80 ปี สิทธิบัตรเฮลิคอ.ปเตอร์ของ อิกอร์ ซิกอร์สกี

80 ปี สิทธิบัตรเฮลิคอปเตอร์ของ อิกอร์ ซิกอร์สกี

วันที่ 4 พฤษภาคม 1943 เมื่อ 80 ปีที่แล้ว สำนักสิทธิบัตรสหรัฐอเมริกาได้ออกสิทธิบัตรสองฉบับให้แก่ อิกอร์ ซิกอร์สกี ในนามของบริษัท United Aircraft ฉบับหนึ่งในนั้นได้กลายมาเป็นมาตรฐานการออกแบบ ของอากาศยานปีกหมุน หรือเฮลิคอปเตอร์ต่อมาอีกหลายสิบปี บริษัทอากาศยานที่เขาก่อตั้งขึ้นก็มีอายุครบศตวรรษแล้วในปีนี้ ซิกอร์สกี นักประดิษฐ์เชื้อสายรัสเซีย/ยูเครนอพยพ ผู้สร้างเครื่องบินทิ้งระเบิดให้จักรพรรดิรัสเซีย และสร้างเฮลิคอปเตอร์ให้ประธานาธิบดีสหรัฐ กลายมาเป็นสัญลักษณ์แห่งเฮลิคอปเตอร์ได้อย่างไร ทั้งที่เขามิใช่คนแรกที่คิดค้นเครื่องบินปีกหมุน และก็มิใช่รายแรกที่ได้รับสิทธิบัตรของอากาศยานชนิดนี้

ซิกอร์สกี ขึ้นปกนิตยสาร TIME ในปี 1953

อิกอร์ อิวาโนวิช ซิกอร์สกี (1889-1972) เกิดที่กรุงเคียฟ ในยูเครนปัจจุบัน ขณะนั้นยังสังกัดจักรวรรดิรัสเซีย มีบิดามารดาเป็นอาจารย์มหาวิทยาลัยฐานะดี ที่สนับสนุนอย่างเต็มที่ให้ศึกษาทางวิทยาศาสตร์ ในวัยเด็กเขาประทับใจนิยายไซไฟของชูล แวร์น หรือจูลส์ เวิร์น ชาวฝรั่งเศสอย่างมาก โดยเฉพาะเรื่อง โรเบอร์ผู้พิชิต (Robur le Conquérant) และ เจ้าไตรภพ (Maitre du monde) ซึ่งบรรยายถึงยานยักษ์คล้ายเฮลิคอปเตอร์ท่องไปเหนือหมู่เมฆ

ยานอัลบาทรอส ของจูลส์ เวิร์น ในภาพยนตร์ปี 1961

พโยมยานของจูลส์ เวิร์น ล้ำหน้ากว่าจินตนาการ Steampunk ไปมาก เพราะไม่ได้ขับด้วยเครื่องจักรไอน้ำที่มีใช้ในยุคนั้น แต่เป็นมอเตอร์ไฟฟ้าได้พลังงานจากแบตเตอรีที่ไม่มีวันหมด โดรนยุคนี้สู้ไม่ได้เลยทีเดียว ทั้งที่ในปีที่พิมพ์นิยายฉบับนั้น ยุโรปเพิ่งจะมีไฟฟ้าใช้ หนังสืออีกเล่มที่ซิกอร์สกีจำได้ไม่ลืมเลือน คือหนังสือสมุดบันทึกของลีโอนาร์โด ดาวินชี โดยเฉพาะภาพ “เฮลิคอปเตอร์” (Aerial Screw)

แบบจำลองของอัลบาทรอส และเกลียวอากาศของดาวินชีที่พิพิธภัณฑ์การขนส่งในสวิส

https://www.verkehrshaus.ch

ซิกอร์สกีไม่ได้ชอบอ่านหนังสืออย่างเดียว เขายังชอบทดลอง และได้สร้างเครื่องบินจำลองหมุนใบพัดด้วยยางยืดตั้งแต่เด็ก แบบเดียวกับเครื่องบินจำลอง Planophore ที่ อัลฟองส์ เปโนด ออกแบบขึ้นในปี 1871 และเป็นแรงบันดาลใจให้พื่น้องตระกูลไรท์สร้างเครื่องบิน

Planophore ออกแบบโดยอัลฟองซ์ เปโนด

จากการติดตามบิดาไปต่างประเทศบ่อยๆ ได้พบเห็นความก้าวหน้าทางการบินอย่างใกล้ชิด เมื่อซิกอร์สกีอายุ 14 ปี รู้ข่าวพี่น้องไรท์ในอเมริกาทำการบินสำเร็จเป็นครั้งแรก จึงสนใจทางด้านการบินซึ่งในรัสเซียยังไม่มี เขาได้เข้าโรงเรียนเตรียมนายเรือในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก ตามพี่ชายไปก่อน เพราะเป็นอาชีพที่มั่นคง แต่ก็ลาออกกลางคัน และย้ายมาเรียนวิศวกรรมเครื่องกลที่เคียฟใกล้บ้าน (ซึ่งปัจจุบันวิทยาลัยแห่งนั้นเปลี่ยนชื่อตามเขา)

Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute👈

ทั้งเครื่องบินของไรท์และเรือเหาะของเซปเปลิน ส่งผลสะเทือนไปทั่วทุกแห่ง โอกาสทางอากาศยานกำลังเปิดกว้าง ช่วงนี้เองที่ ซิกอร์สกีตัดสินใจมุ่งตามความฝันในวัยเยาว์โดยไม่วอกแวกอีก เมื่ออายุ 20 ปีได้เดินทางไปปารีส ศูนย์กลางการบินของยุโรปมาตั้งแต่ยุคบอลลูน เพื่อศึกษาวิศวกรรมและการขับเครื่องบินจากแฟร์ดินัง แฟร์แบร์ นักบุกเบิกการบินของฝรั่งเศสเป็นเวลาหกเดือน แม้ว่าในรัสเซียจะมี นิโคไล จูโคฟสกี นักทฤษฎีทางอากาศพลศาสตร์ระดับโลก สอนที่มอสโกอยู่แล้ว แต่จูโคฟสกีเป็นนักคณิตศาสตร์มากกว่าการปฏิบัติ และเขาไม่ได้สนใจทฤษฎีมากนัก

เครื่องยนต์ Anzani 3 สูบ สำหรับเครื่องบินยุคแรก

ซิกอร์สกี กลับมายังเคียฟ ในปี 1909 พร้อมกับซื้อเครื่องยนต์สำหรับเครื่องบิน Anzani 25 แรงม้าทำในฝรั่งเศสมาด้วย ลงมือออกแบบและสร้าง “เฮลิคอปเตอร์” ลำแรกของเขา

ประวัติย่อของ ฮ. ปีกหมุน

พัฒนาการของการประดิษฐ์อากาศยานปีกหมุนนั้น มีมายาวนานก่อนยุคของซิกอร์สกี อาจเป็นเพราะจินตนาการถึงยานบินที่ลอยอยู่ได้นิ่งๆในอากาศนั้น เข้าใจได้ง่ายกว่าเครื่องบินที่ต้องเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเพื่อสร้างแรงยก ประวัติของการสร้างยานบินปีกหมุน จึงเริ่มต้นขึ้นก่อนและมีตัวอย่างให้เห็นมากกว่าเครื่องบิน การลองผิดลองถูกแต่ละครั้งก็ช่วยให้เกิดความเข้าใจในหลักอากาศพลศาสตร์ที่ดีขึ้นเป็นลำดับ

จำนวนของการทดลองเฮลิคอปเตอร์ในยุคแรกมีมากกว่าเครื่องบิน (Leishman 2016)

“แมลงปอไม้ไผ่” หรือฉูชิงถิง (竹蜻蜓) เป็นของเล่นเก่าแก่ของชาวจีน เข้ามาถึงยุโรปตั้งแต่สมัยมาร์โคโปโล มีหลักการเดียวกับใบพัดของเฮลิคอปเตอร์ คือเมื่ออากาศถูกผลักดันไปด้านล่างจากการหมุนของใบพัด จะเกิดแรงปฏิกิริยายกใบพัดขึ้นด้านบน ของเล่นนี้เป็นแรงบันดาลใจให้นักประดิษฐ์หลายราย อาจรวมทั้งดาวินชีที่วาดภาพ “เกลียวอากาศ” ขึ้นด้วยก็ได้

ของเล่นคล้ายแมลงปอไม้ไผ่จากจีน ปรากฏในเอกสารเฟลมมิช ตั้งแต่ปี 1325 ก่อนยุคดาวินชี (จากหอสมุดแห่งชาติโคเปนเฮเกน)

แต่วิธีการขับเคลื่อนใบพัดเกลียวตามที่ดาวินชีอธิบายไว้ ไม่น่าจะพอยกตัวยานขึ้นได้

หลักการพื้นฐานของการสร้างแรงยกด้วยใบพัดหมุน

อย่างไรก็ตามจะเห็นว่า แรงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นไม่ได้มีเพียงแรงยก (lift) ในแนวดิ่งอย่างเดียว ยังมีแรงบิดปฏิกิริยาตรงข้ามการหมุน (reactional torque) ที่เป็นผลมาจากแรงต้านอากาศ (drag) เกิดขึ้นด้วย ถ้าหากใบพัดหมุนด้วยเครื่องจักร ก็จะเกิดแรงบิดกระทำกับเครื่องจักรในทิศตรงข้ามการหมุน เหมือนเวลาที่เราใช้สว่านหรือหินเจียก็ต้องใช้ร่างกายต้านแรงนี้ไว้ แต่หากเครื่องจักรนั้นอยู่บนอากาศยานที่ลอยตัว แรงบิดปฏิกิริยาจะทำให้ยานนั้นหมุนจนควบคุมไม่ได้

วิธีการแรกๆในการแก้ปัญหานี้คือใช้ใบพัดคู่ที่สร้างแรงยกขนาดเท่ากันให้หมุนตรงข้ามกัน เพื่อที่ว่าแรงบิดปฏิกิริยาจากแต่ละตัวนั้นจะได้หักล้างกันไปได้ ส่วนแรงยกก็จะเป็นสองเท่า ดูเหมือนเป็นทางออกที่ดี แต่ทำจริงนั้นไม่ง่ายเลย

ในปี 1754 มิคาอิล โลโมโนซอฟ นักประดิษฐ์รัสเซีย ทดลองสร้างแบบจำลองใบพัดคู่หมุนสวนทางกันด้วยแรงขับจากลานนาฬิกา เกิดแรงยกได้บ้างแต่ไมพอยกน้ำหนักตัวเอง

โรเตอร์คู่พิสูจน์แนวคิด ของโลโมโนซอฟ

หลังการคิดค้นบอลลูนและร่มชูชีพเพียงปีเดียว ใน ค.ศ. 1784 คริสเตียน ลอนัวและเบียงเวนู ชาวฝรั่งเศส ก็ได้ออกแบบของเล่นที่เป็นใบพัดทำจากขนไก่งวง 2 ชุดร่วมแกนเดียวกันแต่หมุนสวนทางกัน ขับเคลื่อนด้วยพลังงานความเค้นจากการดัดของค้นธนู เมื่อปลดล็อค คันธนูจะคืนตัวตรงไปดึงเชือกที่พันเป็นเกลียวรอบแกน และหมุนใบพัดให้ลอยตัวขึ้นได้

แบบจำลองใบพัดขนไก่งวง (1784) ในแสตมป์ของกัมพูชา ปี 1993

จอร์จ เคย์ลีย์ (1773–1857) “บิดาแห่งวิศวกรรมการบิน” ชาวอังกฤษได้นำแนวคิดของลอนัว และแมลงปอไม้ไผ่ของชาวจีน มาปรับใช้ในการออกแบบอากาศยานที่มีใบพัดหมุนคู่ข้างซ้ายขวา ในปี 1843 แต่ไม่ได้สร้างต้นแบบขึ้นจริง เพราะเครื่องจักรไอน้ำที่เขาตั้งใจใช้เป็นต้นกำลังนั้นมีขนาดใหญ่เกินไป

แบบจำลอง Aerial Carriage ของจอร์จ เคย์ลีย์

คำว่า เฮลิคอปเตอร์ ซึ่งมีอยู่ตั้งแต่ก่อนซิกอร์สกีเกิดนั้น คิดขึ้นโดย กุสตาฟ เดอ ปองตอง ดาเมคูร์ (Gustave de Ponton d'Amecourt, 1825-1888) พหูสูตนักโบราณคดีและนักประดิษฐ์ชาวฝรั่งเศส หลายคนนึกว่ามาจาก เฮลิ+คอปเตอร์ แต่ไม่ใช่ ดาเมคูร์คิดคำนี้ขึ้นมาจากภาษากรีก เฮลิโค (helico, เกลียว) + เทอรอน (pteron, ปีก) คำเดียวกันกับที่ใช้เรียกไดโนเสาร์มีปีกว่า เทอโรซอร์ (pterosaur) นั่นเอง จึงกลายเป็นคำว่า “เฮลิคอ.ปเตอร์”

ดาเมคูร์เองก็มีผลงานการประดิษฐ์ เฮลิคอ+ปเตอร์ นี้และได้รับสิทธิบัตรด้วย ในปี 1861 โดยเป็นแบบจำลองขนาดเล็กใบพัดคู่หมุนสวนทางกันอีกเช่นกัน ขับด้วยหม้อไอน้ำจิ๋ว ดาเมคูร์เรียกชื่อสิ่งประดิษฐ์ของเขาว่า “Chère hélice” หรือ เกลียวพิศวาส ยานอัลบาทรอสขนาด 74 โรเตอร์ในนิยายของจูลส์ เวิร์น ก็ได้ความคิดมาจากสิ่งประดิษฐ์นี้ของดาเมคูร์นั่นเอง

เฮลิคอ+ปเตอร์จิ๋วของดาเมคูร์ จุดประกายจินตนาการของจูลส์ เวิร์น

ในปี เอนริโค ฟอร์ลานินี (1848–1930) นักประดิษฐ์ชาวอิตาลี ได้สร้างต้นแบบเฮลิคอปเตอร์ขับเคลื่อนด้วยเครื่องจักรไอน้ำแบบของดามิคูร์ ซึ่งลอยตัวอยู่ได้พักหนึ่งน้ำก็หมด เพราะไม่มีน้ำเติมหม้อน้ำขึ้นไปด้วย

เฮลิคอปเตอร์แนวเน้นศิลปะของฟอร์ลานินี

หลังจากนั้นเครื่องยนต์แกสโซลีนสี่จังหวะก็เริ่มมีขายในตลาด มีน้ำหนักเบากว่าเครื่องจักรไอน้ำ และเหมาะสมกับการใช้งานบนอากาศยาน แม้ว่าประสิทธิภาพยังไม่ค่อยดีนัก

ในปี 1907 พอล คอร์นู (1881–1944) ช่างจักรยานชาวฝรั่งเศส สามารถขึ้นบินด้วยเฮลิคอปเตอร์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในขนาด 50 แรงม้าเครื่องเดียวขับใบพัดสองแกน หน้า-หลัง (tandem rotor) ผ่านสายพาน คอร์นูลอยตัวเหนือพื้น ได้ไม่เกิน 2 เมตร อยู่ได้เพียงนาทีเดียว ก็เกิดปัญหาการควบคุม แต่ถือว่าเป็นเฮลิคอปเตอร์ที่ลอยตัวได้เองครั้งแรกของโลก เขาต้องล้มเลิกโครงการกลับไปทำงานจักรยานต่อเพราะขาดเงินทุนสนับสนุน

เฮลิคอปเตอร์ทรงจักรยาน ของ พอล คอร์นู (1907)

นักประดิษฐ์รุ่นเดียวกับซิกอร์สกีได้แก่ ราอูล เปสคารา (1890 – 1966) ชาวอาร์เจนตินา-ฝรั่งเศสผู้มากผลงาน เฮลิคอปเตอร์ที่นับว่าสุดในยุคนั้นคงจะเป็น “หมายเลข 3 และ 4” ในปี 1922 ซึ่งเป็นใบพัดแบบโรเตอร์คู่ร่วมแกน แต่ในโรเตอร์หนึ่งแกนจะเป็นปีกสองชั้นเหมือนปีกเครื่องบิน bi-plane เท่ากับมีโรเตอร์ถึง 4 ชั้น แม้แรงยกจะเพิ่มขึ้นจริงแต่น้ำหนักและความซับซ้อนก็เพิ่มมากไปด้วย คุณูปการที่สำคัญของเปสคาราคือการใช้ cyclic pitch ควบคุมแรงยกเป็นครั้งแรก วิธีนี้จะเปลี่ยนมุมปะทะของใบพัดไปตามตำแหน่งเชิงมุมในขณะที่หมุน ซึ่งซิกอร์สกีนำมาใช้ในภายหลังด้วย เปสคาราจดสิทธิบัตรผลงานของเขาไว้มากมายในยุโรป

เฮลิคอปเตอร์ “หมายเลข 3” ของเปสคารา

หลังจากนั้น การพัฒนาเริ่มใกล้เคียงความจริงมากขึ้น ไฮน์ริช ฟอคเกอ (1890–1979) ผู้พัฒนาเฮลิคอปเตอร์ให้กับเยอรมันในยุคนาซี เกือบจะได้เป็นผู้ผลิตเฮลิคอปเตอร์รายแรกแทนซิกอร์สกี เครื่องรุ่น Fw-61 (Fa-61) ทำการบินได้สำเร็จก่อนตั้งแต่ปี 1936 และมีการควบคุมใบพัดคล้ายกับของซิกอร์สกี แต่มีขนาดใหญ่กว่า ใช้โรเตอร์คู่สองแกน ซ้ายขวา และควบคุมแรงยกจากความเร็วรอบของเครื่องยนต์ขนาด 160 แรงม้าอย่างเดียว ซึ่งตอบสนองได้ช้ากว่า

Fw-61 ทำสถิติบินได้สูงกว่า 3 กิโลเมตรด้วยความเร็วมากกว่า 100 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แม้กระนั้น ก็ไม่ได้รับการสนับสนุนอย่างเต็มที่ ใช้ทำการบินทดสอบเท่านั้นไม่ได้ผลิตออกมาจำนวนมาก บ้างก็ว่าผู้เผด็จการไม่ไว้ใจที่ฟอคเกอไม่ได้เป็นสมาชิกพรรคนาซี และยังไม่สมบูรณ์พร้อมสำหรับการใช้งานในสงคราม

หลายคนก็ไม่นับว่า Fw-61 เป็นเฮลิคอปเตอร์ที่ใช้ปฏิบัติการได้จริง เพราะมีโรเตอร์เกินจำเป็น และมีใบพัดด้านหน้าเหมือนเครื่องบินด้วย ถือว่าเป็นลูกผสมระหว่างเครื่องบินกับออโตไจโร (autogiro) มากกว่า ซึ่งเป็นความเข้าใจผิดเพราะใบพัดเล็กๆด้านหน้านั้นเอาไว้ระบายความร้อนของเครื่องยนต์เท่านั้น ไม่ได้ใช้สร้างแรงขับเหมือนเครื่องบิน

บริษัทที่ฟอคเกอก่อตั้งขึ้น ยังอยู่รอดมาได้หลังสงครามโลกครั้งที่สอง ผ่านการควบรวมหลายครั้ง จนกลายมาเป็นส่วนหนึ่งของ DASA ผู้ผลิตเฮลิคอปเตอร์ของเยอรมัน (ปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของ Airbus)

เฮลิคอปเตอร์พันธ์ผสม Fw-61 โดยไฮน์ริช ฟอคเกอ

นักประดิษฐ์เฮลิคอปเตอร์อื่นๆในยคแรก จนถึงช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง ยังมีอีกนับสิบราย ทั้งในยุโรปและอเมริกา ผู้ที่ได้รับสิทธิบัตรอากาศยานปีกหมุนเป็นรายแรกๆในสหรัฐอเมริกา ยังรวมทั้งโทมัส เอดิสัน ยอดนักประดิษฐ์ด้วย เฮลิคอปเตอร์ที่ดูคล้ายว่าวของเขาได้รับสิทธิบัตรในปี 1910 แทบไม่มีรายละเอียดอะไร เมื่อสร้างต้นแบบจริงพบปัญหาหลายอย่าง ต้องเลิกล้มโปรเจคไป

โทมัส เอดิสัน ขอมีส่วนร่วมด้วย ได้จดสิทธิบัตร “เครื่องจักรบิน” คล้ายเฮลิคอปเตอร์

ช่างรถไฟวิลเลียม เพอร์วิส และชาลส์ วิลสัน แห่งรัฐแคนซัส ก็ได้รับสิทธิบัตรยานบินแบบมีใบพัดแกนตั้งหมุนสวนทางกัน ในปี 1912 แต่ต้นแบบที่ลงทุนสร้างขึ้นไม่สามารถบินได้จริง จนเกือบต้องหมดตัว

ประวัติย่อวิวัฒนาการที่สำคัญ ของเฮลิคอปเตอร์ยุคบุกเบิก

https://www.blockdit.com/posts/6453baef8de35c578ea6bc0c👈

เส้นทางการบินของซิกอร์สกี

อิกอร์ ซิกอร์สกีเอง เมื่อกลับถึงเคียฟ ในปี 1909 ก็ได้สร้างเฮลิคอปเตอร์ทดลองขึ้นเครื่องแรก โดยใช้เครื่องยนต์ 25 แรงม้าที่นำติดมาจากฝรั่งเศส ขับใบพัดคู่แกนร่วม (coaxial rotor) หมุนสวนทางกันเหมือนกับคนอื่นๆในยุคนั้น เขาได้แก้ไขจนเฮลิคอปเตอร์สามารถยกตัวเองน้ำหนัก 180 กิโลกรัมลอยขึ้นได้ แต่ไม่สามารถยกคนขึ้นไปเพิ่มได้ จึงต้องพักโครงการไว้ก่อน ถอดชิ้นส่วนนำไปใช้สร้างเครื่องบินแทน

เฮลิคอปเตอร์ รุ่นทดลอง ของซิกอร์สกี ที่เคียฟ (1909)

ซิกอร์สกี ได้เรียนรู้จากการออกแบบและลงมือทำเองว่า วิทยาการยุคนั้นยังไม่พร้อมสำหรับการสร้างเฮลิคอปเตอร์ที่ใช้งานได้จริง ปัจจัยสำคัญที่จะนำไปสู่เฮลิคอปเตอร์ที่ใช้การได้จริงในทางปฏิบัติ มีหลายอย่าง เช่น

ต้องมีเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนกำลังงานต่อน้ำหนักสูง (high power to weight ratio) คือประมาณสองเท่าของเครื่องยนต์ที่ใช้กับเครื่องบินสมัยนั้น
การหักล้างแรงบิดปฏิกิริยาด้วยการใช้โรเตอร์คู่ซับซ้อนเกินไป และเพิ่มน้ำหนักให้กับเฮลิคอปเตอร์ ต้องมีวิธีการอื่น
การควบคุมการทรงตัวของเฮลิคอปเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ
วัสดุที่แข็งแรงขึ้นแต่น้ำหนักเบา สำหรับสร้างใบพัดและตัวถัง
การออกแบบควรต้องเรียบง่ายเพื่อลดต้นทุนการผลิต และการดูแลรักษา นอกจากนี้ ยังต้องทำให้ user friendly มีความเป็นมิตรกับผู้ใช้งานคือนักบิน จึงจะสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติทางเทคนิคให้เป็นคำสั่งซื้อ ซึ่งข้อนี้สำคัญที่สุด

อีกกว่า 30 ปีต่อมา ซิกอร์สกี จึงแก้ปัญหาเหล่านี้ได้ ด้วยการออกแบบ Mix and Match ลักษณะพิเศษต่างๆ จนได้ส่วนผสมอย่างลงตัวของอากาศยานปีกหมุน นำมาสู่สิทธิบัตรเมื่อวันที่ 4 พฤษภาคม 1923 และต้นแบบเฮลิคอปเตอร์ที่ทำการบินได้จริงเครื่องแรกของโลก รุ่น VS-300 ซึ่งแตกต่างไปจากเครื่องแรกในวัย 20 ปีของเขาอย่างสิ้นเชิง

แม้ว่าเฮลิคอปเตอร์ลำแรกของเขาจะไม่ได้ผล แต่ซิกอร์สกีก็ได้เรียนรู้อย่างมาก ความตั้งใจอย่างแรงกล้าที่จะเป็นนักประดิษฐ์อากาศยานอิสระ ให้จงได้ และด้วยการสนับสนุนจากทางบ้านที่ฐานะดี อิกอร์ ซิกอร์สกี จึงไม่ต้องทำงานอื่น หันมาทุ่มให้กับการสร้างเครื่องบินที่ออกแบบเองอย่างเดียว ค่อยๆเพิ่มความชำนาญไปทีละขั้น

เลื่อนหิมะติดใบพัดเครื่องบินของซิกอร์สกี หน้าคฤหาสน์ของครอบครัวในเคียฟ ฤดูหนาว 1909

ระยะแรกเขาทำกับเพื่อนอีก 2 คน ต่อมาเพื่อนถอนตัวเหลือเขาคนเดียว เริ่มจากสร้างเลื่อนหิมะขับด้วยใบพัดเครื่องบิน ต่อด้วยเครื่องบินปีกสองชั้น S-1 (หรือ BIS-1) เครื่องบินลำแรกของซิกอร์สกี เป็นแบบใบพัดอยู่ด้านหลัง (pusher) บินไม่ขึ้นเพราะเครื่องยนต์เล็กเกินไป เขาได้ถอดชิ้นส่วนออกมาสร้างลำใหม่ เพิ่มขนาดเครื่องยนต์ที่นำมาจากฝรั่งเศส และเปลี่ยนมาเป็นใบพัดอยู่ด้านหน้าทั้งหมด

S-1 เครื่องบินลำแรกที่ซิกอร์สกีในวัย 21 ปีออกแบบ และบินเองที่เคียฟ

ลำต่อมา S-2 บินขึ้นได้ไกล 600 เมตรในปี 1910 แต่ยังเลี้ยวไม่ได้ นับเป็นเครื่องบินพลเรือนลำที่ 3 ของรัสเซีย เมื่อพบปัญหาเขาก็นำมาปรับปรุงสร้างลำใหม่อีก 3 ลำ บินได้บ้างไม่ได้บ้าง จนกระทั่ง S-6 เครื่องบินปีกสองชั้นใช้เครื่องยนต์ 100 แรงม้า ที่ซิกอร์สกีออกแบบ,สร้าง,และเป็นนักบินเอง ทำความเร็วทำลายสถิติโลกเกินกว่า 111 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ได้รางวัลชนะเลิศจากนิทรรศการเครื่องบินของกองทัพรัสเซียในปี 1912

S-6 เครื่องบินลำแรกที่ซิกอร์สกีขายได้ (1912)

ซิกอร์สกีขายเครื่องบิน S-6 ไปได้ 5 ลำ นอกจากหายเหนื่อยกับการลงทุนตลอด 3 ปีแล้ว เขายังได้รับเชิญให้ไปเป็นหัวหน้าวิศวกรออกแบบเครื่องบินขนส่งในบริษัทเครื่องบิน ที่เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก

เขาได้เสนอโครงการเครื่องบินขนาดใหญ่หลายเครื่องยนต์เป็นครั้งแรก จากประสบการณ์ที่เคยเจอเครื่องยนต์ดับกลางอากาศเนื่องจากมียุงเข้าไปติดในท่อน้ำมันของคาร์บูเรเตอร์ ถ้ามีหลายเครื่องยนต์ก็จะช่วยกันประคองได้

ซาร์นิโคลัสที่ 2 กับอิกอร์ ซิกอร์สกี บนเครื่องบิน S-21 "อัศวินแห่งรัสเซีย” ในปี 1913

ซิกอร์สกีใช้เวลาเพียงปีเดียว ก็สร้างผลงานการออกแบบเครื่องบินสี่เครื่องยนต์ S-21 (หรือ C-21 เขียนแบบรัสเซีย) เป็นเครื่องบินที่ทำลายสถิติบรรทุกน้ำหนักมากที่สุดในโลกคือ 4,000 กิโลกรัม ทิ้งห่างสถิติเดิมของเครื่องบินฝรั่งเศสที่ 600 กิโลกรัมอย่างขาดลอย หลังจากเครื่องบินลำแรกของพี่น้องไรท์เพียง 10 ปีเท่านั้น

S-21 "อัศวินแห่งรัสเซีย” ลำนี้สร้างชื่อเสียงให้เขามาก จักรพรรดิรัสเซียมาตรวจดูด้วยตัวเอง และมอบนาฬิกาทองคำ ตรานกสองหัวให้เป็นรางวัล แต่เครื่องบินใช้งานอยู่ได้เพียงเดือนเดียวก็ถูกทำลายจากอุบัติเหตุ ชิ้นส่วนของเครื่องบินเล็กลำอื่นตกใส่ขณะที่ S-21จอดอยู่บนรันเวย์

S-22 อิลยา มูโรเมทส์ เครื่องบินทิ้งระเบิดรัสเซียลำแรก

http://www.aircraftinvestigation.info/airplanes/Sikorsky_Ilya_Murometz.html

แค่นั้นไม่เป็นปัญหา ซิกอร์สกีสร้างลำต่อมาคือ Ilya Muromets (S-22) ให้ใหญ่กว่าเดิมอีก แผนการเดิมจะให้เป็นเครื่องบินโดยสารลำแรกของโลก ใช้เครื่องยนต์ 8 สูบ 150 แรงม้า 4 ตัว แต่เกิดสงครามโลกครั้งที่ 1 ขึ้นก่อน จึงเปลี่ยนภาระกิจเป็นเครื่องบินทิ้งระเบิดแทน

S-22 ถูกผลิตออกมาเกือบร้อยลำ ออกปฏิบ้ติการที่แนวรบเยอรมันกว่า 400 ครั้งโดนยิงตกไปเพียงลำเดียว

กองกำลังปฏิวัติบุกเข้ายึดวังเครมลิน 1917 (ผลงานของ Konstantin Ivanovich Maximov)

อย่างไรก็ตาม บอลลูนของมงต์โกลฟิเอช่วยลุยส์ที่ 16 ไม่ได้ฉันใด S-22 ก็ช่วยอะไรซาร์นิโคลัสไม่ได้ฉันนั้น

ปลายสงครามโลกในปี 1917 เกิดการปฏิวัติบอลเชวิคขึ้นในรัสเซีย ระบอบซาร์ถูกโค่นล้ม อาชีพที่กำลังรุ่งโรจน์ของซิกอร์สกีต้องสะดุดหยุดลงไปด้วยโดยพลัน ครอบครัวของเขาที่เข้ากับฝ่ายราชวงศ์โรมานอฟมาโดยตลอด ถูกตราหน้าว่าเป็นฝ่ายปฏิกิริยา ต้องแตกแยกไปคนละทิศทาง

ซิกอร์สกี วัย 30 ปีในนิวยอร์ค ปี 1919

แม้ซิกอร์สกีนั้น การเมืองไม่ยุ่ง มุ่งแต่การบิน แต่การเป็นคนโปรดของซาร์ทำให้เข้าไปอยู่ในบัญชีดำตกเป็นเป้าเล่นงานอย่างเลี่ยงไม่ได้ เขาหย่ากับภรรยา แล้วหนีออกรัสเซียทางมูร์มันสค์ขึ้นเรืออ้อมทะเลเหนือมาตั้งหลักที่ฝรั่งเศส เขาได้งานออกแบบเครื่องบินรบให้ฝรั่งเศส 1 ลำ แต่เยอรมันยอมแพ้เสียก่อนสงครามยุติลง งบประมาณทางทหารถูกยกเลิก โอกาสในฝรั่งเศสที่บอบช้ำจากสงครามดูไม่สดใสเลย ต้องอพยพอีกครั้งข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกไปยังอเมริกา

อิกอร์ ซิกอร์สกี กับทีมงาน S-29A ยุคก่อตั้ง ส่วนใหญ่ลี้ภัยมาจากรัสเซียด้วยกัน

ชีวิตใหม่ในอเมริกา

ในปี 1919 ซิกอร์สกีมาถึงอเมริกาทางเรือ เข้าเมืองที่นิวยอร์ค ช่วงแรกเขารับงานเป็นครูสอนคณิตศาสตร์ในชุมชนชาวรัสเซียอพยพ เมื่อรวบรวมเงินทุนจากผู้ลี้ภัยรัสเซียด้วยกัน โดยเฉพาะเงินก้อนใหญ่จาก เซอร์เก รัคมานินอฟ วาทยากรชื่อดัง เขาได้เปิดบริษัท Sikorsky Aero-engineering สร้างเครื่องบินขึ้นเมื่อปี 1923 บนพื้นที่ฟาร์มเลี้ยงไก่เดิมในลอง ไอแลนด์ ซึ่งครบรอบ 1 ศตวรรษไปแล้วในปีนี้

S-29A กับฉากสงครามโลกครั้งที่ 1 ในภาพยนตร์ปี 1930

เขานำผลงานเดิมที่เคยสร้างชื่อมาทำต่อ คือออกแบบเครื่องบินขนาดใหญ่ รุ่นแรกคือ S-29A เครื่องบินยักษ์สองเครื่องยนต์ ใช้ระบบสร้างเสร็จก่อนขาย แต่ยังไม่มีคนมาซื้อ บริษัทต้องนำมาหารายได้จากการขนส่งสินค้าข้ามประเทศอยู่หลายปี จนมีลูกค้าเป็นนักธุรกิจวงการบันเทิงและถูกใช้ในฉากภาพยนตร์ “นางฟ้าซาตาน” (Hell’s Angels 1930) ของโฮเวิร์ด ฮิวจ์สด้วย

เรือบิน Sikorsky S-42 "Pan American Clipper" ผ่านสะพานโกลเดนเกทที่กำลังก่อสร้าง

ธุรกิจของซิกอร์สกีในสหรัฐเริ่มมั่นคง เขามีครอบครัวใหม่ แต่ก็รับลูกสาวจากรัสเซียมาอยู่ด้วยกันในบ้านเช่า ภายในไม่กี่ปี เขาคืนเงินให้ เซอร์เก รัคมานินอฟ ได้ครบหมดทั้งต้นทั้งดอก และยังตั้งชื่อลูกชายที่เกิดในอเมริกาว่าเซอร์เก อีกด้วย

ผลงานเด่นของเขาในยุคนั้นคือเครื่องบินทะเล ที่มีทุ่นลอยสำหรับลงจอดบนผิวน้ำ เนื่องจากในเวลานั้นยังมีสนามบินไม่กี่แห่ง ทำให้สามารถเข้าถึงตลาดการบินได้กว้างขวางขึ้น คนสมัยก่อนถึงได้เรียกเครื่องบินว่า “เรือบิน”

ภายในห้องโดยสารของแพนแอม S-40 “Flying Clipper”

(panam.org)

ซิกอร์สกีขายเรือบิน ให้ลูกค้ารายใหญ่คือสายการบินแพนแอม ไปได้มากกว่า 100 ลำ เช่นรุ่น S-38 จนถึงรุ่น S-43 เมื่อเกิดวิกฤตการณ์เศรษฐกิจตกต่ำในปี 1929 ซิกอร์สกีรับข้อเสนอซื้อกิจการ เข้าเป็นส่วนหนึ่งของบริษัท United Aircraft ในเครือโบอิง โดยที่เขายังรับหน้าที่หัวหน้าทีมวิศวกรรม

เรือบินซิกอร์สกี Clipper ที่สนามบินน้ำในไมอามี 1930-1945

ซิกอร์สกีไม่ต้องกังวลเรื่องธุรกิจ ใช้เวลากับการออกแบบเครื่องบินได้เต็มที่ เขามิได้ละทิ้งความมุ่งหมายเดิมที่จะทำให้การบินเฮลิคอปเตอร์เป็นผลสำเร็จให้ได้จริง เขายังเฝ้าติดตามความก้าวหน้าของนักประดิษฐ์อื่นๆ และวิทยาการที่เกี่ยวข้องก็เริ่มจะพร้อมแล้วสำหรับสิ่งประดิษฐ์ในจินตนาการของเขา

หลังสงครามโลกครั้งที่ 1 รัฐบาลสหรัฐอเมริกาเองก็เริ่มสนใจนวัตกรรมการบินสำหรับใช้งานทางทหารมากขึ้น และได้ให้ทุนพัฒนา “เฮลิคอปเตอร์” มาตั้งแต่ปี 1922 ผู้ที่ได้รับทุนนั้นก็มิใช่ใครอื่น กลับเป็นชาวรัสเซียอพยพอดีตผู้ร่วมงานของซิกอร์สกี สมัยออกแบบเครื่องบินทิ้งระเบิดให้กับระบอบซาร์นั่นเอง

“หมึกยักษ์บิน” หรือควอดคอปเตอร์ 4 โรเตอร์ในปี 1922

จอร์จี โบเทซัท (1882–1940) จบปริญญาเอกทางวิศวกรรมการบินจากมหาวิทยาลัยซอร์บอนน์ เคยเรียนที่คาร์คีฟในยูเครนเหมือนซิกอร์สกีด้วย เมื่อลี้ภัยมาอเมริกาก็ได้งานเป็นอาจารย์ที่เอ็มไอที และโคลัมเบีย มีผลงานตีพิมพ์จำนวนมาก สนิทสนมกับโทมัส เอดิสันและคนดังๆหลายคน

ซิกอร์สกีเองก็เคยขอคำปรึกษาและนับถือว่าเก่งทางทฤษฎีพอๆกับจูโคฟสกี ตัังแต่ตอนอยู่รัสเซีย

แต่ผลงานเฮลิคอปเตอร์ของ ศ.ดร.โบเทซัท ไม่เหมือนการตีพิมพ์ การออกแบบ ฮ. ขนาดยาว 20 เมตรที่ดูเหมือนควอดคอปเตอร์โดรน สมัยนี้มากกว่า คือใช้โรเตอร์ขนาด 8 เมตร ถึง 4 แกนวางเป็นรูปกากบาท น้ำหนักรวมกว่า 1600 กิโลกรัม จนได้ฉายาว่า “หมึกยักษ์บิน” (flying octopus) แต่ลอยตัวขึ้นได้ไม่เกินความสูง 2 เมตรเพียง 1 นาที ไม่เป็นไปตามที่คุย แม้จะใช้เครื่องยนต์เบนท์ลีย์ขนาดมหึมาถึง 250 แรงม้าก็ตาม กองทัพยกเลิกการพัฒนาและเข็ดไปอีกนาน ปัญหาใหญ่คือการควบคุมที่ยุ่งยาก

ฮ.ของโบเทซัทได้รับสิทธิบัตรด้วย ในปี 1930

https://patents.google.com/patent/US1749471A/

สิทธิบัตรเฮลิคอปเตอร์ฉบับแรกของซิกอร์สกี ได้รับปี 1935

สิ่งที่อิกอร์ ซิกอร์สกีได้เรียนรู้จากความผิดพลาดของผู้อื่นคือ เฮลิคอปเตอร์ควรจะมีโครงสร้างน้อยชิ้นที่สุด การออกแบบที่ซับซ้อนจะทำให้ควบคุมยาก และเกิดปัญหาอื่นตามมาเช่นการสั่นสะเทือน

แนวคิดหลักของการออกแบบ ฮ. ของเขา คือมีโรเตอร์หลักเพียงชุดเดียว ที่รวมศูนย์การควบคุมเอาไว้ โดยมีโรเตอร์หาง (tail rotor) ขนาดเล็กติดตั้งที่ระยะเกินกว่าความยาวใบพัดหลักเล็กน้อย ทำหน้าที่สร้างแรงบิดมาหักล้าง (Anti-torque) แรงบิดปฏิกิริยาจากโรเตอร์หลัก เขาเชื่อว่าวิธีนี้จะทำให้การควบคุม ฮ. ได้ง่ายกว่าแบบโรเตอร์หลักหลายแกน หมุนสวนทางกันมาก

(ฮ. แบบ coaxial rotor ที่ผลิตจำนวนมากรุ่นแรก กลับเป็น Kamov 15 จากสหภาพโซเวียต ในปี 1952 รวมทั้งยาน Ingenuity สำรวจดาวอังคารของนาซา ก็เป็นเฮลิคอปเตอร์แบบ coaxial rotor)

โรเตอร์หางทำหน้าที่สร้างสมดุลการหมุนรอบแกนตั้งของตัว ฮ.

จากตัวอย่างในรูปซึ่งมองจากด้านบน ใบพัดหลักของ ฮ. เป็นแบบ single rotor หมุนตามเข็มนาฬิกา (สีแดง) จะเกิดแรงบิดปฏิกิริยา (reactional torque) พยายามทำให้ตัว ฮ. หมุนรอบตัวเองไปในทิศตรงข้าม (สีเขียว) คือทวนเข็ม จึงต้องสร้างสมดุลโดยการให้โรเตอร์ท้ายเป่าอากาศไปทางขวา เพื่อให้เกิดแรงขับข้างที่โรเตอร์ท้าย (side thrust สีเหลือง) ดันหางไปทางซ้าย หรือเกิดแรงบิดหักล้าง (anti-torque) จากโรเตอร์ท้ายตามเข็มนาฬิกา ขึ้นมาต้านกับแรงบิดปฏิกิริยาจากโรเตอร์หลัก ทำให้เกิดสมดุลหยุดการหมุนได้

ซิกอร์สกีได้ยื่นจดสิทธิบัตรเฮลิคอปเตอร์ที่ใช้แนวคิดนี้ รวมทั้งกลไกการควบคุมอื่นๆ ไว้ตั้งแต่ปี 1931 และได้รับสิทธิบัตรเมื่อปี 1935 แต่ยังไม่ได้สร้างขึ้นมา เขาได้ซุ่มพัฒนาการออกแบบ ฮ. อยู่หลายปี เมื่อว่างจากการสร้างเรือบินที่เป็นงานหลัก แนวคิดการออกแบบหลายอย่างของ ฮ. ลำแรกของเขาที่ทดสอบบินในปี 1939 ก็มีกล่าวถึงไว้แล้วในสิทธิบัตรปี 1935 ฉบับนี้ เพียงแต่มีรายละเอียดโครงสร้างแตกต่างกัน

สิทธิบัตรเฮลิคอปเตอร์ของซิกอร์สกี ฉบับปี 1935👈

แม้โครงสร้าง ฮ. รูปแบบนี้กลายเป็นมาตรฐานไปแล้วในปัจจุบัน แต่ในยุค 1930 นั้นยังไม่ปรากฏเฮลิคอปเตอร์ ที่ใช้โรเตอร์หางสร้างแรงบิดหักล้างแบบนี้ทำการบินมาก่อน มีแต่เพียงภาพสเกตช์เฮลิคอปเตอร์พลังไอน้ำที่ฟริทซ์ และวิลเฮล์ม ฟอน อาเคนบาค ออกแบบไว้ตั้งแต่ปี 1874 แต่ไม่เคยสร้างขึ้นจริง รูป ฮ. ของอาเคนบาคนี้ยังแสดงถึงโรเตอร์หางแบบมีเปลือกหุ้ม (Fenestron) ซึ่งมีการผลิตจริงในปี 1968 อีกด้วย

แบบจำลองเฮลิคอปเตอร์ที่มีโรเตอร์หางที่ออกแบบไว้ตั้งแต่ปี 1874

(https://www.christies.com/en/lot/lot-5480158)

ผู้ที่ได้นำมาทดลองสร้างเป็นต้นแบบจริงก็มิใช่คนอื่นไกล นั่นคือ บอริส ยูเรียฟ ชาวรัสเซีย เกิดปีเดียวกับซิกอร์สกี และเป็นศิษย์เอกคนหนึ่งของ นิโคไล จูโคฟสกี ปรมาจารย์ทางอากาศพลศาสตร์ที่มอสโก ยูเรียฟ ได้ออกแบบเฮลิคอปเตอร์รูปแบบคล้ายกับแนวคิดในสิทธิบัตรปี 1935 ของซิกอร์สกี และยังมีนวัตกรรมอื่นอีกหลายอย่างไว้แล้วตั้งแต่ปี 1911

แต่ต้นแบบที่เขาสร้างขึ้นเกิดปัญหาระหว่างการทดสอบ ใบพัดแตกเสียหาย เนื่องจากเครื่องยนต์มีกำลังไม่พอ ซึ่งเป็นเครื่องยนต์ Anzani รุ่นยอดนิยมที่ซิกอร์สกีเคยใช้มาก่อนนั่นเอง ซิกอร์สกีน่าจะเคยได้ยินชื่อเสียงอยู่บ้าง เพราะนักศึกษาดาวรุ่ง บอริส ยูเรียฟ ก็ได้รางวัลจากการนำเสนอผลงานวิจัยเฮลิคอปเตอร์ในนิทรรศการอากาศยานเมื่อปี 1912 ที่มอสโก ส่วนนักเรียนนอก อย่างซิกอร์สกี ได้รางวัลจากการออกแบบเครื่องบิน S-6 ในงานเดียวกันนั่นเอง

ผลงานออกแบบเฮลิคอปเตอร์ของ บอริส ยูเรียฟ สมัยเป็นนักศึกษาในปี 1911

(www.fly-history.ru)

เมื่อสงครามโลกครั้งที่หนึ่งเกิดขึ้น บอริส ยูเรียฟต้องไปเป็นทหาร และถูกจับเป็นเชลย ต่อมาเขาได้เข้าร่วมกับกองทัพแดงของสหภาพโซเวียต ขณะที่ซิกอร์สกีเลือกลี้ภัยมาอเมริกา

ระหว่างยุคสตาลินนั้น มีข่าวสารออกสู่ภายนอกน้อยมาก ในภายหลังจึงพบหลักฐานว่า ในเวลาใกล้เคียงกับสิทธิบัตรฉบับแรกของซิกอร์สกี สหภาพโซเวียตก็มีการสร้างเฮลิคอปเตอร์ทดลอง ที่ใช้โรเตอร์หางสร้างสมดุล ขึ้นเช่นกัน คือ รุ่น TsAGI-1EA ผู้ประดิษฐ์มิใช่ใครที่ไหน บอริส ยูเรียฟ นั่นเอง ร่วมกับ อเลกเซ เคเรมูคิน ทำการทดสอบบินในปี 1932

ต้นแบบเฮลิคอปเตอร์โซเวียตของยูเรียฟ-เคเรมูคิน (1930-1934)

TsAGI-1EA นั้นไม่เพียงมีโรเตอร์หาง 1 คู่ยังมีโรเตอร์หัวอีก 1 คู่เพื่อหักล้างแรงบิดระหว่างกัน โดยมีโรเตอร์หลักตัวเดียวเหมือนของซิกอร์สกี สามารถบินได้นานกว่า 10 นาทีที่ระดับความสูง 600 เมตร แต่ในการทดสอบครั้งต่อมา เครื่องเกิดสูญเสียการควบคุมและตกสู่พื้นจนพังยับเยิน แต่เคเรมูคิน ที่เป็นนักบินเองนั้นปลอดภัย ทำให้การพัฒนาต้องหยุดชะงักไปหลายปี ทั้งทางโซเวียตและซิกอร์สกีน่าจะต่างคนต่างพัฒนาโดยไม่รู้ข้อมูลของกันและกันมาก่อน โดยเฉพาะในโซเวียตยังไม่มีระบบสิทธิบัตรเลยด้วยซ้ำ

อีกรายหนึ่งที่มีโรเตอร์ระนาบตั้งเพื่อสร้างสมดุลด้านข้าง คือ ฮ. “หมายเลข 2” ของ เอเตียน โอมิเชน ชาวฝรั่งเศส ในรูปแบบควอดคอปเตอร์มีโรเตอร์หลักถึง 4 แกนคล้ายกับของโบเทซัท ทดสอบในฝรั่งเศส ตั้งแต่ปี 1924 ทำลายสถิติบินไกลขณะนั้น แต่ด้วยขนาดที่ใหญ่โตเทอะทะจึงไม่อาจนำมาใช้งานจริงได้

เฮลิคอปเตอร์หมายเลข 2 ของ เอเตียน โอมิเชน ติดโรเตอร์ด้านข้างด้วย

จากเรือบินสู่เฮลิคอปเตอร์

ในปี 1938 ผู้บริหาร United Aircraft แจ้งซิกอร์สกีว่า ตลาดเรือบินเริ่มชะงัก เมืองใหญ่ๆล้วนสร้างสนามบินกันหมดแล้ว สายการบินหันไปซื้อเครื่องบินที่มีระบบลงจอดที่ดีกว่าจากคู่แข่ง

Sikorsky Aircraft จะต้องถูกปิดตัวลง และหันไปเน้นผลิตเครื่องยนต์ Pratt and Whitney ที่ทำรายได้หลักแทน ซึ่งมีลูกค้าเครื่องยนต์รายใหญ่ เป็นคู่แข่งกับเรือบินของเขาอยู่ด้วย

ซิกอร์สกีไม่ขัดข้อง แต่ขอเสนอแผนพัฒนาเฮลิคอปเตอร์แทน United เห็นด้วยและให้งบมา 30,000 ดอลลาร์ เทียบเป็นมูลค่าปัจจุบันราวห้าแสนดอลลาร์เท่านั้น บริษัท Sikorsky ถูกควบรวมเข้ากับ Vought Aircraft จัดตั้งเป็น Vought-Sikorsky Aircraft ตั้งอยู่ที่รัฐคอนเนคติคัท

รายได้หลักของ Vought-Sikorsky มาจากผลิตเครื่องบินรบคอร์แซร์

ขณะนั้น Fw-61 ผลงาน ฮ. แบบโรเตอร์คู่ของไฮน์ริช ฟอคเกอ (1936) ในเยอรมันเริ่มเป็นที่รู้จัก เครื่องยนต์ลูกสูบสำหรับอากาศยานรุุ่นใหม่แบบซุเปอร์ชาร์จ ก็มีอัตรากำลังเพิ่มมากขึ้นเป็นเท่าตัว เป็นสิ่งบ่งชี้ว่า น่าจะได้เวลาแล้วที่จะสะสางงานค้างเก่าเมื่อ 30 ปีก่อนให้สำเร็จ

VS-300 ระหว่างการสร้างในโรงเก็บ ก่อนวันทดสอบ 1 สัปดาห์

ขณะเดียวกัน ความสำเร็จของเฮลิคอปเตอร์เยอรมันกระตุ้นให้อเมริกาต้องพัฒนายานบินปีกหมุนอย่างเร่งด่วน ในปี 1938 นั้น สภาผู้แทนสหรัฐได้ผ่านกฎหมาย “ดอร์ซีย์-โลแกน” จัดสรรทุนวิจัย 3 ล้านดอลลาร์เพื่อสนับสนุนนักประดิษฐ์เฮลิคอปเตอร์อย่างจริงจัง เพื่อเตรียมพร้อมไว้สำหรับภารกิจทางทหาร รวมทั้ง ฮ. แบบใหม่ของซิกอร์สกีก็เข้าข่ายด้วย แต่ต้องแสดงศักยภาพให้เห็นก่อน

ทีมงานของเขาเตรียมตัวไว้ล่วงหน้าอยู่แล้วหลายปี จึงสร้างเฮลิคอปเตอร์ต้นแบบลำแรก VS-300 (Vought-Sikorsky) ได้ภายในไม่ถึงครึ่งปี มีชื่อรหัสส่วนตัวว่า S-46 หรือผลงานลำดับที่ 46 ของซิกอร์สกี

ในวันที่ 14 กันยายน 1939 อิกอร์ ซิกอร์สกี ในหมวกสักหลาดประจำตัว ทำการทดสอบ ฮ. รุ่น VS-300 ของ Vought-Sikorsky เป็นครั้งแรก ที่โรงงานของบริษัท เมืองสแตรทฟอร์ด รัฐคอนเนคติคัท โรเตอร์หลักเป็นแบบแกนเดี่ยว สามใบพัด และมีโรเตอร์หางหนึ่งใบพัด ทั้งสองโรเตอร์ขับด้วยเครื่องยนต์ตัวเดียวกันขนาด 75 แรงม้า

ก่อนหน้านั้น 2 สัปดาห์ กองทัพนาซีบุกเข้ายึดโปแลนด์แบบสายฟ้าแลบ สงครามใหญ่ระเบิดขึ้นในยุโรปแล้วอีกครั้ง คู่ขนานไปกับการแข่งขันกันพัฒนาเครื่องบินปีกหมุนในอเมริกา

อิกอร์ ซิกอร์สกี บินทดสอบ VS-300 เวอร์ชันแรก ยังต้องผูกเชือกไว้กับพื้น

เฮลิคอปเตอร์ของซิกอร์สกีไม่ได้มีลักษณะเด่นที่โรเตอร์หางอย่างเดียว ยังมีคุณสมบัติพิเศษอื่นๆ ที่ทำให้เป็น ฮ. ที่ควบคุมการบินได้จริงอีกด้วย เช่นการควบคุม collective และ cyclic pitch ซึ่งซิกอร์สกีได้เลือกนำมาผสมผสานกันอย่างลงตัว จนนำไปสู่เฮลิคอปเตอร์รุ่นแรกที่มีการผลิตจำนวนมาก และวิวัฒนาการมาเป็นมาตรฐานการออกแบบสำหรับเครื่องบินปีกหมุนที่ทั่วโลกรู้จักกันดีในปัจจุบัน

https://www.blockdit.com/posts/6459b91b6a2b2d82f4955a70👈

ปัจจัยหนึ่งที่ช่วยให้เฮลิคอปเตอร์ของซิกอร์สกีพลิกโฉมการบินจากยุคก่อนหน้านั้น ไม่ได้อยู่ที่การออกแบบของตัวเฮลิคอปเตอร์เอง แต่เป็นพัฒนาการของเครื่องยนต์ที่มีสมรรถนะดีขึ้นกว่าเดิมมาก เครื่องยนต์ Anzani สมัยปี 1909 นั้นให้กำลังงานเพียง 0.4 แรงม้าต่อน้ำหนักเครื่อง 1 กิโลกรัม ซึ่งแม้แต่การยกน้ำหนักตัวเองก็ยังทำได้ยาก แต่เครื่องยนต์ลูกสูบแบบเรเดียล สำหรับ VS-300 ในปี 1939 ให้กำลังงานได้ถึง 0.9 แรงม้าต่อกิโลกรัม (เครื่องยนต์กังหันแกสสำหรับ ฮ. แบลคฮอว์คยุคปัจจุบันมีอัตราส่วนนี้ประมาณ 8 แรงม้าต่อกิโลกรัม)

แม้ว่าการทำงานของโรเตอร์บนเฮลิคอปเตอร์นั้นคล้ายกับใบพัด (propeller) ของเครื่องบิน คือส่งมวลอากาศไปด้านหลังใบพัดเพื่อให้เกิดแรงขับไปด้านหน้า แต่ใบพัดเครื่องบินซึ่งมีแกนอยู่ในแนวราบนั้น ต้องการสร้างแรงขับ (thrust) เพื่อให้เอาชนะแรงต้านการไหลของอากาศ (drag) เท่านั้น เมื่อเครื่องบินเคลื่อนที่จะได้แรงยก (lift) จากการไหลของอากาศผ่านปีกเครื่องบินที่ออกแบบรูปร่าง airfoilไว้ให้มีค่าแรงยกประมาณ 10-20 เท่าของแรงต้าน ดังนั้นปีกเครื่องบินจะยกน้ำหนักได้อีกราว 10 เท่าตัวของแรงขับจากใบพัดเครื่องยนต์

เครื่องยนต์ของไรท์ฟลายเออร์ 12 แรงม้ากับของเฮลิคอปเตอร์ลำแรก 185 แรงม้า ห่างกันประมาณ 40 ปี

เครื่องบินลำแรกของไรท์ในปี 1903 นั้น ใช้เครื่องยนต์ทำเองที่ให้กำลังงานเพียง 0.15 แรงม้าต่อน้ำหนัก 1 กิโลกรัมก็บินได้แล้ว ขณะที่โรเตอร์ของเฮลิคอปเตอร์นั้นทำหน้าที่สร้างแรงขับในแนวดิ่งที่ใช้ยกน้ำหนักตัวยานทั้งหมดโดยตรง แม้ว่าจะลอยอยู่นิ่งๆก็ตาม

เฮลิคอปเตอร์จึงต้องการเครื่องยนต์ที่ให้พลังขับดันต่อน้ำหนักสูง ทำให้เฮลิคอปเตอร์ต้องใช้เวลาพัฒนาหลังจากเครื่องบินถึงเกือบ 40 ปีจึงจะใช้การได้จริง ก็เพราะรอการพัฒนาของเครื่องยนต์นั่นเอง

สิ่งสำคัญต่อมาคือกลไกการควบคุม เฮลิคอปเตอร์ที่ใช้การได้ย่อมไม่ใช่เพียงแค่ลอยตัวขึ้นได้ แต่ต้องสามารถบังคับให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางต่างๆตามต้องการ และยังต้องสามารถหมุนตัวรอบแต่ละแกนได้ด้วย หากไม่มีกลไกควบคุมที่ดีและมีขนาดกะทัดรัดแล้ว แม้แต่การลอยตัวอยู่นิ่งๆก็ไม่สามารถทำได้ เพราะการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย เช่นมีลมพัดผ่านก็จะทำให้เสียการทรงตัวได้

ส่วนประกอบทิศทางการเคลื่อนที่ของเฮลิคอปเตอร์

(Source: Behdad Geranmehr)

เมื่อนำมาเปรียบเทียบกับเครื่องบินอีกเช่นกัน จะเห็นว่าการควบคุมทิศทางของเครื่องบินทำได้ง่ายกว่า เพราะเครื่องบินต้องเคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยความเร็วสูง ทำให้มีอากาศไหลผ่านลำตัวตลอดเวลา การควบคุมทำได้โดยการปรับตำแหน่งพื้นผิวต่างๆบนปีกและหางเพื่อปรับเปลี่ยนการไหล ก็จะเกิดแรงกระทำให้เครื่องบินเปลี่ยนทิศทางได้ แต่เฮลิคอปเตอร์ซึ่งออกแบบมาเพื่อความคล่องตัวใช้ระบบที่ต่างออกไป

มาตรฐานการควบคุมเฮลิคอปเตอร์

การควบคุมทิศทางของเฮลิคอปเตอร์ที่ซิกอร์สกีนำมาใช้จนเป็นมาตรฐานนั้น จะใช้กลไกซึ่งรวมอยู่ที่โรเตอร์ ตัวอย่างเช่น การควบคุมตำแหน่งในแนวดิ่งโดยการปรับแรงยกของโรเตอร์ ในยุคแรกๆใช้การเพิ่ม-ลดแรงยกโดยการปรับความเร็วรอบของเครื่องยนต์ ซึ่งเป็นวิธีที่ผิด ด้วยหลายเหตุผล

สิ่งแรกคือการตอบสนองที่ช้าเนื่องจากความเฉื่อยของใบพัดขนาดใหญ่ ขณะที่การตอบสนองที่ฉับไวคือหัวใจสำคัญของการบินเฮลิคอปเตอร์

อีกสาเหตุมาจากการที่ใบพัดหมุนในระนาบนอน ปกติแล้ว ความเร็วการหมุนของใบพัดจะสูงกว่าความเร็วการเคลื่อนที่ของตัว ฮ. แต่ถ้าไปลดความเร็วการหมุนด้วยการลดรอบให้ต่ำลงเกินไป จนความเร็วการหมุนของใบพัดที่หมุนถอยหลังไปในทิศตรงข้ามการเคลื่อนที่นั้นเท่ากับหรือน้อยกว่าความเร็วการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของ ฮ. แรงยกจากฝั่งนั้นจะเป็นศูนย์ ทำให้ ฮ. โคลง (roll) เสียการทรงตัว หรือพลิกคว่ำได้

มุมใบพัด (blade pitch angle) ของโรเตอร์

ดังนั้นการควบคุมแรงยกของโรเตอร์ จะไม่ใช้การเปลี่ยนความเร็วรอบอย่างเดียว แต่จะควบคุมแรงยก ด้วยกลไกปรับเปลี่ยนมุมเอียงของใบพัด หรือ blade pitch control แทน แล้วค่อยปรับรอบเครื่องยนต์ตามหลังให้สัมพันธ์กัน

หน้าตัดของใบพัดเฮลิคอปเตอร์จะมีรูปร่างเหมือนปีกเครื่องบินหรือ airfoil ขณะที่ตัวใบพัดหมุนไปรอบแกนของโรเตอร์นั้น ยังสามารถปรับมุมเอียงโดยหมุนรอบแกนของตัวเองได้ด้วย มุมของใบพัด หรือ blade pitch (ศัพท์ที่นำมาจากใบจักรเรือ) เทียบกับทิศทางของการเคลื่อนที่ จะเริ่มจากศูนย์เมื่อใบพัดอยู่ในระนาบการหมุนในแนวนอน ซึ่งให้แรงยกและแรงต้านต่ำที่สุด เมื่อ blade pitch เพิ่มขึ้น ใบพัดจะอยู่ในแนวตั้งมากขึ้น มุมปะทะกับอากาศก็เพิ่มขึ้นทำให้แรงยกเพิ่มขึ้นตามไปด้วย

(จนถึงจุดหนึ่งแรงยกจะลดลงแต่แรงต้านยังเพิ่มขึ้นต่อ เรียกว่าใบพัดเกิดการ stall ซึ่งจะต้องไม่เพิ่มมุมใบพัดให้ถึงจุดนี้)

การหมุนปรับมุมพิทช์ รอบแกนตามความยาวของใบพัด ซึ่งอยู่ในแนวรัศมีของโรเตอร์นี้ บางทีเรียกว่า feathering (ศัพท์ที่นำมาจากการพายเรือ)

การปรับมุมพิทช์ของใบพัดหน้าตัดรูปแอร์ฟอยล์ ทำให้แรงยกเปลี่ยน

แรงยกของเฮลิคอปเตอร์จึงเพิ่ม-ลดได้โดยการปรับมุม blade pitch ให้มากขึ้นหรือลดลง ในขณะที่โรเตอร์กำลังหมุนอยู่ การปรับมุมพิทช์ของใบพัดทุกใบเท่ากัน เรียกว่า collective pitch control หรือการปรับแบบรวมหมู่ ซึ่งจะมีการปรับความเร็วรอบของเครื่องยนต์ให้สัมพันธ์กันไปด้วย ส่วนการปรับมุมพิทช์ของใบพัดแต่ละใบตามตำแหน่งเชิงมุมของการหมุน เรียกว่า cyclic pitch control

การควบคุมโรเตอร์ด้วย blade pitch นี้ ซึ่งมีมาก่อนซิกอร์สกี เป็นหลักการสำคัญที่สุดสำหรับการบินเฮลิคอปเตอร์มาจนปัจจุบัน มีนักประดิษฐ์อื่นเคยนำมาใช้ในเฮลิคอปเตอร์แล้วหลายรูปแบบ เช่น บอริส ยูเรียฟ, ราอูล เพสคารา

โดยเฉพาะ เจคอป เอลฮัมเมอร์ ชาวเดนมาร์ก ได้เคยจดสิทธิบัตรหลักการนี้เอาไว้ด้วยตั้งแต่ปี 1912 เอลฮัมเมอร์ได้สร้างเฮลิคอปเตอร์แบบโรเตอร์คู่ที่มีกลไก pitch control ด้วย แต่เอลฮัมเมอร์ซึ่งมีสิทธิบัตรนับร้อยเรื่องตั้งแต่เครื่องเอกซเรย์ จนถึงมอเตอร์ไซค์ หันไปสนใจเรื่องอื่นแทน ไม่ได้พัฒนาต่อจนใช้การได้

สิทธิบัตรอังกฤษและต้นแบบของเอลฮัมเมอร์ ที่มีการปรับมุมใบพัด (สีเหลือง) ระหว่างการหมุน

ฮ.ต้นแบบ VS-300 ลำแรกในการทดสอบเมื่อวันที่ 14 กันยายน 1939 นั้น ซิกอร์สกี ใช้กลไก collective pitch control ตามแบบสิทธิบัตรปี 1935 คือใช้พวงมาลัยทางด้านขวาของที่นั่ง (สีแดง) หมุนโซ่ (สีส้ม) ซึ่งจะไปหมุนเฟืองดอกจอก (116-117) จากนั้นเฟืองจะหมุนยกสกรูส่งกำลังแนวตั้ง (100) ที่สอดอยู่ในเพลากลวงของโรเตอร์ เพื่อไปดันก้านต่อของใบพัด (สีเหลือง) ทุกใบให้เปลี่ยนมุมพิทช์ ได้พร้อมกัน ที่ปลายด้านบนของสกูรแนวตั้งจะมีตลับลูกปืนรองรับจึงทำให้สามารถปรับมุมพิทช์ได้ในขณะที่โรเตอร์กำลังหมุน

กลไกการปรับ collective pitch ตามสิทธิบัตรฉบับปี 1935 ของซิกอร์สกี

ฮ.ต้นแบบ VS-300 ลำแรก ยังใช้ collective pitch control แบบพวงมาลัย

เนื่องจากโครงสร้างแบบแรกนี้ค่อนข้างซับซ้อน และไม่สะดวกในการหมุนพวงมาลัย ในรุ่นต่อมาซิกอร์สกี จึงเปลี่ยนมาเป็นควบคุมด้วยคันโยกฝั่งขวา และใช้ก้านต่อที่ง่ายขึ้นแทน ตามที่บรรยายไว้ในสิทธิบัตร 2,318,259 ฉบับปี 1943

ภาพด้านข้าง กลไกการปรับ blade pitch ตามสิทธิบัตรฉบับปี 1943 ของซิกอร์สกี

วิธีนี้จะใช้คันโยกสีเหลือง (192) ไปดันก้านต่อ ซึ่งเชื่อมต่อผ่านตลับลูกปืนกับชุดกลไกปรับใบพัด (สีแดง) ที่ด้านบน ชุดกลไกปรับใบพัด (สีแดง) จะหมุนไปกับใบพัดแต่จะถูกบังคับตำแหน่งให้ขึ้น-ลงด้วยแผ่นควบคุม (สีเหลือง 158) ซึ่งอยู่กับที่ เนื่องจากก้านต่อ (178, 180) ของระบบ collective pitch นี้เชื่อมต่อกับแผ่นควบคุมที่ตรงกลางพอดี ทำให้แผ่นควบคุมอยู่ในแนวนอนขณะที่เลื่อนขึ้นลง ซึ่งจะไปบังคับใบพัด (สีเขียว) ทุกใบให้ปรับมุมพิทช์เท่ากันหมด และยังมีสายโยงไปปรับรอบเครื่องยนต์ (สีน้ำตาล 16) ตามมุมพิทช์ด้วย

คลิปอธิบายการทำงานของ collective pitch

https://twitter.com/i/status/1546000952217325569

ระบบ collective pitch ซึ่งควบคุมมุมเอียงของใบพัดทุกใบเท่าๆกัน ใช้สำหรับการปรับแรงยกให้ตัว ฮ. ขึ้น-ลงในแนวดิ่งเท่านั้น แต่การเคลื่อนที่ทิศทางอื่นๆ ก็จะต้องมีวิธีปรับแรงยกในแต่ละทิศให้ไม่เท่ากัน โดยการปรับมุมพิทช์ของใบพัดแต่ละใบให้แปรเปลี่ยนไปตามตำแหน่งเชิงมุมของการหมุน เรียกว่า cyclic pitch control

เช่น การเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของเฮลิคอปเตอร์ ทำได้โดยการปรับมุมพิทช์ของใบพัด (ไม่ว่าใบใดก็ตาม) เมื่อหมุนมาอยู่ด้านหน้าให้สร้างแรงยกลดลง และปรับมุมพิทช์ของใบพัดใบที่หมุนมาอยู่ด้านหลังให้สร้างแรงยกเพิ่มขึ้น แรงยกโดยรวมจึงมีทิศทางชี้ขึ้นและพุ่งไปข้างหน้า โดยด้านหน้าของเฮลิคอปเตอร์เอียงลงเล็กน้อย การเคลื่อนที่ในทิศทางอื่นๆก็ใช้วิธีปรับมุมพิทช์แบบไม่สมมาตรนี้เช่นเดียวกัน

เฮลิคอปเตอร์บินไปข้างหน้าด้วย cyclic control ปรับให้พิทช์ด้านหน้าลดต่ำกว่าพิทช์ด้านหลังเล็กน้อย

กลไกการปรับ cyclic control นี้ มีผู้อื่นคิดขึ้นและนำมาใช้ก่อนซิกอร์สกีเช่นกัน ตั้งแต่บอริส ยูเรียฟ และเครื่อง Fw-61 ของเยอรมัน ก็ใช้หลักการนี้ โดยใช้ชิ้นส่วน สวอชเพลท (swashplate) ซึ่งมีแผ่นล่างเป็นแผ่นควบคุมอยู่กับที่ เชื่อมต่อกับคันบังคับที่นักบินโยกไปมาได้ ส่วนแผ่นบนจะหมุนไปกับโรเตอร์และมีก้านต่อกับใบพัดเพื่อปรับมุมพิทช์ในขณะที่กำลังหมุน ทั้งแผ่นบนและแผ่นล่างจะยึดติดเข้าด้วยกันผ่านตลับลูกปืน ทำให้ต้องเคลื่อนที่ขึ้นลงไปด้วยกันแต่หมุนสัมพัทธ์กันได้

แผนผังการควบคุม cyclic pitch ด้วยสวอชเพลท

ในรูปชิ้นส่วนสีเหลืองด้านบน คือโรเตอร์ที่กำลังหมุน (ตามเข็มนาฬิกา) ชิ้นส่วนสีแดงด้านล่างคือส่วนอยู่กับที่ซึ่งเชื่อมต่อกับคันโยกที่นักบินใช้ควบคุม ทั้งสองส่วนยึดติดกันที่สวอชเพลทด้วยตลับลูกปืน เมื่อควบคุม cyclic control ให้ตำแหน่งที่ 1 ยกสูงขึ้นตำแหน่งที่ 2 ต่ำลง ใบพัดทุกใบเมื่อหมุนผ่านตรงตำแหน่งที่ 1 จะถูกบังคับให้มุมพิทช์เพิ่มขึ้น และตำแหน่งที่ 2 จะถูกบังคับให้มุมพิทช์ลดลง แรงยกจึงไม่สมมาตร เกิดแรงลัพธ์ทำให้เฮลิคอปเตอร์เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ต้องการได้

บอริส ยูเรียฟ ก็เคยออกแบบระบบ cyclic pitch ที่ใช้สวอชเพลทเหมือนกัน

ในรูปตามสิทธิบัตรของซิกอร์สกี ปี 1943 ข้างต้น คันโยกปรับ cyclic pitch จะอยู่ตรงกลาง (สีฟ้า 220) สามารถโยกได้ทั้งหน้า-หลัง หรือซ้าย-ขวา และทุกทิศทาง ไม่เหมือน collective pitch ที่ปรับเพิ่มลดได้เท่านั้น cyclic pitch control จึงเป็นวิธีการควบคุมที่สำคัญ และนักบินเฮลิคอปเตอร์ใช้งานบ่อยที่สุด

รายละเอียดด้านบนของโรเตอร์ จากสิทธิบัตรปี 1943 ของซิกอร์สกี (แสดง 1 ใบพัดจาก 3 ใบ)

ภาพด้านบนของโรเตอร์ จากสิทธิบัตรของซิกอร์สกี แสดงให้เห็นรายละเอียดก้านต่อของกลไกปรับพิทช์หมายเลข 140 (สีแดง) ในรูป จะเชื่อมต่อกับขอบหน้า (leading edge) ของใบพัด หมายเลข 118 (สีเขียวอ่อน) ซึ่งในรูปมี 3 ใบพัด เมื่อก้านต่อ (สีแดง) ถูกยกขึ้นในขณะที่หมุนตามเพลา 62 (สีเหลือง) ไปด้วย ขอบหน้าของใบพัดจะถูกดันขึ้นให้หมุนรอบแกน feathering ทำให้มุมพิทช์ และแรงยกของใบพัดเพิ่มขึ้น

จะเห็นว่าใบพัดไม่ได้เชื่อมติดกับแกนเพลาแบบแข็งเกร็ง แต่ใบพัดแต่ละใบจะมีบานพับให้หมุนตัวได้อีก 2 แกน คือบานพับ drag หรือ lead-lag (สีชมพู) ซึ่งเป็นจุดหมุนในแนวดิ่ง ที่แกน feathering ของใบพัดเชื่อมต่อกับแผ่นเหวี่ยง 112 ตรงกลาง เพื่อลดการกระชาก และบานพับ flapping (สีส้ม) ตรงจุดที่แผ่นเหวี่ยงเชื่อมต่อกับเพลากลางในแนวนอน เพื่อให้ใบพัดปรับเอียงตัวขึ้นได้ขณะที่ตัว ฮ. มีการเคลื่อนที่ เนื่องจากแรงยกของใบพัดที่วิ่งไปข้างหน้ากับวิ่งถอยหลังไม่เท่ากัน ดังนั้นใบพัดจะอ่อนตัวได้เล็กน้อย เมื่อเทียบกับเพลาของโรเตอร์ ดังรูป

ภาพสามมิติของระบบข้อต่ออ่อนของโรเตอร์

โครงสร้างข้อต่ออ่อนของโรเตอร์ ที่มีแกนหมุน feathering เพื่อปรับพิทช์ และบานพับ drag และบานพับ flap นี้ เรียกว่าโรเตอร์ระบบข้อแขนสมบูรณ์ (fully articulated) ถือเป็นเอกลักษณ์ของ ฮ. ซิกอร์สกี

แต่จริงๆเป็นความคิดริเริ่มของฮวน เดอลา เซียวา (1895–1936) นักประดิษฐ์ชาวสเปน ผู้สนับสนุนรัฐบาลฟัสซิสต์ของนายพลฟรังโก ซึ่งประกาศเป็นกลางในสงครามโลก และ เดอลาเซียวา ได้จดสิทธิบัตรในสหรัฐไว้จำนวนมาก ซิกอร์สกีจึงต้องจ่ายค่ารอยัลตีให้กับบริษัท Autogiro ของ เดอลาเซียวา ด้วย

สิ่งที่ซิกอร์สกี เพิ่มเติมขึ้นเอง คือติดกระบอกน้ำมันระหว่างใบพัดกับแกนหมุน feathering ซึ่งช่วยลดการสั่นสะเทือนจากใบพัดได้

บานพับ flap จะยอมให้ใบพัดซ้าย-ขวา ยกตัวขึ้นไม่เท่ากันได้เพื่อปรับสมดุลแรงยก

ซิกอร์สกีได้นำลักษณะพิเศษเหล่านี้ตั้งแต่การใช้โรเตอร์หลักแกนเดียวแบบ fully articulated ควบคุมมุมใบพัดได้ทั้ง collective และ cyclic pitch และมีโรเตอร์หางปรับการส่าย (yaw) ทั้งหมดมารวมไว้ใน ฮ.ต้นแบบรหัส VS-300 ซึ่งไม่ได้มีลำเดียว แต่มีวิวัฒนาการรูปแบบต่างกันไม่ต่ำกว่า 5 แบบ

วิวัฒนาการการออกแบบของ VS-300

ลำที่ใช้บินทดสอบครั้งแรกโดย ซิกอร์สกี เมื่อวันที่ 14 กันยายน 1939 นั้น มักจะถูกเข้าใจผิดว่าเป็นเฮลิคอปเตอร์ที่ขึ้นบินได้สำเร็จเป็นครัั้งแรกของโลก อย่างที่ได้อธิบายไปแล้วว่ามี “เฮลิคอปเตอร์” รูปแบบอื่นๆ หลายลำได้เคยบินมาก่อนแล้ว และ VS-300 รุ่นแรกนั้น ยังต้องมีสายโยง ฮ. ไว้กับพื้น ไม่สามารถบินอย่างอิสระได้แต่อย่างใด

VS-300 รุ่นแรกสุด เมื่อวันที่ 14 กันยายน 1939

ในรูป ซิกอร์สกีกำลังบังคับก้าน cyclic pitch ให้เชิดขึ้น เป็นครั้งแรกของโลกที่สามารถควบคุม ฮ. ที่มีโรเตอร์หลักตัวเดียว (single main rotor) ให้ลอยตัวขึ้นได้ แม้จะเป็นเพียงการยกตัวขึ้นเหนือพื้นไม่เกินหนึ่งฟุต ได้เพียง 10 วินาที สั้นกว่าสถิติ “หมึกลอยฟ้า” ของโบเทซัทเมื่อปี 1922 อีก

ความเร็วไม่ต้องพูดถึงเพราะมันเคลื่อนที่ได้ทุกทางยกเว้นไปข้างหน้า จะเกิดการเอียงและสั่นอย่างรุนแรงทุกครั้ง ตอนแรก ซิกอร์สกี ก็ไม่รู้ว่าเหตุผลคืออะไร

😕❓

คำตอบคือ gyroscopic precession ซึ่งเป็นหลักกลศาสตร์ของวัตถุหมุน 3 มิติทุกชนิด หากตัว ฮ. กดหน้าลงเพื่อเคลื่อนไปข้างหน้า ความเฉื่อยในการหมุนของโรเตอร์หลัก จะทำให้เกิดการโคลง (rolling) เอียงไปข้างหนึ่ง ซึ่งแก้ด้วยการควบคุม cyclic pitch ในทางตรงข้าม และเพิ่มกระบอกไฮดรอลิกลดการสั่นสะเทือนจากใบพัด

อะไรคือ Gyroscopic precession👈

แม้ว่าการบินในปี 1939 นั้น คือประวัติศาสตร์ เมื่อมองย้อนกลับไป แต่ขณะที่ทดสอบนั้น ซิกอร์สกี ตกอยู่ภายใต้ความกดดัน รายได้หลักของบริษํท Vought-Sikorsky มาจากส่วนที่เป็น Vought ซึ่งผลิตเครื่องบินรบ F4U Corsair ส่วนเรือบินของ Sikorsky หยุดการผลิตไปแล้วเพราะไม่มีลูกค้า เหลือเพียงพื้นที่เล็กๆในโรงงานให้โครงการเฮลิคอปเตอร์เท่านั้น และขณะนั้นกองทัพยังไม่ได้ให้ทุนซิกอร์สกี แต่ไปสนับสนุนเฮลิคอปเตอร์อีกโครงการหนึ่งของ Platt-LePage แทน

Platt-LePage XR-1 คู่แข่งของซิกอร์สกี นำรูปแบบมาจาก Fw-61 ของเยอรมัน

ซิกอร์สกี ทำงานแข่งกับเวลาทุกวัน ต่อมาอีกหนึ่งเดือน เขาได้ปรับโครงสร้างตัวถังและการลงจอดเล็กน้อย ครีบแนวตั้งที่หางเพื่อช่วยต้านการหมุนถูกนำออกไป ที่สำคัญคือเปลี่ยนจากพวงมาลัยควบคุม collective pitch เป็นคันโยกเหมือนที่บรรยายไว้ภายหลัง ในสิทธิบัตรปี 1943

VS-300 รุ่นที่สอง (มีนาคม 1940)

ในรุ่นที่สอง (มีนาคม 1940) มีการเปลี่ยนแปลงไปมาก คันโยก collective ย้ายมาอยู่ข้างซ้ายของนักบิน cyclic control ที่โรเตอร์หลักใช้เดินหน้าถอยหลังเท่านั้น และเพิ่มโรเตอร์เสริมในแนวตั้งด้านข้าง บนแขนยื่นสองข้าง ใช้ควบคุมการโคลง (roll) แทน ซึ่งได้รับอิทธิพลมาจากคู่แข่ง Platt-LePage นั่นเอง เมื่อต้องการเอียงตัว ฮ. ไปด้านข้าง คันโยกตรงกลางจะไปดึงสายเคเบิลเพื่อปรับมุมพิทช์ของโรเตอร์เสริมด้านข้าง (สีฟ้า) แทน ซึ่งหมุนในทิศตรงข้ามกับการหมุนของโรเตอร์หลัก

การควบคุมของ VS-300 รุ่นที่สอง ตามสิทธิบัตร US 2,318,260

ส่วนโรเตอร์หางก็ยังมีอยู่ เท่ากับมีใบพัดถึง 4 โรเตอร์ ขับด้วยเครื่องยนต์เดียวกันทั้งหมด มุมพิทช์ของโรเตอร์หางก็สามารถปรับได้ผ่านสายเคเบิล ด้วยแป้นเหยียบที่เท้าสองข้าง โครงสร้างของ ฮ.รุ่นนี้ มีอยู่ในสิทธิบัตรที่เขาได้รับอีกฉบับหนึ่งในปี 1943 ด้วย

สิทธิบัตร 2 ฉบับ วันที่ 4 พฤษภาคม 1943 ของซิกอร์สกี

DIRECT-LIFT AIRCRAFT (US2318259A)

HELICOPTER AND CONTROLS THEREFOR (US2318260A)

โรเตอร์เสริมแกนตั้ง (สีฟ้า) และโรเตอร์หาง (สีม่วง) ตามสิทธิบัตร US 2,318,260

ซิกอร์สกี ทดสอบต้นแบบรุ่นที่สองที่บริดจ์พอร์ด คอนเนคติคัท เมื่อ 20 พฤษภาคม 1940

ซิกอร์สกี ทดสอบต้นแบบรุ่นที่สองที่บริดจ์พอร์ด คอนเนคติคัท เมื่อ 20 พฤษภาคม 1940 ยังมีสายโยง ภาพนี้เข้าใจผิดกันมากว่าเป็นการบินครั้งแรกของ VS-300 ซึ่งไม่ใช่ ดูได้จากโรเตอร์เสริมแกนตั้งด้านท้าย แสดงว่าเป็นรุ่นที่สอง เห็นได้ชัดเจนจากคลิปวิดีโอ

https://www.youtube.com/watch?v=PnbKZOG2gII👌

ซิกอร์สกี ทดสอบต้นแบบรุ่นที่สองแบบมีโรเตอร์ข้าง อีกมุมหนึ่ง

การบินอิสระครั้งแรกของ VS-300 พฤษภาคม 1940

ในเดือนเดียวกัน ซิกอร์สกี ทำการบินทดสอบต้นแบบรุ่นที่สอง แบบอิสระไร้สายโยงเป็นครั้งแรก ที่เห็นด้านขวาคือโรเตอร์เสริมด้านข้าง ผลการทดสอบของเครื่องรุ่นที่สองนี้เอง ทำให้ได้รับเงินทุน 5 หมื่นดอลลาร์จากกองทัพบกสหรัฐ (ราว 30 ล้านบาทสมัยนี้) เมื่อเดือนมกราคม 1941 ขณะที่คู่แข่ง Platt-LePage ซึ่งใช้โรเตอร์คู่รูปแบบคล้ายกับ Fw-61 เกิดปัญหาการควบคุม ไม่สามารถส่งมอบ ฮ. ที่ใช้การได้ตามกำหนด

ซิกอร์สกีใช้ ฮ. VS-300 รุ่นนี้ทำลายสถิติลอยตัวในอากาศได้นานที่สุด เดิมเป็นของ ฮ.เยอรมัน Fw-61 คือ 1 ชั่วโมง 32 นาทีได้ในเดือนพฤษภาคมปี 1941

ชาลส์ เลสเตอร์ มอริส ผู้ช่วยของซิกอร์สกี ทดสอบ VS-300 รุ่นที่ 3

VS-300 รุ่นที่ 3 (สิงหาคม 1941) เปลี่ยนโครงสร้างใหม่ โดยนำโรเตอร์บนแขนยื่นสองข้างมารวมไว้ตรงกลางแกนเดียว เพื่อช่วยลดน้ำหนักและแรงต้านลงได้มาก ในรุ่นนี้ใช้ cyclic pitch ควบคุมเฉพาะการเอียงซ้ายขวา (roll) เท่านั้น ส่วนมุมก้มเงย หรือ body pitch ควบคุมด้วยโรเตอร์แนวตั้งแกนที่สอง ที่อยู่ใกล้กับโรเตอร์หาง

รูสเวลต์ประกาศสงครามกับจักรวรรดิญี่ปุ่น ในวันที่ 8 ธันวาคม 1941

https://www.youtube.com/watch?v=YhtuMrMVJDk💥

เพียงหนึ่งวันหลังการโจมตีที่เพิร์ลฮาเบอร์ และวันเดียวกับการประกาศเข้าสู่สงครามโลกของประธานาธิบดีรูสเวลต์ ซิกอร์สกีได้พัฒนา ฮ. รุ่นที่สี่หรือว่า VS-300A ซึ่งมีการควบคุมค่อนข้างสมบูรณ์ ใช้ผ้าใบหุ้มตัวถังเรียบร้อย สามารถบินได้เองโดยไม่มีสายจูง ใช้เครื่องยนต์ 100 แรงม้า ทำการทดลองบินในวันที่ 8 ธันวาคม 1941 บินได้สูง 30 เมตร และทำความเร็วได้ถึง 97 กิโลเมตร/ชั่วโมง

รุ่นสุดท้ายนี้ไม่ต้องมีโรเตอร์แนวตั้งช่วยอีก มีเพียงโรเตอร์หลักกับโรเตอร์หาง และโรเตอร์หลักเป็นแบบ fully articulated ที่มีทั้ง collective และ cyclic pitch control ที่แก้ปัญหาการสั่นสะเทือนได้แล้ว โครงสร้างแบบนี้กลายมาเป็นเฮลิคอปเตอร์ที่รู้จักกันดีในปัจจุบัน

เฮลิคอปเตอร์ รุ่น VS-300A ที่ใช้การได้แล้วอย่างสมบูรณ์

ในปี 1942 นั้นเอง อากาศยานปีกหมุนแบบใหม่ของกองทัพอากาศนาซี ก็ได้ปรากฏตัวขึ้นแถบทะเลบอลติก นั่นคือ “synchropter” FL-282 หรือรุ่น "ฮัมมิงเบิร์ด" ประดิษฐ์โดยแอนทอน เฟลทเนอร์ เฮลิคอปเตอร์โรเตอร์คู่รุ่นนี้ต่างจาก Fw-61 ของไฮน์ริช ฟอคเกอ ตรงที่คู่โรเตอร์วางติดกันจนดูเหมือนเป็นโรเตอร์เดี่ยว ทำให้ลดแรงต้านของลำตัวได้มาก และทำการบินได้อย่างคล่องแคล่ว โรเตอร์แกนละสองใบพัดซึ่งเอียงจากกันเล็กน้อย ขับด้วยระบบส่งกำลัง intermeshing ที่ทำให้ใบพัดเว้นระยะการหมุนได้พอดีโดยไม่ชนกัน

เยอรมันเตรียมให้ BMW ผลิต FL-282 กว่า 1 พันลำเข้าประจำการ แต่โรงงานที่มิวนิคถูกทิ้งระเบิดถล่มราบเรียบเสียก่อน ไม่เช่นนั้นสถิติ ฮ. ที่ผลิตจำนวนมากลำแรกคงเป็นของเฟลทเนอร์ไปแล้ว

FL-282 ฮัมมิงเบิร์ด อาวุธลับของนาซีที่เกือบได้ตำแหน่ง ฮ. รุ่นแรกของโลก

หลังจากนั้น กองทัพอเมริกันจึงเร่งพัฒนาเฮลิคอปเตอร์เพื่อใช้ปฏิบัติการจริง ซิกอร์สกีได้รับงบประมาณอัดฉีดจากกระทรวงกลาโหม นำมาพัฒนารุ่นใหม่เป็น VS-316A หรือ S-47 ซึ่งเป็นลำแรกที่ได้เข้าประจำการให้กองทัพบก เรียกชื่อรหัสในกองทัพว่า R-4 (R มาจาก Rotorcraft) มีโครงสร้างหลักเหมือนกับ VS-300A แต่เพิ่มเป็น 2 ที่นั่ง ใช้เครื่องยนต์เรเดียล 7 สูบ 185 แรงม้า ความเร็วสูงสุดกว่า 120 กิโลเมตรต่อชั่วโมง และบินได้สูงถึง 2,400 เมตร เป็นเฮลิคอปเตอร์รุ่นแรกของโลกที่มีการผลิตใช้จริงจำนวนมาก

เฮลิคอปเตอร์ประจำการลำแรก

ซิกอร์สกีส่งมอบ R-4 ให้กองทัพสหรัฐทั้งหมด 131 ลำ ระหว่างปี 1942-1944 ได้ใช้งานจริงช่วงปลายสงครามโลกครั้งที่สองในพม่า และในยุทธการปลดปล่อยฟิลิปปินส์

Sikorsky R-4 เฮลิคอปเตอร์ประจำการลำแรกของกองทัพสหรัฐ ต้นทุนผลิตถูกกว่า และดีกว่า Platt-LePage XR-1 มาก

Sikorsky R-4 ใช้ในภารกิจขนส่งทหารบาดเจ็บและอะไหล่เครื่องบิน ที่ฟิลิปปินส์ในปี 1945

https://www.youtube.com/watch?v=0UmMquujpAk👈

แต่การใช้เฮลิคอปเตอร์ ปฏิบัติการทางพลเรือนครั้งแรกเกิดขึ้นในอเมริกานี่เอง เมื่อเรือบรรทุกวัตถุระเบิด USS Turner ได้เกิดระเบิดขึ้นขณะเทียบท่าที่รัฐนิวเจอร์ซีย์ ในต้นปี 1944 เฮลิคอปเตอร์ R-4 “Hoverfly” ได้ใช้งานขนส่งเกล็ดเลือดไปช่วยชีวิตผู้บาดเจ็บจากเหตุการณ์ครั้งนั้น เซอร์เก ลูกชายของอิกอร์ ซิกอร์สกี ซึ่งไปเป็นทหารเรืออยู่มีส่วนร่วมด้วย

เซอร์เก ซิกอร์สกี กำลังฝึกห้อยตัวด้วยกว้านกู้ภัยจาก ฮ. R-4 ด้านล่างซ้ายคือต้นแบบ ฮ. H-5

หลังจากผลิต R-4 ออกใช้แล้ว ฮ. รุ่น VS-300A ได้ถูกใช้เป็นต้นแบบสำหรับการทดลองแทน หลังจากบินทดสอบกว่า 100 ชั่วโมง ก็ได้ถูกมอบเป็นของขวัญให้เฮนรี ฟอร์ด นำมาจัดแสดงอยู่ที่พิพิธภัณฑ์ในรัฐมิชิแกนมาจนปัจจุบัน ชื่อของซิกอร์สกีได้กลายเป็นสัญลักษณ์ของเฮลิคอปเตอร์ไป เพราะคนอเมริกันไม่รู้จักเฮลิคอปเตอร์แบบอื่นมาก่อน

VS-300A แบบลงจอดในน้ำ ขึ้นปกนิตยสาร LIFE ในปี 1943

บินไปซื้อกับข้าวด้วย VS-300 ภาพยนตร์สั้นปี 1943

👍https://www.youtube.com/watch?v=SEAy2Yx_dY4

จากนั้นซิกอร์สกี ซึ่งแยกตัวออกมาผลิตเฮลิคอปเตอร์โดยเฉพาะ ก็ได้สร้าง ฮ. ให้กองทัพสหรัฐอีกหลายรุ่น เช่น H-5 Dragonfly ที่ตัวถังมีความลู่ลมมากกว่าเดิม ผลิตออกมากว่า 300 ลำ ซึ่งรุ่นนี้เป็นเฮลิคอปเตอร์ลำแรกที่เข้ามาประจำในกองทัพไทยประมาณปี พ.ศ. 2496 (1953) ด้วย ระหว่างสงครามคาบสมุทรเกาหลี

Sikorsky H-5 “Dragonfly” ปัจจุบันจัดแสดงอยู่ที่พิพิธภัณฑ์กองทัพอากาศไทย

ในปี 1952 Sikorsky H-19 Chickasaw (S-55) เป็นเฮลิคอปเตอร์ลำแรกที่บินข้ามมหาสมุทรแอตแลนติก โดยไม่แวะพัก ใช้เครื่องยนต์ลูกสูบ 600 แรงม้า อิกอร์ ซิกอร์สกี ร่วมออกแบบเองด้วย

ฮ. Sikorsky รุ่น H-34 ก็ได้ใช้เป็น ฮ.ประจำตำแหน่งประธานาธิบดี (Marine One) ตั้งแต่ยุคไอเซนฮาวร์ จนถึงปัจจุบันก็ยังใช้บริการ ฮ. ของบริษัท Sikorsky ซึ่งปัจจุบันควบรวมเข้าเป็นส่วนหนึ่งของ Lockheed-Martin ไปแล้ว

“Black Hawk” UH-60 ฮ. ทางการทหารชื่อดัง ก็เป็นผลงานของบริษัท

ฮ. ประจำตัว เคนเนดี (บน) รุ่น UH-34 นี้เมืองไทยก็เคยใช้งาน (ล่าง)

หลังสงครามโลก มีบริษัทเฮลิคอปเตอร์เกิดขึ้นใหม่กว่า 300 แห่ง วิทยาการใหม่ๆเกิดขึ้น การแข่งขันก็เข้มข้นขึ้นด้วยทั้งในตลาดทางทหารและพลเรือน เมื่อมีการนำเครื่องยนต์กังหันแกสมาใช้แทนลูกสูบ บริษัทซิกอร์สกี เริ่มจะตามการแข่งขันไม่ทัน แม้จะเริ่มต้นก่อน แต่ส่วนแบ่งตลาดในปัจจุบันตกเป็นรองผู้ผลิตอื่น เช่น Bell หรือ Eurocopter (Airbus) หลายช่วงตัว

โครงสร้างและการควบคุมหลักของเฮลิคอปเตอร์ ยังใช้แนวทางของซิกอร์สกี VS-300A

อย่างไรก็ตามแม้ว่าเครื่องยนต์และรายละเอียดชิ้นส่วนจะพัฒนาไปต่างจากเดิมมาก โครงสร้างการจัดวางหลักของเฮลิคอปเตอร์แบบที่นิยมมากที่สุด ก็ยังเป็นไปตาม VS-300A ที่ได้บรรยายไว้ในสิทธิบัตร US 2,318,259 ฉบับปี 1943 ของอิกอร์ ซิกอร์สกี เมื่อ 80 ปีที่แล้วนั่นเอง คือมีโรเตอร์หลักขนาดใหญ่เหนือห้องโดยสารกับโรเตอร์หาง ขับด้วยเครื่องยนต์ตัวเดียวกัน และมีคันโยก collective pitch และ cyclic pitch ควบคุมทิศทางผ่านโรเตอร์หลัก ส่วนโรเตอร์หางใช้เท้าเหยียบเพื่อปรับมุมพิทช์ของใบพัด

สิทธิบัตร US 2,318,259 “Direct Lift Aircraft” ฉบับปี 1943 ของอิกอร์ ซิกอร์สกี

จะเห็นได้ว่าส่วนประกอบหลักใน ฮ. ลำประวัติศาสตร์ของซิกอร์สกีเหล่านี้ ล้วนได้ความคิดมาจากผู้อื่นทั้งสิ้น ถึงแม้อิกอร์ ซิกอร์สกี จะมิใช่คนแรกที่คิดค้นทฤษฎี มิใช่คนแรกที่จดสิทธิบัตร หรือสร้าง “เฮลิคอปเตอร์” ให้ขึ้นบินได้สำเร็จ แต่เขาเป็น system integrator ผู้ที่คัดสรรไอเดียต่างๆมาบูรณาการได้อย่างลงตัว แปลงจินตนาการของดาวินชี และจูลส์ เวิร์น ให้กลายเป็นอากาศยานที่ผลิตออกขาย และใช้งานได้จริงเป็นครั้งแรก เขาจึงกลายเป็นผู้ที่ถูกจดจำในประวัติศาสตร์ในฐานะผู้ให้กำเนิดเฮลิคอปเตอร์

ภาพสุดท้ายของอิกอร์ ซิกอร์สกี กับนักบินอวกาศอพอลโล 16 ในปี 1972 คนนั่งซ้ายคือจอห์น ยัง อีกสิบปีต่อมาเป็นกัปตันยานกระสวยอวกาศเที่ยวแรก (โคลัมเบีย)

แหล่งอ้างอิง

James Chiles, “The God Machine: From Boomerangs to Black Hawks: The Story of the Helicopter”, Bantam, September 30, 2008
U.S. Department of Transportation FEDERAL AVIATION ADMINISTRATION, "The Helicopter Flying Handbook", 2012
J. Gordon Leishman, “Principles Of Helicopter Aerodynamics”, Cambridge Aerospace Series 2nd Edition 2016

https://www.amazon.com/Story-Winged-S-Igor-Sikorsky-ebook/dp/B083NK2XHW

http://www.airvectors.net/

https://www.britannica.com/technology/helicopter

https://www.centennialofflight.net/essay/Rotary/early_helicopters/HE1.htm

https://www.helicopterflights.com/en/docs/show/25/helicopter-control

https://www.intechopen.com/chapters/57483

https://sikorskyarchives.com/home/sikorsky-product-history/helicopter-innovation-era/s-46-vs-300-vs-300a-helicopter/

ชีวประวัติของอิกอร์ ซิกอร์สกี

https://www.youtube.com/watch?v=hgJy8-6SBR4

วิดีโอการทดสอบ ฮ. ยุคแรก รวมทั้งของโซเวียต เยอรมันและ VS-300

https://www.youtube.com/watch?v=dkLWXSzHzxI

การทดสอบ VS-300 ที่ซิกอร์สกีรอดมาได้หวุดหวิด