ใบพัดหมุนสวนทางกัน (Contra-rotating Propellers) นวัตกรรมเพิ่มประสิทธิภาพการบิน

เครื่องบินที่ติดตั้งใบพัดหมุนสวนทางกัน (Contra-rotating Propellers - CRP) หรือใบพัดแกนร่วมหมุนสวนทางกัน เป็นระบบที่นำกำลังสูงสุดจากเครื่องยนต์เดียว (ไม่ว่าจะเป็นเครื่องยนต์ลูกสูบหรือเทอร์โบพร็อพ) มาขับเคลื่อนใบพัดสองชุดที่ติดตั้งบนแกนเดียวกันแต่หมุนในทิศทางตรงกันข้าม โดยใบพัดทั้งสองจะถูกจัดวางไว้ด้านหลังกัน และส่งกำลังผ่านระบบเกียร์ดาวเคราะห์ (Planetary gear) หรือเกียร์แบบ Spur

หลักการทำงาน

ในขณะที่เครื่องบินมีความเร็วต่ำ มวลของอากาศที่ไหลผ่านจานใบพัด (แรงผลัก) จะทำให้เกิดการไหลของอากาศในแนวสัมผัสหรือการหมุนวนจำนวนมาก ซึ่งในการออกแบบใบพัดเดี่ยว พลังงานจากการไหลวนนี้จะสูญเปล่า และก่อให้เกิดปัญหาในการควบคุมเครื่องบินที่ความเร็วต่ำ เนื่องจากอากาศที่หมุนวนจะปะทะกับแพนหางดิ่ง ทำให้เครื่องบินเกิดอาการส่าย (Yaw) ไปทางซ้ายหรือขวา ขึ้นอยู่กับทิศทางการหมุนของใบพัด

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ การติดตั้งใบพัดชุดที่สองไว้ด้านหลังใบพัดชุดแรกจะช่วยนำกระแสอากาศที่ปั่นป่วนนั้นกลับมาใช้ประโยชน์ ใบพัดหมุนสวนทางกันที่ออกแบบมาอย่างดีจะไม่มีการไหลของอากาศแบบหมุนวน แต่จะผลักอากาศจำนวนมหาศาลให้เคลื่อนที่ผ่านจานใบพัดอย่างสม่ำเสมอ ส่งผลให้มีสมรรถนะสูงและลดการสูญเสียพลังงานจลน์ที่ถูกเหนี่ยวนำ (Induced energy loss) นอกจากนี้ยังช่วยหักล้างผลกระทบจากแรงบิดที่ไม่สมมาตร (Asymmetrical torque effect) หรือที่รู้จักกันในชื่อ P-factor

ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดี

• หักล้างแรงบิด: แรงบิดที่กระทำต่อตัวเครื่องบินจากใบพัดคู่ที่หมุนสวนทางกันจะหักล้างกันเองอย่างมีประสิทธิภาพ
• เพิ่มประสิทธิภาพ: พบว่าใบพัดชนิดนี้มีประสิทธิภาพสูงกว่าใบพัดปกติประมาณ 6% ถึง 16%

ข้อเสีย

• มลภาวะทางเสียง: มีเสียงดังมาก โดยเฉพาะในแนวแกน (ด้านหน้าและด้านหลัง) ซึ่งอาจเพิ่มขึ้นถึง 30 เดซิเบล และในแนวสัมผัส 10 เดซิเบล ซึ่งส่วนใหญ่เป็นเสียงความถี่สูง ทำให้จำกัดการใช้งานในเชิงพาณิชย์
• ความซับซ้อนและน้ำหนัก: ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นถูกชดเชยด้วยความซับซ้อนทางกลไกและน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นของระบบเกียร์ ทำให้เครื่องบินหนักขึ้นและสูญเสียสมรรถนะบางส่วนในการบรรทุก

การใช้งานในเครื่องบิน

แม้ว่าหลายประเทศจะมีการทดลองใช้ใบพัดหมุนสวนทางกัน แต่มีเพียงสหราชอาณาจักรและสหภาพโซเวียตเท่านั้นที่ผลิตออกมาในจำนวนมาก

สหราชอาณาจักร

ใบพัดหมุนสวนทางกันถูกจดสิทธิบัตรโดย F. W. Lanchester ในปี 1907 เครื่องบินที่ประสบความสำเร็จของอังกฤษ เช่น Avro Shackleton (ใช้เครื่องยนต์ Rolls-Royce Griffon) และ Fairey Gannet (ใช้เครื่องยนต์ Double Mamba Mk.101) โดยในรุ่น Double Mamba จะมีส่วนกำลังแยกกันสองส่วนขับเคลื่อนใบพัดแต่ละชุด ทำให้สามารถปิดเครื่องยนต์หนึ่งตัวขณะบินเพื่อเพิ่มระยะเวลาในการปฏิบัติการได้

นอกจากนี้ เครื่องบินอย่าง Westland Wyvern และเครื่องบินทดสอบ Martin-Baker MB 5 ก็ใช้ใบพัดชนิดนี้ รวมถึงเครื่องบิน Seafire รุ่นหลังๆ ที่ใช้เครื่องยนต์ Griffon เพื่อเพิ่มพื้นที่ใบพัดให้สามารถรองรับกำลังเครื่องยนต์ที่สูงขึ้น ภายใต้ข้อจำกัดของความสูงฐานล้อเครื่องบิน

สหภาพโซเวียต รัสเซีย และยูเครน

ในช่วงทศวรรษ 1950 สำนักออกแบบ Kuznetsov ของสหภาพโซเวียตได้พัฒนาเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อพ NK-12 ซึ่งขับเคลื่อนใบพัดหมุนสวนทางกัน 8 ใบ และมีกำลังสูงถึง 15,000 แรงม้า ถือเป็นเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อพที่ทรงพลังที่สุดที่ยังคงใช้งานอยู่ เครื่องยนต์นี้ถูกนำไปใช้ใน Tupolev Tu-95 Bear ซึ่งเป็นเครื่องบินทิ้งระเบิดเทอร์โบพร็อพเพียงรุ่นเดียวที่เข้าประจำการ และเป็นหนึ่งในเครื่องบินใบพัดที่เร็วที่สุดในโลก นอกจากนี้ยังมีการนำไปใช้ใน Tu-114 (เครื่องบินโดยสาร), Tu-126 (เครื่องบินแจ้งเตือนภัยล่วงหน้า) และ Tu-142 (เครื่องบินลาดตระเวนทางทะเล)