รู้จัก “เครื่องยนต์” แต่ละชนิดใน “อากาศยาน” แตกต่างกันอย่างไร และทำงานอย่างไร ?

ในยุคการบินปัจจุบันนั้น หลาย ๆ คนคงจะเคยเห็นแต่ “เครื่องบิน” อย่าง Airbus A320, Airbus A350 หรือ Boeing 737-8 และ Boeing 777 ซึ่งใช้ “เครื่องยนต์” ชนิดที่เรียกว่า “Turbofan” ที่มีขนาดใหญ่ แต่เครื่องยนต์สำหรับเครื่องบินนั้นมีหลากหลายชนิดมากนอกจากเครื่องยนต์ Turbofan และเครื่องยนต์แต่ละชนิดนั้นเรียกได้ว่าเป็นศิลปกรรมทางด้านการวิศวกรรมในแต่ละยุคสมัย เครื่องยนต์หลายชนิดที่แม้จะถูกคิดค้นเมื่อหลายสิบปีที่แล้ว ก็ยังถูกใช้งานอยู่ในปัจจุบัน

หลัก ๆ แล้ว เครื่องยนต์สำหรับอากาศยานนั้นมีสองชนิด คือ “Shaft Engine” และ “Reaction Engine” สำหรับ Shaft Engine นั้นทำงานคล้ายกับพัดลมขนาดใหญ่ น้ำมันถูกเผาไหม้กลายเป็นแรงในการขับเคลื่อนใบพัดของเครื่องยนต์ผ่านระบบเพลาขับเคลื่อนเพื่อสร้างแรงลมและผลักเครื่องบินไปข้างหน้า โดยที่ Shaft Engine นั้นมักจะเป็นเครื่องยนต์ใบพัดสำหรับเครื่องบินขนาดเล็ก

ส่วน Reaction Engine นั้นต่างออกไปจาก Shaft Engine ตรงที่พลังงานในการขับเคลื่อนส่วนใหญ่นั้นมาจากการอัดอากาศให้มีความดันสูง จากนั้นจึงฉีดน้ำมันเข้าไปในอากาศดังกล่าวก่อนที่จะจุดระเบิดเพื่อให้อากาศดังกล่าวขยายตัวมหาศาลออกมาด้านหลังของเครื่องยนต์เพื่อผลักเครื่องบินไปข้างหน้า จึงมักจะพบเห็นในเครื่องบินขนาดใหญ่

เครื่องยนต์ใบพัดแบบ Shaft Engine ซึ่งถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในเครื่องบินขนาดเล็ก ได้รับการพัฒนาขึ้นมาในยุคสงครามโลกครั้งที่สอง มีกำลังประมาณ 100 ถึง 135 แรงม้า

หลักการทำงานหลักก็คือการเผาไหม้เชื้อเพลิงในระบบลูกสูบ (Internal Combustion Engine หรือ ICE) เพื่อนำพลังงานมาขับเพลาในการหมุนใบพัดเพื่อสร้างแรงขับที่มากพอในการดันอากาศไปข้างหลังเครื่องบิน ด้วยกฎข้อที่สามของนิวตัน จะเกิดแรงผลักไปข้างหน้าทำให้เครื่องบินสามารถวิ่งไปข้างหน้าและบินขึ้นได้

เครื่องยนต์ Turboprop นั้นเป็นเครื่องยนต์ที่เรียกได้ว่ากึ่ง Reaction Engine แม้ตัวมันเองนั้นเป็นเครื่องยนต์ Reaction Engine แต่ยังใช้ระบบใบพัดเดี่ยวคล้ายกับเครื่องยนต์ Shaft Engine ในการขับเคลื่อนอยู่ พลังงานในการผลักเครื่องบินไปข้างหน้านั้นส่วนใหญ่มาจากแรงผลักจากใบพัด ไม่ใช่แรงจุดระเบิดและขยายตัวของอากาศจากการเผาไหม้ หรือ Exhaust Jet โดยพลังงานเพียงประมาณ 10% นั้นมาจากแรงขยายตัวของอากาศ

อย่างไรก็ตาม ที่ความเร็วสูง พลังงานจากระบบ Exhaust Jet จะสูงขึ้น เนื่องจากมีอากาศให้อัดและจุดระเบิดมากขึ้นจากแรงดันที่สูงขึ้น Turboprop จึงสามารถทำความเร็วได้สูงขึ้นกว่าระบบเครื่องยนต์ใบพัดปกติ

นอกจากเครื่องยนต์ Turboprop ที่เป็นกึ่ง Reaction Engine ก็ยังมีเครื่องยนต์ Turboshaft ที่เป็นกึ่ง Shaft Engine ด้วยเช่นกัน เครื่องยนต์ Turboshaft ใช้แรงจากการจุดระเบิดและการขยายตัวของอากาศมาหมุนใบพัดเป็นหลักเพื่อสร้างแรงผลัก โดยเครื่องยนต์ Turboshaft นั้นพบเห็นได้ในเฮลิคอปเตอร์

เครื่องยนต์ Turbojet นั้นได้รับการพัฒนาขึ้นมาในยุคสงครามโลกครั้งที่สอง สำหรับเครื่องบินขับไล่ ซึ่งถือเป็นเครื่องยนต์ Reaction Engine โดยสมบูรณ์ หลักการทำงานของเครื่องยนต์ Turbojet ก็คือหลักการทำงานโดยพื้นฐานของเครื่องยนต์ Reaction Engine ตามทฤษฎี ซึ่งก็คือการอัดอากาศด้วยระบบ Compressor ก่อนที่จะฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในอากาศความดันสูง ก่อนที่จะจุดระเบิดแล้วปล่อยมวลอากาศออกมาข้างหลังของเครื่องยนต์เพื่อสร้างแรงผลัก

อย่างไรก็ตาม Turbojet นั้นจะสามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพก็ต่อเมื่อเครื่องบินนั้นบินด้วยความเร็วสูงมากพอ หากเครื่องบินลำนั้นบินช้าเกิน อากาศจะไม่ถูกอัดมากพอที่จะจุดระเบิดและสร้างมวลอากาศได้มากพอ จึงต้องปรับอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง (Air-Fuel Ratio) ให้น้อยลงเพื่อทดแทนมวลอากาศที่ลดลง หมายความว่าจะต้องใช้เชื้อเพลิงมากขึ้นในการจุดระเบิด ทำให้การใช้งาน Turbojet นั้นไม่ค่อยนิยม และเครื่องบินสมัยใหม่ลำสุดท้ายที่ใช้เครื่องยนต์ Turbojet ก็คือคองคอร์ด (Concorde) ซึ่งเป็นเครื่องบินพาณิชย์ความเร็วเหนือเสียง

เครื่องยนต์ Turbofan นั้นได้รับการพัฒนาต่อมาจากเครื่องบิน Turbojet หลักการนั้นเหมือนกันเกือบทั้งหมด เพียงแต่ว่าในเครื่องยนต์ Turbofan นั้น แทนที่จะให้พลังงานในการขับเคลื่อนทั้งหมดมาจากการจุดระเบิดมวลอากาศ ก็ให้อากาศส่วนหนึ่งสามารถผ่านเครื่องยนต์ไปได้เลยโดยที่ไม่ต้องถูกอัดและจุดระเบิด หรือที่เรียกว่า Bypass คล้ายกับพัดลมที่สร้างแรงลมด้วยการหมุนของใบพัด

หลักการของ Turbofan นั้นคล้ายกับระบบ Turboprop แต่เปลี่ยนจากใบพัดเดี่ยวมาเป็นระบบใบพัดขนาดใหญ่และระบบเครื่องยนต์ที่สมมาตรมากขึ้น

Turbofan ทำให้ที่ความเร็วต่ำ พลังงานส่วนใหญ่จะมาจากอากาศ Bypass มากกว่าระบบจุดระเบิดมวลอากาศ ในขณะที่ที่ความเร็วสูง พลังงานส่วนใหญ่จะมาจากระบบจุดระเบิดมวลอากาศ เครื่องยนต์ Turbofan จึงมีประสิทธิภาพในทั้งสองเหตุการณ์

Ramjet เป็นเครื่องยนต์เจ็ตที่แทนที่จะมีระบบ Compressor มาช่วยในการอัดอากาศ ก็ตัดระบบ Compressor ทิ้งไป และอาศัยความเร็วของเครื่องบินในการบินชนกับอากาศที่อยู่นิ่งมาช่วยในการอัดอากาศแทน จึงเรียกว่า “Ramjet” เพราะ “Ram” หมายถึงการชน โดยที่อากาศจะถูกอัดเข้ากับ “Shock Cone” ในเครื่องยนต์ซึ่งทำหน้าที่ในการอัดอากาศ ทำให้ปริมาณอากาศที่เครื่องยนต์ Ramjet สามารถนำมาใช้ในการจุดระเบิดนั้นมากขึ้นจากเครื่องยนต์ Turbofan และ Turbojet อย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากไม่ต้องมีระบบ Compressor มาบัง

ข้อจำกัดของ Ramjet คือ การที่มันไม่มีระบบ Compressor ดังนั้นหมายความว่าเครื่องบิน Ramjet จะต้องบินด้วยความเร็วสูงมาก ๆ ระดับความเร็วเหนือเสียงซึ่งเป็นจุดที่อากาศถูกอัดมากพอจนไม่ต้องใช้ระบบ Compressor มาช่วย โดยที่ Ramjet นั้นจะมีประสิทธิภาพมากที่สุดที่ความเร็ว Mach 3 หรือสามเท่าของความเร็วเสียง (3,700 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) และสามารถทำงานได้ที่ความเร็วมากถึง Mach 6 หรือหกเท่าของความเร็วเสียง (7,400 กิโลเมตรต่อชั่วโมง)

Scramjet นั้นทำงานคล้ายกับ Ramjet โดยที่ใน Ramjet นั้น ความเร็วของอากาศภายในเครื่องยนต์ Ramjet จะถูกลดลงจากความเร็วเหนือเสียง (Supersonic) ลงมาเป็นความเร็วต่ำกว่าเสียง (Subsonic) ด้วยระบบ “Shock Cone” เพื่ออัดอากาศก่อนการจุดระเบิด แต่ในเครื่องยนต์ Scramjet นั้นไม่มีระบบ Shock Cone แต่จุดระเบิดมวลอากาศที่ความเร็วเหนือเสียงเลย ดังนั้น Scramjet จะต้องทำงานที่ความเร็วที่สูงยิ่งกว่า Ramjet เนื่องจากอากาศจะต้องถูกอัดตั้งแต่ตอนที่มันชนเข้ากับเครื่องยนต์โดยไม่อาศัยระบบ Shock Cone

Scramjet จะทำงานได้ก็ต่อเมื่อที่ความเร็วสูงมากถึง Mach 6 ขึ้นไป และสามารถทำงานได้สูงสุดถึง Mach 10 (Hypersonic Speed) ดังนั้นเครื่องบินที่ใช้ Scramjet จะต้องมีเครื่องยนต์อื่นอย่าง Ramjet มาช่วยในการบินให้มีความเร็วสูงถึง Mach 6 ก่อนที่จะใช้งาน Scramjet ได้

เรียบเรียงโดย : โชติทิวัตถ์ จิตต์ประสงค์
พิสูจน์อักษร : ศุภกิจ พัฒนพิฑูรย์

🎧 อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS  

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech