แรงต้าน (Drag force) หรือจะเรียกว่า แรงหน่วง ก็ได้ เป็นแรงที่ต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ หากต้องการเคลื่อนที่ไปในทิศทางต่างๆ ต้องมีแรงมากพอที่จะเอาชนะแรงนี้ได้ เช่น ในเครื่องบินนั้น หากต้องการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ต้องมีแรงขับ (Thrust) มากกว่า โดยแรงต้านในเครื่องบินนั้นจะแบ่งได้เป็นหลายประเภทดังต่อไปนี้
Parasitic drag เกิดขึ้นเมื่อวัตถุมีการเคลื่อนที่ผ่านของไหล (Fluid) ไม่ขึ้นอยู่กับแรงยก (Drag independent of lift) สามารถแบ่งแยกย่อยเป็น interference drag และ profile drag
Interference drag เกิดจาก การผสมกันของอากาศที่ไหลผ่านบริเวณมุมข้อต่อต่างๆ เช่น ข้อต่อปีกกับลำตัว ข้อต่อปีกกับ pylon เป็นต้นถ้ามีมุมมากแถมเป็นมุมแหลมก็ยิ่งเกิด drag ประเภทนี้เยอะ ดังนั้นการออกแบบจุดเชื่อมต่อปีกจะพยายามให้เกิดมุมที่แหลมน้อยที่สุด อย่างในการติดปีกเข้ากับลำตัวจะมี Fairing มาครอบไว้เพื่อลด drag ตัวนี้ดังในรูป นอกจากจะมีมุมระหว่างลำตัวกับปีกแล้วยังมีมุมระหว่างปีกกับ landing gear ด้วย เครื่องบินที่ต้องการสมรรถนะสูงๆจึงพยายามที่จะเก็บล้อเข้าไปเพื่อลด drag ตัวนี้ออกไปด้วย
Profile Drag เกิดจากรูปร่างของเครื่องบิน
– Skin Friction Drag เกิดจาก การเสียดสีกันของอากาศกับผิวของเครื่องบิน (Skin = ผิว , Friction = แรงเสียดทาน)
– Pressure Drag (form drag) เกิดจาก การกระจายความดันรอบๆเครื่องบิน และการแยกกันของอากาศด้านหลังส่วนที่อากาศไหลผ่าน (Flow Separation) ขึ้นอยู่กับรูปร่าง ความขรุขระของพื้นผิว หากอากาศสามารถเกาะกับพื้นผิวได้ดี มีการแยกตัวน้อยจะเกิด Pressure Drag น้อย
รูปด้านล่างจะอธิบายลักษณะทิศทางของแรงที่เกิดขึ้น และรูปแบบการเกิด drag แต่ละประเภทได้
รูปทรงต่างๆ และทิศทางการปะทะกับอากาศจะมีผลต่อ Skin friction drag และ Form drag โดยมีการจัดลำดับเบื้องต้นดังในรูปด้านล่าง หรือหากสังเกตจากสิ่งใกล้ตัวจะพบว่าหากเราถือไม้กระดานโต้ลมจะมีแรงต้านที่มากระทำมากกว่าการถือในทิศขนานกับลมนั่นเอง ดังนั้นนี่เป็นเหตุผลว่าทำไมเครื่องบินถูกออกแบบให้รูปร่างเรียว
Induced Drag เป็น drag ที่เพิ่มขึ้นตาม Lift เกิดจากการที่ความดันด้านล่างของปีกมากกว่าด้านบน ดังนั้น ความดันด้านล่างก็จะพยายามขึ้นมาด้านบนให้ได้ และทางที่อากาศจะรั่วไปด้านบนได้ก็คือปลายปีก จากนั้นอากาศบริเวณ leading edge (ชายหน้าปีก)จะเกิดการปั่นป่วนแล้วเกิดแรงต้าน นอกจากนี้เมื่ออากาศด้านล่างรั่วไปด้านบนทางปลายปีก อากาศก็จะเกิดการหมุนวนกันขึ้นกลายเป็น Wingtip vortices หรือเรียกว่า vortex trails ซึ่งเป็นอันตรายต่อเครื่องบินอย่างมาก แต่ไม่ใช่กับเครื่องบินเจ้าของ wake (อากาศปั่นป่วน) ตัวนี้นะ แต่อันตรายต่อเครื่องบินที่บินตามมา เพราะเครื่องบินดังกล่าวอาจจะโดยกระแสของอากาศที่ปั่นป่วนนี้เข้าไป แล้วร่วงลงไปเลย (กระแสอากาศนี้ไม่สามารถมองเห็นได้) ดังนั้น เครื่องบินที่บินตามกันต้องรักษาระยะห่างที่ปลอดภัยเอาไว้เสมอ ไม่บินชิดกันเกินไป โดยยิ่งเครื่องบินลำใหญ่ยิ่งเกิด vortex ตัวนี้มาก (เพราะเครื่องลำใหญ่มักจะมี Lift มาก)
induced drag สามารถลดได้โดยใช้ Wingtip ติดเข้าไปที่ปลายปีกเพื่อกันอากาศไม่ให้ขึ้นมาด้านบนให้ได้มากที่สุด หรือเลื่อนจุดที่อากาศหมุนวนจะเกิดให้ออกไปไกลที่สุด
.svg)
Wave drag หรือ drag ที่เกิดจากคลื่น คลื่นในที่นี้คือ shockwave เกิดขึ้นในเครื่องบินที่บินในช่วง transonic ขึ้นไป ความเร็วที่ประมาณมากกว่า 0.8 เท่าของความเร็วเสียง ตัว shockwave ที่เกิดขึ้นจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความดันอย่างรวดเร็วในบริเวณที่เกิด shock wave และทำให้เกิด drag ขึ้น แต่ในเครื่องบินที่บินในช่วง subsonic ลงมาจะไม่เกิด shockwave ดังกล่าวขึ้น
Drag กับความเร็วของเครื่องบิน
ความเร็วของอากาศยานมีผลต่อ drag ที่เกิดขึ้น โดยเฉพาะ Form drag และ Induced drag โดยเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น parasitic drag จะมากขึ้น ส่วน induced drag จะลดลง เมื่อนำผลของแรงต้านทั้งคู่มารวมกันจะได้เป็น drag ทั้งหมดของอากาศยานดังในเส้นสีม่วง ซึ่งการคำนวณในส่วนนี้จะมีผลต่อการคำนวณเรื่องของ thrust required ด้วย โดยสามารถอ่านได้จากเรื่อง thrust ของอากาศยาน
สมการของแรงต้าน
การคำนวณแรงต้านของอากาศยานสามารถทำได้โดยการแทนค่าในสมการด้านล่าง โดยตัวแปรที่สำคัญคือ drag coefficient หรือสัมประสิทธิ์แรงต้าน ค่าตัวนี้อาจหาได้จากการคำนวณด้วยสมการทางอากาศพลศาสตร์เบื้องต้น การกาจากการทำ flow simulation ด้วยเทคนิคต่าง ๆ เช่น Computational Fluid Dynamics method หรือ vortex lattice method เป็นต้น (อ่านได้จาก การประมาณแรงยก)
แต่ถ้าหากเราทราบแรงต้าน (อาจได้มาจากการทดลอง) แล้วอยากจะหาค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านออกมา ก็สามารถทำได้โดยการย้ายข้างของสมการด้านบน หรือหากต้องการหาสัมประสิทธิ์แรงต้านในรูปทรงพื้นฐานคร่าวๆ ก็สามารถหาได้เลยจากข้อมูลในรูปด้านล่างนี้ซึ่งมีการทดลองออกมาแล้ว
ข้อมูลเพิ่มเติม
https://wright.nasa.gov/airplane/shaped.html
https://www.skybrary.aero/index.php/Drag
https://medium.com/how-to-aviation/understanding-parasite-and-induced-drag-e629dd97997e
https://www.carbonfurious.com/aerodynamics/carbon-vs-fiber-glass
Fundamental of Aerodynamics Book : John D. Anderson
Pingback: เลือก Motor และ propeller เครื่องบิน RC อย่างไรดี - AEXOTIC AEROBOTIC
Pingback: Swept wing เครื่องบินปีกลู่ - Aexotic Aerobotics
Pingback: Duct ของโดรนช่วยเพิ่มแรงยก ได้ - Aexotic Aerobotics
Pingback: Taper ratio กับเครื่องบิน - Aexotic Aerobotics