วิศวกรรมการบินและอวกาศ

วิศวกรรมการบินและอวกาศ (อังกฤษ: Aerospace engineering) เป็นสาขาวิศวกรรมเบื้องต้นที่เกี่ยวกับการวิจัย, การออกแบบ, การพัฒนา, การสร้าง, การทดสอบ, วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของ อากาศยาน และ อวกาศยาน แบ่งออกเป็นสองสาขาใหญ่ที่ทับซ้อนกัน ได้แก่ วิศวกรรมอากาศยาน (อังกฤษ: aeronautical engineering) และวิศวกรรมอวกาศ (อังกฤษ: astronautical engineering). วิศวกรรมอากาศเกี่ยวข้องกับอากาศยานที่ทำงานในชั้นบรรยากาศของโลก แต่วิศวกรรมอวกาศจะเกี่ยวข้องกับอวกาศยานที่ทำงานนอกชั้นบรรยากาศของโลก.

วิศวกรรมการบินและอวกาศเกี่ยวข้องกับการออกแบบ, การสร้าง, และการศึกษาวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังคุณสมบัติของแรงและคุณสมบัติทางกายภาพของอากาศยาน, จรวด, ยานบิน, และยานอวกาศ. สาขานี้ยังครอบคลุมถึงลักษณะทางอากาศพลศาสตร์และพฤติกรรม, ปีก airfoil, พื้นผิวการควบคุมการบิน, การยกตัว, การลากทางอากาศพลศาสตร์, และคุณสมบัติอื่น ๆ ของพวกมัน.

วิศวกรรมอากาศเป็นคำเดิมสำหรับสาขานี้. เมื่อเทคโนโลยีการบินก้วหน้าขั้นไปจนรวมถึงผู้ปฏิบัติงานในอวกาศที่อยู่ภายนอก, คำที่กว้างกว่าได้แก่ "วิศวกรรมการบินและอวกาศ" ได้เข้ามาแทนที่อย่างกว้างขวางในการใช้งานร่วมกัน. วิศวกรรมการบินและอวกาศ, โดยเฉพาะอย่างยิ่งสาขาอวกาศ, มักจะถูกเรียกอย่างไม่เป็นทางการว่า "วิทยาศาสตร์จรวด" อย่างที่นิยมใช้กัน

ภาพรวม

ยานพาหนะที่บินได้อยู่ภายใต้เงื่อนไขที่เรียกร้องในสิ่งที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงความดันบรรยากาศและอุณหภูมิ, ที่มีกับโหลดโครงสร้างที่นำมาใช้กับชิ้นส่วนยานพาหนะนั้น. ดังนั้นพวกมันมักจะเป็นผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายในสาขาวิชาเทคโนโลยีและวิศวกรรมรวมทั้งอากาศพลศาสตร์, การขับเคลื่อน, การบิน, วัสดุศาสตร์, การวิเคราะห์โครงสร้าง, และการผลิต. ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเทคโนโลยีเหล่านี้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นวิศวกรรมการบินและอวกาศ. เนื่องจากความซับซ้อนและจำนวนของสาขาวิชาที่เกี่ยวข้อง, วิศวกรรมการบินและอวกาศจะดำเนินการโดยทีมงานของวิศวกรซึ่งแต่ละคนมีพื้นที่ความเชี่ยวชาญเฉพาะของตัวเอง.

การพัฒนาและการผลิตยานพาหนะที่บินได้สมัยใหม่เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนอย่างยิ่งและต้องการความสมดุลและการประนีประนอมอย่างระมัดระวังระหว่างความสามารถ, การออกแบบ, เทคโนโลยีที่มีอยู่และค่าใช้จ่าย. วิศวกรการบินและอวกาศจะออกแบบ, ทดสอบ, และกำกับดูแลการผลิตอากาศยาน, อวกาศยาน, และขีปนาวุธ. วิศวกรการบินและอวกาศจะพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ สำหรับใช้ในการบิน, ระบบการป้องกัน, และในอวกาศ.

ประวัติ

ดูเพิ่มเติม: ประวัติศาสตร์การบิน

 

ออร์วิลและวิลเบอร์ ไรท์ขณะกำลังบินด้วยเครื่องไรท์ ฟลายเออร์ในปี 1903 ที่เมืองคิตตี้ ฮอว์ก, รัฐนอร์ทแคโรไลนา

ที่มาของวิศวกรรมการบินและอวกาศสามารถย้อนกลับไปถึงผู้บุกเบิกการบินราวช่วงปลายศตวรรษที่ 19 จนถึงต้นศตวรรษที่ 20, ถึงแม้ว่างานของเซอร์จอร์จ เคย์ลี จะเคยบุกเบิกไว้ก่อนแล้วในช่วงทศวรรษสุดท้ายของศตวรรษที่ 18 ถึงกลางศตวรรษที่ 19. หนึ่งในคนที่สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์ของการบิน เคย์ลีเป็นผู้บุกเบิกคนหนึ่งในวิศวกรรมการบิน และได้รับการยกย่องว่าเป็นคนแรกที่จะแยกแรงยกและแรงลากซึ่งมีผลกระทบต่อการบินของยานพาหนะใด ๆ . ความรู้เบื้องแรกของวิศวกรรมการบินส่วนใหญ่เป็นเชิงประจักษ์กับแนวความคิดและทักษะบางอย่างที่ถูกนำเข้ามาจากสาขาอื่น ๆ ของวิศวกรรม. นักวิทยาศาสตร์เข้าใจองค์ประกอบสำคัญบางอย่างของวิศวกรรมการบินและอวกาศเช่นพลศาสตร์ของไหล (อังกฤษ: fluid dynamics), ในศตวรรษที่ 18. หลายปีต่อมาหลังจากการบินที่ประสบความสำเร็จโดยพี่น้องตระกูลไรท์, ในช่วงปี 1910s เราได้เห็นการพัฒนาของวิศวกรรมการบินผ่านการออกแบบของอากาศยานทหารในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง.

ความหมายแรกของวิศวกรรมการบินและอวกาศปรากฏในเดือนกุมภาพันธ์ปี 1958. ความหมายได้พิจารณาว่าชั้นบรรยากาศของโลกและอวกาศด้านนอกเป็นดินแดนเดียวกัน ดังนั้นจึงครอบคลุมทั้งยานบินในอากาศ (aero) และยานอวกาศ ("space") ภายใต้คำใหม่ว่า"การบินและอวกาศ". ในการตอบสนองต่อการปล่อยดาวเทียมดวงแรกของสหภาพโซเวียต, ยานสปุตนิกเข้าสู่อวกาศในวันที่ 4 ตุลาคม 1957, วิศวกรการบินและอวกาศสหรัฐได้ปล่อยดาวเทียมอเมริกันดวงแรกในวันที่ 31 มกราคม 1958. องค์การการบินและอวกาศแห่งชาติหรือนาซา (อังกฤษ: National Aeronautics and Space Administration (NASA)) ได้ก่อตั้งขึ้นในปี 1958 เพื่อตอบสนองต่อสงครามเย็น.

ห้วข้อนี้ต้องการขยายความด้วยประวัติศาสตร์ที่ใหม่กว่า รวมทั้งเหตุการณ์ที่เพิ่งผ่านมาเร็ว ๆ นี้ (พฤศจิกายน 2009)

องค์ประกอบ

 

Wernher วอน เบราน์กับเครื่องยนต์ F-1 ของจรวด Saturn V ขั้นตอนแรกที่ศูนย์อวกาศและจรวดของสหรัฐ

บางส่วนขององค์ประกอบของวิศวกรรมการบินและอวกาศคือ

 

เครื่องยนต์ไอพ่นของเครื่องบินขับไล่ระหว่างการทดสอบ อุโมงค์ที่อยู่เบื้องหลังเครื่องยนต์ช่วยให้เสียงรบกวนและไอเสียระบายออกไป

• กลศาสตร์ของไหล  - การศึกษาการไหลของของไหลรอบวัตถุ โดยเฉพาะอากาศพลศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการไหลเวียนของอากาศเหนือร่างกายเช่นปีกหรือผ่านวัตถุ ไม่ว่าจะเป็นการศึกษาโดยการทดลอง เช่นผ่านอุโมงค์ลม, ทางทฤษฎีเช่นการคำนวณวิเคราะห์ หรือ การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ (อังกฤษ: simulation)
• อวกาศพลศาสตร์  - การศึกษาของกลศาสตร์เกี่ยวกับการโคจรรวมถึงการคาดการณ์ขององค์ประกอบการโคจรสำหรับตัวแปรที่กำหนดให้. ในขณะที่โรงเรียนไม่กี่แห่งในประเทศสหรัฐอเมริกาสอนวิชาในระดับปริญญาตรี, หลายแห่งมีโปรแกรมการศึกษาระดับปริญญาตรีที่ครอบคลุมหัวข้อนี้ (มักจะร่วมกับภาควิชาฟิสิกส์ของสถาบันอุดมศึกษา)
• สถิตและพลศาสตร์ (วิศวกรรมเครื่องกล)   - การศึกษาของการเคลื่อนไหว, แรง, โมเมนท์ในระบบเครื่องกล
• คณิตศาสตร์  - โดยเฉพาะอย่างยิ่งแคลคูลัส, สมการเชิงอนุพันธ์และพีชคณิตเชิงเส้น
• เทคโนโลยีไฟฟ้า  - การศึกษาเกียวกับอิเล็กทรอนิกส์ภายในวิศวกรรม
• ขับเคลื่อน  - พลังงานที่จะย้ายยานพาหนะผ่านอากาศ (หรือในอวกาศ) จะทำได้โดยเครื่องยนต์สันดาปภายใน, เครื่องยนต์เจ็ทและ turbomachinery, หรือจรวด. ที่เพิ่มขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้คือการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าและการขับเคลื่อนด้วยไอออน
• วิศวกรรมควบคุม  - การศึกษาการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของพฤฒิกรรมแบบไดนามิกของระบบและการออกแบบพวกมัน, มักจะใช้สัญญาณ feedback, เพื่อให้พฤฒิกรรมแบบไดนามิกของพวกมันเป็นที่พึงปรารถนา (คงที่, โดยไม่มีการกระเจิงขนาดใหญ่, มีข้อผิดพลาดน้อยที่สุด). วิชานี้ใช้กับพฤติกรรมแบบไดนามิกของอากาศยาน, ยานอวกาศ, ระบบขับเคลื่อน, และระบบย่อยที่มีอยู่ในยานพาหนะการบินและอวกาศ.
• โครงสร้างอากาศยาน  - การออกแบบของการกำหนดค่าทางกายภาพของผู้ปฏิบัติงานในการทนทานต่อแรงที่มากระทบในระหว่างการบิน. วิศวกรรมการบินและอวกาศมีวัตถุประสงค์เพื่อรักษาโครงสร้างให้มีน้ำหนักเบา
• วัสดุศาสตร์  - ที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้าง, วิศวกรรมการบินและอวกาศยังศึกษาวัสดุที่ใช้ในการสร้างโครงสร้างการบินและอวกาศ. วัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติที่เฉพาะมาก ๆ ถูกคิดค้นขึ้น, หรือวัสดุที่มีอยู่แล้วได้ถูกปรับปรุงแก้ไขให้มีประสิทธิภาพดียิ่งขึ้น.
• กลศาสตร์ของแข็ง  - ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับวิทยาศาสตร์วัสดุคือกลศาสตร์ของแข็งที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์ความเครียดและความเค้นของส่วนประกอบของยานพาหนะ. ปัจจุบันมีโปรแกรม Finite Element หลายอย่างเช่น MSC Patran/Nastran ที่ช่วยวิศวกรในกระบวนการที่ใช้วิเคราะห์.
• aeroelasticity  - ปฏิสัมพันธ์ของแรงและความยืดหยุ่นของโครงสร้างด้านอากาศพลศาสตร์ที่อาจก่อให้เกิดการกระพือ (อังกฤษ: flutter), ความแตกต่าง (อังกฤษ: divergence), อื่น ๆ
• Avionics  - การออกแบบและการเขียนโปรแกรมระบบคอมพิวเตอร์บนเครื่องบินหรือยานอวกาศและการจำลองของระบบ
• ซอฟแวร์  - ลักษณสมบัติ, การออกแบบ, การพัฒนา, การทดสอบและการดำเนินการของซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์สำหรับการใช้งานการบินและอวกาศ, รวมทั้งซอฟแวร์การบิน, ซอฟแวร์ควบคุมภาคพื้นดิน, การทดสอบและการประเมินผลของซอฟแวร์, และอื่น ๆ
• ความเสี่ยงและความน่าเชื่อถือ  - การศึกษาเรื่องความเสี่ยงและเทคนิคการประเมินความน่าเชื่อถือ, และคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับวิธีการเชิงปริมาณ
• การควบคุมเสียงรบกวน  - การศึกษากลไกการทำงานของการถ่ายโอนเสียง
• aeroacoustics  - การศึกษาของการสร้างเสียงผ่านการเคลื่อนไหวของของเหลวที่ปั่นป่วน, หรือผ่านแรงพลศาสตร์ที่มีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิว, อย่างใดอย่างหนึ่ง
• การทดสอบการบิน  - การออกแบบและลงมือดำเนินการของโปรแกรมการทดสอบการบินเพื่อที่จะรวบรวมและวิเคราะห์ผลการดำเนินงานและการจัดการข้อมูลที่มีคุณภาพเพื่อที่จะตรวจสอบว่าเครื่องบินเป็นไปตามการออกแบบและทำงานได้ตามเป้าหมายประสิทธิภาพและเป็นไปตามความต้องการของประกาศนียบัตรรับรองผล

พื้นฐานของส่วนใหญ่ขององค์ประกอบเหล่านี้อยู่ในทฤษฎีฟิสิกส์, เช่นพลศาสตร์ของเหลวสำหรับอากาศพลศาสตร์หรือสมการของการเคลื่อนไหวสำหรับพลศาสตร์การบิน. นอกจากนี้ยังมีส่วนประกอบเชิงประจักษ์ขนาดใหญ่. ในอดีตองค์ประกอบเชิงประจักษ์นี้ได้มาจากการทดสอบแบบจำลองและต้นแบบที่มีขนาดเป็นสเกลทั้งในอุโมงค์ลมหรือในบรรยากาศเปิด. เมื่อเร็ว ๆ นี้ล่าสุด ความก้าวหน้าหลายอย่างในการใช้คอมพิวเตอร์ได้เปิดใช้งานการใช้พลศาสตร์ของไหลด้วยระบบคอมพิวเตอร์เพื่อจำลองพฤติกรรมของของเหลว, ลดเวลาและค่าใช้จ่ายที่ใช้ในการทดสอบในอุโมงค์ลม. ผู้ที่ศึกษาด้าน hydrodynamics หรือ Hydroacoustics มักจะได้รับปริญญาด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศ

นอกจากนี้ วิศวกรรมการบินและอวกาศจะพูดถีงการบูรณาการองค์ประกอบทั้งหมดที่สร้างขึ้นเป็นยานพาหนะการบินและอวกาศ (ระบบย่อยรวมทั้งพลังงาน, แบริ่ง, การสื่อสาร, การควบคุมอุณหภูมิ, การสนับสนุนการดำรงชีวิต, ฯลฯ) และวงจรชีวิตของมัน (การออกแบบ, อุณหภูมิ, ความดัน, การแผ่รังสี, ความเร็ว, อายุการใช้งาน).

หลักสูตรการเรียนการสอน

วิศวกรรมการบินและอวกาศอาจจะเรียนในระดับอนุปริญญาขั้นสูง, ปริญญาตรี, ปริญญาโท, และปริญญาเอกในแผนกวิศวกรรมการบินและอวกาศที่มหาวิทยาลัยจำนวนมากและในแผนกวิศวกรรมเครื่องกลที่อื่น ๆ. มีไม่กี่แผนกที่ประสาทปริญญาในวิศวกรรมอวกาศที่มุ่งเน้นด้านอวกาศอย่างเดียว. บางสถาบันแบ่งแยกให้เห็นความแตกต่างระหว่างวิศวกรรมการบินและวิศวกรรมอวกาศ.

ในประเทศไทยยังถือว่าเป็นสาขาที่ใหม่ และยังไม่เติบโตเต็มที่เหมือนกับวิศวกรรมศาสตร์สาขาอื่น ๆ เช่น วิศวกรรมโยธา, วิศวกรรมไฟฟ้า, วิศวกรรมเครื่องกล, วิศวกรรมอุตสาหการ, หรือ วิศวกรรมเคมี.

สถาบันที่มีการเรียนการสอนสาขาวิชานี้ ได้แก่

• โรงเรียนนายเรืออากาศ
• มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
• มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ
• จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
• มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
• มหาวิทยาลัยอัสสัมชัญ
• สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

ในวัฒนธรรมที่นิยม

คำว่า "นักวิทยาศาสตร์จรวด" บางครั้งถูกใช้เพื่ออธิบายถึงคนที่มีความเฉลียวฉลาดอย่างมากเนื่องจาก "วิทยาศาสตร์จรวด" ถูกมองว่าเป็นการปฏิบัติอย่างหนึ่งที่ต้องใช้กำลังใจที่ยิ่งใหญ่, โดยเฉพาะอย่างยิ่งความสามารถทางเทคนิคและทางคณิตศาสตร์.

คำนี้มักถูกนำมาใช้เพื่อล้อเลียนเช่นในสำนวนที่ว่า "มันไม่ได้เป็นวิทยาศาสตร์จรวดสักหน่อย" เพื่อแสดงให้เห็นว่างานที่กำลังพูดถึงเป็นเรื่องง่าย.

ถ้าพูดอย่างเคร่งครัด, การใช้คำว่า "วิทยาศาสตร์" ใน "วิทยาศาสตร์จรวด" เป็นการเรียกชื่อที่ผิดเนื่องจากวิทยาศาสตร์เป็นเรื่องเกี่ยวกับการทำความเข้าใจในต้นกำเนิด, ธรรมชาติ, และพฤติกรรมของจักรวาล. วิศวกรรมเป็นเรื่องเกี่ยวกับการใช้หลักการทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมในการแก้ปัญหาและพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ. อย่างไรก็ตาม สื่อและสาธารณะมักจะใช้ "วิทยาศาสตร์" และ "วิศวกรรม"อย่างไม่ถูกต้อง โดยคิดว่ามันเป็นคำพ้อง.

อ้างอิง

1. Encyclopedia of Aerospace Engineering. Wiley & Sons. October 2010. ISBN 978-0-470-75440-5.
2. Stanzione, Kaydon Al (1989). "Engineering". Encyclopædia Britannica. 18 (15 ed.). Chicago. pp. 563–563.
3. Longuski, Jim (2004). Advice to Rocket Scientists: A Career Survival Guide for Scientists and Engineers. Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA). p. 2. ISBN 1-56347-655-X. If you have a degree in aerospace engineering or in astronautics, you are a rocket scientist.
4. "Career: Aerospace Engineer". Career Profiles. The Princeton Review. สืบค้นเมื่อ 2006-10-08. Due to the complexity of the final product, an intricate and rigid organizational structure for production has to be maintained, severely curtailing any single engineer's ability to understand his role as it relates to the final project.
5. "Sir George Cayley". ?. สืบค้นเมื่อ 2009-07-26. Sir George Cayley is one of the most important people in the history of aeronautics. Many consider him the first true scientific aerial investigator and the first person to understand the underlying principles and forces of flight.
6. "Sir George Cayley (British Inventor and Scientist)". Britannica. ?. สืบค้นเมื่อ 2009-07-26. English pioneer of aerial navigation and aeronautical engineering and designer of the first successful glider to carry a human being aloft. Check date values in: |date= (help)
7. "The Pioneers: Aviation and Airmodelling". ?. สืบค้นเมื่อ 2009-07-26. Sir George Cayley is sometimes called the 'Father of Aviation'. A pioneer in the field, he is credited with the first major breakthrough in heavier-than-air flight. He was the first to identify the four aerodynamic forces of flight – weight, lift, drag, and thrust – and their relationship and also the first to build a successful human carrying glider.
8. Kermit Van Every (1988). "Aeronautical engineering". Encyclopedia Americana. 1. Grolier Incorporated.
9. "A Brief History of NASA". Hq.nasa.gov. สืบค้นเมื่อ 2012-03-20.
10. "Science: Engineering: Aerospace". Open Site. สืบค้นเมื่อ 2006-10-08.
11. Gruntman, Mike (September 19, 2007). "The Time for Academic Departments in Astronautical Engineering". AIAA SPACE 2007 Conference & Exposition Agenda. AIAA SPACE 2007 Conference & Exposition. AIAA.
12. Bailey, Charlotte (7 November 2008). "Oxford compiles list of top ten irritating phrases". The Daily Telegraph. สืบค้นเมื่อ 2008-11-18. 10 - It's not rocket science
13. [1]. IEEE Spectrum, December 2010.