การออกแบบเครื่องบินเล็ก

ผู้ออกแบบควรศึกษารวบรวมความรู้ที่เกี่ยวกับการออกแบบมาจากหลายๆที่ เพื่อช่วยให้การออกแบบสมบูรณ์ขึ้น ผู้ออกแบบจำเป็นต้องเป็นผู้รักการอ่านหนังสือซักหน่อย คุณจะพบบทความต่างๆที่ช่วยในการพัฒนาการออกแบบจากบทความต่างๆที่อยู่ในหนังสือที่เกี่ยวกับเครื่องบินเล็กเช่นหนังสือModel Airplane news, RCM, RCM&E เป็นต้น หรือศึกษาจากแบบของเครื่องบินต่างๆที่ถูกสร้างมาแล้ว

การออกแบบเครื่องบินเล็กก็เหมือนกับการออกแบบทางวิศวกรรมทั่วๆไป คือมีการพัฒนาขึ้นไปเรื่อยๆ มีการค้นคว้าทดลองหาวิธีใหม่ๆเพื่อให้เครื่องบินเล็กมีประสิทธิภาพดีขึ้น เราจะเห็นได้ว่ามีเครื่องบินเล็กที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นเกิดขึ้นมาตลอดเวลา

ในการออกแบบสร้างเครื่องบินเล็กมีจะหัวข้อที่เกี่ยวข้อง 3 เรื่อง คือ คุณลักษณะทางAerodynamicsของเครื่องบินเล็ก การออกแบบ และการสร้าง แต่ที่ผมจะพูดในตอนนี้จะเป็นเรื่องเฉพาะการออกแบบ เรื่องคุณลักษณะทางAerodynamicsและการสร้างต้องขอดองไว้ก่อน เรามาเริ่มกันเลย

 

ชนิดของเครื่องบินเล็ก

ปกติเครื่องบินเล็กที่เราเล่นๆกันอยู่ถูกแบ่งออกเป็น3ประเภทคือ

เครื่องบิน High wing เป็นเครื่องบินที่ค่อนข้างบินได้ช้า ความสามารถในการบินผาดแผลงต่ำมาก แต่มีเสถียรภาพในการบินสูง ทำให้เครื่องบินแบบนี้เหมาะสมที่จะนำมาเป็นเครื่องบินสำหรับใช้หัดบิน เช่นเครื่องบินMosquitoหรือที่ชมรมศรีราชาเรียกว่าปีกยาว (เป็นkitของญี่ปุ่น) เป็นเครื่องบินที่ใช้หัดบินได้ดีมาก

เครื่องบิน Shoulder Wing เครื่องบินแบบนี้สามารถออกแบบให้มีคุณลักษณะการบินได้หลายแบบ แล้วแต่ชนิดของAirfoilของปีก เช่นพวกแข่งความเร็ว (racing aircraft) พวกsport pattern หรือพวกTrainer ส่วนมากเครื่องบินแบบนี้มักจะออกแบบลำตัวเป็นรูปสี่เหลี่ยม (box type fuselage) เพราะสร้างได้ง่าย เครื่องบินTrainerที่ติดตั้งปีกแบบนี้จะมีความเร็วค่อนข้างสูงกว่าเครื่องบินแบบHigh wingแต่จะมีเสถียรภาพในการบินพอๆกัน

เครื่องบิน Low wing เครื่องบินแบบนี้ออกแบบมาเพื่อการบินผาดแผลง เครื่องบินแบบนี้จะมีเสถียรภาพต่ำกว่าเครื่องบินแบบอื่นนิดหน่อย ทำให้เครื่องบินแบบนี้จะบินยากกว่าเครื่องบินสองชนิดแรกนิดหน่อย

ยังมีเครื่องบินอีกประเภทคือ Stand off Scale มีหลายคนที่อยากออกแบบเครื่องบินเล็กให้มีรูปร่างเหมือนเครื่องบินFull Scale เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องบินเล็ก โดยย่อยขนาดลงมาจากFull Scale แล้วเครื่องบินเล็กที่ได้จะบินได้ดี หนทางที่เป็นไปได้สำหรับเรื่องนี้คือพยายามออกแบบให้มีรูปร่างเหมือนเครื่องบินFull Scaleให้มากที่สุด แต่ต้องอยู่ในข้อกำหนดของการออกแบบเครื่องบินเล็ก เพื่อให้เครื่องบินที่ได้สามารถบินได้ดี

ขนาดของเครื่องบินเล็ก

ในการออกแบบเราต้องกำหนดขนาดของเครื่องยนต์ที่เราจะนำมาใช้ก่อน เพราะขนาดของเครื่องยนต์จะเป็นตัวกำหนดขนาดของเครื่องบิน ขนาดของเครื่องยนต์ที่เรานิยมใช้ก็มี 0.049, 0.060, 0.10, 0.15, 0.25, 0.30, 0.35, 0.40, 0.45, 0.60 ลูกบาตรนิ้ว (cubic inches) ทั้งหมดเป็นเครื่องสองจังหวะนะครับ เมื่อได้ขนาดของเครื่องยนต์แล้ว ต่อมาที่เราต้องหาคือขนาดของปีกที่มีขนาดเหมาะสมกับเครื่องยนต์ที่เราเลือกไว้ ให้ดูตาราง 1.1, 1.2 ทั้งสองตารางจะช่วยให้เราสามารถกำหนดขนาดของปีกอย่างคร่าวๆ

ขนาดของเครื่องยนต์ VS พื้นที่ปีก

ขนาดของเครื่องยนต์

พื้นที่ปีกเครื่องบิน

ลบ.นิ้ว

ดร.นิ้ว

0.049-0.060

140-250

0.10

210-300

0.15

240-380

0.20

280-400

0.25

320-480

0.30

350-520

0.35

390-580

0.40

450-690

0.45

480-700

0.60

580-860

ตารางที่ 1.1

ข้อแนะนำในการเลือกค่าพื้นที่ปีกตามขนาดของเครื่องยนต์จากตารางที่ 1.1

เครื่องบินTrainer ค่าพื้นที่ปีกจะมีค่าอยู่ในช่วงสูงสุดของแต่ละกลุ่ม

เครื่องบินที่ต้องการออกแบบให้บินเร็ว(Racing type) พื้นที่ปีกจะค่อนข้างน้อย จะมีค่าอยู่ในช่วงล่างของแต่ละกลุ่ม เครื่องบินจะต้องสร้างให้แข็งแรงเป็นพิเศษ และต้องเบามากเท่าที่จะทำได้

เครื่องบินพวกSport จะมีค่าพื้นที่ปีกอยู่ประมาณกลางๆของแต่ละกลุ่ม

เครื่องบินPattern จะมีค่าพื้นที่ปีกอยู่ประมาณกลางๆของแต่ละกลุ่ม แต่เครื่องบินจะมีน้ำหนักมากกว่าพวกSport นิดหน่อย

ข้อมูลของเครื่องบินแต่ละแบบ

ชนิดของเครื่องบินเล็ก

ขนาดของเครื่องยนต์

กางปีก

พื้นที่ปีก

นน.เครื่องบิน

Wing Load

 

ลบ.นิ้ว

นิ้ว

ดร.นิ้ว

oz.

oz./ตร.ฟุต

High Wing Trainer

0.049-0.060

36

250

20

11.5

Shoulder Wing Sport

0.049-0.060

35

200

20

14.5

Low Wing Sport

0.049-0.060

33

220

20

13.0

Low Wing Racer

0.049-0.060

34

205

21

15.0

High Wing Trainer

0.10-0.15

36

250

27

15.5

Low Wing Sport

0.15

50

300

35

13.0

Shoulder Wing Trainer

0.15

44

380

34

13.0

High Wing Trainer

0.20-0.25

50

450

45

14.5

Low Wing Sport

0.20-0.25

58

420

45

15.5

High Wing Trainer

0.25

48

480

56

17.0

Low Wing Sport

0.25

45

390

55

20.0

High Wing Trainer

0.35

51

525

72

20.0

Shoulder Wing Trainer

0.35

55

550

76

20.0

Low Wing Sport

0.35

55

560

80

20.5

High Wing Trainer

0.40

60

690

80

17.0

Shoulder Wing Trainer

0.40

60

600

88

21.0

Low Wing Sport Pattern

0.40-0.45

56

550

88

23.0

High Wing Trainer

0.60

68

800

144

26.0

Shoulder Wing Sport

0.60

60

710

128

26.0

Low Wing Sport Pattern

0.60

64

700

134

27.5

ตารางที่ 1.2

ฮาฮา หน่วยเป็นระบบอเมริกันอีกแล้ว ต้องขอโทษด้วยครับ เพราะหนังสือที่ผมใช้อ้างอิงเป็นหนังสืออเมริกัน เอากันแบบนี้แล้วกัน

1นิ้ว=2.54ซม. 1ตร.เมตร=1550ตร.นิ้ว 1ปอนด์=16ออนซ์ =0.4536กก. 1กก.=36.27ออนซ์

ตารางทั้งสองนี้เป็นเพียงแนวทางคร่าวๆเพื่อช่วยในการเลือกขนาดของปีกและน้ำหนักโดยประมาณของเครื่องบิน จากตารางที่1.2 จะเห็นได้ว่ายิ่งเครื่องบินที่มีขนาดเล็กลง Wing loadingของปีกจะต้องต่ำลง ทำให้ต้องสร้างเครื่องบินเล็กให้เบามาก ทำให้มองเห็นภาพว่ายิ่งเครื่องบินมีขนาดเล็กลงมากเท่าไร การสร้างจะยากขึ้นมาก เพราะจะต้องสร้างให้ทั้งเบาและแข็งแรง

เรามาทำความรู้จักกับเจ้า Wing loading ของปีกกันหน่อย Wing loading คือตัวเลขที่เกิดจากการเอาน้ำหนักของเครื่องบินที่สร้างเสร็จแล้วมาหารด้วยพื้นที่ปีกทั้งหมด

 

Wing loading จะเป็นตัวชี้ว่าเครื่องบินจะมีคุณลักษณะในการบินอย่างไร เช่น

เครื่องบินเล็กที่มี Wing loading สูงๆจะมีคุณลักษณะบินได้เร็ว อัตราการร่วงหล่นสูง มีความเร็วในการLandingสูง แต่เครื่องบินแบบนี้จะมีคุณลักษณะบินได้ดีในบริเวณที่มีลมกระโชกหรือลมแรง จะบินได้นิ่งในสภาวะเช่นนี้

ส่วนเครื่องบินเล็กที่มี Wing loading ต่ำๆ จะมีคุณลักษณะในการร่อนที่ดี สามารถบินด้วยความเร็วต่ำๆได้ดี อาการStall จะเกิดได้ยากกว่าพวกมี Wing loading สูงๆ ในการวิ่งขึ้นและร่อนลงจะมีความเร็วค่อนข้างต่ำและไม่ต้องการกำลังเครื่องยนต์มากนักในขณะนั้น แต่ก็มีข้อด้อยคือเมื่อบินในบริเวณที่มีลมกระโชก เครื่องบินแบบนี้จะบินได้ไม่ค่อยดี คือจะกระเด้งกระดอนหรือเซไปมา ตามลมที่กระโชก

จากที่กล่าวไปแล้วว่า Wing loading เป็นตัวชี้คุณลักษณะในการบินของเครื่องบิน เมื่อเราตั้งเป้าหมายว่าเราต้องการเครื่องบินให้มีWing loadingประมาณเท่าไร เราจะประมาณได้ว่าการออกแบบเครื่องบินจะเป็นไปในรูปใด การใช้วัสดุในการสร้างจะเป็นแบบใด น้ำหนักเครื่องบินเมื่อทำเสร็จจะประมาณเท่าไร ฯลฯ

จะเห็นได้ว่า ค่าWing loading ถูกกำหนดด้วยตัวแปรสองตัวคือ น้ำหนักของเครื่องบินและพื้นที่ทั้งหมดของปีก ค่าพื้นที่ปีกถูกกำหนดด้วยขนาดของเครื่องยนต์และชนิดของเครื่องบิน ดังนั้นตัวที่มีอิทธิพลต่อ Wing loadingจริงๆคือน้ำหนักของเครื่องบิน อย่าลืมว่าเบาทำให้หนักได้ง่ายกว่าหนักแล้วจะทำให้มันเบา แล้วเราจะคุมน้ำหนักของเครื่องบินได้อย่างไรละ ก็ด้วยการเลือกวิธีการสร้างและวัสดุที่ใช้ เช่นลำตัวจะทำด้วยวัสดุอะไร ไม้อัด ไม้บัลซ่า หรือ Fiber glass ปีกจะมีโครงสร้างแบบอะไร ฯลฯ อีกสาเหตุหนึ่งที่เป็นตัวแปรสำคัญที่ทำให้เครื่องบินมีน้ำหนักเบาหรือหนัก คือวิธีการตบแต่งสีของเครื่องบิน เครื่องบินพวกstand off scale จะมี wing loading สูงกว่าเครื่องบินแบบอื่นเพราะการตบแต่งสีต้องทำให้เหมือนเครื่องบินจริงๆมาก ทำให้เครื่องบินมีน้ำหนักมากกว่าเครื่องบินทั่วๆไป stand off scaleบางตัวอาจจะมี wing loading สูงถึง30-40 oz./ตร.ฟุต เครื่องบินพวกนี้มักจะบินยากกว่าเครื่องบินปกติ ทำให้ต้องการนักบินเก่งๆซักหน่อยมาบิน

รูปแบบของปีก

เมื่อได้มีการประมาณค่าพื้นที่ปีกของเครื่องบินที่จะสร้างแล้ว ต่อมาเราต้องคำนวณหาขนาดและรูปร่างของปีก ตัวแปรตัวแรกที่จะมากำหนดรูปร่างของปีกคือ Aspect ratio (AR)

Aspect ratio คืออัตราส่วนของขนาดกางปีกทั้งหมด (wing span) กับค่าความยาวของcord (wing cord)