เฮลิคอปเตอร์

เฮลิคอปเตอร์ จัดเป็น อากาศยาน ปีกหมุน (Rotor Craft) มีใบพัดขนาดใหญ่ติดตั้งเหนือลำตัว ใบพัดหมุนรอบตัวในแนวนอน ทำหน้าที่ช่วยพยุงตัวและบังคับให้บินไปตามทิศทางที่ต้องการได้ ใช้เครื่องยนต์ขับเคลื่อนและบินขึ้นลงในแนวดิ่งได้ สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างสะดวกแม้แต่ในที่แคบก็ขึ้นลงได้อย่างสบาย
เฮลิคอปเตอร์ลำแรกของโลกพัฒนาขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2482 โดยชาวอเมริกันเชื้อสายรัสเซีย ชื่ออิกอร์ ซิคอร์สกี ( Igor Sikorsky)  โดยใช้ชื่อว่า VS-300 ใช้เครื่องยนต์ 4 สูบ  ประกอบด้วยเหล็กท่ออย่างหนา  ไม่มีผนังลำตัวปกปิด และไม่มีเครื่องวัดใด ๆ โรเตอร์หลักประกอบด้วยใบพัดสามใบ และมีโรเตอร์ท้ายเพื่อต้านแรงหมุนที่เกิดขึ้น

การบินครั้งแรก

ในปี ค.ศ.1961 สองพี่น้องชาวฝรั่งเศส แจ๊ค (Jacques) และ หลุยส์ บรูเกต์ (Louis Breguet) เริ่มการทดลองสำหรับเฮลิคอปเตอร์ ในปี ค.ศ. 1907 การทดลองเหล่านั้นปรากฏเป็นไจโรเพลน 1 ซึ่งจากลักษณะภายนอกเป็นไปได้ว่าเป็นต้นแบบของเครื่องบินสี่ใบพัด (quadcopter) ระหว่าง 14 สิงหาคม และ 29 กันยายน ค.ศ. 1907 ไจโรเพลน 1 พร้อมนักบิน สามารถบินขึ้นได้ประมาณ 2 ฟุต (0.6 เมตร) เป็นเวลาหนึ่งนาที ไจโรเพลน 1 ไม่มีเสถียรภาพ จนต้องมีคนช่วยจับในแต่ละมุมของตัวเครื่อง อย่างไรก็ดีไจโรเพลน 1 ถือเป็นการบินครั้งแรกของเฮลิคอปเตอร์โดยนักบิน แต่ไม่ใช่เป็นการบินโดยอิสระ กล่าวคือ ยังต้องมีการช่วยพยุง
ในปีเดียวกัน นักประดิษฐ์ชาวฝรั่งเศส พอล กอนู (Paul Cornu) ออกแบบและสร้าง กอนู เฮลิคอปเตอร์ ใช้ใบพัดสองชิ้นหมุนสลับทิศกัน ยาว 20 ฟุต (6 เมตร) ขับเคลื่อนโดยเครื่องยนต์ยี่ห้ออันโตเนต (Antonette) 24 แรงม้า (18 กิโลวัตต์) และ ได้ทดลองนำเครื่องขึ้นในวันที่ 13 พฤษศจิกายน ค.ศ.1907 โดยเครื่องสามารถบินได้สูง 1 ฟุต (0.3 เมตร) และ ลอยอยู่กลางอากาศได้ 20 วินาที แม้ว่าสถิติการบินเที่ยวนี้จะไม่ได้ดีกว่าไจโรเพลน 1 แต่ถือเป็นการบินเที่ยวแรกโดยนักบิน โดยไม่มีการช่วยพยุง กอนู เฮลิคอปเตอร์ ได้บินอีกและบินได้สูง 6.5 ฟุต (2 เมตร) แต่พบว่าไม่มีเสถียรภาพ และไม่ได้ถูกพัฒนาต่อในที่สุด

ออโต้ไจโร

การบินด้วยปีกโรเตอร์ในช่วงยุคแรก ๆ ได้ประสบกับความล้มเหลวเป็นส่วนใหญ่อันเนื่องมาจากความเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่แบบหมุนที่เกิดจากความไม่สมดุลที่ถูกสร้างขึ้นเมื่อได้มีความพยายามในการบินทะยานขึ้นไปของตัวอากาศยานนั้นเนื่องมาจากการสูญเสียความสมมาตร (dissymmetry) ของการยกตัวเองขึ้นในระหว่างใบพัดโรเตอร์ด้านที่กำลังเคลื่อนที่หมุนมาข้างหน้าและใบพัดโรเตอร์ด้านที่กำลังหมุนเคลื่อนที่ถอยหลังออกไป  ความยากลำบากที่สำคัญอันนี้ได้รับการแก้ไขโดยการประดิษฐ์แผ่นปีกใบพัดที่มีลักษณะแบบบานพับที่สามารถขยับกระพือปีกเผยิบผยาบขึ้นลงได้เมื่อเวลาเจอแรงลมต้านทาน (flapping hinge)ของนักประดิษฐ์ที่ชื่อ ฮวน เดอ ลา เซียร์วา (Juan de la Cierva)

กำเนิดอุตสาหกรรม

ฮายน์ริช โฟคเกอ (Heinrich Focke) จากบริษัทโฟคเกอ วูฟ (Focke-Wulf) ได้รับอนุญาตให้ผลิต เซียวา ซี 30 (Cierva C.30) ออโตไจโรในปี 1933 โฟคเกอออกแบบเฮลิคอปเตอร์สองใบพัดเครื่องแรก โฟคเกอวูฟ 61 โดยบินเป็นครั้งแรกในวันที่ 26 มิถุนายน ค.ศ.1936 เครื่อง FW61 ทำลายสถิติโลกในปี 1937 โดยสามารถทำสถิติการบินที่ออโตไจโรเคยทำได้
ในช่วงสงความโลกครั้งที่สอง นาซีเยอรมัน ใช้เฮลิคอปเตอร์เป็นจำนวนน้อย โดยใช้เฉพาะการสังเกตการณ์ ขนส่ง และอพยพผู้ป่วยฉุกเฉิน

การใช้งาน

เนื่องจากลักษณะการดำเนินงานของเฮลิคอปเตอร์นั้น ขึ้นอยู่กับความสามารถในการทะยานตัวขึ้นและการร่อนลงจอดในแนวตั้งได้ของมันนั่นเอง,และจะสามารทำการบินโฉบร่อนตัวเองอยู่นิ่ง ๆ กลางอากาศได้สำหรับในช่วงระยะเวลาหนึ่งเช่นเดียวกับคุณสมบัติด้านการจัดการควบคุมการบินของตัวมันเองได้อย่างง่ายดายภายใต้สภาวะอากาศที่มีอัตราเร็วลมที่ต่ำ ๆ ใกล้พื้นดิน ซึ่งเฮลิคอปเตอร์จะได้รับการเลือกสรรที่จะใช้ดำเนินงานภาระกิจต่าง ๆ เป็นอันดับต้น ๆ โดยที่ก่อนหน้านี้จะใช้ไม่ได้กับเครื่องบินแบบอื่น ๆ หรืออาจเป็นเพราะระยะเวลาการบินปฏิบัติภารกิจของเครื่องบินแบบอื่น ๆ ที่มากเกินความจำเป็นเกินไป หรือ การบินที่คร่ำเคร่งตรากตรำมากเกินไปของเครื่องบินแบบอื่น ๆ กับการที่จะสามารถปฏิบัติภารกิจให้ประสบความสำเร็จลุล่วงลงไป ณ เบื้องบนภาคพื้นดิน

ระบบโรเตอร์

ระบบโรเตอร์หรือมากยิ่งไปกว่านั้นเป็นส่วนที่หมุนของเฮลิคอปเตอร์ในการที่จะสร้างให้เกิดแรงยกขึ้น ระบบโรเตอร์อาจจะติดตั้งในแนวนอน, ในขณะที่ใบพัดโรเตอร์หลักคือการให้แรงยกในแนวดิ่ง, หรืออาจจะติดตั้งในแนวตั้ง เช่น ใบพัดหางเพื่อทำให้เกิดแรงยกเป็นแรงผลักดันในแนวนอนเพื่อต่อต้านกับผลกระทบที่เกิดขึ้นจากแรงบิด (torque) โรเตอร์ประกอบไปด้วยเสากระโดง, ดุมใบพัด (hub) และใบพัด 
 
เสากระโดงเป็นเพลาโลหะทรงกระบอกที่ยื่นยาวสูงขึ้นไปและถูกขับเคลื่อนโดยการส่งผ่านแรง ที่ด้านบนของเสากระโดงคือจุดที่เป็นที่ยึดติดสำหรับใบพัดโรเตอร์ที่เรียกว่าดุมใบพัดหรือฮับ ใบพัดโรเตอร์นั้นจะถูกยึดติดเข้ากับฮับด้วยจำนวนของใบพัดอันเนื่องมาจากวิธีการที่แตกต่างกัน ระบบใบพัดหลักจะถูกแบ่งจำแนกตามวิธีการที่ใบพัดโรเตอร์หลักจะถูกยึดติดและมีการเคลื่อนที่ที่สัมพันธ์กับฮับหรือศูนย์กลางโรเตอร์หลัก

คุณสมบัติต้านแรงบิด

เฮลิคอปเตอร์ส่วนใหญ่มีโรเตอร์หลักแกนเดียว แต่แรงบิดที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อเป็นกลไกสำหรับไปหมุนโรเตอร์เป็นสาเหตุทำให้ลำตัวเครื่องของเฮลิคอปเตอร์นั้นเกิดการหมุนไปในทิศทางที่ตรงกันข้ามกับโรเตอร์ (โดยหลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม) (conservation of angular momentum) เพื่อขจัดผลกระทบที่เกิดขึ้นนี้, การจัดเรียงลำดับในการควบคุมเพื่อต่อต้านแรงบิดด้วยวิธีการบางอย่างเป็นสิ่งจำเป็นจะต้องทำ 
การออกแบบสร้างเฮลิคอปเตอร์ตามที่อิกอร์ ซิคอร์สกี ได้ทำการออกแบบไว้เป็นเฮลิคอปเตอร์รุ่น VS-300 ซึ่งเป็นเฮลิคอปเตอร์ที่มีใบพัดหางขนาดเล็กอยู่ตรงบริเวณส่วนปลายหางด้านท้ายของลำตัวเครื่อง

เครื่องยนต์

จำนวน, ขนาดและประเภทของเครื่องยนต์ ที่ใช้กับเฮลิคอปเตอร์จะเป็นตัวกำหนดขนาด, ฟังก์ชันการทำงานและความสามารถในการออกแบบเฮลิคอปเตอร์

การควบคุมการบินของเฮลิคอปเตอร์

เฮลิคอปเตอร์มีปัจจัยในการควบคุมการบินอยู่สี่ตัวแปร  เหล่านี้ก็มี ไซคลิค (cyclic) คอลเลคทีฟ (collective) คันเหยียบต่อต้านแรงบิด (anti-torque pedals) และ คันเร่ง (throttle)

การบิน

มีสามเงื่อนไขการบินพื้นฐานสำหรับเฮลิคอปเตอร์: คือ การบินลอยตัวอยู่นิ่ง ๆ, การบินไปข้างหน้า และการเปลี่ยนแปลงลักษณะการบินระหว่างทั้งสองข้อแรกข้างต้น

บินลอยตัว (Hover)

การบินลอยตัวเป็นส่วนที่ท้าทายที่สุดในการบินเฮลิคอปเตอร์  เนื่องจากเฮลิคอปเตอร์สร้างแรงลมจากอากาศที่มีกำลังแรงของตัวเองในขณะที่อยู่ในการบินลอยตัว, ซึ่งทำหน้าที่ต่อต้านกับลำตัวเครื่องบิน (fuselage) และพื้นบังคับควบคุมการบิน (flight control surfaces)   (พื้นบังคับควบคุมการบินของอากาศยาน คือ อุปกรณ์ทางด้านอากาศพลศาสตร์ที่ช่วยให้นักบินสามารถปรับแต่งและควบคุมลักษณะท่าทางการบินของอากาศยานลำนั้น ๆ ได้)   ผลลัพธ์ที่ได้คือปัจจัยการควบคุมที่คงที่และการแก้ไขสถานการณ์โดยนักบินเพื่อให้เฮลิคอปเตอร์รักษาสถานะที่ควรจะเป็น   แม้ว่าความซับซ้อนของภาระกิจ, ปัจจัยการควบคุมในการบินลอยตัวจะเรียบง่ายเพียงใดก็ตาม  คันโยกไซคลิกจะใช้ในการจำกัดการลอยตัวในแนวราบ, นั่นคือการควบคุมไปข้างหน้าและด้านหลัง, ขวาและซ้าย  คันโยกคอลเลคทีฟใช้เพื่อรักษาระดับความสูง  คันเหยียบใช้เพื่อควบคุมทิศทางหรือการหัน ซ้าย , ขวาของเฮลิคอปเตอร์  การควบคุมการทำงานร่วมกันของตัวควบคุมเหล่านี้ทำให้การบินลอยตัวเป็นเรื่องยากขึ้นเนื่องจากการปรับตัวในการควบคุมตัวใดตัวหนึ่งต้องมีการปรับตัวของอีกสองตัวที่เหลือทำให้เกิดการแก้ไขเป็นวัฏจักรอย่างต่อเนื่อง

การเปลี่ยนจากการบินลอยตัวไปสู่การบินไปข้างหน้า

ขณะที่เฮลิคอปเตอร์เคลื่อนที่จากการบินลอยตัวไปสู่การบินไปข้างหน้ามันจะเข้าสู่สถานะที่เรียกว่าการยกตัวแบบเลื่อนตำแหน่ง (translational lift) ซึ่งทำให้เกิดการยกตัวเองให้ลอยขึ้นเป็นกรณีพิเศษโดยไม่ต้องเพิ่มกำลังเครื่องยนต์  ที่สถานะนี้, ส่วนใหญ่เกิดขึ้นเมื่อความเร็วของเครื่องบินมาถึงประมาณ 16-24 นอต (หน่วยความเร็วหนึ่งไมล์ทะเล หรือ 6080 ฟุตต่อชั่วโมง), และอาจจำเป็นสำหรับเฮลิคอปเตอร์เพื่อให้ประสบผลสำเร็จในการบิน

การบินไปข้างหน้า

ในการบินไปข้างหน้าการควบคุมการบินของเฮลิคอปเตอร์มีพฤติกรรมคล้ายกับอากาศยานแบบปีกตรึง (fixed-wing aircraft)  การโยกคันบังคับไซคลิกไปทางข้างหน้าจะทำให้ส่วนหัวของเฮลิคอปเตอร์ลดระดับลง, โดยมีผลทำให้อัตราเร็วลม (airspeed) (คือ อัตราเร็วของอากาศยานที่สัมพัทธ์กับอากาศ) และการสูญเสียระดับความสูงเพิ่มขึ้น  การโยกคันบังคับไซคลิกไปทางด้านหลังจะทำให้ส่วนหัวเฮลิคอปเตอร์เชิดระดับขึ้น, ทำให้เฮลิคอปเตอร์ชะลอความเร็วลงและทำให้ไต่ระดับสูงขึ้น  การเพิ่มคอลเลคทีฟ (กำลัง) (คือ การยกคันโยกคอลเลคทีฟขึ้น) ในขณะที่ยังคงรักษาอัตราความเร็วลมให้คงที่จะทำให้เฮลิคอปเตอร์บินไต่ระดับยกตัวลอยขึ้นและในขณะที่การลดคอลเลคทีฟลง (คือ การลดคันโยกคอลเลคทีฟลง) ก็จะทำให้เฮลิคอปเตอร์บินลดระดับต่ำลง  การสอดประสานกันของปัจจัยทั้งสองอย่างนี้, การลดคันโยกคอลเลคทีฟลงบวกกับการดึงคันบังคับไซคลิคไปด้านหลัง หรือ การยกคันโยกคอลเลคทีฟขึ้นบวกกับการโยกคันบังคับไซคลิคไปข้างหน้า, จะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอัตราเร็วลมของเฮลิคอปเตอร์ขณะเดียวกันก็ยังคงรักษาระดับความสูงให้คงที่อยู่เสมอ

การทหาร

ต่อมามีการนำมาใช้ในการทหารเช่น ฮิวอี้ (UH-1 HUEY) ที่ถูกพัฒนาขึ้นในปี พ.ศ. 2499 ยุคของสงครามเกาหลี เนื่องจากจำเป็นต้องใช้ยานขึ้น-ลงแนวดิ่ง เคลื่อนย้ายกำลังทหารที่บาดเจ็บ และมีการนำมาใช้ในสงครามเวียดนามในเวลาต่อมา