ราอาจคุ้นเคยกับเครื่องบินมีปีกอย่างมาก แต่ก็ยังมีอากาศยานอีกแบบที่พัฒนาจากของเล่นเด็ก เป็นอากาศยานที่บินขึ้น-ลงในแนวดิ่งได้ หยุดลอยตัวกลางอากาศก็ได้ อีกอร์ ซีคอร์สกี เป็นคนแรกที่ประสบความสำเร็จในการออกแบบและสร้างเฮลิคอปเตอร์ที่เป็นต้นแบบของเฮลิคอปเตอร์
เมื่อพูดถึงเรื่องราวการสร้างหรือพัฒนาอากาศยาน คนส่วนใหญ่คงนึกถึงพี่น้องตระกูลไรต์กับการสร้างเครื่องบิน แต่หากถามว่า ใครเป็นผู้ประดิษฐ์เฮลิคอปเตอร์? คนส่วนใหญ่คงนึกคำตอบไม่ออกแน่นอน ทั้งนี้อาจเพราะเรื่องราวหรือข้อมูลการประดิษฐ์เฮลิคอปเตอร์ไม่ได้ปรากฏอยู่ในหนังสือแบบเรียน รวมทั้งไม่ค่อยมีการพูดถึงเรื่องเฮลิคอปเตอร์บ่อยเท่ากับเครื่องบินด้วย
ความจริงไอเดียของการสร้างสิ่งประดิษฐ์ที่บินขึ้น-ลงในแนวดิ่งได้อย่างเฮลิคอปเตอร์ สืบย้อนกลับไปได้ถึงช่วง 400 ปีก่อนคริสตกาล มีบันทึกว่า ชาวจีนโบราณรู้จักประดิษฐ์ของเล่นทำจากแท่งไม้และติดขนนกไว้ที่ปลายข้างหนึ่ง เมื่อจะเล่นก็นำแท่งไม้มาวางระหว่างฝ่ามือ จากนั้นปั่นแท่งไม้ให้หมุนอย่างรวดเร็วเพื่อให้เกิดแรงยก พร้อมกับปล่อยแท่งไม้ออกไป มีการสันนิษฐานว่า ของเล่นชนิดนี้อาจเกิดจากการเลียนแบบเมล็ดต้นซิกคามอร์ (sycamore) ซึ่งเมล็ดมีครีบสองข้างคล้ายปีก เมื่อร่วงจากต้น เมล็ดจะหมุนเป็นเกลียว ทำให้ลอยอยู่ในอากาศได้
รูปแบบการบินขึ้น-ลงในแนวดิ่งปรากฏในสมุดภาพของอัจฉริยะศิลปินอย่าง เลโอนาร์โด ดาวินชี (Leonardo da Vinci) ด้วยเช่นกัน เลโอนาร์โดวาดสิ่งประดิษฐ์ที่เรียกว่า แอเรียลสกรูว์ (aerial-screw) ออกมาใน พ.ศ. 2026 ภาพ แอเรียลสกรูว์แสดงชัดเจนว่ามีใบพัดเป็นรูปร่างคล้ายสว่านเกลียว ตามบันทึกระบุว่า สิ่งประดิษฐ์นี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 20 ฟุต ทำด้วยผ้าลินินเคลือบแป้งเพื่อป้องกันอากาศผ่าน ใช้ลวดเหล็กยึดผ้าใบ สิ่งประดิษฐ์ทำงานโดยอาศัยแรงปั่นจากคนสี่คน
มีการตั้งข้อสังเกตจากภาพวาดแอเรียลสกรูว์ของเลโอ-- นาร์โดข้อหนึ่ง นั่นคือ เหตุใดเลโอนาร์โดจึงไม่ใส่จักรกลใดๆ เข้าไปในแบบสิ่งประดิษฐ์ชิ้นนี้เลย ทั้งที่เขาออกแบบเครื่องจักรเครื่องกลไว้มากมายหลายอย่าง อย่างไรก็ดี ต้องยอมรับว่า แนวคิดการออกแบบของเลโอนาร์โด ดาวินชีมีความก้าวล้ำนำหน้าเทคโนโลยีในยุคนั้นอย่างมาก
การออกแบบและประดิษฐ์อากาศยานที่บินขึ้น-ลงในแนวดิ่งมาปรากฏอย่างชัดเจนในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 18 โดยของเด็กเล่นชาวจีนนี้ทำให้นักประดิษฐ์หลายคนเกิดแรงบันดาลใจในการออกแบบและประดิษฐ์ขึ้น ซึ่งขอกล่าวถึงผลงานของนักประดิษฐ์บางคนที่น่าสนใจ ดังนี้
ใน พ.ศ. 2297 มิคาอิล โลโมโนซอฟ (Mikhail Lo- monosov) นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ทดลองประดิษฐ์แบบจำลองการบินในแนวดิ่งขนาดเล็ก โดยนำของเด็กเล่นชาวจีนมาดัดแปลงให้มีใบพัดสองชุดอยู่บนแกนเดียวกัน และใช้ขดสปริงเป็นแหล่งพลังงานในการหมุนใบพัด ซึ่งแบบจำลองนี้ก็บินได้ด้วย
ถัดมาที่ประเทศฝรั่งเศส พ.ศ. 2326 โลนัว (Launoy) กับ เบียงเวอนู (Bienvenu) สองนักประดิษฐ์ชาวฝรั่งเศส ร่วมกันประดิษฐ์แบบจำลองการบินในแนวดิ่ง โดยนำของเด็กเล่นของชาวจีนมาดัดแปลงเช่นกัน แบบจำลองการบินของพวกเขามี ใบพัดที่ทำจากขนไก่งวง และใช้แกนหมุนใบพัดสองชุดหมุนสวนทางกันเพื่อให้แรงบิดที่เกิดจากแกนหมุนทั้งสองหักล้างกันหมด
ข้ามมาที่ประเทศอังกฤษ เซอร์จอร์จ เคย์เลย์ (Sir George Cayley) เป็นนักประดิษฐ์อีกคนที่ได้แรงบันดาลใจจากของเด็กเล่นชาวจีน ใน พ.ศ. 2339 เขาประดิษฐ์แบบจำลองการบินในแนวดิ่งที่ดัดแปลงจากของเด็กเล่นชาวจีน และด้วยความบังเอิญทำให้ผลงานของเขามีส่วนคล้ายกับสิ่งประดิษฐ์ของโลนัวและ เบียงเวอนูมาก นอกจากนี้ เคย์เลย์ยังมีผลงานการออกแบบอากาศยานบินขึ้น-ลงในแนวดิ่งเด่นมากชิ้นหนึ่งที่เขาเรียกมันว่า รถม้าบิน (aerial carriage) ซึ่งเผยแพร่ออกมาใน พ.ศ. 2386 ตามแบบนั้น ตัวยานประกอบด้วยใบพัดทั้งหมดห้าชุด โดย ใบพัดสี่ชุดติดอยู่ข้างยานทำหน้าที่ยกยานขึ้นในแนวดิ่ง ส่วนใบพัดชุดที่ห้าอยู่ด้านหน้าทำหน้าที่ขับเคลื่อนยานให้บินไปข้างหน้า แต่ก็ไม่ได้สร้างขึ้นจริงแต่อย่างใด
วีกงต์ กูสตาฟ ปงตง เด อาเมอกูรต์ (Vicomte Gustave Ponton d Amecourt) เป็นชาวฝรั่งเศสอีกคนที่ออกแบบและประดิษฐ์แบบจำลองการบินในแนวดิ่งไว้หลายแบบด้วยกัน ผลงานชิ้นหนึ่งของเขาเป็นเครื่องจักรที่มีใบพัดสองชุดอยู่บนแกนหมุนเดียวกัน ซึ่งชุดใบพัดขับเคลื่อนด้วยเครื่องจักรไอน้ำให้หมุนสวนทางกัน ทว่าสิ่งประดิษฐ์ชิ้นนี้ก็ยังบินไม่ได้ แต่ในบรรดา สิ่งประดิษฐ์ทั้งหลายของวีกงต์ กูสตาฟ ปงตง เด อาเมอกูรต์นั้น มีชิ้นหนึ่งเป็นแบบจำลองการบิน ที่ขับเคลื่อนด้วยขดสปริง ซึ่งเขาเรียกมันว่า เอลี---- กอปแตร์ (helicoptere) โดยเกิดจากภาษากรีกสองคำรวมกัน คือ helix หรือ helic หมายถึง หมุนเป็นวง กับ pteron หมายถึง ขนนกหรือปีก ซึ่งต่อมาคำนี้เปลี่ยนแปลงไปเป็นคำว่า เฮลิคอปเตอร์ (helicopter) และใช้เรียกอากาศยานที่บินขึ้น-ลงในแนวดิ่งได้ด้วยใบพัดด้านบนมาจนปัจจุบัน
ทอมัส เอดิสัน เป็นอีกคนหนึ่งที่ทดลองสร้างเฮลิคอปเตอร์ด้วย ใน พ.ศ. 2428 เขาได้ทุน 1,000 ดอลลาร์จาก เจมส์ กอร์ดอน เบนเนตต์ (James Gordon Bennett) เพื่อประดิษฐ์อากาศยานที่บินขึ้น-ลงในแนวดิ่งได้ เอดิสันทดลองประดิษฐ์เฮลิคอปเตอร์ขนาดเล็กไว้หลายแบบด้วยกัน ระยะแรกเขาทดลองต่อใบพัดของสิ่งประดิษฐ์เข้ากับเครื่องจักรที่ใช้ดินสำลี (guncotton) หรือเซลลูโลสไนเตรต (cellulosenitrate) เป็นเชื้อเพลิง (เครื่องจักรที่ใช้ดินสำลีเป็นเชื้อเพลิงเป็นรูปแบบแรกๆ ของเครื่องยนต์สันดาปภายในที่สร้างขึ้นมา) แต่การทดลอง ไม่ประสบความสำเร็จ ในเวลาต่อมาเขาเปลี่ยนมาทดลองใช้มอเตอร์ไฟฟ้าแทนแต่ก็ยังล้มเหลว
แม้จะไม่ประสบความสำเร็จ แต่เอดิสันก็เป็นนักประดิษฐ์กลุ่มแรกๆ ที่เริ่มเข้าใจว่า การสร้างอากาศยานให้บินขึ้น-ลงในแนวดิ่งได้ต้องออกแบบใบพัดให้มีลักษณะเป็นใบแคบยาวซึ่งสร้างแรงยกได้ดีกว่า และต้องปรับปรุงใบพัดให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น รวมถึงใช้เครื่องยนต์ที่มีกำลังมากขึ้นด้วย แม้จะสร้างเฮลิคอปเตอร์ไม่สำเร็จ ทว่าเอดิสันก็ยังจดสิทธิบัตรแบบของเฮลิคอปเตอร์ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์เบนซินซึ่งเขาคิดขึ้นเอง
การโผบินอย่างเป็นทางการ
ข้ามมาถึงศตวรรษที่ 20 หลังจากสองพี่น้องตระกูลไรต์ประสบความสำเร็จในการทดลองบินด้วยเครื่องบินใน พ.ศ. 2446 ถัดมาอีกสี่ปีการทดลองบินด้วยเครื่องเฮลิคอปเตอร์จึงประสบผลสำเร็จ โดยช่วงระหว่างเดือนสิงหาคมถึงกันยายน พ.ศ. 2450 (ไม่ทราบวันที่แน่นอน) สองพี่น้องชาวฝรั่งเศสคือ ชากส์ เบรอเก (Jacques Breguet) กับ ลุยส์ เบรอเก (Louis Breguet) นำเครื่องไจโรเพลนหมายเลข 1 (Gyroplane No.1) ซึ่งเป็นเฮลิคอปเตอร์ที่พวกเขาสร้างขึ้นออกทดสอบ ผลปรากฏว่าเครื่องบินขึ้นจากพื้นได้ประมาณสองฟุต (0.6 เมตร) และบินได้นานราวหนึ่งนาที แต่ขณะบินไจโรเพลนหมายเลข 1 ยังขาดความเสถียร ต้องอาศัยคนนั่งถ่วงที่ปลายเครื่องข้างละคนเพื่อสร้างสมดุล แม้การทดลองจะไม่ประสบความสำเร็จนัก แต่มันก็ได้รับการบันทึกว่าเป็นการบังคับบินโดยนักบินครั้งแรก ถึงจะไม่ใช่การบังคับบินอย่างอิสระก็ตาม
สำหรับการบังคับบินอย่างอิสระที่บันทึกไว้อย่างเป็นทางการนั้นเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 13 พฤศจิกายนในปีเดียวกัน โดยปอล คอร์นู (Paul Cornu) นักประดิษฐ์ชาวฝรั่งเศสอีกคน นำ เฮลิคอปเตอร์ชื่อ คอร์นู (Cornu) ออกบินทดสอบ เฮลิคอปเตอร์ของปอลติดตั้งเครื่องยนต์ที่มีกำลังขับ 24 แรงม้าเพื่อขับเคลื่อนแกนหมุนใบพัด ในการทดสอบนี้นักบินบังคับเครื่องให้บินสูงจากพื้นได้ประมาณหนึ่งฟุตและบินได้นาน 20 วินาทีเท่านั้น แม้ความสูงและเวลาบินจะน้อยกว่าไจโรเพลนหมายเลข 1 แต่การทดสอบครั้งนี้ก็ได้รับการยอมรับว่าเป็นการบังคับบินโดยนักบินอย่างอิสระครั้งแรกอย่างเป็นทางการ
จากนั้นการพัฒนาเฮลิคอปเตอร์ก็เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้เครื่องบินได้สูงและไกลขึ้น แต่แบบเฮลิคอปเตอร์ที่สร้างในระยะแรกจะต่างจากที่พบเห็นทั่วไปในปัจจุบัน รูปแบบของเฮลิคอปเตอร์ที่เห็นจนคุ้นตาทุกวันนี้เป็นผลงานการออกแบบและพัฒนาของชาวรัสเซียชื่อ อีกอร์ ซีคอร์สกี (Igor Sikorsky) และเป็นคนแรกที่ประสบความสำเร็จในการออกแบบและสร้างเฮลิคอปเตอร์ที่ใช้ใบพัดหลักชุดเดียว โดยใน พ.ศ. 2482 เขาสร้างเฮลิคอปเตอร์ต้นแบบชื่อ วีเอส-300 (VS-300) และนำออกบินทดสอบในเดือนกันยายนปีเดียวกันด้วย
ด้วยเหตุที่วีเอส-300 เป็นเฮลิคอปเตอร์ที่ใช้ใบพัดหลักชุดเดียวต่างจากเฮลิคอปเตอร์แบบอื่นที่ใช้ใบพัดหลักสองชุด ดังนั้นเครื่องจึงมีระบบการทำงานซับซ้อนน้อยกว่า น้ำหนักเบากว่า และบังคับควบคุมได้ง่ายกว่า ซึ่งซีคอร์สกีนำเครื่องต้นแบบนี้ทดลองและปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง กระทั่งกลาง พ.ศ. 2484 เครื่องวีเอส-300 ที่ผ่านการปรับปรุงและพัฒนาหลายครั้งก็บินในอากาศได้นานถึง 1 ชั่วโมง 32 นาที 26.1 วินาทีจากที่ครั้งแรกเครื่องบินได้นานประมาณหนึ่งถึงสองนาทีเท่านั้น หลังจากนั้นซีคอร์สกียังนำเครื่องวีเอส-300 มาพัฒนาต่อกระทั่งกลาย เป็นเครื่องซีคอร์สกี อาร์-4 (Sikorsky R-4) เฮลิคอปเตอร์รุ่นแรกของโลกที่มีการผลิตในเชิงอุตสาหกรรม และเป็นเฮลิคอปเตอร์รุ่นแรกที่กองทัพอากาศสหรัฐอเมริกานำมาใช้งานจริง
นำจุดเด่นมาประยุกต์ใช้
ด้วยเหตุที่เฮลิคอปเตอร์เป็นอากาศยานที่บินขึ้น-ลงในแนวดิ่งได้โดยไม่ต้องใช้รันเวย์ บินลอยตัวนิ่งกลางอากาศได้ทั้งที่ระดับสูงและระดับต่ำ รวมทั้งยังบินถอยหลังได้ด้วย ซึ่งสมบัติต่างๆ เหล่านี้ล้วนแล้วแต่เป็นจุดเด่นของเฮลิคอปเตอร์ที่ช่วย ชดเชยจุดด้อยเรื่องความเร็วในการบินเมื่อเทียบกับเครื่องบิน ได้อย่างดี ทำให้นำไปปรับใช้ในภารกิจหลายอย่างที่เครื่องบิน ไม่อาจทำได้ เช่น การรับ-ส่งบุคคลใกล้จุดหมาย การกู้ภัยหรือช่วยชีวิตผู้ประสบภัยในสถานการณ์ต่างๆ ไม่ว่าผู้ประสบภัย จะอยู่กลางทะเล อยู่ในหุบเขา หรืออยู่ในตึกสูงที่ไฟกำลังลุกไหม้ รวมถึงสถานที่อื่นๆ ที่เครื่องบินไม่อาจลงจอดได้
นอกเหนือจากภารกิจกู้ภัย ยังมีการขยายขอบเขตการใช้งานของอากาศยานชนิดนี้ออกไปอีก โดยเป็นส่วนหนึ่งของภารกิจอีกหลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็นการบินติดตามรถยนต์คนร้าย การบินเก็บภาพสวยๆ จากมุมสูงสำหรับถ่ายภาพยนตร์และสารคดี การบินสำรวจสภาพแวดล้อมเป้าหมายเพื่อรายงานข่าว ฯลฯ ซึ่งสิ่งเหล่านี้ทำให้การใช้งานเฮลิคอปเตอร์มีเพิ่มขึ้น นอกเหนือจากการใช้งานทางการทหาร
แรงบิดกับเฮลิคอปเตอร์แบบต่างๆ
เฮลิคอปเตอร์ที่เห็นกันทั่วไปนั้นมักมีใบพัดหลักหนึ่งชุดอยู่ด้านบนเครื่อง และมีใบพัดขนาดเล็กอีกชุดที่หาง แต่เพราะเหตุใดเฮลิคอปเตอร์บางแบบจึงมีลักษณะต่างออกไป เช่น มีใบพัดหลักสองชุดอยู่ร่วมแกนเดียวกัน หรือมีใบพัดหลักที่ส่วนหัวและท้าย หรือมีใบพัดหลักหนึ่งชุดแต่ไม่มีใบพัดหาง เป็นต้น
การที่เฮลิคอปเตอร์มีหลายรูปแบบเป็นผลสืบเนื่องจาก การแก้ไขหรือกำจัดแรงบิดหรือทอร์ก (torque) ที่เกิดขึ้น เนื่องจากเฮลิคอปเตอร์บินโดยอาศัยแรงยกที่เกิดจากการหมุนใบพัดด้านบน แต่ขณะที่แกนใบพัดกำลังหมุนอย่างรวดเร็วทำให้เกิดแรงบิดเป็นผลพลอยได้ด้วย แรงนี้มีทิศตรงข้ามกับการหมุน ของใบพัดหลัก ซึ่งหากไม่กำจัดหรือจัดการแรงบิดจะทำให้ เฮลิคอปเตอร์ทั้งลำหมุนรอบแกนใบพัดในทิศตรงข้ามกับการหมุนของใบพัด และทำให้เฮลิคอปเตอร์รักษาทิศการเคลื่อนที่ รวมทั้งควบคุมการหันไม่ได้
เมื่อแรงบิดมีทิศตรงข้ามกับการหมุนของใบพัดหลัก ดังนั้นจึงต้องหาวิธีจัดการหรือกำจัด ซึ่งใบพัดหาง (tail rotor) ถือเป็นอุปกรณ์ต้านแรงบิดอย่างหนึ่งนั่นเอง และซีคอร์สกีเป็นคนแรกที่ประสบความสำเร็จในการพัฒนาเฮลิคอปเตอร์ใช้ใบพัด หลักชุดเดียว และใช้ใบพัดหางเพื่อต้านแรงบิด ทั้งนี้ (ตาม ความเห็นของผู้เรียบเรียง) การแก้ปัญหาแรงบิดมีสองลักษณะด้วยกันคือ
1. การใช้อุปกรณ์เสริม เป็นวิธีจัดการแรงบิดของเฮลิคอปเตอร์ที่มีใบพัดหลักชุดเดียว โดยนอกจากใบพัดหางแล้วยังมีอุปกรณ์หรือระบบอื่น ได้แก่
ท่อพัดลม (Ducted Fan) เป็นอุปกรณ์ต้านแรงบิดที่นำมาใช้กับเฮลิคอปเตอร์ตั้งแต่ยุคทศวรรษที่ 1960 (พ.ศ. 2503-2512) แล้ว โดยบริษัท ซุด เอวิเอชัน (Sud Aviation) ระบบนี้มีลักษณะคล้ายชุดใบพัดหางเฮลิคอปเตอร์ทั่วไป แต่ใบพัดทั้งหมดถูกครอบหรือผนึกเป็นส่วนหนึ่งในโครงสร้างหาง นอกจากนี้จำนวนใบพัดของอุปกรณ์จะมีประมาณ 8-18 ใบต่างจากใบพัดหางทั่วไปที่มีใบพัดเพียงสองหรือสี่ใบเท่านั้น
จุดเด่น
1. โครงสร้างของอุปกรณ์ช่วยป้องกันไม่ให้ใบพัด กระทบวัตถุอื่น จึงเพิ่มความปลอดภัยให้กับบุคคล และสิ่งของที่อยู่ใกล้ใบพัด รวมทั้งป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดกับชุดใบพัด
2. การผนึกชิ้นส่วนไว้ในโครงสร้างอย่างแข็งแรงช่วยลดการสั่นของอุปกรณ์ขณะทำงาน ทำให้เกิดเสียงดังรบกวนน้อยลง
จุดด้อย
1. การทำงานของอุปกรณ์ต้องใช้พลังงานมากกว่าใบพัดหาง เพราะโครงสร้างและชิ้นส่วนมีน้ำหนักมากกว่า อีกทั้งโครงสร้างลักษณะปิดทึบก็ทำให้เกิดความต้านทานอากาศมากกว่าใบพัดแบบเปิดโล่ง
2. ใช้ต้นทุนในการผลิตสูงกว่า
โนทาร์ (NOTAR) มาจากคำว่า NO TAil Rotor หมายถึง ไม่มีใบพัดหาง ระบบต้านแรงบิดของเฮลิคอปเตอร์นี้พัฒนาโดยวิศวกรจากบริษัท ฮิวส์ เฮลิคอปเตอร์ (Hughes Helicop- ter) ตั้งแต่ พ.ศ. 2518 และประสบความสำเร็จในการบิน ทดสอบใน พ.ศ. 2529 การทำงานของระบบต้านแรงบิดมีลักษณะคล้ายการสร้างแรงยกของปีกเครื่องบิน
ในเฮลิคอปเตอร์ทั่วไป กระแสอากาศหรือลมที่เกิดจากการหมุนของใบพัดด้านบนเครื่องจะถูกผลักให้เคลื่อนที่ลงข้างล่าง และปะทะกับหางเฮลิคอปเตอร์ก่อนจะผ่านเลยไป แต่การเคลื่อนที่ของอากาศในระบบโนทาร์จะแตกต่างออกไป โครงสร้างของส่วนหางเฮลิคอปเตอร์ที่ใช้ระบบต้านแรงบิดนี้จะมีช่องแคบยาวสองช่องอยู่ที่ผนังด้านข้างด้านหนึ่ง อากาศจากภายนอกจะถูกดูดเข้าทางส่วนหางตอนต้นที่มีพัดลม (pitch fan) และถูกพ่นไปทางปลายหาง ทำให้ลมบางส่วนลอดออกทางช่องแคบยาวนี้ และชักนำให้กระแสลมจากใบพัดหลักเกิดการไหลไปตามผิวด้านนอกหางเฮลิคอปเตอร์คล้ายกระแสอากาศที่ไหลผ่านปีกเครื่องบิน การเคลื่อนที่ของอากาศเช่นนี้ทำให้ความดันอากาศส่วนหางด้านที่มีช่องแคบลดลง ซึ่งหากเป็นปีกเครื่องบินจะเกิดแรงยกใต้ปีกขึ้น แต่ในกรณีนี้จะเกิดแรงผลักหรือแรงต้านแรงบิดขึ้นที่ส่วนหาง
จุดเด่นคือ เป็นระบบที่ให้ความปลอดภัยสูงแก่บุคคลรวมถึงวัตถุต่างๆ ที่อยู่ใกล้หางเฮลิคอปเตอร์ เพราะชุดใบพัดทั้งหมดอยู่ภายในหาง นอกจากนี้ยังทำให้เกิดเสียงดังรบกวนน้อยที่สุดด้วย
จุดด้อยคือ ความซับซ้อนในการทำงานของระบบ ทำให้ต้นทุนการสร้างเฮลิคอปเตอร์เพิ่มสูงขึ้น อีกทั้งระบบยังต้องการเครื่องยนต์ที่มีกำลังมากขึ้นส่งผลให้เฮลิคอปเตอร์กินน้ำมันมากขึ้น และบินได้ระยะทางสั้นลง
ทิปเจ็ต (Tip Jets) เป็นเฮลิคอปเตอร์แบบพิเศษที่ไม่ใช้เครื่องยนต์หมุนแกนใบพัด การขับเคลื่อนใบพัดทำโดยติดท่อไอพ่นที่ปลายปีก และส่งเชื้อเพลิงไปเผาไหม้ที่ปลายปีก แรงขับดันที่เกิดขึ้นจะทำให้ใบพัดหมุนอย่างรวดเร็วลักษณะเดียวกับการยึดจรวดด้วยเชือกที่ผูกโยงติดกับเสา ทำให้จรวดเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบเสา
ในทางปฏิบัติจริง แม้วิธีนี้จะมีจุดเด่นที่ทำให้ไม่เกิดแรงบิด ดังนั้นเฮลิคอปเตอร์จึงไม่ต้องมีใบพัดหาง แต่จุดด้อยสำคัญคือ การหมุนใบพัดด้วยแรงขับดันจากท่อไอพ่นมีประสิทธิภาพการทำงานต่ำกว่าการใช้เครื่องยนต์มาก เนื่องจากระบบไอพ่นต้องการเชื้อเพลิงปริมาณมาก ดังนั้นจึงไม่มีการผลิตเฮลิคอปเตอร์แบบนี้ออกมาใช้งานจริง
2. การใช้ใบพัดหลักสองชุด โดยออกแบบให้เฮลิคอปเตอร์มีชุดใบพัดหลักสองชุด และให้ชุดใบพัดหมุนทวนกันทำให้แรงบิดที่เกิดจากการหมุนของใบพัดแต่ละชุดหักล้างกันหมด เฮลิคอปเตอร์ประเภทนี้จึงไม่ต้องใช้ใบพัดหาง จุดเด่นร่วมของเฮลิคอปเตอร์ที่ใช้ใบพัดหลักสองชุดคือ เครื่องบรรทุกน้ำหนักหรือสัมภาระได้มากขึ้น เพราะใบพัดสองชุดช่วยสร้างแรงยกได้มากขึ้น และใบพัดทำหน้าที่สร้างแรงยกอย่างเดียวไม่ต้องสร้างแรงต้านแรงบิด สิ่งที่น่าสนใจคือ การที่เฮลิคอปเตอร์มีใบพัดหลักสองชุดทำให้วางชุดใบพัดหลักได้หลายแบบดังนี้
ใบพัดเรียงตามกัน (Tandem Rotors) เป็นเฮลิคอปเตอร์ที่ติดใบพัดหลักสองชุดไว้ที่ส่วนหัวและท้าย และควบคุมให้ใบพัดทั้งสองชุดหมุนทวนกัน โดยแกนหมุนใบพัดทั้งคู่จะเชื่อมต่อกับระบบเกียร์ของเครื่องยนต์ ทำให้ชุดใบพัดหมุนสัมพันธ์กัน และไม่กระทบกันเมื่อเครื่องยนต์ขัดข้อง ปัจจุบันเฮลิคอปเตอร์แบบนี้ยังใช้งานอยู่ โดยเครื่องที่มีชื่อเสียงมากที่สุดคือ เฮลิ-- คอปเตอร์รุ่นซีเอช-47 ชินุก (CH-47 Chinook) ของบริษัท โบอิ้งเฮลิคอปเตอร์ (Boeing Helicopters) ซึ่งผลิตออกมามากกว่า 1,100 ลำ
จุดเด่น
1. เฮลิคอปเตอร์ชนิดนี้มีจุดศูนย์ถ่วงขนาดใหญ่ มีความเสถียรตามแนวยาว
2. แม้จะใช้ใบพัดสั้นแต่เนื่องจากใช้ใบพัดหลักสองชุด เฮลิคอปเตอร์จึงบรรทุกน้ำหนักได้มาก
จุดด้อย
1. ระบบเกียร์มีความซับซ้อน
2. ต้องใช้แกนหมุนใบพัดขนาดใหญ่
3. บินได้ช้ากว่าเฮลิคอปเตอร์ที่ใช้ใบพัดหลักชุดเดียว
ใบพัดตามขวาง (Transverse Rotors) เฮลิคอปเตอร์แบบนี้จะวางแกนใบพัดสองชุดตามแนวขวางของลำตัวลักษณะคล้ายปีกข้าง และให้ใบพัดหมุนสวนทางกันเพื่อให้แรงบิดหักล้างกัน เฮลิคอปเตอร์ชนิดนี้ไม่เป็นที่คุ้นตาของคนส่วนใหญ่ เนื่องจากการพัฒนาหยุดชะงักไปตั้งแต่ช่วงกลางของทศวรรษที่ 1970 (พ.ศ. 2517)
ใบพัดประสานกัน (Intermeshing Rotors) เป็นเฮลิคอปเตอร์ที่ใช้ใบพัดหลักยาวสองชุด ลักษณะเด่นของเฮลิคอปเตอร์แบบนี้อยู่ที่การวางแกนใบพัดทั้งสองให้อยู่ใกล้กัน แต่แกนเอียงทำมุมหันออกจากกันเล็กน้อยไม่ได้อยู่ในระนาบเดียวกัน ดังนั้นใบพัดจึงหมุนทวนกันได้โดยไม่กระทบกัน และแรงบิดก็หักล้างกันหมด เฮลิคอปเตอร์แบบใบพัดประสานนี้ พัฒนาโดย อานโทน เฟลตต์เนอร์ (Anton Flettner) วิศวกรชาวเยอรมัน ปัจจุบันเฮลิคอปเตอร์ยังมีใช้งานอยู่บ้างในบางประเทศ
จุดเด่น
1. ระบบการทำงานไม่ซับซ้อน ดูแลรักษาง่าย
2. เฮลิคอปเตอร์ไม่มีใบหัดหาง ทำให้น้ำหนักโครงสร้างลดลง และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการยกตัวให้สูงขึ้น ทำให้บรรทุกน้ำหนักได้เพิ่มขึ้น
3. ด้วยลักษณะเครื่องที่ใช้ใบพัดยาวสองชุดทำให้ใบพัดมีพื้นที่วงหมุนขนาดใหญ่ ซึ่งนอกจากจะช่วยให้เฮลิคอปเตอร์มีความเสถียรขณะบินแล้ว ยังทำให้การรับแรงหรือน้ำหนักของใบพัดลดลง เฮลิคอปเตอร์จึงใช้พลังงานในการบินและลอยตัวน้อยลงหรืออีกนัยหนึ่งคือ เฮลิคอปเตอร์จะกินน้ำมันน้อยลงและบินได้นานขึ้นนั่นเอง
เฮลิคอปเตอร์ทั้งสามแบบที่กล่าวไปข้างต้น บางครั้งก็เรียกเป็นเฮลิคอปเตอร์ประเภททวินนอนโคแอ็กเซียล (Twin Non-Coaxial) หมายถึง เฮลิคอปเตอร์ที่มีใบพัดหลักสองชุดอยู่คนละแกนหมุน
ใบพัดคู่แกนร่วม (Coaxial Rotors) เป็นเฮลิคอปเตอร์ที่ติดตั้งใบพัดหลักสองชุดไว้บนแกนหมุนเดียวกัน และควบคุมใบพัดให้หมุนทวนกันเพื่อให้แรงบิดหักล้างกัน เทคโนโลยีนี้บุกเบิกโดยบริษัท คามอฟ (Kamov) ผู้ผลิตเฮลิคอปเตอร์สัญชาติรัสเซีย
จุดเด่น
1. บรรทุกน้ำหนักได้มาก
2. ลดเสียงดังรบกวนให้น้อยลง
3. ออกแบบเฮลิคอปเตอร์ให้มีขนาดกะทัดรัด ช่วยให้เครื่องบินขึ้น-ลงในสถานที่มีพื้นที่จำกัดได้
จุดด้อย
1. แกนหมุนของใบพัดมีโครงสร้างและส่วนประกอบซับซ้อนกว่า เพราะต้องรองรับใบพัดหลักสองชุดที่หมุนทวนกัน
2. การดูแลรักษาและซ่อมบำรุงยาก
ความเร็ว : ขีดจำกัดของเฮลิคอปเตอร์
แม้เฮลิคอปเตอร์จะมีจุดเด่นหลายอย่างไม่ว่าจะเป็นการบินขึ้น-ลงได้โดยไม่ต้องใช้รันเวย์ บินถอยหลัง และลอยตัวนิ่งกลางอากาศ แต่จุดด้อยสำคัญคือ มันบินช้ากว่าเครื่องบินมาก สถิติการบินเร็วที่สุดของเฮลิคอปเตอร์ที่มีการบันทึกไว้จนถึงวันนี้ เกิดขึ้นตั้งแต่เมื่อ 23 ปีก่อน โดยเมื่อเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2529 เฮลิคอปเตอร์แบบใบพัดเดี่ยวเวสต์แลนด์ ลิงซ์ (Westland Lynx) ของประเทศอังกฤษ บินด้วยความเร็ว 400.80 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ในช่วงระยะทาง 15 กิโลเมตร สำหรับเฮลิคอปเตอร์ส่วนใหญ่จะบินได้เร็วประมาณ 240-320 กิโลเมตรต่อชั่วโมงเท่านั้น
เหตุผลหลักที่ทำให้เฮลิคอปเตอร์ไม่อาจบินเร็วมากเป็นเพราะการทำงานของชุดใบพัดหลักเอง เนื่องจากขณะที่เฮลิคอปเตอร์พุ่งไปข้างหน้า การหมุนของใบพัดหลักทำให้เฮลิคอปเตอร์เสียสมดุลของแรงยกขึ้น
การเสียสมดุลของแรงยกคืออะไร?
การเสียสมดุลของแรงยกเป็นสภาพที่เกิดกับเฮลิคอปเตอร์ที่ใช้ใบพัดหลักชุดเดียวเท่านั้น โดยทั่วไปเมื่อเฮลิคอปเตอร์บินลอยตัวนิ่งกลางอากาศ ความเร็วในการแหวกอากาศของใบพัดทุกใบจะเร็วเท่ากัน ไม่ว่าจะเป็นใบพัดที่กวาดจากด้านหลังมาด้านหน้าหรือจากด้านหน้าไปด้านหลัง (พิจารณาในสภาพอากาศ นิ่ง) ใบพัดจึงสร้างแรงยกได้สม่ำเสมอ แต่เมื่อเฮลิคอปเตอร์บินไปข้างหน้า ความเร็วในการแหวกอากาศของใบพัดที่กวาดจากด้านหลังมาด้านหน้า และที่กวาดจากด้านหน้าไปด้านหลังจะเกิดการเปลี่ยนแปลงต่างกันมากจนต้องพิจารณาแยกกัน ดังนี้
ช่วงที่ใบพัดหมุนจากด้านหลังมาด้านหน้า หรือช่วง แอดวานซิงเบลด (advancing blade) สมมติ เฮลิคอปเตอร์บินไปข้างหน้าด้วยความเร็ว 150 กิโลเมตรต่อชั่วโมง และเครื่องยนต์หมุนแกนใบพัดทำให้ปลายใบพัดแหวกอากาศหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 400 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แต่ความ เร็วปลายใบพัดที่แท้จริงขณะใบพัดกวาดจากด้านหลังมาด้านหน้าจะมีค่าเท่ากับความเร็วของเฮลิคอปเตอร์รวมกับความ เร็วของใบพัด นั่นคือ 150+400 = 550 กิโลเมตรต่อชั่วโมง และมีผลทำให้ใบพัดสร้างแรงยกได้มากกว่าปกติในช่วง แอดวานซิงเบลด
ช่วงที่ใบพัดกวาดจากด้านหน้ามาด้านหลังหรือรีทรีต-- ติงเบลด (retreating blade) ความเร็วปลายใบพัดจริงของใบพัดจะลดลง เพราะถูกทอนด้วยความเร็วของเฮลิคอปเตอร์ ทำให้ความเร็วจริงที่ปลายใบพัดเหลือเพียง 400-150 = 250 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ดังนั้นช่วงนี้ใบพัดจะสร้างแรงยกได้น้อย กว่าปกติ เมื่อเฮลิคอปเตอร์เกิดแรงยกไม่เท่ากันสองด้านจึงเกิดสภาพเสียสมดุลของแรงยกขึ้น
การแก้ไขเรื่องนี้ บริษัทผู้ผลิตจะออกแบบให้จุดเชื่อมต่อของแกนหมุนกับใบพัดของเฮลิคอปเตอร์มีอิสระในการเคลื่อนไหว เมื่อเฮลิคอปเตอร์บินไปข้างหน้า ใบพัดที่กำลังแหวกอากาศจากด้านหลัง มาด้านหน้าจะยกใบสูงขึ้นจากระดับปกติและบิดหน้าใบพัดลงเล็กน้อยเพื่อลดมุมปะทะอากาศลงทำให้เกิดแรงยกน้อยลง ในทางตรงข้ามใบพัดที่กำลังแหวกอากาศจากด้านหน้าไปด้านหลังจะลดใบลง แต่บิดหน้าใบพัดให้เงยมากขึ้นเพื่อเพิ่มมุมปะทะอากาศทำให้สร้างแรงยกได้มากขึ้น ส่งผลให้แรงยกมีความสมดุลกันทั้งสองด้าน
แต่การแก้ความไม่สมดุลด้วยวิธีนี้มีขีดจำกัดเช่นกัน เมื่อเฮลิคอปเตอร์บินเร็วขึ้น ใบพัดที่แหวกอากาศจากด้านหน้าไปด้านหลังจะปรับเพิ่มมุมปะทะอากาศให้มากขึ้นตาม แต่เมื่อมุมปะทะอากาศของใบพัดมากเกินค่ามุมหนึ่งแล้ว นอกจากใบพัดจะสร้างแรงยกเพิ่มต่อไม่ได้แล้ว ใบพัดจะสูญเสียแรงยกอย่างรวดเร็วด้วย ทำให้ ใบพัดที่แหวกอากาศจากด้านหน้าไปด้านหลังมีสภาพเสมือน ใบพัดนิ่งหรือเกิดรีทรีตติงเบลดสตอลล์ (retreating blade stall) เหมือนการยื่นแขนออกนอกหน้าต่างรถที่กำลังวิ่งโดยคว่ำฝ่ามือแบนราบขนานพื้น และค่อยเผยอฝ่ามือขึ้นทีละน้อย จะรู้สึกได้ว่าลมที่ปะทะฝ่ามือทำให้เกิดแรงยกมากขึ้น แต่เมื่อเผยอฝ่ามือถึงจุดหนึ่งจะรู้สึกว่า ฝ่ามือเกิดการต้านลมเพียงอย่างเดียวโดยไม่เกิดแรงยกอีกต่อไป การเกิดสภาพเสมือนใบพัดนิ่งทำให้แรงยกเฮลิคอปเตอร์ทางด้านที่ใบพัดหมุนจากด้านหน้าไปด้านหลังลดลงอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เฮลิคอปเตอร์พลิกวูบลงไปทางด้านที่แรงยกลดลงไม่อาจบินเป็นแนวเส้นตรงต่อได้ นี่คือเหตุผลหลักที่ทำให้เฮลิคอปเตอร์ไม่อาจบินได้เร็วมากนั่นเอง
อย่างไรก็ตาม ก่อนที่เฮลิคอปเตอร์จะสูญเสียการควบคุมจากการเกิดสภาพเสมือนใบพัดนิ่งนั้น ใบพัดจะสั่นอย่างรุนแรงเป็นสัญญาณเตือนล่วงหน้า ซึ่งในการพัฒนาเฮลิคอปเตอร์แต่ละรุ่น บริษัทผู้ผลิตจะนำเฮลิคอปเตอร์ต้นแบบออกบินทดสอบเพื่อหาค่าความเร็วสูงสุดก่อนใบพัดจะเกิดการสั่น และกำหนดให้เป็นค่าความเร็วไม่เกิน หรือค่าวีเอ็นอี (VNE, velocity- never exceed) หรือค่าความเร็วสูงสุดของเฮลิคอปเตอร์
ความพยายามล่าสุด
แม้การเสียสมดุลของแรงยกจะเป็นเหมือนเส้นที่จำกัดความเร็วของเฮลิคอปเตอร์ทั้งหลายเอาไว้ แต่ล่าสุดมีความเป็นไปได้ว่าบริษัทผลิตเฮลิคอปเตอร์ชื่อดังอย่างบริษัท ซีคอร์สกี อาจแก้ปัญหานี้สำเร็จ โดยปีที่แล้วบริษัทเปิดตัว เอกซ์ทู (X2) เฮลิคอปเตอร์ต้นแบบที่อยู่ระหว่างการพัฒนาออกมาในงาน เฮลิเอ็กซ์โป 2008 (Heli-Expo 2008) ที่เมืองฮุสตัน สหรัฐ--อเมริกา ซึ่งเอกซ์ทูเป็นเฮลิคอปเตอร์แบบใบพัดคู่แกนร่วมมีชุดใบพัดหลักสองชุดหมุนทวนกันบนแกนหมุนเดียวทำให้แรงบิดหักล้างกันหมด เครื่องจึงไม่ต้องใช้ใบพัดหาง แต่ได้นำใบพัดหางมาใช้ช่วยขับเคลื่อนเหมือนใบพัดเรือแทน นอกจากนี้ การใช้ใบพัดหลักสองชุดยังช่วยแก้ปัญหาการเสียสมดุลของแรงยกได้ด้วย ทางบริษัท ซีคอร์สกี ตั้งเป้าว่า หากการพัฒนาประสบความสำเร็จ เทคโนโลยีนี้จะทำให้เฮลิคอปเตอร์บินได้เร็วถึง 460 กิโลเมตรต่อชั่วโมงทีเดียว
ซึ่งเราก็คงต้องรอดูอนาคตของเฮลิคอปเตอร์ยุคใหม่กันอีกระยะ....
ขอบคุณข้อมูลจากนิตยสาร update
http://update.se-ed.com/ 
