ไมโครโฟนที่วัดอากาศแปรปวนระยะไกล ที่จะพลิกอุตสาหกรรมการบิน ของ NASA

ไมโครโฟนที่วัดอากาศแปรปวนระยะไกล ที่จะพลิกอุตสาหกรรมการบิน ของ NASA

พูดถึงการแปรปรวนของอากาศ อาจจะฟังดูไกลตัวทุกคนมาก อะไรคือการสั่นสะเทือนของอากาศ เอาอากาศไปปิดฝาเขย่านั่นเรียกการแปรปรวนของอากาศหรือเปล่า? จริง ๆ แล้วการแปรปรวนของอากาศเกิดขึ้นอยู่ทุกทีเนื่องจากอากาศจริง ๆ แล้วก็คือโมเลกุลขนาดเล็ก ๆ ที่อยู่รอบ ๆ ตัวเรา มีคุณสมบัติเป็นของไหล (Fluid) และของไหลย่อมแปรปรวนได้ เหมือนกับการที่เราไปเขย่าแก้วที่มีน้ำแล้วน้ำเกิดเป็นคลื่นขึ้นมานั่นเอง

หากแต่การแปรปรวนของของไหลเหล่านี้ไม่ได้มีนัยสำคัญอะไรกับเราเลยเมื่อพูดในบริบททั่วไป แต่มันไปสำคัญในด้านการคมนาคมที่สะดวกสบายและรวดเร็วอย่างหนึ่งที่เรียกว่าอากาศยานหรือเครื่องบินนั่นเอง

Fluid Dynamics in Aviation (Aerodynamics)

อากาศเป็นของไหล หมายความว่ามันก็คือโมเลกุลของอากาศที่มีคุณสมบัติไหลได้ เครื่องบินเป็นนวัตกรรมอย่างหนึ่งที่เปลี่ยนแปลงวิถีการคมนาคมของประชาคมโลกไปอย่างสิ้นเชิง และเบื้องหลังของการทำให้ปีกเหล็กอันนี้บินได้ก็คือการใช้ประโยชน์จาก Fluid Dynamics ซึ่งหากใช้กับอากาศจะเรียกว่า Aerodynamics หรืออากาศพลศาสตร์นั่นเอง

ปีกของเครื่องบินถูกออกแบบมาให้เกิดความแตกต่างกันของความเร็วในการไหลของอากาศผ่านปีกอาศัยรูปร่างของปีกที่ส่วนบนจะมีความโค้งสูงทำให้เกิด Angle of Attack (AOA) ที่แตกต่างกันระหว่างข้างบนและข้างล่างปีก ส่งผลให้อากาศที่ไหลผ่านเหนือปีกจะมีความเร็วมากกว่าอากาศที่ไหลผ่านใต้ปีกที่มีลักษณะเรียบ ตาม Bernoulli’s Principle อธิบายไว้ว่าความเร็วของของไหลที่ผมขึ้นจะส่งผลให้ของไหลดังกล่าวมีแรงดันภายในลดลง เป็นไปตามกฎอนุรักษ์พลังงาน (Conservation of Energy)

สมการ Bernoulli ส่วนหนึ่งของ Bernoulli’s Principle – ที่มา Georgia State University

เมื่อนำมาใช้ในหลักการทำงานของปีกเราจะได้ว่าอากาศเหนือปีกจะมีความดันน้อยกว่าอากาศใต้ปีก ตามหลักการ Pressure Equilibrium ที่อากาศที่มีแรงดันสูงกว่าจะไหลไปหาบริเวณที่มีแรงดันต่ำกว่าทำให้อากาศใต้ปีกดันปีกขึ้นเกิดเป็นแรงยก เมื่อแรงยกเหล่านี้มากพอ เครื่องบินก็จะสามารถบินได้นั่นเอง

อากาศพลศาสตร์ของปีกเครื่องบิน – ที่มา NASA Glenn Research Center

อย่างไรก็ตามอากาศพลศาสตร์ของเครื่องบินนี่เองเป็นจุดเริ่มต้นของปัญหาด้านการแปรปรวนของอากาศ (Turbulence) หนึ่งตัวอย่างของการแปรปรวนของอากาศก็เกิดขึ้นจากเครื่องบินเองเช่นกัน เรียกว่า Wingtip Vortices

Wingtip Vortices คือ การแปรปรวนของอากาศรูปแบบหนึ่งซึ่งเกิดขึ้นจากการที่บริเวณปลายปีกของเครื่องบินนั้นมันไม่มีปีก มันเป็นปลาย ใช่แล้ว เพราะมันไม่มีปีกมากันระหว่างพื้นที่ที่มีแรงดันต่ำและแรงดันสูง อากาศที่ลอยมาบริเวณนั้นมันก็มาตามที่มันมา มันเป็นไปตามกฎ Pressure Equilibrium ทุกประการ แต่มวลอากาศบริเวณนี้มันไม่มีอะไรมากันมัน จากที่ได้กล่าวไปว่าอากาศเหนือปีกมีแรงดันต่ำ แต่อากาศจากปลายปีกนั้นมีแรงดันเท่าเดิม ทำให้อากาศบริเวณปลายปีกข้างล่างนั้นพยายามม้วนตัวขึ้นมาแทนที่เพื่อปรับแรงดันตามกฎ Pressure Equilibrium จึงเกิดเป็นอากาศที่ม้วนตัวเกิดขึ้น

การจำลอง Wingtop Vortices – ที่มา Wikipedia Commons

Wingtip Vortices จะเคลื่อนที่เป็นวงกลมหลังจากเครื่องบินบินผ่านไปแล้วระยะหนึ่ง แต่หากมีเครื่องบินลำอื่นดันมาเจอ Wingtip Vortices ที่เครื่องบินลำก่อนสร้างไว้ก็จะเกิดสิ่งที่เรียกว่า Wake Turbulence ขึ้น ซึ่งโดยปกติแล้วผู้ควบคุมการจราจรทางอากาศ (ATC) จะคอยรักษาระยะห่างของเครื่องบินแต่ละลำไม่ให้ใกล้กันจนเกินไปเพื่อป้องกัน Wake Turbulence เพราะบางครั้งในเครื่องบินขนาดใหญ่อย่าง Airbus A380 ความรุนแรงของ Wingtip Vortices ที่มันสร้างอาจก่อ Wake Turbulence หายนะให้เครื่องบินที่เล็กกว่าอย่าง Airbus A320 ได้ (เคยมีกรณีที่เครื่องบินโดนกดดิ่งโลกจนเกือบตก เพราะ Wake Turbulence) ซึ่งยิ่งเครื่องบินมีมวลมากเท่าไหร่ แรงยกที่ต้องใช้ยิ่งเยอะ ความแตกต่างของแรงดันในการสร้างแรงยกก็ต้องยิ่งเยอะ หมายความว่า ความรุนแรงของ Wing Tip Vortices ก็จะรุนแรงตามไปด้วย

มวลอากาศที่ผ่านปลายปีกและเกิดเป็น Wingtip Vortices ขึ้น – ที่มา NASA Langley Research Center

โชคร้ายที่อาจเกิดขึ้นได้กับอากาศยานไม่ได้มีแค่นั้น เพราะเรายังมีอีกอย่างที่น่ากลัวกว่า Wake Turbulence มีชื่อเล่นว่า “Horizontal Tornado“ ซึ่งอันตรายต่อเครื่องบินเป็นอย่างมากและการตรวจจับแทบจะเป็นไปไม่ได้ ถึงเป็นไปได้ก็ยากจะหลบได้ทันหรือไม่คุ้มที่จะหลบเพราะหลาย ๆ ครั้ง มันเกิดเป็นพื้นที่กว้างมากและการจะหนีได้คือต้องเปลี่ยนระดับความสูง ด้วยการไต่ระดับหรือลดระดับ ซึ่งก็ไม่สามารถทำได้ทันทีอยู่ดี ไม่งั้นเครื่องบินจะกลายเป็นรถไฟเหาะไปโดยปริยาย (มันถึงเรียกว่า Horizontal Tornado ไง เพราะเกิดแนวนอน) คำศัพท์ทางการบินเรียกว่า Clear-Air Turbulence (CAT)

Clear-Air Turbulence นักฆ่าล่องหน

Clear-Air Turbulence หรือ CAT คือการแปรปรวนหรือการแปรปรวนของอากาศ “ที่ไม่สามารถตรวจจับได้” โดยปกติแล้วการแปรปรวนของมวลอากาศที่จะทำให้เครื่องบินแปรปรวนได้นั่นจะเกิดขึ้นเมื่อเครื่องบินต้องบินผ่านพื้นที่ที่มีพายุหรือฝนฟ้าคะนอง ซึ่งเมฆฝน พายุ เหล่านี้ต่างเป็นตัวบ่งบอกทั้งสิ้นว่าจะมีการแปรปรวนของอากาศในบริเวณนั้น นอกจากนี้ยังสามารถตรวจจับได้ล่วงหน้าอีกด้วย เช่น เรดาร์ตรวจอากาศ ทำให้นักบินสามารถหลีกเลี่ยงได้ทัน

แต่ CAT คือการแปรปรวนของอากาศที่ไม่มีอะไรบ่งบอกเลย เครื่องบินบินอยู่ในท้องฟ้าโปรง ๆ ใส ๆ ไม่มีฝนก็อาจเจอ CAT ได้ หลายคนอาจสงสัยว่าเวลาเครื่องบินเจอ CAT มันเป็นยังไง เชื่อว่าทุกคนเคยได้ยินคำว่า “เครื่องบินตกหลุมอากาศ” จริง ๆ แล้วหลุมอากาศไม่มีอยู่จริง เพราะหากหลุมอากาศมีจริง นั่นคือการละเมิดกฎ Pressure Equilibrium อยู่ ๆ มันจะมีพื้นที่ที่หนึ่งที่ไม่มีอากาศแต่เป็นหลุมอากาศว่างเปล่าโง่ ๆ ไร้ซึ่งโมเลกุลอากาศใด ๆ มันเป็นไปไม่ได้ เพราะนั่นคือการแหกกฎฟิสิกส์

หลักการเกิด Clear Air Turbulence – China Daily

จริง ๆ แล้ว “หลุมอากาศ” ที่เราชอบเรียกกัน จริง ๆ แล้วมันคือ CAT นั่นเอง นั่งเครื่องบินอยู่ ๆ ดี ท้องฟ้าโปร่ง แต่อยู่ ๆ เครื่องบินแปรปรวนตั้งแต่เล็กน้อยจนถึงรุนแรงแบบไม่มมีอะไรมาเตือน นักบินก็งงเพราะว่ามันตรวจจับไม่ได้

CAT อาจรุนแรงถึงขั้นทำให้เครื่องบินเสียเพดานบินและดิ่งลงสู่โลกอย่างรุนแรงได้ ยกตัวอย่างเช่นเที่ยวบิน United Airlines Flight 826 ที่เจอเข้ากับ CAT เข้าจนทำให้สูญเสียความสูงกระทันหันกว่า 30 เมตร ทำให้มีผู้โดยสารบาดเจ็บสาหัส 15 ราย ลูกเรือ 3 ราย และเสียชีวิต 1 ราย

อย่างไรก็ตาม นักวิจัยที่ NASA พบวิธีหนึ่งที่จะตรวจจับ CAT ได้ ไม่ใช้ด้วยเรดาร์แต่ด้วยเสียง

ตรวจจับ CAT ที่ช่วงคลื่นเสียง Infrasound

นักวิจัยที่ NASA’s Langley Research Center พบว่า CAT สามารถถูกตรวจจับได้ในช่วงคลื่นเสียง Infrasound โดยช่วงคลื่นเสียง Infrasound นั้นก็คือเสียงที่มีความถี่ต่ำกว่าที่มนุษย์ได้ยิน ตรงข้ามกับ Ultrasound (คล้ายกับ Infrared และ Ultraviolet เพราะ Infra และ Ultra เอาไว้ใช้บ่งบอกถึงการเหนือกว่าหรือต่ำกว่าในความสามารถของการรับรู้ของมนุษย์) และหากนักบินสามารถฟังเสียงของ CAT ได้ก่อนที่มันจะมาถึงเครื่องบิน พวกเขาอาจจะหลบได้ทันนั่นเอง

การทดลองเพื่อพิสูจน์ข้อสันนิษฐานดังกล่าวเริ่มขึ้นในปี 2007 อย่างไรก็ตาม ไม่มีไมโครโฟรนขายกันตามท้องตลาดอันไหนสามารถตรวจจับเสียง Infrasound ได้เลย เพราะการที่ Infrasound มีความถี่ต่ำ หมายความว่าคลื่นเสียงจะมีความยาวมากและมีพลังงานต่ำ สามารถถูกรบกวนได้ง่ายโดยคลื่นที่มีความถี่สูงซึ่งมีพลังงานมากกว่า ผลลัพธ์ก็คือคลื่นรบกวนนั่นเอง

ทีมวิจัยที่ Langley Research Center จึงเริ่มพัฒนาไมโครโฟนสำหรับจุดประสงค์นี้โดยเฉพาะเพื่ออัดเสียงความถี่ต่ำให้สามารถได้ยินได้ชัดเจน โดยการใช้ไมโครโฟนที่มี Diaphragm ที่มีความตึงต่ำคู่กับ Sealed Air Chamber ขนาดใหญ่ เพื่อให้สามารถจับเสียงความถี่ต่ำ (Ultralow Sound Wave) จากระยะไกลได้ โดยไมโครโฟนอันนี้ถูกผลิตโดยบริษัทเอกชนภายนอก หลังจากการทดสอบไมโครโฟนตัวนี้พบว่ามันสามารถตรวจจับการแปรปรวนของอากาศได้ไกลกว่า 480 กิโลเมตรในท้องฟ้า

ไมโครโฟนที่ถูกพัฒนาขึ้นที่ NASA’s Langley Research Center สำหรับการตรวจจับ CAT – ที่มา NASA

ในปี 2017 ทีมวิจัยโครงการนี้ Qamar Shams และ Allan Zuckerwar ชนะรางวัล NASA Commercial Invention และได้รับโอกาสให้นำอุปกรณ์ที่พวกเขาพัฒนาขึ้นไปทดลองที่ Sandia National Laboratories เพื่อยืนยันประสิทธิภาพของมัน อย่างไรก็ตามมันยังไม่เคยถูกนำไปทดสอบบนเครื่องบินลำใดเลย อย่างไรก็ตามบริษัท Stratodynamics เห็นประโยชน์ที่ไมโครโฟนอันนี้สามารถทำได้ หลังการจดสิทธิบัตรที่ NASA เสร็จสิ้น บริษัท Stratodynamics จึงอาสานำอุปกรณ์ชิ้นนี้ไปทดสอบบนเครื่องร่อนชั้นสตราโตสเฟียร์ เรียกว่า HiDRON

HiDRON Glider สำหรับการทดสอบอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ระหว่างการร่อนในขอบชั้นบรรยากาศชั้นบนของโบก – ที่มา Stratodynamics

HiDRON Glider จะถูกปล่อยให้ลอยไปกลับบอลลูนขนาดใหญ่จนถึงความสูงที่ประมาณ 100,000 ฟุต จากนั้นจึงจะค่อย ๆ ร่อนกลับโลก ระหว่างที่มันร่อนกลับโลก Infrasound Microphone อันนี้ก็จะทำการวัดความรุนแรงของความแปรปรวนของอากาศตามเส้นทางที่เครื่องร่อนกำลังร่อนลง นอกจากนี้มันอาจจะยังสามารถตรวจจับมวลอากาศร้อนที่อาจทำให้เครื่องร่อนร่อนได้นานขึ้นอีกด้วย ตัว Infrasound Microphone จะถูกพัฒนาต่อไปเพื่อให้มี Algorithm ในการคำนวณและตรวจจับการแปรปรวนของอากาศโดยอัตโนมัติ

ในการทดสอบครั้งนี้ ทีมวิจัยพบว่าตัวไมโครโฟนทำงานได้ดีแม้จะมีลมพัดผ่านตัวไมโครโฟนอยู่ตลอดเวลา โดยทางทีมวิจัยสามารถแยกเสียงความถี่ต่ำออกมาได้สำเร็จเพื่อนำไปวิเคราะห์ต่อไป หากไมโครโฟนตรวจจับ CAT สำเร็จ การพยากรณ์อากาศในอุตสาหกรรมการบินก็จะเปลี่ยนไปอีกครั้ง โดยไม่ใช่แค่การดูภาพดูเรดาร์อีกต่อไป แต่เป็นการฟังเสียงนั่นเอง

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

NASA Microphone Detects Turbulence Hundreds of Miles Away

เราใช้คุกกี้เพื่อพัฒนาประสิทธิภาพ และประสบการณ์ที่ดีในการใช้เว็บไซต์ของคุณ คุณสามารถศึกษารายละเอียดได้ที่ นโยบายความเป็นส่วนตัว และสามารถจัดการความเป็นส่วนตัวเองได้ของคุณได้เองโดยคลิกที่ ตั้งค่า

Privacy Preferences

คุณสามารถเลือกการตั้งค่าคุกกี้โดยเปิด/ปิด คุกกี้ในแต่ละประเภทได้ตามความต้องการ ยกเว้น คุกกี้ที่จำเป็น

Allow All
Manage Consent Preferences
  • Always Active

Save