หากมองไปที่เครื่องบินรบ F-35 หรือ J-10 จะพบว่าเครื่องบินสองลำนี้มีช่องรับอากาศที่แตกต่างจากเครื่องบินรุ่นอื่น ๆ อย่างเห็นได้ชัด ช่องอากาศลักษณะพิเศษนี้เรียกว่า Diverterless Supersonic intake ซึ่งเป็นนวัตกรรมล่าสุดสำหรับเครื่องบินรบความเร็วเหนือเสียงที่นอกจากจะทำให้เครื่องบินดูดีขึ้นแล้ว ยังมีส่วนช่วยในการลดค่าบำรุงรักษาและเพิ่มศักยภาพในการซ่อนเร้นอีกด้วย

การบินเร็วเหนือเสียงคือความฝันของมนุษยชาติ แต่การจะบินด้วยความเร็วเหนือเสียงนั้นทำให้เกิดพฤติกรรมผิดปกติกับตัวเครื่องบินมากมาย หนึ่งในนั้นคือเรื่องของชั้นอากาศที่อยู่ติดกับพื้นผิว (Boundary Layer)

ภาพวาดอธิบายการทำงานของ Diverter ของเครื่องบิน F-16 Fighting Falcon จะเห็นว่าลมที่เคลื่อนที่ตามผิวเครื่องจะถูกเบี่ยงออกไม่ไหลเข้าไปในช่องอากาศเข้าเครื่องยนต์ ภาพจาก Nellis AFB Public Affairs

ในยุคแรกเครื่องบินเจ็ตมีการติดตั้งท่อรับอากาศ (Air Intake) ด้านหน้าของเครื่องบินเพื่อใช้ในการดูดอากาศเข้าเครื่อง แต่ก็แลกมากับอากาศพลศาสตร์ของเครื่องบินที่แย่จนทำความเร็วในระดับเหนือเสียง (Supersonic) ได้ยาก และเกิดปัญหาได้รับอากาศไม่เพียงพอขณะที่ทำการบินด้วยความเร็วสูง เพื่อให้สามารถทำความเร็วได้ง่ายขึ้น การออกแบบให้เครื่องบินมีหัวแหลมจะทำให้เครื่องบินแหวกอากาศและทำความเร็วเหนือเสียงได้ง่ายขึ้น

ปัญหาต่อมาคือ ถ้าเครื่องบินหัวแหลม หมายความว่าท่อรับอากาศจะไม่สามารถอยู่ด้านหน้าของเครื่องบินได้ วิศวกรจึงต้องเบี่ยงท่อรับอากาศไปไว้ที่ส่วนด้านข้างของเครื่องแทน ซึ่งจะทำให้เกิดปัญหา ชั้นอากาศอันเกิดจากความต่างของความเร็วลมตามมา เพราะชั้นอากาศใกล้กับตัวเครื่องจะมีความเร็วน้อยกว่าชั้นอากาศที่อยู่เหนือพื้นผิวขึ้นไป ชั้นอากาศที่ไหลตั้งแต่จากหัวของเครื่องมาจนถึงท่อดูดอากาศนั้นจะไหลช้ากว่าชั้นอากาศที่อยู่ห่างจากผิวเครื่องใบพัดเครื่องยนต์ที่อยู่ด้านในท่อดูดอากาศจึงเผชิญกับชั้นอากาศความดันสูงสลับกับความดันต่ำแบบที่ไม่สมมาตรและสร้างความเครียดให้กับซี่ใบพัดของเครื่องยนต์ซึ่งไม่ได้ออกแบบไว้แต่ทีแรก จึงอาจเสียหายก่อนถึงเวลาอันควร

หน้าเครื่องของ F-35 Lightning II จากงาน Airshow ณ ฐานทัพอากาศดอนเมือง จะเห็นว่าช่องรับอากาศนั้นมีโนหกขนาดใหญ่ยื่นออกมาแทนที่ช่องว่างกั้นผิวกับช่องรับอากาศ ภาพถ่ายจาก Jirasin Aswakool - spaceth

เพื่อแก้ปัญหานี้ วิศวกรจึงได้ออกแบบท่อรับอากาศห่างจากตัวผิวเครื่องบินเล็กน้อย ซึ่งสามารถสังเกตการเว้นระยะห่างของท่อดูดอากาศกับผิวเครื่องบินได้ในเครื่องบินรบแทบทุกลำ เราเรียกสิ่งนี้ว่าช่องรับอากาศแบบมีตัวเบี่ยงลม (Diverter Air Intake)

Diverter Air Intake เป็นมาตรฐานหลักของเครื่องบินรบความเร็วเหนือเสียงทุกรุ่น มันไม่ได้สร้างปัญหาอะไรให้กับการออกแบบเครื่องบินรบ เพียงแต่โจทย์ของการออกแบบเครื่องบินในยุคปัจจุบันคือการทำให้เครื่องบินมีคุณสมบัติลอบเร้น (Stealth) หลบเลี่ยงเรดาร์ได้ ซึ่งส่วนที่เป็นตัวเบี่ยงทางลมที่ออกมาจากผิวเครื่องบินจะทำให้เกิดพื้นที่หน้าตัดการสะท้อนของคลื่นเรดาร์ และเป็นลักษณะสำคัญที่ทำให้เรดาร์คาดเดาได้ว่าเป็นเครื่องบินรุ่นใดและเป็นของฝ่ายไหน

ดังนั้น การออกแบบให้ทุกส่วนของเครื่องบินราบเรียบเป็นส่วนเดียวกันจึงเป็นสิ่งสำคัญ การตัดตัวเบี่ยงทางลมออกไปจากเครื่องบินได้ก็จะเป็นผลดี วิศวกรที่พัฒนาเครื่องบินลอบเร้นในยุคใหม่จึงแทนที่การเว้นระยะห่างด้วยโหนกขนาดใหญ่หน้าท่อรับอากาศ โหนกขนาดใหญ่นี้จะทำหน้าที่ขวางชั้นอากาศใกล้ผิวที่ไหลด้วยความเร็วต่ำให้ไหลออกไปด้านข้าง ไม่ไหลเข้าไปในเครื่องยนต์ และจะมีเพียงอากาศที่ไหลเร็วที่ไหลเข้าไปในเครื่องยนต์ได้ สิ่งนี้เราเรียกว่าตัวรับอากาศเหนือเสียงแบบไร้ตัวเบี่ยงทางลม (Diverterless Supersonic intake หรือ DSI)

ภาพถ่ายด้านหน้าเครื่อง J-10B จะเห็นว่ามีโหนกขนาดใหญ่ดักด้านหน้าช่องรับอากาศหน้าเครื่อง ภาพถ่ายจาก 乘号同学

เทคโนโลยี DSI ถูกนำมาใช้กับเครื่องบินลอบเร้นเจเนอเรชันใหม่ล่าสุด ทั้ง Lockheed Martin F-35 Lightning II และ Chengdu J-20 การใช้งาน DSI ไม่เพียงแต่สร้างช่วยในการลอบเร้นเพียงอย่างเดียวแต่มันยังลดค่าใช้จ่ายในการผลิตชิ้นส่วนเครื่องบิน ลดน้ำหนักของตัวเครื่อง และลดค่าบำรุงรักษาชิ้นส่วนตัวเบี่ยงทางลมได้อีกด้วย ทำให้เครื่องบินรบรุ่นก่อนหน้าหลายรุ่นของจีนนำเทคโนโลยีนี้มาใช้กับตัวเครื่อง Chengdu J-10 และรุ่นอื่น ๆ อีกมากมาย เพราะช่วยลดต้นทุนการบำรุงรักษาได้จริง ซึ่งต้องแลกมาด้วยการทำอากาศพลศาสตร์เชิงคำนวณ (Computational Fluid Dynamic) ของเครื่องบินใหม่ทั้งหมด และทำการทดสอบเพื่อให้ผ่านมาตรฐาน ซึ่งถือว่าเป็นสิ่งที่คุ้มค่าเมื่อเทียบกับผลประโยชน์ด้านค่าใช้จ่าย

หรือแม้แต่เครื่องบิน X-59 Quesst ก็มีการใช้เทคโนโลยี DSI เพื่อลดเสียงที่เกิดจากการแหวกอากาศในขณะที่บินด้วยความเร็วเหนือเสียง เพื่อผลประโยชน์ในการลดเสียงจากโซนิกบูม (Sonic Boom) ที่เกิดขึ้นตามโจทย์ที่ได้รับ ซึ่งเชื่อว่าเครื่องบินความเร็วเหนือเสียงในยุคถัดไปหลาย ๆ ลำจะหันมาเลือกใช้เทคโนโลยี DSI กันมากขึ้นเพื่อผลประโยชน์ด้านต้นทุน ค่าบำรุงรักษา และสร้างคุณสมบัติลอบเร้นมากยิ่งขึ้น

เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล
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

Diverterless Supersonic intake นวัตกรรมช่องอากาศเครื่องบินเร็วเหนือเสียงยุคใหม่