Blog

Thrust กับเครื่องบิน Thrust required และ Thrust available

Thrust กับเครื่องบิน

Thrust หรือแรงขับเป็นแรงที่ทำให้อากาศยานเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้ นับเป็น 1 ใน 4 แรงพื้นฐานที่กระทำกับอากาศยาน (แรงยก แรงต้าน แรงขับ และแรงโน้มถ่วง) Thrust นั้นถูกสร้างมาจาก มอเตอร์-ใบพัด หรือเครื่องยนต์ในแบบต่างๆ  ความสำคัญของ Thrust คือเป็นตัวที่ทำให้เครื่องบินมีความเร็วจนสามารถยกเครื่องบินขึ้นจากพื้นได้ โดยปกติแล้วการพิจารณาว่าเครื่องบินต้องใช้เครื่องยนต์อะไร มักจะพิจารณาจากอัตราส่วนของ แรงขับ/น้ำหนัก หรือเรียกว่า Thrust to weight ratio (T/W) และ Thrust required (ขออนุญาตย่อโดยใช้ T.R นะครับ  T/W มาก หมายถึงแรงขับเยอะกว่าน้ำหนักมากๆ จะทำให้เครื่องบินสามารถ Take off ได้ในระยะทางที่สั่น สามารถแบกน้ำหนักได้มาก สามารถบินเล่นท่า (manuever) ได้ดีกว่าการมี T/W ที่น้อยกว่า

แต่หากใช้เครื่องยนต์หรือมอเตอร์ที่ให้ Thrust to weight มากจนเกินไปอาจจะเป็นการสิ้นเปลือง ทำให้บินได้ในระยะเวลาที่น้อยลง หรืออาจจะต้องแบกน้ำหนักของเครื่องยนต์,เชื้อเพลิงในบินมากขึ้น จึงต้องมีการเลือก T/W ให้เหมาะสมกับเป้าหมายการใช้งานของเครื่องบินมากที่สุด

เครื่องบินโดยสารโดยทั่วไปแล้วมักมี T/W อยู่ที่ประมาณ 0.3-05 แต่สำหรับเครื่องบิน RC โดยทั่วไปมักจะมี T/W มากกว่า 0.5 ขึ้นไป หากใครอยากทราบ T/W ของเครื่องบินก็ต้องทำการหาค่า Thrust ออกมาให้ได้ก่อน อาจจะใช้ข้อมูลจากผู้ผลิตมอเตอร์ หรือเครื่องยนต์ หรืออาจจะใช้การทดสอบโดยใช้เครื่องทดสอบแรงขับ (Thrust stand) ก็ได้ครั

เครื่องบินเปืด Afterburner เพื่อเพิ่ม Thrust อย่างรวดเร็ว (ภาพจาก quora.com)

Thrust Required คืออะไร         

        คำว่า Thrust คือแรงขับ คำว่า required แปลว่า ต้องการ ดังนั้น Thrust Required จึงหมายความว่า แรงขับที่ต้องการ…..สำหรับอะไรสักอย่าง ซึ่งสิ่งนั้นคือ แรงขับที่เครื่องบินต้องการสำหรับการเอาชนะแรงต้าน (drag) ได้ในช่วงความเร็วต่างๆ

โดยแนวโน้มความต้องการของ Thrust ในช่วงความเร็วต่างๆจะเป็นดังในรูป จะสังเกตว่าจะมีจุดต่ำสุดอยู่ จุดนั้นเราเรียกว่า จุด minimum required thrust เป็นจุดที่ต้องการ thrust น้อยที่สุดที่ทำให้เครื่องบินบินในแนวระดับได้

ความเร็วที่จุดนั้นก็เป็นความเร็วที่เครื่องบินจะบินได้ในจุดนั้น เหมาะกับการ cruise ของเครื่องบินที่ต้องการจะบินได้นานที่สุด

หลักการคิดของเส้นโค้งนี้คือการจับ Thrust = Drag และ Lift = Weight ลองย้อนกลับไปดูสมการแรงยกกับแรงต้านมาแทนค่ากันดูนะครับ แล้วจำสามารถหาเส้นโค้งนี้ของเครื่องบินได้

Thrust required curve
Thrust required curve

ที่จุด minimum T.R. เป็นจุดที่มีแรงยกต่อแรงต้าน (L/D) มากที่สุด จึงทำให้ใช้พลังงานน้อยในการบินเลยสามารถบินได้นานที่สุดนั่นเอง นอกจากนี้หากเราลากเส้นตรงจากจุด origin มาสัมผัสกับเส้น T.R. จะได้จุดหนึ่งจุดตัดหนึ่งจุด ณ ตำแหน่งที่ parasite drag มากกว่า indued drasg ณ จุดนี้จะทำให้เครื่องบินมีความเร็วมากกว่า minimum veleocity เล็กน้อย แต่จะทำให้เครื่องบินสามารถบินได้พิสัย (range) มากที่สุดหรือ Maximum range 

Thrust required and maximum range
Thrust required and maximum range

แต่ว่ากราฟด้านบนนี้ นิยมใช้สำหรับเครื่องบินไอพ่นเท่านั้น แต่หากเป็นเครื่องบินที่ใช้ propeller ในการขับเคลื่อน (propeller – driven) นิยมแปลงแรงขับให้เป็นกำลัง (power) ก่อนแล้วนำเสนอในรูปแบบ power required ดังในรูปด้านล่าง โดยจุดที่มี L/D มากที่สุดจะเปลี่ยนเป็นจุดที่ทำให้เกิด maximum range แทนส่วนจุดต่ำสุด (minimum power required point) จะเป็นจุดที่สามารถทำให้เครื่องบินบินได้นานที่สุด (maximum endurance)

Power required
Power required

Thrust Available

Thrust available หากแปลตรงตัวคือ Thrust ที่สามารถทำได้ ซึ่งหมายถึง Thrust ที่เครื่องบินทำได้จากเครื่องยนต์หรือมอเตอร์นั่นเอง หากเรารู้ thrust available ของเครื่องบินแล้วนำมาพลอตคู่กับกราฟของ T.R นั่น จุดที่เส้นทั้งสองตัดกันจะเป็นความเร็วสูงสุด (maximum speed) ของอากาศยานดังในรูปด้านล่างนี้ โดยเครื่องยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไอพ่น(jet) กับเครื่องยนต์ที่เป็นใบพัด (propeller) จะมีคุณสมบัติของแรงขับที่ต่างกัน โดยเครื่องยนต์ propeller นั้น ยิ่งบินที่ความเร็วมากขึ้นๆประสิทธิภาพจะลดลงทำให้แรงขับลดลงไปนั่นเอง

Thrust available

ในการออกแบบเครื่องบินนั้น กราฟเหล่านี้จะถูกสร้างขึ้นมาก่อนเพื่อประเมินว่าจะต้องใช้เครื่องยนต์อะไร มอเตอร์ตัวไหน ใบพัดขนาดเท่าไร ถึงจะทำให้เครื่องบินมีสมรรถนะตามที่ต้องการครับ

ข้อมูลเพิ่มเติม

  • Aircraft performance and design Book – John D. Anderson Jr.
  • Aircraft conceptual design approach Book – Thomas Corke

This Post Has 2 Comments

ใส่ความเห็น