เฮลิคอปเตอร์ติดข้อจำกัดอะไร เมื่อบินขึ้นไปในอากาศเบาบาง

แม้เฮลิคอปเตอร์จะบินขึ้นลงในแนวดิ่งและลอยตัวกลางอากาศได้ แต่โดยทั่วไปกลับไม่สามารถบินสูงได้เท่ากับเครื่องบินโดยสาร เพราะระบบสร้างแรงยกของเฮลิคอปเตอร์ต้องพึ่งพาใบพัดหลักอยู่ตลอดเวลา เมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้น อากาศจะเบาบางลง ส่งผลต่อทั้งแรงยก กำลังเครื่องยนต์ และประสิทธิภาพของใบพัด

ข้อ 1 เรื่องอากาศเบาบาง

เมื่ออากาศมีความหนาแน่นลดลง ใบพัดของเฮลิคอปเตอร์จะสร้างแรงยกได้ยากขึ้น นักบินจึงต้องเพิ่มมุมปะทะของใบพัดหรือใช้กำลังเครื่องยนต์มากขึ้นเพื่อรักษาระดับการบิน

ปัญหาคือ เฮลิคอปเตอร์มีขีดจำกัดทั้งด้านกำลังเครื่องยนต์และมุมปะทะของใบพัด จึงไม่สามารถชดเชยอากาศที่เบาบางลงได้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด หลักการนี้เป็นส่วนหนึ่งของการประเมินสมรรถนะเฮลิคอปเตอร์ในสภาพ “สูงและร้อน” ซึ่งความหนาแน่นของอากาศต่ำกว่าปกติ

ข้อ 2 เรื่องความเร็วปลายใบพัด

ปลายใบพัดด้านที่หมุนไปในทิศทางเดียวกับการเคลื่อนที่ของเฮลิคอปเตอร์อาจมีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วเสียงอยู่แล้ว โดยเฉพาะขณะบินไปข้างหน้าด้วยความเร็วสูง

ดังนั้น การเพิ่มรอบใบพัดมากเกินไปจึงไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาที่ทำได้ง่าย เพราะเมื่อความเร็วบริเวณปลายใบพัดเข้าใกล้หรือแตะย่านความเร็วเสียง อาจเกิดแรงต้านเพิ่ม ประสิทธิภาพลดลง รวมถึงแรงสั่นสะเทือนและภาระต่อโครงสร้างที่มากขึ้น

ข้อ 3 เรื่อง Retreating Blade Stall

Retreating Blade Stall หรืออาการร่วงของใบพัดด้านถอย เป็นข้อจำกัดสำคัญของเฮลิคอปเตอร์ขณะบินไปข้างหน้า

ใบพัดด้านหนึ่งจะหมุนไปในทิศเดียวกับการบิน ทำให้มีความเร็วสัมพัทธ์กับอากาศสูงกว่า ส่วนใบพัดอีกด้านหมุนสวนกับทิศทางการบิน จึงมีความเร็วสัมพัทธ์ต่ำกว่า ระบบควบคุมต้องเพิ่มมุมปะทะให้ใบพัดด้านถอยเพื่อสร้างแรงยกให้สมดุล

หากความเร็วของเฮลิคอปเตอร์สูงเกินไป หรืออากาศเบาบางจนต้องใช้มุมปะทะมาก ใบพัดด้านถอยอาจเข้าสู่ภาวะ Stall ได้ง่ายขึ้น ส่งผลให้เกิดการสั่น การเอียง หรือการควบคุมที่ยากขึ้น

ข้อ 4 เรื่องกำลังเครื่องยนต์

เฮลิคอปเตอร์ส่วนใหญ่ใช้เครื่องยนต์กังหันแก๊สแบบ Turboshaft ซึ่งต้องอาศัยอากาศสำหรับการเผาไหม้ เมื่อบินขึ้นไปในระดับสูง อากาศที่เข้าสู่เครื่องยนต์มีมวลลดลง กำลังที่ผลิตได้จึงมีแนวโน้มลดลงตามไปด้วย

แม้เครื่องยนต์จะมีระบบอัดอากาศภายใน แต่เมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้นมาก สมรรถนะของเครื่องยนต์และระบบใบพัดก็ยังได้รับผลกระทบพร้อมกัน ทำให้กำลังสำรองสำหรับการไต่ระดับหรือลอยตัวเหลือน้อยลง

ห้องโดยสารและออกซิเจนก็เป็นข้อจำกัด

เฮลิคอปเตอร์ทั่วไปจำนวนมากไม่มีห้องโดยสารอัดความดัน การบินในระดับสูงเป็นเวลานานจึงเพิ่มความเสี่ยงจากภาวะออกซิเจนไม่เพียงพอหรือ Hypoxia

FAA แนะนำให้นักบินใช้ออกซิเจนเสริมเมื่อบินเหนือ 10,000 ฟุตในเวลากลางวัน และกฎของสหรัฐฯ กำหนดให้ลูกเรือใช้ออกซิเจนเมื่ออยู่ที่ระดับความดันห้องโดยสาร 12,500–14,000 ฟุตนานเกิน 30 นาที รวมถึงต้องใช้ทันทีเมื่อสูงกว่า 14,000 ฟุต ส่วนผู้โดยสารทุกคนต้องได้รับออกซิเจนเมื่อสูงกว่า 15,000 ฟุต ทั้งนี้ ข้อกำหนดจริงอาจแตกต่างกันไปตามประเทศและประเภทการปฏิบัติการ

เพดานบินไม่ได้มีความหมายเพียงแบบเดียว

เพดานบินสามารถอธิบายได้อย่างน้อย 2 ลักษณะ ได้แก่

Service Ceiling คือระดับความสูงที่อากาศยานยังสามารถไต่ขึ้นได้ แต่มีอัตราการไต่ต่ำมากจนใกล้ขีดจำกัดการใช้งาน

Absolute Ceiling คือระดับความสูงที่กำลังส่วนเกินแทบไม่เหลือ และอากาศยานไม่สามารถไต่ระดับต่อไปได้ภายใต้เงื่อนไขนั้น

ตัวเลขเพดานบินของเฮลิคอปเตอร์แต่ละรุ่นแตกต่างกันมาก ขึ้นอยู่กับการออกแบบ น้ำหนักบรรทุก อุณหภูมิ ความดันอากาศ และลักษณะการบิน เช่น บินไปข้างหน้า ลอยตัวใกล้พื้น หรือลอยตัวนอกอิทธิพลพื้นดิน จึงไม่ควรใช้ตัวเลขช่วงเดียวแทนเฮลิคอปเตอร์ทุกประเภท

ส่วนเครื่องบินโดยสารสามารถบินในระดับสูงกว่าได้ เพราะใช้ปีกสร้างแรงยกจากการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า มีห้องโดยสารอัดความดัน และเครื่องยนต์ถูกออกแบบให้เหมาะกับการเดินทางในระดับสูง ต่างจากเฮลิคอปเตอร์ที่ต้องส่งกำลังไปหมุนใบพัดอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างทั้งแรงยกและการควบคุม

แล้วเฮลิคอปเตอร์ที่ลงจอดบนยอดเอเวอเรสต์ทำได้อย่างไร

หนึ่งในสถิติที่น่าสนใจที่สุดเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 14 พฤษภาคม 2005 เมื่อ Didier Delsalle นักบินทดสอบชาวฝรั่งเศส นำเฮลิคอปเตอร์ AS350 B3 ซึ่งปัจจุบันอยู่ในตระกูล Airbus H125 ลงจอดและบินขึ้นจากยอดเขาเอเวอเรสต์ที่ความสูง 8,848 เมตร

Airbus ระบุว่าเป็นสถิติการลงจอดและบินขึ้นของเฮลิคอปเตอร์ในระดับความสูงมากที่สุด และยังคงเป็นเฮลิคอปเตอร์เพียงรุ่นเดียวที่เคยลงจอดบนยอดเขาเอเวอเรสต์

อย่างไรก็ตาม สถิตินี้ไม่ได้หมายความว่าเฮลิคอปเตอร์ทั่วไปจะสามารถขึ้นไปปฏิบัติงานในระดับดังกล่าวได้ตามปกติ ภารกิจต้องใช้เฮลิคอปเตอร์ที่มีสมรรถนะสูง ลดน้ำหนักให้เหมาะสม เลือกสภาพอากาศอย่างระมัดระวัง และอาศัยนักบินที่มีความเชี่ยวชาญระดับสูง เพราะเป็นการบินใกล้ขีดจำกัดของอากาศยานอย่างยิ่ง

ดังนั้น เหตุผลที่เฮลิคอปเตอร์บินสูงได้ไม่เท่าเครื่องบินจึงไม่ได้เกิดจากข้อจำกัดเพียงข้อเดียว แต่เป็นผลรวมของอากาศที่เบาบางลง แรงยกจากใบพัดที่ลดลง ข้อจำกัดด้านความเร็วปลายใบพัด Retreating Blade Stall กำลังเครื่องยนต์ และข้อจำกัดด้านสรีรวิทยาของผู้ที่อยู่บนเครื่อง