การประมาณแรงยกของเครื่องบิน (Lift Estimation)

สำหรับทุกๆท่านที่ทำเครื่องบิน คงจะมีคำถามเกิดขึ้นเหมือนกันว่า เครื่องบินแรงยกพอไหม? จะบินขึ้นไหม? แบกน้ำหนักได้เท่าไร? การจะสามารถตอบคำถามเหล่านี้ได้ ในท่านที่มีประสบการณ์อาจจะสามารถให้คำตอบได้ในรูปแบบ พอ ไม่พอ บินขึ้น บินไม่ขึ้น บินไหว บินไม่ไหว

แต่ในทางวิศวกรรมแล้ว การตอบคำถามเหล่านี้จำเป็นต้องมีข้อมูลอ้างอิงในเชิงตัวเลข เพื่อป้องกันความผิดพลาดที่อาจจะเกิดขึ้นให้ได้มากที่สุด วิศวกรในอดีตจึงมีการคิดค้นวิธีการประมาณค่าทางอากาศพลศาสตร์ต่างๆขึ้นมา โดยเราจะนำมาพูดโดยสรุปให้ทุกท่านได้ฟังกันครับ สำหรับวิธีการประเมินแรงยกหรือค่าอื่นๆของอากาศยานสามารถทำได้ดังนี้

1. คำนวณด้วยมือโดยใช้สมมติฐานและทฤษฎีต่างๆ โดยไม่ใช้คอมพิวเตอร์ ซึ่งถ้ามีโอกาสแอดจะลองหยิบตัวอย่างบางส่วนของการคำนวณที่สามารถคำนวณด้วยมือได้มานำเสนอ โดยมีข้อจำกัดว่าวิธีการดังต่อไปนี้ใช้ได้กับเครื่องบิน RC แบบปีกตรงเท่านั้น แต่หากเป็นปีกแบบอื่นๆจะมีรายละเอียดเพิ่มเติมเรื่องของ aspect ratio , sweep angle และอื่นๆ มากเกี่ยวข้องด้วยนั่นเองครับ แต่อาจจะนำวิธีการประมาณของปีกตรงไปประเมินแรงยกเทียบคร่าวๆได้

สิ่งสำคัญอย่างแรกคือการกำหนดความต้องการของเครื่องบินนั้นๆ และจะนำไปสู่การกำหนดลักษณะของปีก ในเบื้องต้น

เนื่องจากในการประมาณแรงยก (Lift Estimation) จำเป็นที่ต้องใช้ค่าของ Aspect ratio ก่อนดังสูตรในรูป ซึ่งหากค่า Aspec ratio มากแสดงว่าปีกมีความเรียวยาว สามารถทบทวนเรื่องราวของ Aspect ratio ได้ที่นี่

จากนั้นคำนวณค่า Reynold’s Number ของการไหลของอากาศในช่วงที่เครื่องบินของเราทำการบิน นั่นเป็นเพราะว่าที่ Reynold’s number ต่างกัน อากาศจะมีพฤติกรรมการไหลที่แตกต่างกัน (Laminar flow , Transition flow, Turbulent flow) และจะมีผลต่อแรงยกของ Airfoil อีกด้วย โดยสามารถทบทวนเรื่องของ Reynold’s number ได้ที่นี่ เครื่องมือในการคำนวณจะใช้ Reynold’s Number Calculator โดย

Velocity = ความเร็วที่จะทำการบิน

Characteristic Length = ความยาวอ้างอิง โดยในปีกเครื่องบินมักจะใช้เป็นความยาวของคอร์ด

เมื่อได้ Reynold’s number ออกมาแล้ว ก็นำไปเลือก Airfoil โดยแหล่งที่เราสามารถไปค้นหา Airfoil ได้ คือเว็บไซต์ Airfoil Tool โดยในเว็บจะมี airfoil มากมายและคุณสมบัติของ airfoil นั้นๆพลอตไว้เป็นกราฟอยู่ เช่น Lift Coefficient, Drag coefficient, Moment coefficient เทียบกับมุมปะทะ (Angle of Attack) อยู่ ซึ่งเราจะใช้ข้อมูลนั้นมาเลือก airfoil กันครับ

ในการเลือก Airfoil เราจะเลือก Airfoil ที่มีแรงยกมากที่สุด แต่ drag น้อยที่สุดในช่วงที่เราต้องการจะบิน ซึ่งในกรณีนี้จะขอเลือกออกมาเป็น NACA2412 airfoil ซึ่งเราก็จะเลือก plot กราฟคุณสมบัติต่างๆของ airfoil ออกมาโดยการเลือกพลอตในช่วง reynold’s number ที่เราต้องการแล้วกด Update plot ซึ่งในที่นี้ Reynold’s number ที่คำนวณออกมาได้คือ 250,000 จึงเลือกช่วงที่ใกล้เคียงที่สุดคือ 200,000 มาพลอต แล้วเลือกที่ Ncrit เป็น 9 และ 5 (์Ncrit บอกความสะอาดของอากาศ หากเป็น 9 แสดงว่าอากาศไหลแบบราบเรียบทั้งหมด หากเป็น 5 แสดงว่ามีการปั่นป่วนด้วย)

พิจารณาที่กราฟ Cl vs. Alpha ดังในรูปแล้วทำการคำนวณหาคววามชันของกราฟ (เราสามารถประมาณกราฟ Cl เทียบกับ AOA เป็นเส้นตรงได้ในช่วงที่มีมุมปะทะไม่สูง)

คำนวณแรงยกของปีกตามในรูปด้านบน แล้วนำค่าที่ได้ไปคำนวณแรงยกของอากาศยานตามสูตรพื้นฐานด้านล่าง

2. การใช้วิธีเชิงตัวเลข หรือ Numerical Method ซึ่งจะเป็นการเขียนโปรแกรมให้คอมพิวเตอร์ช่วยในการคำนวณ โดยวิธีนี้เป็นที่นิยมมาก และมีหลากหลายวิธี เช่น Lifting Line Theory, Panel Method, Vortex Lattice Method, Computational Fluid Dynamic เป็นต้น โดยโปรแกรมสำเร็จรูปสำหรับการคำนวณเหล่านี้จะมีหลายโปรแกรม โดยจะมีโปรแกรมที่ทำการคำนวณได้ในระดับเบื้องต้นและระดับที่มีความละเอียดสูงขึ้นไปอีก

โปรแกรมที่สามารถใช้ในการคำนวณเบื้องต้น โดยใช้ทฤษฎีทาง aerodynamics เช่น Lifting lnie theory, Vortext lattice method และ panel method เช่น โปรแกรม XFLR5 ,Xfoil ,AVL และอื่นๆ

โปรแกรมที่แก้สมการ Navier – Stoke โดยใช้วิธีการเชิงตัวเลข (Numerical Method) ในการคำนวณ ซึ่งจะให้ค่าทางอากาศพลศาสตร์ที่มีความแมานยำมากขึ้น เช่น Ansys Fluent, Ansys CFX, Star-CCM+, Openfoam, SU2

ความแม่นยำของผลที่ได้จากโปรแกรมเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความรู้ความเข้าใจของผู้ใช้ด้วย ตามสำนวนในวงการนี้ที่ว่า Garbage In, Garbage Out. นั่นเอง