โมดูล 2/5 · สัปดาห์ 4–6 · 27 ชม.

ระบบกำลังและขับเคลื่อน

DRT 341 เทคโนโลยีระบบอากาศยานไร้คนขับขั้นสูงและสถาปัตยกรรมระบบ

เวลาเรียนประมาณ 85 นาทีร่าง รอตรวจปรับปรุงล่าสุด 26 กันยายน 2569

เมื่อเรียนจบโมดูลนี้ ผู้เรียนจะสามารถ

เปรียบเทียบประเภทอากาศยาน มัลติโรเตอร์ ปีกตรึง ไฮบริด VTOL และเฮลิคอปเตอร์ ในด้านพลังงานและภารกิจ
คำนวณกำลังที่ต้องใช้ของเครื่องบินปีกตรึงจากอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้าน
ประมาณเวลาบินจากพลังงานจำเพาะและสัดส่วนมวลแบตเตอรี่
อธิบายสถาปัตยกรรมระบบขับเคลื่อนแบบไฟฟ้าล้วน ไฮบริด และเซลล์เชื้อเพลิง
เลือกระบบกำลังให้เหมาะกับข้อกำหนดภารกิจ

ความรู้พื้นฐานที่ควรมี: DRT 341 โมดูล 1

พลังงานกำหนดว่าโดรนทำอะไรได้

คำถามที่ผู้ใช้งานถามเป็นอันดับแรกเสมอคือ “บินได้นานเท่าไร” คำตอบขึ้นกับสองเรื่อง คือ อากาศยานต้องใช้กำลังเท่าไรในการบิน และ พกพลังงานไปได้เท่าไร โมดูลนี้เปรียบเทียบประเภทอากาศยานและแหล่งพลังงาน เพื่อให้เลือกระบบที่เหมาะกับภารกิจได้อย่างมีเหตุผล

ประเภทอากาศยานกับการใช้กำลัง

ประเภท	จุดเด่น	ข้อจำกัด	ภารกิจที่เหมาะ
มัลติโรเตอร์	ขึ้นลงแนวดิ่ง ลอยนิ่งได้ ควบคุมง่าย	ใช้กำลังสูงมาก บินได้สั้น	ตรวจสอบใกล้โครงสร้าง ถ่ายภาพจุดเดียว
ปีกตรึง	ใช้กำลังต่ำ บินได้นานและไกล	ต้องมีพื้นที่ขึ้นลงหรือระบบปล่อย ลอยนิ่งไม่ได้	สำรวจพื้นที่กว้าง ลาดตระเวนแนวยาว
ไฮบริด VTOL	ขึ้นลงแนวดิ่งและบินระยะไกลด้วยปีก	ซับซ้อน หนักขึ้นจากระบบสองชุด ช่วงเปลี่ยนโหมดเสี่ยง	สำรวจพื้นที่กว้างที่ไม่มีทางวิ่ง
เฮลิคอปเตอร์ใบพัดเดี่ยว	ประสิทธิภาพลอยตัวดีกว่ามัลติโรเตอร์ ยกหนักได้	กลไกซับซ้อน บำรุงรักษามาก	พ่นสารเกษตร ยกของหนัก

ความแตกต่างหลักเกิดจากวิธีสร้างแรงยก มัลติโรเตอร์ต้องใช้ใบพัดผลักอากาศลงตลอดเวลาเพื่อพยุงน้ำหนัก (ทบทวนทฤษฎีโมเมนตัมใน DRT 112) ส่วนปีกตรึงได้แรงยกจากการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ใบพัดจึงต้องเอาชนะแค่แรงต้าน

กำลังที่ปีกตรึงต้องใช้

เมื่อบินระดับ แรงยกเท่ากับน้ำหนัก และแรงขับเท่ากับแรงต้าน อัตราส่วน แรงยกต่อแรงต้าน ( $L / D$ ) บอกว่าปีกมีประสิทธิภาพเพียงใด ดังนั้น

D = \frac{W}{L / D} P = D V = \frac{W}{L / D} V

ตัวอย่างที่ 1 เปรียบเทียบกำลังที่ใช้

เครื่องบินปีกตรึงมวล 3 kg มี $L / D = 10$ บินที่ 15 m/s

แรงต้าน $D = 29.43/10 \approx 2.94$ N
กำลังเชิงกล $P = 2.94 \times 15 \approx 44$ W
ถ้าประสิทธิภาพใบพัดและมอเตอร์รวม 0.6 กำลังไฟฟ้า $\approx 74$ W

เทียบกับมัลติโรเตอร์มวล 2 kg ที่ใช้ประมาณ 237 W ขณะลอยตัว (DRT 112 โมดูล 4) ปีกตรึงที่หนักกว่าใช้กำลังน้อยกว่าราวสามเท่า นี่คือเหตุผลที่งานสำรวจพื้นที่กว้างนิยมใช้ปีกตรึงหรือ VTOL

แหล่งพลังงาน

พลังงานจำเพาะ ( $e$ ) คือพลังงานต่อมวล หน่วย Wh/kg ยิ่งสูงยิ่งพกพลังงานได้มากในน้ำหนักเท่ากัน

แหล่งพลังงาน	พลังงานจำเพาะโดยประมาณ	หมายเหตุ
แบตเตอรี่ LiPo (ทั้งก้อน)	ประมาณ 150–200 Wh/kg	จ่ายกระแสสูงได้ดี นิยมในมัลติโรเตอร์
แบตเตอรี่ Li-ion (ทั้งก้อน)	ประมาณ 200–250 Wh/kg	พลังงานสูงกว่าแต่จ่ายกระแสสูงได้น้อยกว่า เหมาะกับปีกตรึง
น้ำมันเบนซิน (เฉพาะเชื้อเพลิง)	ประมาณ 12 000 Wh/kg	เครื่องยนต์เล็กแปลงเป็นงานได้เพียงส่วนน้อย
ไฮโดรเจน (เฉพาะเชื้อเพลิง)	ประมาณ 33 300 Wh/kg	ถังเก็บแรงดันสูงหนักและกินปริมาตรมาก

ค่าพลังงานของไฮโดรเจนและเบนซินอ้างอิงค่าความร้อนต่ำตามเอกสารของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ตัวเลขนี้ดูสูงกว่าแบตเตอรี่มาก แต่ต้องระวังการเปรียบเทียบ เพราะเป็นค่าของ เชื้อเพลิงเท่านั้น ยังไม่รวมเครื่องยนต์ ถังเก็บ และประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน เมื่อคิดทั้งระบบ ช่องว่างจะแคบลงมาก ระบบไฮโดรเจนมีข้อได้เปรียบชัดเจนในภารกิจที่ต้องบินนานหลายชั่วโมง

ประมาณเวลาบินจากสัดส่วนมวลแบตเตอรี่

E = m_{b} e_{b} t = \frac{η _{u} E}{P _{elec}}

โดย $m_{b}$ คือมวลแบตเตอรี่ $e_{b}$ คือพลังงานจำเพาะ และ $η_{u}$ คือสัดส่วนพลังงานที่ใช้ได้จริง (มักตั้งไว้ 0.8)

ตัวอย่างที่ 2 เวลาบินของปีกตรึง

เครื่องบินในตัวอย่างที่ 1 ใช้แบตเตอรี่ Li-ion 1.0 kg ที่ 200 Wh/kg

พลังงาน $E = 1.0 \times 200 = 200$ Wh
เวลาบิน $t = 0.8 \times 200/74 \approx 2.2$ ชั่วโมง

แต่ถ้าเพิ่มแบตเตอรี่เป็น 1.5 kg มวลรวมจะเพิ่ม กำลังที่ต้องใช้ก็เพิ่มตาม เวลาบินจึงไม่ได้เพิ่ม 50% ตามแบตเตอรี่ ผู้ออกแบบจึงต้องหาจุดสมดุลของสัดส่วนมวลแบตเตอรี่

สถาปัตยกรรมระบบขับเคลื่อน

สามแถว ไฟฟ้าล้วนคือแบตเตอรี่ ESC มอเตอร์ ใบพัด ไฮบริดคือเครื่องยนต์ เจนเนอเรเตอร์กับแบตเตอรี่ มอเตอร์ ใบพัด เซลล์เชื้อเพลิงคือถังไฮโดรเจน เซลล์เชื้อเพลิงกับแบตเตอรี่ มอเตอร์ ใบพัด — ภาพที่ 1 สถาปัตยกรรมระบบขับเคลื่อนสามแบบ

ไฟฟ้าล้วน เรียบง่าย เงียบ บำรุงรักษาน้อย เป็นแบบที่พบมากที่สุด แต่ถูกจำกัดด้วยพลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่
ไฮบริด ใช้เครื่องยนต์ขับเจนเนอเรเตอร์ผลิตไฟฟ้า แบตเตอรี่ช่วยจ่ายกำลังสูงช่วงขึ้นบิน บินได้นานกว่ามาก แต่มีเสียง การสั่นสะเทือน และการบำรุงรักษาเครื่องยนต์
เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน เปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นไฟฟ้าโดยตรง เงียบและบินได้นาน แต่ต้องจัดการถังแรงดันสูงและการจัดหาไฮโดรเจน ซึ่งมีข้อกำหนดด้านความปลอดภัยเฉพาะ

ความเข้ากันได้ของระบบกำลัง

เมื่อเลือกชิ้นส่วนระบบกำลัง ต้องตรวจความเข้ากันได้หลายด้านพร้อมกัน

แรงดัน แบตเตอรี่ ESC และมอเตอร์ต้องรองรับจำนวนเซลล์เดียวกัน
กระแส ESC และสายไฟต้องทนกระแสสูงสุดพร้อมค่าเผื่อ และแบตเตอรี่ต้องจ่ายได้ (C-rating)
แรงขับ อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักเพียงพอสำหรับการควบคุมและลม
ความร้อน ESC มอเตอร์ และแบตเตอรี่ต้องระบายความร้อนได้ในอากาศร้อนของประเทศไทย
น้ำหนักและจุดศูนย์ถ่วง ของทั้งระบบหลังติดตั้ง

กิจกรรมในชั้นเรียน

กรณีศึกษา

เปรียบเทียบข้อมูลจำเพาะของโดรนสำรวจสามแบบ (มัลติโรเตอร์ ปีกตรึง VTOL) จากเอกสารผู้ผลิต คำนวณพื้นที่ที่สำรวจได้ต่อเที่ยวบินเมื่อ GSD เท่ากัน
ใช้ eCalc หรือตารางคำนวณ ประมาณเวลาบินเมื่อเปลี่ยนมวลแบตเตอรี่ 0.5–2.0 kg และหาจุดที่เวลาบินเริ่มเพิ่มน้อยลง
อภิปรายว่าหน่วยงานของผู้เรียนควรลงทุนโดรนไฮโดรเจนหรือไม่ โดยพิจารณาการจัดหาเชื้อเพลิง ความปลอดภัย และต้นทุนตลอดอายุ

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ระวัง

เทียบพลังงานจำเพาะของเชื้อเพลิงกับแบตเตอรี่ทั้งก้อนโดยตรง โดยไม่คิดน้ำหนักระบบและประสิทธิภาพการแปลง
คิดว่าเพิ่มแบตเตอรี่แล้วเวลาบินเพิ่มตามสัดส่วน
เลือกประเภทอากาศยานจากความคุ้นเคย ไม่ใช่จากข้อกำหนดภารกิจ
ลืมตรวจความร้อน ในสภาพอากาศร้อน

สรุป

มัลติโรเตอร์ใช้กำลังสูงเพราะต้องพยุงตัวด้วยใบพัดตลอดเวลา ปีกตรึงใช้กำลัง $P = W V / (L / D)$ ซึ่งต่ำกว่ามาก
VTOL รวมจุดเด่นของทั้งสองแบบแต่เพิ่มความซับซ้อนและน้ำหนัก
พลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่อยู่ราว 150–250 Wh/kg เชื้อเพลิงมีค่าสูงกว่ามาก แต่ต้องคิดทั้งระบบ
เวลาบิน $t = η_{u} m_{b} e_{b} / P_{elec}$ และการเพิ่มแบตเตอรี่ได้ผลลดลงเมื่อมวลเพิ่ม
ระบบกำลังต้องเข้ากันได้ทั้งแรงดัน กระแส แรงขับ ความร้อน และจุดศูนย์ถ่วง

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

เครื่องบินมวล 5 kg มี $L / D = 12$ บินที่ 18 m/s ใช้กำลังเชิงกลเท่าใด
ถ้าประสิทธิภาพรวม 0.55 ข้อ 1 ต้องใช้กำลังไฟฟ้าเท่าใด
แบตเตอรี่ 1.2 kg ที่ 180 Wh/kg ใช้ได้ 80% กับกำลังในข้อ 2 บินได้กี่นาที
ทำไมการเปรียบเทียบไฮโดรเจน 33 300 Wh/kg กับแบตเตอรี่ 200 Wh/kg โดยตรงจึงไม่ยุติธรรม
ภารกิจตรวจสอบรอยร้าวใต้สะพานควรใช้อากาศยานประเภทใด เพราะอะไร

เฉลย

$W = 49.05$ N, $D = 49.05/12 \approx 4.09$ N, $P = 4.09 \times 18 \approx 73.6$ W
$73.6/0.55 \approx 134$ W
$E = 216$ Wh, $t = 0.8 \times 216/134 \approx 1.29$ h หรือประมาณ 77 นาที
เพราะค่าไฮโดรเจนเป็นของเชื้อเพลิงอย่างเดียว ยังไม่รวมถัง เซลล์เชื้อเพลิง และประสิทธิภาพการแปลง
มัลติโรเตอร์ เพราะต้องลอยนิ่งใกล้โครงสร้างและเคลื่อนที่ช้าอย่างแม่นยำ

สรุปสูตรสำคัญ

กำลังบินระดับ (ปีกตรึง)	$P = D V = \frac{W}{L / D} V$
กำลังไฟฟ้า	$P_{elec} = \frac{P}{η}$
พลังงานแบตเตอรี่	$E = m_{b} e_{b}$
เวลาบิน	$t = \frac{η _{u} E}{P _{elec}}$

แหล่งอ้างอิงหลัก

Fahlstrom, P. G., Gleason, T. J., & Sadraey, M. H. (2022). Introduction to UAV systems (5th ed.). Wiley.
Anderson, J. D. (2016). Introduction to flight (8th ed.). McGraw-Hill.
Quan, Q. (2017). Introduction to multicopter design and control. Springer.
U.S. Department of Energy, Fuel Cell Technologies Office. (2017). Target explanation document: Onboard hydrogen storage for light-duty fuel cell vehicles. link
Leishman, J. G. (2006). Principles of helicopter aerodynamics (2nd ed.). Cambridge University Press.