Remove ads
อากาศยาน (อังกฤษ: aircraft) หมายถึงสิ่งหรือเครื่องที่สามารถบินได้โดยได้รับการรองรับจากอากาศ หรือโดยทั่วไปคือชั้นบรรยากาศของโลก มันสามารถต้านแรงดึงดูดของโลกโดยใช้แรงลอยตัว(แรงยกอยู่กับที่) หรือใช้แรงยกพลศาสตร์ (อังกฤษ: dynamic lift)ของ airfoil อย่างใดอย่างหนึ่ง[1], หรือมีไม่กี่กรณีที่ใช้แรงขับลงด้านล่าง(อังกฤษ: downward thrust)จากเครื่องยนต์ไอพ่น
กิจกรรมของมนุษย์ที่เกี่ยวข้องกับอากาศยานเรียกว่า การบิน (อังกฤษ: aviation) อากาศยานที่มีลูกเรือจะถูกบินโดยนักบินที่อยู่บนเครื่อง แต่ยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับอาจถูกควบคุมโดยระยะไกลหรือควบคุมตัวเองโดยเครื่องคอมพิวเตอร์ที่อยู่บนเครื่อง อากาศยานถูกแยกประเภทโดยเกณฑ์ที่แตกต่างกัน เช่นรูปแบบของการยกตัว การขับเคลื่อน การใช้งานและอื่นๆ
อากาศยานที่มีคนขับนั้นขับด้วยบุคคลที่เรียกว่า นักบิน จนกระทั่งในคริสต์ทศวรรษที่ 1960 ก็มีอากาศยานแบบที่ไม่มีคนขับเกิดขึ้น มีชื่อเรียกว่า "drone" ในช่วงทศวรรษที่ 1960 นั้น กองทัพสหรัฐได้นำคำว่า อากาศยานที่ควบคุมจากระยะไกล (อังกฤษ: remotely piloted vehicle (RPV)) มาใช้เรียกชื่ออากาศยานชนิดนี้ ปัจจุบันอากาศยานชนิดนี้มีชื่อเรียกโดยทั่วไปว่า อากาศยานไร้คนขับ (อังกฤษ: unmanned aerial vehicle (UAV))
Remove ads
อากาศยานแบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่ๆ คือ อากาศยานที่เบากว่าอากาศ (อังกฤษ: lighter than air หรือ aerostat) และ อากาศยานที่หนักกว่าอากาศ (อังกฤษ: heavier than air หรือ aerodyne)
อากาศยานที่เบากว่าอากาศ
บทความหลัก: aerostat
อากาศยานประเภทนี้ใช้แรงลอยตัวในการลอยขึ้นสู่อากาศเช่นเดียวกับที่เรือลอยอยู่ในน้ำ ส่วนใหญ่จะใช้ถุงแก๊สหรือผ้าคลุมขนาดใหญ่แล้วเติมแก๊สที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ต่ำเข้าไป เช่น ฮีเลียม, ไฮโดรเจน หรืออากาศร้อนที่จะเบากว่าอากาศที่อยู่รอบๆ น้ำหนักที่ใส่เข้าไปรวมกับน้ำหนักของอากาศยานจะมีค่าเท่ากับน้ำหนักของอากาศที่อากาศยานประเภทนี้เข้าไปแทนที่ (คุณสมบัติของแรงลอยตัว)
ย้อนกลับไปเมื่อ 300 ปีก่อนคริสต์ศักราช บอลลูนอากาศร้อนขนาดเล็กที่มีชื่อว่า โคมแห่ง Kongming หรือโคมลอยฟ้า ถือว่าเป็นอากาศยานชนิดที่สองที่สามารถบินได้, อากาศยานชนิดแรกคือ ว่าว นั่นเอง
บอลลูนแต่เดิมเป็นสิ่งบินที่เบากว่าอากาศ, ในขณะที่เรือเหาะ(อังกฤษ: airship)ถูกใช้สำหรับสิ่งบินขนาดใหญ่และใช้เครื่องยนต์ - ปกติจะเป็นปีกคงที่[ต้องการอ้างอิง] - แม้ว่ายังไม่มีสักเครื่องที่ถูกสร้างขึ้น. การประดิษฐ์บอลลูนที่ใช้เครื่องยนต์, เรียกว่าบอลลูนที่ควบคุมได้ (อังกฤษ: dirigible balloons), และต่อมาเป็นลำตัวแข็งที่ยอมให้เพิ่มขนาดให้ใหญ่ขึ้น, เริ่มที่จะเปลี่ยนวิธีการใช้คำเหล่านี้. สิ่งบินที่เบากว่าอากาศที่มีกำลังสูง, บ่งบอกคุณลักษณะโดยโครงสร้างด้านนอกที่แข็งแกร่งและผิวแบบอากาศพลศาสตร์ที่แยกต่างหากรอบๆถุงใส่แก๊ส, ได้ถูกสร้างขึ้น, ชื่อ Zeppelin ขนาดใหญ่ที่สุดและมีชื่อเสียงมากที่สุด. ยังคงไม่มียานอากาศที่มีปีกคงที่หรือบอลลูนที่ไม่แข็งแกร่งที่ใหญ่มากพอที่จะถูกเรียกว่าเรือเหาะได้, ดังนั้น 'เรือเหาะ'ได้กลายมาเป็นคำพ้องของสิ่งบินประเภทนี้. จากนั้น หลายๆอุบัติเหตุ, เช่นภัยพิบัติฮินเดนเบอร์กในปี 1937 ได้นำไปสู่การตายของเรือเหาะเหล่านี้.
สิ่งบินที่เบากว่าอากาศที่บังคับทิศทางได้, ขับเคลื่อนด้วยกำลังเครื่องยนต์เรียกว่า เรือบิน(อังกฤษ: dirigible). บางครั้งคำนี้ถูกนำมาใช้กับบอลลูนที่ไม่แข็งเท่านั้นและบางครั้ง บอลลูนเรือบิน(อังกฤษ: dirigible balloon) ถือได้ว่าเป็นคำนิยามของเรือเหาะ (ซึ่งก็อาจจะแข็งหรือไม่แข็ง). เรือบินที่ไม่แข็งมีลักษณะเป็นถุงแก๊สอากาศพลศาสตร์ในระดับปานกลางที่มีครีบปรับการทรงตัวที่ด้านหลัง. ยานเหล่านี้ไม่นานนี้กลายเป็นที่รู้จักว่าเป็น เรือเหาะที่ไม่แข็งหรือ blimps. ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง, รูปทรงนี้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการผูกบอลลูนรวมกัน; ในสภาพอากาศลมแรง, วิธีนี้จะช่วยทั้งลดความเครียดในเชือกโยงและรักษาการทรงตัวของบอลลูน. ชื่อเล่น blimp ถูกนำมาพัฒนาพร้อมกับรูปทรง. ในสมัยโบราณที่ทันสมัย เรือบินขนาดเล็กหรือเรือเหาะใดๆจะเรียกว่า blimp, ไม่ว่า blimp จะมีเครื่องยนต์หรือไม่มีเครื่องยนต์ก็ตาม.
อากาศยานที่หนักกว่าอากาศ
อากาศยานประเภทหนักกว่าอากาศนี้จะใช้วิธีการผลักอากาศหรือแก๊สลงไปข้างล่างเพื่อให้อากาศหรือแก๊สเหล่านั้นเกิดแรงปฏิกิริยาขึ้นมายกอากาศยานประเภทนี้ขึ้นมา (ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน) การเคลื่อนที่ลักษณะไดนามิคผ่านอากาศนี้เป็นที่มาของชื่อ aerodyne ปัจจุบันมี 2 วิธีเท่านั้นที่จะสร้างแรกยกเหล่านี้ได้ ได้แก่ แรงยกทางอากาศพลศาสตร์(อังกฤษ: aerodynamic lift) และแรงยกด้วยกำลังเครื่องยนต์ (อังกฤษ: powered lift)
แรงยกด้วยอากาศพลศาสตร์ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับปีก, โดยเครื่องบินปีกคงที่จะถูกทำให้ลอยอยู่ในอากาศโดยการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของปีก, และปีกหมุน(อังกฤษ: rotorcraft)โดยการหมุนโรเตอร์รูปปีกซึ่งบางครั้งเรียกว่าปีกหมุน. ปีกเป็นพื้นผิวที่เรียบและวางตัวในแนวนอน, มักจะมีรูปร่างในภาคตัดขวางเป็น aerofoil. ในการบิน, อากาศต้องไหลผ่านปีกและสร้างแรงยก. 'ปีกยืดหยุ่น'เป็นปีกทำจากผ้าหรือวัสดุแผ่นบางๆ, มักจะแผ่อยู่บนกรอบที่แข็ง. 'ว่าว'ผูกติดอยู่กับพื้นดินและอาศัยความเร็วลมเหนือปีกของมัน, ซึ่งอาจยืดหยุ่นหรือแข็ง, คงที่, หรือแบบหมุน.
ด้วยการยกตัวด้วยเครื่องยนต์, อากาศยานจะส่งแรงผลักดันของเครื่องยนต์ลงด้านล่างในแนวดิ่ง. อากาศยานแบบ V/STOL, เช่น Harrier Jump Jet และ F-35B จะบินขึ้นและบินลงในแนวดิ่งได้โดยใช้แรงยกจากเครื่องยนต์และถ่ายโอนแรงยกนั้นไปขับเคลื่อนตัวยานให้ไปข้างหน้าอย่างต่อเนื่อง.
จรวดล้วนๆปกติจะไม่ได้พิจารณาว่าเป็น Aerodyne, เพราะมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับอากาศสำหรับการยกตัว (และแม้แต่ยังสามารถบินไปในอวกาศได้); อย่างไรก็ตามหลายยานพาหนะที่ใช้แรงยกแบบอากาศพลศาสตร์ได้รับการขับเคลื่อนหรือการช่วยเหลือจากมอเตอร์จรวด เข่น ขีปนาวุธขับเคลื่อนโดยจรวดที่มีการยกตัวด้วยอากาศพลศาสตร์ที่ความเร็วสูงมากเนื่องจากการไหลเวียนของอากาศเหนือร่างกายของพวกมัน.
ปีกตรึง (อังกฤษ: Fixed-wing)
ในการบินในอากาศของเครื่องบิน จะมีแรงหลักๆอย่างน้อย 4 แรงเกิดขึ้นเสมอ ได้แก่
- แรงยก (อังกฤษ: Lift) เครื่องบินสามารถลอยอยู่ในอากาศได้ เนื่องมาจากแรงยกที่เกิดขึ้นที่ปีก ซึ่งแรงยกนี้ จะเกิดขณะที่เครื่องบินมีการเคลื่อนที่ผ่านอากาศ (หรือมองในมุมกลับคือ มีอากาศเคลื่อนที่ผ่านปีก) ด้วยความเร็วที่เหมาะสม จะเกิดแรงยกที่เพียงพอจะ ยกเครื่องบินให้ลอยขึ้นได้
- แรงต้าน (อังกฤษ: Drag) แรงต้านคือแรงที่เกิดขึ้นขณะเครื่องบินมีการเคลื่อนที่ผ่านอากาศ ตัวแปรหลักของแรงต้านคือ ขนาดรูปทรงของเครื่องบิน และความเร็วขณะเคลื่อนที่
- น้ำหนัก (อังกฤษ: Weight) น้ำหนักรวมของเครื่องบิน
- แรงขับดัน (อังกฤษ: Thrust) แรงที่ขับดัน หรือผลัก ฉุด เครื่องบินให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า มีแหล่งกำเนิดมาจากเครื่องยนต์ชนิดต่างๆ
บรรพบุรุษของอากาศยานปีกคงที่คือว่าว. ในขณะที่เครื่องบินปีกคงที่อาศัยความเร็วไปข้างหน้าเพื่อสร้างการไหลของอากาศเหนือปีก, ว่าวก็ผูกติดอยู่กับพื้นดินและอาศัยลมพัดผ่านปีกของมันเพื่อสร้างแรงยก. ว่าวเป็นชนิดแรกของอากาศยานที่บินได้และถูกคิดค้นในประเทศจีนประมาณ 500 ปีก่อนคริสตกาล. การวิจัยตามหลักอากาศพลศาสตร์หลายครั้งมากที่ทำกับว่าวก่อนทดสอบกับเครื่องบิน, อุโมงค์ลมและโปรแกรมสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ก็มีการนำมาใช้.
ยานที่หนักกว่าอากาศเครื่องแรกที่สามารถควบคุมการบินได้อย่างเป็นอิสระคือเครื่องร่อน(อังกฤษ: glider). เครื่องร่อนที่ออกแบบโดย George Cayley ได้ทำการบินที่ควบคุมได้จริงโดยมนุษย์เป็นผู้ขับเป็นครั้งแรกในปี 1853.
อากาศยานปีกคงที่ (หรือ aeroplane หรือ airplane)ที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์และทำงานได้จริงในทางปฏิบัติได้รับการคิดค้นโดย Wilbur และ Orville Wright. นอกเหนือไปจากวิธีการในการขับเคลื่อน, อากาศยานปีกคงที่โดยทั่วไปถูกกำหนดตามคุณลักษณะของ'รูปแบบของปีก'(อังกฤษ: wing configuration)ของพวกมัน. คุณลักษณะของปีกที่สำคัญที่สุดคือ
- จำนวนปีก - ปีกชั้นเดียว(อังกฤษ: Monoplane), ปีกสองชั้น(อังกฤษ: Biplane), และอื่น ๆ
- ตัวค้ำยันปีก - มีตัวค้ำยันหรือคาน(อังกฤษ: braced หรือ cantilever), แข็ง, หรือยืดหยุ่น
- planform ของปีก - aspect ratio(อัตราส่วนความยาวต่อความกว้าง), มุมของการลู่, และการปรับเปลี่ยนใดๆไปตามความยาว (รวมถึงแบบที่เป็นสามเหลี่ยมหรือ delta wing)
- จุดที่ติดตั้งของตัวกันโคลงแนวนอน(อังกฤษ: horizontal stabilizer), ถ้ามี
- Dihedral angle (มุมของปีกเมื่อเทียบกับแกนกลางของลำตัวเครื่องบิน) - บวก, ศูนย์, หรือลบ (anhedral)
'อากาศยานปีกรูปทรงเรขาคณิตแปรได้'สามารถเปลี่ยนรูปแบบของปีกในระหว่างการบินได้.
อากาศยาน'ปีกบิน'(อังกฤษ: flying wing)จะไม่มีลำตัว, ถึงแม้ว่ามันอาจจะมีปุ่มหรือฝักขนาดเล็ก. ตรงข้ามกันคือ'ลำตัวยก'(อังกฤษ: lifting body), ซึ่งไม่มีปีก, แม้ว่ามันอาจจะมีพื้นผิวกันโคลงและการควบคุมขนาดเล็ก
ยานพาหนะปีกในผลกระทบพื้นดิน(อังกฤษ: wing-in-ground-effect)อาจจะถือว่าเป็นอากาศยานปีกคงที่. พวกมัน"บิน"ได้อย่างมีประสิทธิภาพใกล้กับพื้นผิวของพื้นดินหรือพื้นน้ำ, เช่นเดียวกับเครื่องบินทั่วไปในระหว่างการบินขึ้น ตัวอย่างคือ ekranoplan ของรัสเซีย (ชื่อเล่น "ปีศาจทะเลสาบแคสเปียน") อากาศยานขับเคลื่อนด้วยแรงมนุษย์(อังกฤษ: Manned-powered aircraft) ยังพึ่งพา ground-effect เพื่อที่จะยังคงลอยอยู่ในอากาศด้วยกำลังของนักบินที่น้อยนิด, แต่นี่เป็นเพียงเพราะว่าพวกมันมีแรงขับต่ำมากเกินไป - ในความเป็นจริง ตัวยานทั้งหมด(อังกฤษ: airframe)มีความสามารถในการบินได้สูงกว่านั้น
อากาศยานปีกหมุน (Rotorcraft)
บทความหลัก: Rotorcraft
อากาศยานปีกหมุน หรือ Rotorcraft ใช้การหมุนของโรเตอร์ไปหมุนใบพัดที่มีหน้าตัดเป็นรูปแพนอากาศ (Airfoil) เพื่อสร้างแรงยก. ตัวอย่างของอากาศยานประเภทนี้คือ เฮลิคอปเตอร์, autogyro และพันธ์ผสมหลายอย่างเช่น gyrodyne และ Compound rotorcraft.
"เฮลิคอปเตอร์"มีโรเตอร์หนึ่งตัวหมุนด้วยเพลาที่ขับเคลื่อนโดยเครื่องยนต์. โรเตอร์จะผลักอากาศลงล่างเพื่อสร้างแรงขับ. โดยการเอียงโรเตอร์ไปข้างหน้า, อากาศที่พัดลงด้านล่างจะเอียงไปข้างหลัง, สร้างแรงผลักให้บินไปข้างหน้า. เฮลิคอปเตอร์บางลำมีโรเตอร์มากกว่าหนึ่งตัวและมีไม่กี่ลำที่ใช้ไอพ่นหมุนโรเตอร์.
Autogyroมีโรเตอร์ที่ไม่ต่อเข้ากับเครื่องยนต์, แต่มีเครื่องสร้างพลังงานแยกส่วนเพื่อสร้างแรงผลัก. โรเตอร์จะถูกทำให้เอียงไปช้างหลัง. เมื่อ autogyro เคลื่อนไปข้างหน้า, อากาศจะเป่าขึ้นข้างบนไปที่โรเตอร์, ทำให้มันหมุน. การหมุนนี้ไปเพิ่มความเร็วของอากาศที่ไหลผ่านโรเตอร์, เป็นการสร้างแรงยก. Rotor kite เป็น autogyro ที่ไม่ต่อเข้ากับเครื่องยนต์, ซึ่งมันจะถูกลากเพื่อสร้างความเร็วไปข้างหน้าหรอถูกล่ามไว้กับพื้นด้วยสมออยู่กับที่ท่ามกลางกระแสลมแรงเพื่อให้ว่าวบิน
Cyclogyro จะหมุนปีกของมันรอบๆแกนแนวนอน
Compound rotorcraft มีปีกที่สร้างแรงยกในการบินไปข้างหน้า ในปัจจุบัน มันถูกแยกประเภทเป็นแบบ"การยกด้วยกำลัง"(อังกฤษ: powered lift) และไม่ใช่ rotorcraft.
Tiltrotor (เช่น V-22 Osprey), tiltwing, tailsitter, และ coleopter มีโรเตอร์/ใบพัดในแนวนอนสำหรับการบินแนวดิ่ง, และในแนวดิ่งสำหรับการบินไปข้างหน้า
อากาศยานที่ยกตัวแบบอื่นๆ
- "ลำตัวยก"(อังกฤษ: lifting body) เป็นอากาศยานที่มีลำตัวถูกสร้างให้มีรูปร่างที่สร้างแรงยกได้. มันอาจจะมีปีกบ้างแต่ก็เล็กเกินไปที่จะสร้างแรงยกจำนวนมากได้, ปีกที่มีจะถูกใช้สำหรับการทรงตัวและการควบคุมเท่านั้น อากาศยานเหล่านี้มีประสิทธิภาพไม่ค่อยดีนัก: มันประสบปัญหากับแรงต้านที่สูง, และต้องบินที่ความเร็วสูงอีกด้วยเพื่อสร้างแรงยกให้มากพอในการบิน เครื่องต้นแบบเพื่อการวิจัยหลายเครื่อง, เช่น Martin-Marietta X-24, ซึ่งนำไปสู่ยานกระสวยอวกาศ, เป็นเครื่องแบบลำตัวยก(แต่ยานกระสวยเองไม่ใช่), และขีปนาวุธความเร็วสูงบางตัวได้รับแรงยกจากกระแสอากาศเหนือร่างกายรูปหลอดของมัน
- "ยกด้วยเครื่องยนต์"(อังกฤษ: Powered lift) พี่งพาการยกที่ได้จากเครื่องยนต์สำหรับการบินขึ้นและบินลงในแนวดิ่ง(อังกฤษ: vertical takeoff and landing (VTOL)). มีหลายชนิดที่เปลี่ยนมาใช้การยกแบบ fixed-wing เพื่อใช้บินในแนวราบ. หลายระดับชั้นของ powered lift ได้แก่เครื่องบินไอพ่น VTOL (เช่น Harrier jump-jet)และ tiltrotors (เช่น V-22 Osprey), เป็นต้น.
- "Flettner airplane" ใช้ท่อทรงกระบอกหมุนแทนปีกคงที่, แรงยกจะได้จาก magnus effect.
Remove ads
อากาศยานที่ไม่ใช้เครื่องยนต์
บทความหลัก: Unpowered aircraft
เครื่องร่อนเป็นอากาศยานที่หนักกว่าอากาศที่ไม่ได้ใช้กำลังขับเคลื่อนหลังจากขึ้นสู่อากาศแล้ว. การบินขึ้นอาจจะโดยการวิ่งไปข้างหน้าและโดดลงจากสถานที่สูง, หรือโดยการดึงขึ้นไปในอากาศโดยการลาก, ด้วยกว้านบนพื้นดิน, หรือโดยยานพาหนะที่"ลาก"ด้วยกำลังเครื่องยนต์ สำหรับเครื่องร่อนในการรักษาความเร็วไปข้างหน้าในอากาศและแรงยก, มันจะต้องร่อนลงเมื่อสัมพันธ์กับอากาศ (แต่ไม่จำเป็นต้องสัมพันธ์กับพื้นดิน) เครื่องร่อนจำนวนมากสามารถ 'ทะยาน'ขึ้นในอากาศ - ไปที่ความสูงจากกระแสลมที่พัดขึ้น(อังกฤษ: updrafts) เช่นกระแสลมร้อน. ตัวอย่างที่ควบคุมได้ในทางปฏิบัติครั้งแรกได้รับการออกแบบและสร้างโดยนักวิทยาศาสตร์และเป็นผู้บุกเบิกชาวอังกฤษ George Cayley, หลายคนจำได้ว่าเขาเป็นวิศวกรการบินคน ตัวอย่างทั่วไปของเครื่องร่อนคือ sailplane, hang glider และ paraglider.
บอลลูนจะลอยไปด้วยลม แม้ว่าปกตินักบินจะสามารถควบคุมระดับความสูง, โดยการให้ความร้อนกับอากาศหรือโดยการทิ้งน้ำหนักถ่วง, ทำการควบคุมทิศทางในบางครั้ง (เนื่องจากทิศทางลมเปลี่ยนแปลงไปตามระดับความสูง) บอลลูนไฮบริดรูปปีกสามารถร่อนตามทิศทางเมื่อกำลังลอยสูงขึ้นหรือกำลังตกลง; แต่บอลลูนรูปทรงกลมไม่มีการควบคุมทิศทางอย่างนั้น
ว่าวเป็นอากาศยานประเภทหนึ่ง[2] ที่ผูกโยงอยู่กับพื้นดินหรือวัตถุอื่นๆ(อยู่กับที่หรือเคลื่อนที่) ที่ช่วยรักษาความตึงในสายโยงหรือสายว่าว; พวกมันพึ่งพาลมเสมือนหรือลมจริงที่เป่าเหนือและใต้ลำตัวของพวกเขาในการสร้างแรงยกและแรงต้าน. Kytoons เป็นพันธ์ผสใระหว่างว่าวกับบอลลูนที่มีรูปทรงและโยงกับเชือกเพื่อสร้างการรับลม, และอาจอยู่ในกลุ่มเบากว่าอากาศ, ลอยตัวเป็นกลาง, หรือหนักกว่าอากาศ
อากาศยานที่ใช้เครื่องยนต์
บทความหลัก: Powered aircraft
อากาศยานที่ใช้เครื่องยนต์มีแหล่งที่มาของพลังงานกลอยู่บนเครื่องหนึ่งแหล่งหรือมากกว่า, โดยปกติเครื่องยนต์ของอากาศยานส่วนใหญ่เป็นเครื่องยนต์ลูกสูบหรือกังหันก๊าซที่มีน้ำหนักเบา. เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์จะถูกเก็บไว้ในถังที่อยู่ในปีก, แต่เครื่องบินขนาดใหญ่ยังมีถังเชื้อเพลิงเพิ่มเติมในลำตัว
อากาศยานที่ใช้ใบพัด (Propeller aircraft)
อากาศยานที่ใช้ใบพัดจะใช้ใบพัดหนึ่งใบหรือมากกว่า, เป็นเหมือนสกรูแทงเข้าไปในอากาศ(อังกฤษ: airscrew) เพื่อสร้างแรงผลักดันในทิศทางเดินหน้า. โดยทั่วไป ใบพัดจะถูกติดตั้งไว้ที่ส่วนหน้าของแหล่งกำเนิดกำลังใน'รูปแบบของการฉุดลาก'(อังกฤษ: tractor configuration) แต่อาจติดตั้งไว้ข้างหลังก็ได้ใน'รูปแบบของการผลัก'(อังกฤษ: pusher configuration). ใบพัดมีหลายรูปแบบเช่น contra-rotating propellers และ ducted fan เป็นต้น
แหล่งจ่ายพลังงานที่ใช้หมุนใบพัดมีหลายชนิด เรือบินในยุคแรกใช้กำลังคนหรือเครื่องยนต์ไอน้ำ ลูกสูบเครื่องยนต์ลูกสูบสันดาปภายในถูกนำมาใช้ในทางปฏิบัติมากขึ้นแทบจะทุกลำของเครื่องบินปีกคงที่จนถึงสงครามโลกครั้งที่สองและยังคงใช้อยู่ในเครื่องบินขนาดเล็กจำนวนมาก บางชนิดใช้เครื่องยนต์กังหันเพื่อหมุนใบพัดในรูปแบบของเทอร์โบปรอปหรือ propfan. การบินด้วยพลังมนุษย์ทำได้สำเร็จ, แต่ยังไม่ได้กลายเป็นวิธีการขนส่งในทางปฏิบัติ อากาศยานไร้คนขับและรูปแบบยังมีการใช้แหล่งพลังงานเช่นมอเตอร์ไฟฟ้าและหนังสติ๊ก
อากาศยานไอพ่น
อากาศยานไอพ่นจะใช้เครื่องยนต์ไอพ่นที่ใช้อากาศ (อังกฤษ: Airbreathing jet engine), ที่ดูดอากาศเข้าไป, เผาเชื้อเพลิงด้วยอากาศนั้นในห้องเผาใหม้(อังกฤษ: combustion chamber), แล้วอัดไอเสียออกทางด้านหลังเพื่อสร้างแรงขับ
เครื่องยนต์ turbojet และ turbofan ใช้กังหันปั่นเพื่อขับใบพัดหนึ่งตัวหรือมากกว่า, เพื่อสร้างแรงผลักดันเพิ่มเติม. afterburner อาจถูกใช้เพื่อฉีดเชื้อเพลิงส่วนเกินเข้าไปในไอเสียที่ร้อน, โดยเฉพาะอย่างยิ่ง"ไอพ่นเร็ว"ที่ใช้ในการทหาร. การใช้กังหันไม่ได้เป็นเป็นสิ่งจำเป็นยิ่งยวด: การออกแบบอื่นๆ รวมถึง pulse jet และ ramjet ก็ใช้ได้. ออกแบบที่เรียบง่ายทางกลไกเหล่านี้ไม่สามารถใช้งานได้เมื่ออยู่กับที่, ดังนั้นอากาศยานจะต้องบินให้เร็วโดยวิธีการอื่น. การปรับเปลี่ยนอื่นๆหลายอย่างได้ถูกนำมาใช้, รวมทั้ง motorjet และลูกผสมเช่น J58 ของบริษัท แพรตต์แอนด์วิทนีย์, ซึ่งสามารถแปลงไปมาระหว่างการดำเนินงานแบบ turbojet และ ramjet.
_542_prepares_to_land_aboard_the_forward-deployed.jpg)
เมื่อเทียบกับใบพัด, เครื่องยนต์ไอพ่นสามารถให้แรงขับที่สูงกว่า, ความเร็วสูงกว่า, และบินสูงประมาณ 40,000 ฟุต (12,000 เมตร), ประสิทธิภาพมากกว่ามาก[3]. พวกมันยังประหยัดน้ำมันมากกว่าจรวด. ผลก็คือ เกือบทั้งหมดของอากาศยานขนาดใหญ่ที่ต้องการความเร็วสูงหรือการบินที่ระดับสูงจะใช้เครื่องยนต์เจ็ต.
อากาศยานปีกหมุน
อากาศยานปีกหมุนบางอย่าง เช่นเฮลิคอปเตอร์ มีปีกหรือ"โรเตอร์"ที่หมุนโดยเครื่องยนต์, ที่แผ่นโรเตอร์สามารถบิดทำมุมไปข้างหน้าเล็กน้อยเพื่อให้สัดส่วนหนึ่งของแรงยกถูกชี้นำให้ไปข้างหน้า. โรเตอร์, เหมือนใบพัด, อาจถูกขับเคลื่อนโดยวิธีที่หลากหลายเช่นลูกสูบเครื่องยนต์หรือกังหัน. การทดลองหลายครั้งยังใช้'หัวฉีดเจ็ทที่ปลายของแผ่นโรเตอร์'(อังกฤษ: tip jet)อีกด้วย
ประเภทอื่นๆของการขับเคลื่อน
อากาศยานขับเคลื่อนด้วยจรวด(อังกฤษ: Rocket-powered aircraft) ได้มีการทดลองเป็นครั้งคราวและเครื่องบินขับไล่ Messerschmitt "Komet" ได้แสดงความสามารถในสงครามโลกครั้งที่สอง. ตั้งแต่นั้นมาพวกมันถูกจำกัดให้เป็นแค่อากาศยานเพื่อการวิจัยเท่านั้น, เช่น North American X-15, ซึ่งเดินทางขึ้นไปในอวกาศในที่ซึ่งเครื่องยนต์ที่ใช้อากาศหายใจ(อังกฤษ: air-breathing engine) ไม่สามารถทำงานได้ (จรวดบรรทุก oxidant ของมันไปเอง). จรวดมักจะถูกนำมาใช้เป็นตัวเสริมสำหรับแหล่งพลังงานหลัก, โดยทั่วไปสำหรับการบินขึ้นโดยใช้จรวดช่วยส่ง(อังกฤษ: rocket-assisted take off)ของอากาศยานบรรทุกสัมภาระขนาดหนัก, แต่ยังให้ความสามารถในการวิ่งออกอย่างรุนแรงด้วยความเร็วสูงในการออกแบบไฮบริดบางอย่างเช่น Saunders-Roe SR.53.
- "Ornithopter" ได้รับแรงผลักดันจากการกระพือปีกของมัน" พบว่ามีการใช้งานจริงใน model hawk ที่ใช้เพื่อการแช่แข็งสัตว์ที่เป็นเหยื่อให้เข้าสู่ความสงบนิ่งเพื่อให้พวกมันสามารถจับได้ง่ายและในนกของเล่น.
Remove ads
โครงสร้าง (airframe)
คือ โครงสร้างหลัก หรือโครงส่วนรับแรงต่างๆ ทางกล ซึ่งเป็นโครงสร้างทั้งหมดของอากาศยานยกเว้นส่วนของระบบขับดัน การออกแบบโครงสร้างนี้ต้องคำนึงถึงหลักอากาศพลศาสตร์ (aerodynamics) วัสดุศาสตร์ (materials technology) กระบวนการผลิต (manufacturing methods) เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพ 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
- อะลูมิเนียม อัลลอยด์-- เป็นวัสดุหลักที่ใช้กันอย่างกว้างขวาง ตัวอย่างเช่น เครื่องบินโบอิง 747 โครงสร้างทำมาจาก อะลูมิเนียมถึง 80% อะลูมิเนียมเป็นที่นิยมเพราะ การตัดขั้นรูปสะดวก ราคาเหมาะสม มีความต้านทาน การกัดกร่อนพอสมควร และมีอัตราความแข็งแรงเมื่อเทียบกับน้ำหนักดีมาก
- เหล็กกล้า -- ในเครื่องบินพาณิชทั่วไป ใช้เหล็กกล้า ประมาณ 17% ในการทำเป็นโครงสร้าง ใช้ในบริเวณที่ต้องการความแข็งแรงสูง เช่นจุดยึดจับของปีก, ระบบลงจอด เป็นต้น
- 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
- นิเกิลอัลลอยด์-- มีคุณสมบัติคงความแข็งแรงขณะที่อุณหภูมิสูง ยิ่งกว่าไทเทเนียม ใช้สำหรับอากาศยานที่เร็วกว่า supersonic ขึ้นไปอีก อากาศยานแบบ Hypersonic (เช่น The North American X-15, บินได้เร็วถึง 7 มัค) เครื่องบินยิ่งบินด้วยความเร็วสูงมากขึ้น Aerodynamic Heating ก็ยิ่งมากขึ้นด้วย
- 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)
ระบบลงจอด (Undercarriage or landing gear)
ประกอบด้วยโครงสร้างที่ใช้ในการรองรับอากาศยานขณะอยู่บนภาคพื้น เช่นทำการลงจอด ซ่อมบำรุง หรือกำลังจะขึ้นบิน ที่สามารถมองเห็นได้อย่างเด่นชัดคือล้อยางขนาดใหญ่ ที่อยู่ใต้ท้องเครื่อง หรือหาง หรือ บริเวณปีก โดยทั่วระบบลงจอดนี้ จะสามารถพับเก็บได้ เพื่อลดแรงต้านขณะบิน
Remove ads
ไฟลท์เอนเวอลอป
ไฟลท์เอนเวอลอป (อังกฤษ: Flight envelope) ของอากาศยานหมายถึงขีดความสามารถของอากาศยานในด้านความเร็ว, อัตราบรรทุก, และระดับความสูงที่สามารถดำเนินการบินได้อย่างปลอดภัย[4][5]. คำนี้ยังหมายถึงการวัดอื่นๆ เช่นความสามารถในการทำงานด้านยุทธวิธี. เมื่อยานถูกผลัก, เช่นโดยการปักหัวลงที่ความเร็วสูง, มันถูกเรียกว่า มันกำลังบิน"นอกเอนเวอลอป", บางอย่างที่ไม่ปลอดภัย.
พิสัย
พิสัย (อังกฤษ: range) คือระยะทางที่อากาศยานบินได้นับตั้งแต่ขึ้นบินจนกระทั่งลงจอด ค่าพิสัยถูกจำกัดโดยระยะเวลาที่อากาศยานยังสามารถบินอยู่ได้
สำหรับอากาศยานที่ใช้เครื่องยนต์เช่น เครื่องบินขนส่งหรือเครื่องบินโดยสาร ระยะเวลาที่เครื่องบินสามารถบินอยู่ได้ ประเมินจากปริมาณเชื้อเพลิงที่มีเทียบกับอัตราการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องบินนั้นๆ
สำหรับอากาศยานที่ไม่ได้ใช้เครื่องยนต์ เช่นเครื่องร่อน บอลลูน หรือเรือเหาะ เป็นต้นนั้น ระยะเวลาการบินสูงสุดถูกจำกัดโดยปัจจัยต่างๆ เช่นสภาพอากาศ สภาพความพร้อมความอดทนของนักบิน ตัวอย่างเช่นบอลลูน ระยะเวลาที่สามารถทำการบินนั้น ถูกจำกัดโดยปริมาณแก็สเชื้อเพลิงที่ใช้สร้างอากาศร้อนเพื่อให้เกิดแรงยก ดังนั้นพิสัยจึงประเมินได้จากอัตราความเร็วเฉลี่ยของบอลลูนคูณด้วยระยะเวลาที่สามารถทำการบินได้
พลศาสตร์การบิน
พลศาสตร์การบินเป็นวิทยาศาสตร์ของแนวทิศทางการวางตัวและการควบคุมของยานพาหนะทางอากาศในสามมิติ. พารามิเตอร์ด้านพลศาสตร์การบินที่สำคัญสามประการคือ'มุมของการหมุน'รอบ'แกนสามแกน'ของ'ศูนย์กลางของมวล', ที่เรียกว่า "เงย" (อังกฤษ: pitch),"ม้วน" (อังกฤษ: roll), และ "หัน" (อังกฤษ: yaw) (ค่อนข้างแตกต่างจากการใช้งานของพวกมันที่เป็น Tait-Bryan angles).
- 'ม้วน' เป็นการหมุนรอบแกนตามยาว (เทียบเท่ากับการม้วนหรือการเอียงของเรือ) ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวขึ้นลงของปลายปีกที่วัดจาก'มุมการม้วนหรือที่ลาดชัน' (อังกฤษ: roll or bank angle)
- 'เงย' เป็นการหมุนรอบแกนแนวนอนด้านข้างทำให้เกิดการเคลื่อนไหวขึ้นลงของจมูกเครื่องบินที่วัดจาก'มุมของการโจมตี' (อังกฤษ: angle of attack)
- 'หัน' เป็นการหมุนรอบแกนแนวตั้งทำให้เกิดการเคลื่อนไหวของจมูกจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งที่เรียกว่า'เลื่อนไปด้านข้าง' (อังกฤษ: sideslip)
พลศาสตร์การบินเกี่ยวข้องกับเสถียรภาพและการควบคุมการหมุนของอากาศยานรอบๆแต่ละแกนเหล่านี้.
เสถียรภาพ
อากาศยานที่ไม่เสถียรมีแนวโน้มที่จะหลุดออกจากเส้นทางการบินและดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะบิน. เครื่องบินที่มีเสถียรภาพมากมีแนวโน้มที่จะอยู่ในเส้นทางการบินจนเป็นเรื่องยากที่จะจัดการด้านกลยุทธ. ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบใดๆเพื่อให้บรรลุในระดับความมั่นคงที่ต้องการ. เนื่องจากการใช้อย่างแพร่หลายของเครื่องคอมพิวเตอร์ดิจิทัล, มันจีงกลายเป็นเรื่องธรรมดามากขึ้นสำหรับการออกแบบสำหรับความไม่แน่นอนโดยเนื้อแท้และเพื่อพึ่งพาระบบการควบคุมด้วยระบบคอมพิวเตอร์เพื่อให้มีเสถียรภาพเทียม
อากาศยานปีกคงที่ปกติจะไม่แน่นอนในเรื่องของ pitch, roll และ yaw. ความเสถียรด้าน pitch และ yaw ของการออกแบบปีกคงที่ทั่วไปต้องการตัวกันโคลงในแนวนอนและแนวดิ่ง(อังกฤษ: horizontal and vertical stabilisers)[6][7], ที่ทำหน้าที่ในลักษณะที่คล้ายกับขนนกของลูกธนู[8]. พื้นผิวที่มีความเสถียรเหล่านี้ทำให้เกิดความสมดุลของแรงอากาศพลศาสตร์และให้ความเสถียรกับพลศาสตร์การบินของ pitch และ yaw[6][7]. ตัวกันโคลงเหล่านี้มักจะได้รับการติดตั้งอยู่บนส่วนหาง (แพนหาง), แม้ว่าในรูปแบบ canard, ปีกท้ายหลักใช้แทนที่ปีกหน้า (อังกฤษ: foreplane) ของ canard เพื่อใช้เป็นตัวรักษาความเสถียรของ pitch (อังกฤษ: pitch stabilizer). อากาศยานแบบปีกคู่และแบบไร้หาง (อังกฤษ: Tandem wing and Tailless aircraft)พึ่งพากฎทั่วไปเดียวกันเพื่อให้บรรลุความเสถียร, พื้นผิวท้ายอากาศยานเป็นที่หนึ่งที่มีเสถียรภาพ.
ปีกหมุนโดยทั่วไปจะมีความไม่แน่นอนในการหันเห, มันต้องการตัวกันโคลงแนวดิ่ง.
บอลลูนโดยทั่วไปจะมีเสถียรภาพมากด้าน pitch และ roll เนื่องจากใช้วิธีแขวนสัมภาระเป็นตัวถ่วงไว้ข้างใต้.
การควบคุม
'พื้นผิวการควบคุมการบิน'(อังกฤษ: Flight control surfaces) ช่วยให้นักบินสามารถควบคุม'สภาพการวางตัวของการบิน'(อังกฤษ: flight attitude)ของอากาศยานและมันมักจะเป็นส่วนหนึ่งของปีกหรือติดตั้งอยู่บน, หรือเป็นส่วนหนึ่งของ, พื้นผิวรักษาเสถียรภาพที่เกี่ยวข้อง. การพัฒนาของพวกมันคือความก้าวหน้าที่สำคัญในประวัติศาสตร์ของเครื่องบิน, ซึ่งมีจนถึงจุดที่ไม่สามารถควบคุมได้ในการบิน.
วิศวกรการบินมีหน้าที่พัฒนาระบบการควบคุมสำหรับการวางตัวของยาน (การทรงตัวหรือมุมมอง) รอบๆ ศูนย์ของมวล (อังกฤษ: center of mass)ของยาน. ระบบการควบคุมประกอบด้วยตัวกระตุ้น (อังกฤษ: actuator), ซึ่งใส่แรงต่างๆเข้าไปในทิศทางที่แตกต่างกัน, และสร้างกำลังการหมุนหรือโมเมนท์รอบๆศูนย์กลางพลศาสตร์ของอากาศยาน, ซึ่งจะไปเอียงอากาศยานในแนว pitch, roll และ yaw. ตัวอย่าง pitch moment เป็นแรงในแนวดิ่งที่จ่ายให้ในระยะทางข้างหน้าหรือข้างท้ายจากศูนย์กลางพลศาสตร์ของยาน, ทำให้เครื่องบินเงยขึ้นหรือก้มลง. ระบบการควบคุมบางครั้งยังถูกใช้ในการเพิ่มหรือลดแรงต้านเช่นในการชะลอตัวยานให้มีความเร็วที่ปลอดภัยสำหรับการ landing.
สองแรงอากาศพลศาสตร์หลักที่กระทำบนอากาศยานใดๆคือแรงยกที่รองรับมันในอากาศและแรงต้านที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ของมัน. พื้นผิวการควบคุมหรือเทคนิคอื่นๆอาจถูกนำมาใช้เช่นกันเพื่อให้มีผลกระทบต่อแรงเหล่านี้โดยตรง, โดยไม่ก่อให้เกิดการหมุนใดๆ.
Remove ads
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
Remove ads