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

แผนผังการทำงานของเครื่องยนต์ Rotary และ Radial

เครื่องยนต์ใบพัดแบบ Shaft Engine ซึ่งถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในเครื่องบินขนาดเล็ก ได้รับการพัฒนาขึ้นมาในยุคสงครามโลกครั้งที่สอง มีกำลังประมาณ 100 ถึง 135 แรงม้า

หลักการทำงานหลักก็คือการเผาไหม้เชื้อเพลิงในระบบลูกสูบ (Internal Combustion Engine หรือ ICE) เพื่อนำพลังงานมาขับเพลาในการหมุนใบพัดเพื่อสร้างแรงขับที่มากพอในการดันอากาศไปข้างหลังเครื่องบิน ด้วยกฎข้อที่สามของนิวตัน จะเกิดแรงผลักไปข้างหน้าทำให้เครื่องบินสามารถวิ่งไปข้างหน้าและบินขึ้นได้

แผนผังการทำงานของเครื่องยนต์ Turboprop

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

แผนผังการทำงานของเครื่องยนต์ Turboshaft

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

แผนผังการทำงานของเครื่องยนต์ Turbojet

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

แผนผังการทำงานของเครื่องยนต์ Turbofan

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

แผนผังการทำงานของเครื่องยนต์ Ramjet

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)

แผนผังการทำงานของเครื่องยนต์ Scramjet

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

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

รู้จัก “เครื่องยนต์” แต่ละชนิดใน “อากาศยาน” แตกต่างกันอย่างไร และทำงานอย่างไร ?