นิรนาม

ผู้เขียน : นิรนาม

อัพเดท: 15 ม.ค. 2015 08.28 น. บทความนี้มีผู้ชม: 33637 ครั้ง

www.thummech.com
บทที่ 1
บทนำ (Introduction)

1.1 แรงขับดัน (Propulsion)
แรงขับดัน หมายถึง “การขับดัน, การขับเคลื่อน, แรงขับดัน, แรงขับเคลื่อน, แรงขับดัน, แรงขับเคลื่อนการกระทำที่ทำให้เกิดการขับเคลื่อน” ส่วนความหมายของขับดัน (Propel) “ขับดัน, ขับเคลื่อนที่, ทำให้ไปข้างหน้า, ลาก, ดุน” จากคำจำกัดความเหล่านี้ สรุปได้ว่าเป็นการศึกษาเกี่ยวกับส่วนประกอบของแรงขับดัน ที่เกี่ยวข้องกับแรงการขับดัน, เพราะอะไรจึงเคลื่อนที่ และเกี่ยวพันไปถึงชิ้นส่วนต่าง ๆ ด้วย การขับดันเกี่ยวพันไปถึงวัตถุที่เคลื่อนที่โดยเพิ่มการขับดัน หรือมากกว่าการขับดันส่วนอื่น ๆ ด้วย ที่เรียกว่า “ตัวขับเคลื่อน (Propellant)”
ในการศึกษาเกี่ยวกับเรื่องของแรงขับดันนี้เกี่ยวพันไปถึงยานพาหนะหลายชนิดเช่น รถยนต์, รถไฟ, เรือเดินสมุทร, เครื่องบิน และยานอวกาศ แต่ในหนังสือเล่มนี้ได้เน้นไปที่อากาศยาน และอวกาศยาน วิธีการสร้างแรงขับดันที่นำมาใช้ในการบินเป็นฐานแนวคิดหลักในแรงขับดันโดยเครื่องยนต์เจ็ท (เป็นการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของของไหลโดยใช้ระบบการขับดัน) ของไหลอาจจะนำก๊าซมาใช้โดยตัวของเครื่องยนต์เอง (เช่น เครื่องเทอร์โบเจ็ท) สามารถใช้ของไหลรอบตัวเครื่องยนต์ (เช่น อากาศที่เข้าในเครื่องยนต์ใบพัด) หรือมีระบบเก็บของไหลภายในตัวยานเอง และนำมาใช้ในระหว่างยานที่กำลังบิน (เช่น จรวด)
ระบบเครื่องยนต์เจ็ทขับดัน สามารถแบ่งย่อยออกเป็นสองระบบได้แก่
1. ใช้อากาศ
2. ไม่ใช้อากาศ
ระบบเครื่องยนต์ใช้อากาศได้แก่ เครื่องยนต์ลูกสูบ, เครื่องยน์เทอร์โบเจ็ท, เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน, เครื่องยนต์แรมเจ็ท, เครื่องยนต์เทอร์โบโพรบ และเครื่องยนต์เทอร์โบชาฟท์ ส่วนเครื่องยนต์ที่ไม่ใช้อากาศได้แก่ เครื่องยนต์จรวด, ระบบขับเคลื่อนด้วยนิวเคลียร์ และระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า แต่ในที่นี้จะเน้นหนักไปเรื่องระบบขับดันด้วยก๊าซเทอร์ไบน์ (เครื่องยนต์เทอร์โบน์เจ็ท, เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน, เครื่องยนต์เทอร์โบโพรบ และเครื่องยนต์ยนต์เทอร์โบชาฟท์ )
เนื้อหาหลักในหนังสือเล่มนี้แบ่งออกเป็น 3 ส่วน ได้แก่
1. ความคิดขั้นพื้นฐาน และพลศาสตร์ของก๊าซใน 1 มิติ
2. วิเคราะห์ และสมรรถนะของระบบขับเคลื่อนใช้อากาศในการเผาไหม้
3. วิเคราะห์ส่วนประกอบเครื่องยนต์ก๊าซเทอร์ไบน์
ในบทนี้กล่าวถึงพื้นฐานชนิดของอากาศที่ใช้เผาไหม้ และระบบขับดันจรวด และพื้นฐานตัวแปรทางด้านสมรรถนะของแรงขับดัน ยังครอบคลุมไปถึงความรู้พื้นฐานของสมรรถนะของอากาศยาน และจรวด อากาศยานส่วนใหญ่มักจะใช้เครื่องยนต์ก๊าซเทอร์ไบน์ ระบบอากาศยานส่วนมากก็ได้นำเครื่องชนิดนี้มาใช้ขับดันอากาศยาน ปัจจัยที่มีสมรรถนะสูงในอากาศยานแสดงให้เห็นถึงแสนยานุภาพของสมรรถนะเครื่องยนต์กังหันก๊าซในสมรรถนะของระบบอากาศยาน ปัจจัยที่มีมากกว่านั้นที่ยอมให้นำเครื่องยนต์กังหันก๊าซมาติดตั้งในอากาศยานสมัยใหม่ผ่านการออกแบบที่เหมาะสม
ตัวอย่างที่หลากหลายในหนังสือเล่มนี้จะช่วยให้มองเห็นภาพรวมทั้งหมดในแนวคิดที่จะได้ศึกษาลึกซึ้งในบทต่อ ๆ ไป ในบางหัวข้อนั้นได้มีการแยกย่อยออกไปอีกหลักสูตรหนึ่งที่ต้องการความลึกซึ้งมากขึ้น


1-2 หน่วย และมิติ

1-2 หน่วย และมิติ

ในสายวิศวกรรมศาสตร์มีหน่วยที่ใช้อยู่ 2 หน่วยหลัก ก็คือ ระบบหน่วย SI และระบบหน่วยอังกฤษ ในหนังสือเล่มนี้จะมีใช้ทั้ง 2 หน่วย กฎข้อที่ 2 ของนิวตัน (Newton’s second law) เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ มีความสัมพันธ์กับแรง ทำกับมวล, ความยาว และเวลา สถานะการรวมกันของแรงที่เหมาะสมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัม (M = mV) ค่าคงที่คือ 1/gc

 

                                (1-1)

 

 หน่วยในเทอมอื่น ในสมการนอกเหนือจากตารางที่ 1-1 ในหน่วย SI และหน่วยอังกฤษ ในระบบทุกทุกหน่วย มีค่า 4 ใน 5 ในตารางที่สามารถจำเพาะเจาะจง และนำมาสืบต่อเนื่องไปได้จากสมการที่ 1-1

ตารางที่ 1-1 หน่วย และมิติ

 

ด้วยเหตุที่เลือกค่า gc = 1 และนิยามในหน่วยของมวล, ความยาว และเวลา ในหน่วย SI หน่วยของแรงมาจากสมการที่ 1-1 ได้แก่ กิโลกรัม หรือเมตร ต่อวินาทียกกำลังสอง (kg.m/sec2) หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า นิวตัน (N) ในหน่วยอังกฤษ ค่าของ gc ที่ใช้ในสมการที่ 1-1 คือ

gc  = 32.174 ft.lbm/(lbf. sec2)

gc ในหน่วยของ SI นั้นค่อนข้างจะนำมาใช้บ่อยในหนังสือวิชาการในระยะหลัง เพราะหน่วย SI ใช้หลากหลายในหลายประเทศ ด้วยเหตุนี้จึงใช้ในหนังสือนี้ด้วย การใช้ gc ในสมการพลังงานศักย์ (Potential Energy; PE) และพลังงานจลน์ (Kinetic Energy; KE)

 

พลังงานรวมทั้งหมด ต่อหน่วยมวล (e) เป็นผลรวมของ พลังงานจำเพาะภายใน (u), พลังงานจลน์จำเพาะ (ke), และพลังงานศักย์จำเพาะ (pe)

 

มีหน่วยทางด้านวิศวกรรมศาสตร์ที่หลากหลายสำหรับในเรื่องการขับดัน ยกตัวอย่างได้แก่ พลังงานในหน่วย SI ก็คือ จูล (Joule) (1 J =1 N.m) ส่วนในหน่วยของอังกฤษเป็นหน่วยความร้อน (Btu’s) หรือ ฟุต-ปอนด์แรง (ft.lbf) หน่วยใดหน่วยหนึ่งสามารถเลือกนำมาใช้ได้ตามระบบหน่วยนั้น และสามารถแปลงให้เป็นระบบหน่วยอื่นตามต้องการได้ ตารางที่ 1-2 แสดงตารางเทียบหน่วยต่าง ๆ

ตารางที่ 1-2 ตารางเทียบหน่วยต่าง ๆ

 

 

 ความยาว (Length)                                         1m = 3.2808ft = 39.37in

                                                                            1km = 0.621mi

                                                                            1mi = 5280ft = 1.609km

พื้นที่ (Area)                                                     1m2 = 10.764ft2

                                                                                                                  1cm2 = 0.155in2

ปริมาตร (Volume)                                          1gal = 0.13368ft3 = 3.785 L

                                                                            1L = 10-3m3 = 61.02in3

เวลา (Time)                                                      1hr = 3600sec = 60min

มวล (Mass)                                                       1kg = 1000g = 2.2046lbm = 6.8521 x 10-2 slug

                                                                            1slug = 1lbf.sec2/ft = 32.174lbm

ความหนาแน่น (Density)                              1slug/ft3 = 512.38 kg/m3

แรง (Force)                                                      1N = 1kg.m/ sec2

                                                                            1lbf = 4.448N

พลังงาน (Energy)                                          1J = 1N.m = 1kg.m2/ sec2

                                                                            1Btu = 778.16ft.lbf = 252cal = 1055J

                                                                            1cal = 4.186J

                                                                            1kJ =0.947813Btu = 0.23884 kcal

กำลังงาน (Power)                                          1W = 1J/sec = 1kg.m2/sec3

                                                                            1hp = 550 ft.lbf/sec = 2545 Btu/hr = 745.7 W

ความดัน (ความเค้น) (Pressure (Stress))    1atm = 14.696lb/in2(psi) = 760 torr = 100,325 Pa

                                                                            1atm = 30inHg = 407.2 inH2O

                                                                            1 ksi = 1000psi

                                                                            1mmHg = 0.01934 psi = 1torr

                                                                            1Pa = 1N/m2

                                                                            1 inHg = 3376.8 Pa

พลังงานต่อหน่วยมวล                                    1kJ/kg = 0.4299 Btu/lbm

ความร้อนจำเพาะ (Specific heat) 1kJ/(kg.°C) = 0.23884Btu/(lbm.°F)

อุณหภูมิ (Temperature)                 1K =1.8°R

                                                                            K = 273.15+°C

                                                                             °R = 459.69+°F

การเปลี่ยนหน่วยของอุณหภูมิ                      1°C = 1.8°F

กำลังดันจำเพาะ (Specific thrust)                1lbf/(lbm/sec) = 9.8067N/(kg/sec)

กำลังงานจำเพาะ (Specific power)             1hp/(lbm/sec) = 1.644kW/(kg/sec)

กำลังดันในการใช้เชื้อเพลิงจำเพาะ (Thrust Specific Fuel Consumption; TSFC)

                                                                            1lbm/(lbf.hr) = 28.325mg/(N.sec)

  กำลังดันในการใช้เชื้อเพลิงจำเพาะ (Power Specific Fuel Consumption; PSFC)

                                                                            1lbm/(hp.hr) = 168.97mg/(kW.sec)

อัตราส่วน ความแข็งแรง/น้ำหนัก (s/p)    1ksi/(slug/ft3) = 144ft2/ sec2 = 13.38m2/ sec2

 


บทความนี้เกิดจากการเขียนและส่งขึ้นมาสู่ระบบแบบอัตโนมัติ สมาคมฯไม่รับผิดชอบต่อบทความหรือข้อความใดๆ ทั้งสิ้น เพราะไม่สามารถระบุได้ว่าเป็นความจริงหรือไม่ ผู้อ่านจึงควรใช้วิจารณญาณในการกลั่นกรอง และหากท่านพบเห็นข้อความใดที่ขัดต่อกฎหมายและศีลธรรม หรือทำให้เกิดความเสียหาย หรือละเมิดสิทธิใดๆ กรุณาแจ้งมาที่ ht.ro.apt@ecivres-bew เพื่อทีมงานจะได้ดำเนินการลบออกจากระบบในทันที