4. มารู้จักกับอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์

รูปเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทของ GE J79 ที่มีสันดาปตอนท้าย หรืออาฟเตอร์เบิร์นเนอร์

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

รูปภาคตัดเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ท GE J79

รูปอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์ของเครื่องบินรบ มิกซ์-23 (MiG-23)

รูปเครื่องบิน เอฟ-14 ทอมแค็ท ใช้อาฟเตอร์เบิร์นเนอร์ขณะทำการบินขึ้น (Take-off) บนเรือบรรทุกเครื่องบิน

รูปเครื่องบินรบ เอฟ-16 ขณะทำการบินด้วยการใช้อาฟเตอร์เบิร์นเนอร์

อาฟเตอร์เบิร์นเนอร์ หรืออุปกรณ์สันดาปตอนท้าย (Afterburner)

      เป็นอุปกรณ์เสริมของเครื่องยนต์เจ็ท ที่ทำหน้าที่ให้ความร้อนซ้ำ (Reheat) ให้กับแก๊สร้อนความดันสูงที่ผลิตมาจากเครื่องยนต์เจ็ท เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ และความสามารถในการขับดันของเครื่องยนต์เจ็ทให้สูงขึ้น อาฟเตอร์เบิร์นเนอร์เริ่มแรกทีเดียวนั้นถูกนำมาใช้ในเครื่องบินทางทหาร เพื่อให้เครื่องบินรบมีความเร็วเหนือเสียง (Supersonic) แต่ปัจจุบัน เครื่องบินรบบางชนิดสามารถทำความเร็วเหนือเสียงโดยใช้กำลังเครื่องที่ระดับไม่เกิน Military Power (คือกำลังเครื่องสูงสุดโดยไม่ใช้อาฟเตอร์เบิร์นเนอร์)

ความรู้เพิ่มเติม การเร่งเครื่องด้วยกำลังสูงสุด แต่ไม่เปิดอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์ เรียกว่าขีดความสามารถทางทหาร (Military Power) ส่วนแรงขับที่ Military Power เรียกว่าการขับดันแห้ง (Dry Thrust)

รูปเครื่องบินรบ ขณะบินเข้าสู่ช่วงความเร็วเหนือเสียง

รูปเครื่องบินทางทหารแร็พเตอร์ที่บินเข้าสู่ช่วงความเร็วเหนือเสียง

รูปการไต่ระดับการบินของเครื่องบินรบ เอฟ-22 แร็พเตอร์ โดยมีอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์ช่วยเร่งไต่ระดับ

ยกตัวอย่างเครื่องบินสมัยใหม่ก็คือ เอฟ-22 แร็พเตอร์ สามารถทำความเร็วการบินขึ้นสู่ความเร็วเหนือเสียงโดยไม่ต้องใช้อาฟเตอร์เบิร์นเนอร์ แต่เครื่องบินรุ่นเก่า หรือรุ่นอื่น ๆ ยังคงมีความสำคัญอยู่ ในเครื่องบินพาณิชย์ที่มีอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์ใช้งานก็คือ เครื่องบินคอนคอร์ด (Concord) ของประเทศฝรั่งเศส เพื่อให้เป็นเครื่องบินพาณิชย์ที่มีความเร็วสูง ซึ่งปัจจุบันได้ปลดระวางเครื่องบินชนิดนี้แล้ว

รูปเครื่องบินคอนคอร์ด ที่เป็นเครื่องบินพาณิชย์ที่บินได้เร็วเหนือเสียง มีอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์บรรจุภายในเครื่องยนต์

วิดีโอการทดสอบเครื่องยนต์เจ็ทที่มีอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์

นอกจากนี้อาฟเตอร์เบิร์นเนอร์ยังช่วยให้เครื่องบินบินขึ้น (Take-off) ได้ดีอีกด้วย เพราะจะให้แรงขับดันชั่วขณะสูงกว่าตอนที่ไม่มีอุปกรณ์ชนิดนี้ ในเครื่องบินทางทหารแรงขับดันที่สูงสุดยอด ช่วยให้ปฏิบัติการรบได้ดี และทำความเร็วสูงในระยะทางสั้นๆ ช่วยให้เร่งความเร็วเครื่องบินไปสู่ความเร็วเหนือเสียงเพื่อหนีสิ่งที่จะเป็นอันตรายต่อเครื่องบินเมื่อถูกไล่ยิงไม่ว่าจาก กระสุนปืนต่อสู้อากาศยาน และจรวดมิสไซด์ที่ติดตามเครื่องบินรบจากข้าศึก

      อุปกรณ์อาฟเตอร์เบิร์นเนอร์นี้จะติดตั้งตอนท้ายของเครื่องยนต์เจ็ท ถ้าเปรียบเทียบกันอย่างง่าย ๆ ก็สามารถเปรียบเทียบได้กับเทอร์โบชาร์จเจอร์ (Turbocharger) หรือซูเปอร์ชาร์จ (Supercharge) ของเครื่องยนต์แบบลูกสูบแต่หลักการไม่เหมือนกัน ซะทีเดียว

      ข้อดีของเครื่องยนต์เจ็ทที่ติดตั้งอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์อย่างที่กล่าวคือ สามารถเพิ่มแรงขับดันให้แก่เครื่องบิน ส่วนข้อเสียก็คือ มีการเผาผลาญปริมาณของเชื้อเพลิงสูงมากทำให้เชื้อเพลิงอาจหมดลงในเวลาอันรวดเร็ว และให้ประสิทธิภาพต่ำ (เมื่อเทียบกับความสิ้นเปลืองปริมาณเชื้อเพลิงที่ใช้ทำการเผาไหม้ กับการทำงานของเครื่องยนต์) แต่ก็ถือว่าเป็นที่ยอมรับกันได้สำหรับการใช้ในระยะทางที่สั้น ๆ ขณะอยู่ในระหว่างการใช้งานปกติ

หลักการของอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์

รูปเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทของ GE J79 พร้อมกับอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์

       อุณหภูมิของแก๊สจะมีสูงสุดในห้องเผาไหม้ก่อนที่จะไปสู่เทอร์ไบน์ เราเรียกว่า อุณหภูมิเข้าสู่เทอร์ไบน์ (Turbine Inlet Temperature: TIT) ช่วงนี้เป็นการทำงานของเครื่องยนต์ในช่วงวิกฤติ ขณะที่แก๊สผ่านเทอร์ไบน์ มันจะขยายตัวเข้าใกล้ เอนโทรปี (Entropy) คงที่ ซึ่งจะทำให้เกิดการสูญเสียอุณหภูมิความร้อนไปบางส่วนทำให้อุณหภูมิตก และความดันตกลงเล็กน้อย เมื่อเทียบกับอยู่ในห้องเผาไหม้ อาฟเตอร์เบิร์นเนอร์อยู่ตอนท้ายของเครื่องจะมาช่วยในเรื่องการตกลงของอุณหภูมิ และความดัน

      ภายในอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์จะประกอบไปด้วยหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง (Fuel Injection) เพื่อให้ความร้อนซ้ำกับแก๊สที่มาจากเทอร์ไบน์ ความร้อนจะเพิ่ม และความดันจะสูงยิ่งขึ้นในปลายท่อ และแก๊สจะพุ่งออกมาจากหัวฉีด (Nozzle) ด้วยความเร็วที่สูงยิ่งขึ้น ในขณะที่มวลการไหลเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย เมื่อเทียบกับมวลของการไหลของเชื้อเพลิงที่ใส่เข้าไป

      แรงผลักดันที่ได้จากเครื่องยนต์เจ็ท อยู่ภายใต้หลักการของอัตราการไหลของมวล (Mass flow rate) กล่าวง่าย ๆ ก็คือการขับดัน จะขึ้นอยู่กับสิ่งที่เกิดขึ้นสองอย่าง คือ

1. ความเร็วของแก๊สไอเสีย

2. มวลของแก๊สที่ผลิตได้

เครื่องยนต์เจ็ทสามารถผลิตแรงขับดันได้มากกว่าด้วยความเร่งที่เกิดขึ้นกับแก๊ส โดยการเติมเชื้อเพลิงเข้าไปในส่วนอุปกรณ์อาฟเตอร์เบิร์นเนอร์ หลังจากที่แก๊สไอเสียได้ผ่านส่วนของเทอร์ไบน์ไปแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้จะไปเพิ่มอุณหภูมิ และความเร็วของก๊าซ นั่นก็คือการเพิ่มแรงขับดันให้กับเครื่องยนต์เจ็ท โดยทั่วไปแล้วอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์ สามารถเพิ่มแรงขับดันให้กับเครื่องยนต์ได้อีกประมาณ 50% จึงเหมาะที่จะนำมาทำความเร็วสูงในระยะทางสั้นๆ หรือไต่ระดับการบิน (Climbing) ความสูงอย่างเร็วได้ และการเร่งความเร็วเต็มที่เพื่อก้าวข้ามช่วงความเร็วที่ไม่ต้องการ

หมายเหตุ: เอนโทรปี (Entropy) คือ ปริมาณทางกายภาพที่บอกถึงความไม่เป็นระเบียบของระบบในทางฟิสิกส์ จะมีการกล่าวถึงใน 2 วิชาหลัก ๆ คือ

วิชาอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) ค่าเอนโทรปีเปลี่ยนแปลงสามารถคำนวณได้จากปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทจากบริเวณหนึ่ง ไปสู่อีกบริเวณหนึ่ง

อีกวิชาหนึ่งก็คือ วิชากลศาสตร์เชิงสถิติ (Statistical mechanics) โดยค่าเอนโทรปีสามารถคำนวณได้จากจำนวนรูปแบบสถานะทางจุลภาค (Microstate) ขององค์ประกอบย่อยในระบบ

วิดีโอทดสอบเครื่องบิน เอฟ-16 ที่ใช้อาฟเตอร์เบิร์นเนอร์เต็มที่

วิดีโอแสดงเครื่องบินรบ เอฟ-35 ขณะที่ทำการบินขึ้นใช้อาฟเตอร์เบิร์นเนอร์ช่วยบินขึ้น

วิดีโอการเร่งความเร็วของเครื่องบินเผ่านโซนิคบูมเพื่อเข้าสู่ความเร็วเหนือเสียง

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ว่าวจะลอยขึ้นสูงได้ เพราะเหตุที่ต้านลมถ้าหมดลมว่าวก็ตก

มนุษย์เราจะขึ้นสูงอยู่ได้ ก็เพราะต้องต่อสู้อุปสรรค
ชีวิตที่ไม่เคยพบอุปสรรค จะหาทางก้าวหน้าไม่ได้เลย”