อาการร่วงหล่น (Stall) ในพลศาสตร์ของไหลและการบิน

ในทางพลศาสตร์ของไหล อาการร่วงหล่น (Stall) คือสภาวะที่สัมประสิทธิ์ของแรงยก (Lift Coefficient) ที่สร้างโดยแผ่นฟอยล์ (Foil) ลดลง เมื่อมุมปะทะ (Angle of Attack) เพิ่มขึ้นจนเกินค่าวิกฤต โดยทั่วไปมุมปะทะวิกฤตจะอยู่ที่ประมาณ 15 องศา แต่ค่านี้อาจเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับชนิดของของไหล, รูปทรงของแผ่นฟอยล์ (รวมถึงขนาดและพื้นผิว) และเลขเรย์โนลด์ (Reynolds number)

คำจำกัดความอย่างเป็นทางการ

อาการร่วงหล่นเป็นสภาวะทางอากาศพลศาสตร์และการบิน ซึ่งหากมุมปะทะของเครื่องบินเพิ่มขึ้นเกินจุดหนึ่ง แรงยกจะเริ่มลดลง มุมที่เกิดเหตุการณ์นี้เรียกว่า มุมปะทะวิกฤต (Critical Angle of Attack) หากมุมปะทะเพิ่มขึ้นเกินค่าวิกฤต แรงยกจะลดลงและเครื่องบินจะเริ่มลดระดับลง ซึ่งจะยิ่งทำให้มุมปะทะเพิ่มขึ้นและสูญเสียแรงยกมากขึ้นไปอีก

ปัจจัยที่มีผลต่อมุมปะทะวิกฤต

มุมปะทะวิกฤตขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น รูปแบบหน้าตัดของปีก (Airfoil section), รูปทรงของปีก (Planform), อัตราส่วนกว้างยาว (Aspect ratio) และปัจจัยอื่นๆ โดยทั่วไปสำหรับปีกเครื่องบินความเร็วต่ำกว่าเสียง (Subsonic airfoils) จะอยู่ในช่วง 8 ถึง 20 องศา

ประเภทของการร่วงหล่น (Types of Stall)

การร่วงหล่นเกิดจากการแยกตัวของกระแสอากาศ (Flow separation) ซึ่งเกิดจากการที่อากาศไหลสวนทางกับความดันที่เพิ่มขึ้น โดยสามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลัก ได้แก่:

• Trailing-edge stall: การแยกตัวเริ่มต้นที่มุมปะทะต่ำใกล้กับขอบหลังของปีก และค่อยๆ เคลื่อนที่มาด้านหน้าเมื่อมุมปะทะเพิ่มขึ้น ทำให้ความสามารถในการสร้างแรงยกลดลงและมักเกิดการสั่นสะเทือน (Buffeting)
• Leading-edge stall: การแยกตัวเกิดขึ้นที่ขอบหน้าของปีกอย่างรวดเร็ว
• Thin-aerofoil stall: เกิดขึ้นกับปีกที่มีลักษณะบาง

ในอดีต เครื่องบินเครื่องยนต์ลูกสูบและเครื่องบินเจ็ทยุคแรกมีพฤติกรรมการร่วงหล่นที่คาดเดาได้ง่าย โดยมีการสั่นสะเทือนเตือนก่อนเกิด Stall และหากเพิกเฉย เครื่องบินจะลดหัวลงโดยธรรมชาติเพื่อกู้คืนสภาวะ แต่การพัฒนาปีกในยุคต่อมา (เช่น เครื่องยนต์เทอร์โบพร็อพ) ทำให้พฤติกรรมการร่วงหล่นซับซ้อนและอันตรายมากขึ้น จึงมีการนำอุปกรณ์เตือน เช่น Stick shakers (อุปกรณ์เขย่าคันบังคับ) และ Stick pushers (อุปกรณ์ดันคันบังคับลง) มาใช้เพื่อความปลอดภัย

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงยกและมุมปะทะ

จากกราฟจะเห็นได้ว่า แรงยกสูงสุดจะเกิดขึ้นเมื่อถึงมุมปะทะวิกฤต (ในยุคแรกเรียกว่า "burble point") ในตัวอย่างนี้คือ 17.5 องศา อย่างไรก็ตาม ค่านี้จะแตกต่างกันไปตามรูปทรงของปีก:

• ปีกที่มีความหนาทางอากาศพลศาสตร์สูง: จะมีมุมปะทะวิกฤตสูงกว่าปีกที่บางกว่าในระดับความโค้งเดียวกัน
• ปีกแบบสมมาตร (Symmetric airfoils): จะมีมุมปะทะวิกฤตต่ำกว่า แต่ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในการบินกลับหัว

การทดสอบในอุโมงค์ลมโดยใช้แบบจำลองขนาดเล็กมักจะให้ผลลัพธ์ที่คลาดเคลื่อนเนื่องจากความแตกต่างของเลขเรย์โนลด์ (Reynolds number) โดยในเครื่องบินจริงที่มีเลขเรย์โนลด์สูง กระแสอากาศจะยึดเกาะผิวปีกได้นานกว่า ทำให้มุมปะทะวิกฤตในความเป็นจริงมักจะสูงกว่าที่ผลการทดสอบจากแบบจำลองขนาดเล็กแสดงไว้