่นจุดยึดจับของปีก, ระบบลงจอด เป็นต้น
3. ไทเทเนียม อัลลอยด์-- ไทเทเนียมมีข้อดีคล้ายอะลูมิเนียม คือ มีอัตราความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีมาก และยิ่งไปกว่านั้นคือ ยังคงสภาพความแข็งแรงได้อยู่ แม้ที่อุณหภูมิสูง แต่ข้อเสียคือ การตัดแต่งขึ้นรูปทำได้ยาก และราคาแพงกว่า อะลูมิเนียม 5-10 เท่า แต่อย่างไรก็ตาม ไทเทเนียม จำเป็นสำหรับอากาศยานความเร็วเหนือเสียง (Supersonic aircraft) เพราะขณะบินด้วยความเร็วเหนือเสียงนั้น จะเกิดความร้อนสูงที่ผิวของอากาศยาน เนื่องมาจาก การเสียดสีของอากาศกับผิวของกาศยานขณะที่บินด้วยความเร็วสูง หรือที่เรียกว่า Aerodynamic Heating
4. นิเกิลอัลลอยด์-- มีคุณสมบัติคงความแข็งแรงขณะที่อุณหภูมิสูง ยิ่งกว่าไทเทเนียม ใช้สำหรับอากาศยานที่เร็วกว่า supersonic ขึ้นไปอีก อากาศยานแบบ Hypersonic (เช่น The North American X-15, บินได้เร็วถึง 7 มัค) เครื่องบินยิ่งบินด้วยความเร็วสูงมากขึ้น Aerodynamic Heating ก็ยิ่งมากขึ้นด้วย
5. คอมโพสิต-- คอมโพสิตเป็นวัสดุผสมที่ได้รับการพัฒนาขึ้นมาใหม่ เมื่อเทียบความสามารถในการรับแรงต่างๆ กับโลหะแล้ว คอมโพสิตจะมีน้ำหนักที่เบากว่าอย่างน้อย 25% คอมโพสิตนี้ประกอบด้วยวัสดุจำพวกเส้นใย และตัวประสาน (Matrix binder) อากาศยานสมัยใหม่ มีแนวโน้มที่จะใช้คอมโพสิตมากขึ้นเรื่อยๆ

ระบบขับดัน (propulsion system)

ประกอบด้วยเครื่องยนต์และอุปกรณ์ต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง เครื่องยนต์เป็นส่วนประกอบที่ทำให้อากาศยานมีแรงขับดัน (thrust) ให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้ สำหรับเครื่องบินแล้ว เครื่องยนต์จัดเป็นองค์ประกอบที่มีราคาแพงที่สุดชุดหนึ่งของเครื่องบินนั้นๆ เครื่องยนต์ของอากาศยาน ก็มีหลากหลายชนิด เช่นเครื่องยนต์ใบพัด เครื่องยนต์ไอพ่น เป็นต้น ในเครื่องบินพาณิชบางลำอาจมีเครื่องยนต์มากกว่าที่จำเป็นพื้นฐาน กล่าวคือ เครื่องบินบางลำ สามารถบินต่อหรือหาที่ลงจอดได้ หากเครื่องยนต์บางเครื่องไม่ทำงาน สำหรับเครื่องบินพาณิช จากบริษัทผู้ผลิตเครื่องบินเดียวกัน อาจจะติดตั้งเครื่องยนต์แตกต่างผู้ผลิตได้

เครื่องบินพาณิชที่บินข้ามเมืองใกลๆ ภายในประเทศ หรือบินข้ามประเทศ ข้ามทวีป ล้วนแต่ใช้เครื่องยนต์ไอพ่นเป็นตัวกำเนิดแรงขับดันทั้งสิ้น

เอวิโอนิกส์ (avionics)

ประกอบด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ สำหรับการควบคุมอากาศยานและการสื่อสาร

พื้นผิวควบคุมการบิน (flight control surfaces)

เป็นส่วนที่นักบินใช้ในการควบคุมให้อากาศยานเคลื่อนที่ในทิศทางที่ต้องการ เช่น เงย (pitch), ก้ม (down), หมุน(roll), หัน(yaw)

หมุน(roll)

เงย (pitch)

หัน(yaw)

พื้นผิวควบคุมการบิน

ระบบลงจอด (Undercarriage or landing gear)

ประกอบด้วยโครงสร้างที่ใช้ในการรองรับอากาศยานขณะอยู่บนภาคพื้น เช่นทำการลงจอด ซ่อมบำรุง หรือกำลังจะขึ้นบิน ที่สามารถมองเห็นได้อย่างเด่นชัดคือล้อยางขนาดใหญ่ ที่อยู่ใต้ท้องเครื่อง หรือหาง หรือ บริเวณปีก โดยทั่วระบบลงจอดนี้ จะสามารถพับเก็บได้ เพื่อลดแรงต้านขณะบิน