"เครื่องยนต์" ของเครื่องบิน หัวใจแห่งการบินและประเภทที่หลากหลาย

เครื่องยนต์เครื่องบิน เป็นหัวใจสำคัญที่ขับเคลื่อนอากาศยานให้สามารถทะยานสู่ท้องฟ้าได้ โดยอาศัยหลักการทางฟิสิกส์เพื่อสร้างแรงขับมหาศาลซึ่งสามารถแบ่งประเภทของเครื่องยนต์ออกได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ คือ เครื่องยนต์แบบใบพัด (Propeller Engine) และ เครื่องยนต์ไอพ่น (Jet Engine) ซึ่งแต่ละประเภทต่างก็มีจุดเด่นและข้อจำกัดที่เหมาะสมกับการใช้งานที่แตกต่างกัน

1. เครื่องยนต์แบบใบพัด (Propeller Engine)

เครื่องยนต์ประเภทนี้สร้างแรงขับเคลื่อนโดยใช้ใบพัดขนาดใหญ่ที่ติดตั้งอยู่ด้านหน้าหรือด้านหลังเครื่องบิน ซึ่งเมื่อหมุนจะผลักอากาศไปทางด้านหลัง ทำให้เครื่องบินเคลื่อนที่ไปข้างหน้าตามหลักการของแรงปฏิกิริยา (Action-Reaction) ของนิวตัน แบ่งออกเป็น 2 ชนิดหลัก

เครื่องยนต์ลูกสูบ (Piston Engine)

เป็นเครื่องยนต์ที่ใช้เทคโนโลยีเก่าแก่ที่สุดในวงการการบิน หลักการทำงานไม่ต่างจากเครื่องยนต์รถยนต์ โดยใช้น้ำมันเบนซินเป็นเชื้อเพลิงเพื่อขับเคลื่อนลูกสูบให้หมุนเพลาข้อเหวี่ยง ซึ่งเพลาข้อเหวี่ยงนี้จะเชื่อมต่อโดยตรงกับใบพัด ทำให้ใบพัดหมุนและสร้างแรงขับดันอากาศ

หลักการทำงาน

• ดูดอากาศและเชื้อเพลิง อากาศจะถูกดูดเข้าไปผสมกับเชื้อเพลิงในคาร์บูเรเตอร์หรือระบบฉีดเชื้อเพลิง
• อัดและเผาไหม้ ลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้นเพื่ออัดส่วนผสมให้มีความดันสูง จากนั้นหัวเทียนจะจุดประกายไฟเพื่อทำให้เกิดการเผาไหม้อย่างรวดเร็ว
• สร้างกำลัง การเผาไหม้จะสร้างแรงระเบิดมหาศาลดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ลงอย่างรุนแรง
• ขับเคลื่อนใบพัด แรงจากการเคลื่อนที่ของลูกสูบจะถูกส่งผ่านเพลาข้อเหวี่ยงเพื่อหมุนใบพัด

ข้อดี

• ต้นทุนต่ำ มีต้นทุนการผลิตและบำรุงรักษาที่ถูกกว่ามากเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ประเภทอื่น
• ประสิทธิภาพสูงในการบินช้า ประหยัดน้ำมันมากที่สุดเมื่อบินที่ความเร็วต่ำและระดับความสูงต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับเครื่องบินเล็ก, เครื่องบินฝึก, หรือเครื่องบินที่ใช้ในภารกิจการเกษตรหรือการสำรวจ

ข้อเสีย

• ความเร็วจำกัด ไม่สามารถทำความเร็วได้สูงมากเนื่องจากใบพัดจะเริ่มสูญเสียประสิทธิภาพเมื่อหมุนด้วยความเร็วสูงมาก
• ไม่เหมาะกับการบินสูง ประสิทธิภาพลดลงอย่างมากในอากาศที่เบาบางและมีอุณหภูมิต่ำ
• เสียงดัง การหมุนของใบพัดและเสียงเครื่องยนต์สร้างมลพิษทางเสียงค่อนข้างมาก

เครื่องยนต์เทอร์โบพร็อพ (Turboprop Engine)

เป็นเครื่องยนต์ที่นำเทคโนโลยีของเครื่องยนต์ไอพ่นมาใช้ในการขับเคลื่อนใบพัด โดยใช้แก๊สเทอร์ไบน์เพื่อสร้างแรงหมุนแทนการใช้ลูกสูบ ทำให้มีกำลังมากกว่าและมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบมาก

หลักการทำงาน

• ดูดอากาศ อากาศจะถูกดูดเข้าทางด้านหน้าของเครื่องยนต์
• อัดอากาศ อากาศจะถูกอัดด้วยคอมเพรสเซอร์ (Compressor) ให้มีความดันสูง
• เผาไหม้ เชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าไปผสมและจุดระเบิดในห้องเผาไหม้ (Combustion Chamber)
• ขับเคลื่อนใบพัด แก๊สร้อนที่เกิดขึ้นจะถูกพ่นผ่านใบพัดเทอร์ไบน์ (Turbine) เพื่อสร้างแรงหมุน ซึ่งแรงหมุนนี้จะถูกส่งไปขับเคลื่อนใบพัดขนาดใหญ่ด้านหน้าผ่านชุดเกียร์

ข้อดี

• ประหยัดเชื้อเพลิง เป็นเครื่องยนต์ที่ประหยัดน้ำมันที่สุดสำหรับการบินในระยะปานกลางที่ความเร็วไม่สูงมาก
• มีแรงขับสูง ให้แรงขับที่สม่ำเสมอและทรงพลังกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบ
• ขึ้นลงสั้น เหมาะสำหรับเครื่องบินที่ต้องใช้งานในสนามบินขนาดเล็กที่มีทางวิ่งสั้นๆ

ข้อเสีย

• ความเร็วจำกัด ยังคงมีข้อจำกัดเรื่องความเร็วสูงสุดเช่นเดียวกับเครื่องยนต์ลูกสูบ
• ซับซ้อนกว่า มีโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบ ทำให้ค่าใช้จ่ายในการผลิตและการซ่อมบำรุงสูงกว่า

2. เครื่องยนต์ไอพ่น (Jet Engine)

เครื่องยนต์ไอพ่นสร้างแรงขับโดยการดูดอากาศจำนวนมหาศาลเข้าทางด้านหน้า อัดอากาศให้มีความดันสูง เผาไหม้กับเชื้อเพลิง และพ่นแก๊สร้อนออกมาทางด้านหลังด้วยความเร็วสูงมาก แรงปฏิกิริยาจากการพ่นแก๊สจะผลักดันเครื่องบินให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า

เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต (Turbojet Engine)

เป็นเครื่องยนต์ไอพ่นชนิดแรกๆ ที่ถูกคิดค้นขึ้น อากาศที่ถูกดูดเข้ามาทั้งหมดจะถูกอัดและเผาไหม้ภายในแกนกลางของเครื่องยนต์ จากนั้นจะถูกพ่นออกไปทั้งหมดเพื่อสร้างแรงขับ

หลักการทำงาน

• ดูดอากาศ อากาศจะถูกดูดเข้าสู่เครื่องยนต์
• อัดอากาศ อากาศจะถูกบีบอัดด้วยชุดคอมเพรสเซอร์ (Compressor)
• เผาไหม้ อากาศที่ถูกอัดจะถูกส่งไปยังห้องเผาไหม้เพื่อผสมกับเชื้อเพลิงและจุดระเบิด
• สร้างแรงขับ แก๊สร้อนจากการเผาไหม้จะถูกพ่นออกทางด้านหลังด้วยความเร็วสูง สร้างแรงขับดันมหาศาล

ข้อดี

• ความเร็วสูง สามารถสร้างแรงขับมหาศาล ทำให้เครื่องบินทำความเร็วได้สูงมาก จนถึงระดับความเร็วเหนือเสียง (Supersonic)
• โครงสร้างเรียบง่าย เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ไอพ่นรุ่นใหม่

ข้อเสีย

• สิ้นเปลืองเชื้อเพลิง กินน้ำมันอย่างมหาศาล โดยเฉพาะที่ความเร็วต่ำหรือขณะแท็กซี่ในสนามบิน
• เสียงดัง เป็นเครื่องยนต์ที่สร้างเสียงดังมากในขณะทำงาน
• ไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ปล่อยมลพิษออกมาในปริมาณมาก

เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน (Turbofan Engine)

เป็นเครื่องยนต์ที่พัฒนามาจากเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต โดยเพิ่มพัดลมขนาดใหญ่ (Fan) เข้าไปด้านหน้าเพื่อดูดอากาศส่วนใหญ่ให้ไหลผ่านรอบแกนกลางของเครื่องยนต์ (เรียกว่า Bypass Air) และมีอากาศเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่จะไหลเข้าสู่แกนกลางเพื่อทำการเผาไหม้

หลักการทำงาน

• พัดลมขนาดใหญ่ ใบพัดขนาดใหญ่ด้านหน้าจะดูดอากาศจำนวนมากเข้ามา
• แบ่งอากาศ อากาศส่วนใหญ่ (Bypass Air) จะถูกบังคับให้ไหลไปตามท่อด้านนอกแกนเครื่องยนต์เพื่อสร้างแรงขับเพิ่ม และช่วยลดเสียงรบกวน
• เผาไหม้ อากาศส่วนที่เหลือจะถูกส่งเข้าแกนกลางเพื่ออัด เผาไหม้ และสร้างแรงขับเช่นเดียวกับเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต

ข้อดี

• ประหยัดเชื้อเพลิง ประหยัดกว่าเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตมากถึง 30-40% เนื่องจากแรงขับส่วนใหญ่มาจาก Bypass Air
• เสียงเงียบกว่า การที่ Bypass Air ช่วยสร้างแรงขับส่วนใหญ่ทำให้เสียงเครื่องยนต์เงียบกว่ามาก
• เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ปล่อยมลพิษน้อยลง

ข้อเสีย

• โครงสร้างซับซ้อนและขนาดใหญ่ มีชิ้นส่วนมากกว่า ทำให้มีน้ำหนักมากและมีต้นทุนการผลิตและการบำรุงรักษาสูง

ในโลกของการบิน เครื่องยนต์เปรียบเสมือนหัวใจที่ขับเคลื่อนอากาศยานให้สามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงและทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้าได้ การทำความเข้าใจประเภทของเครื่องยนต์จึงเป็นก้าวแรกที่สำคัญในการสำรวจโลกแห่งวิศวกรรมการบินอันน่าทึ่ง ตั้งแต่เครื่องยนต์แบบใบพัดที่เรียบง่ายซึ่งเป็นพื้นฐานของเครื่องบินยุคแรกๆ ไปจนถึงเครื่องยนต์ไอพ่นอันทรงพลังที่ขับเคลื่อนเครื่องบินโดยสารขนาดใหญ่ในปัจจุบัน แต่ละประเภทถูกออกแบบมาเพื่อภารกิจที่แตกต่างกัน โดยมีจุดเด่นและข้อจำกัดที่สะท้อนให้เห็นถึงความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีตลอดระยะเวลาที่ผ่านมา