Bell X-1 กับวันที่ 14 ตุลาคม 1947: เครื่องบินลำแรกที่บินเร็วกว่าเสียง และบทเรียนการทดสอบ

Bell X-1 คือเครื่องบินวิจัยขับเคลื่อนด้วยจรวดที่พาเครื่องบินเร็วกว่าเสียงได้เป็นลำแรกของโลก เช้าวันที่ 14 ตุลาคม 1947 Capt. Charles "Chuck" Yeager แห่งกองทัพอากาศสหรัฐฯ บิน Bell X-1 ลำแรกได้ความเร็ว Mach 1.06 หรือราว 700 ไมล์ต่อชั่วโมง ที่ระดับ 43,000 ฟุต เหนือทะเลสาบแห้ง Muroc ในทะเลทราย Mojave รัฐแคลิฟอร์เนีย และทำให้คำว่า "กำแพงเสียง" กลายเป็นเพียงความเชื่อ

สัปดาห์นี้ครบ 79 ปีของเที่ยวบินนั้น เรื่องของ Bell X-1 ไม่ได้มีแค่นักบินกล้าและเครื่องบินจรวดสีส้ม แต่เป็นตัวอย่างคลาสสิกของการทดสอบเทคโนโลยีที่ไม่มีใครรู้คำตอบล่วงหน้า ทั้งเรื่องการเก็บข้อมูล การถกเถียงระหว่างทีมที่อยากเร็วกับทีมที่อยากรอบคอบ และราคาของความล้มเหลว

ทำไม "กำแพงเสียง" จึงน่ากลัวในทศวรรษ 1940

ปลายทศวรรษ 1930 ถึงต้นทศวรรษ 1940 เครื่องบินเริ่มบินเร็วจนอากาศที่ไหลผ่านปีกบางส่วนเร็วกว่าเสียง NASA อธิบายว่าทำให้เกิดปัญหาหลายอย่างพร้อมกัน ทั้งผลจากการอัดตัวของอากาศ (compressibility) แรงต้านที่เพิ่มขึ้น การทรงตัวที่เปลี่ยนไป การสั่นรุนแรง และพื้นบังคับที่ใช้การไม่ได้ผล ปัญหาใหญ่คืออุโมงค์ลมก็เจอปัญหาอากาศพลศาสตร์แบบเดียวกัน ข้อมูลจากอุโมงค์ลมในย่านความเร็วนี้จึงเชื่อถือไม่ได้

เอกสารประวัติศาสตร์ NASA SP-4219 ระบุว่าในปี 1947 ไม่มีข้อมูลจากอุโมงค์ลมเลยสำหรับความเร็วเกิน Mach 0.85 ทางเดียวที่จะได้ข้อมูลจริงจึงเป็นการสร้างเครื่องบินวิจัยขึ้นไปบินเอง แนวคิดนี้มาจาก John Stack ของ NACA, Ezra Kotcher ของกองทัพอากาศบก และ Walter Diehl ของกองทัพเรือ

คำว่า "sound barrier" เองก็เกิดจากการสื่อสารที่คลาดเคลื่อน ในปี 1935 W. F. Hilton นักอากาศพลศาสตร์ชาวอังกฤษอธิบายกราฟแรงต้านของปีกให้นักข่าวฟังว่า "แรงต้านของปีกพุ่งขึ้นเหมือนกำแพงที่ขวางความเร็วที่สูงขึ้นเมื่อเข้าใกล้ความเร็วเสียง" เช้าวันรุ่งขึ้นหนังสือพิมพ์ชั้นนำของอังกฤษพาดหัวว่า "the sound barrier" ความเชื่อว่ามีกำแพงที่เครื่องบินผ่านไปไม่ได้จึงแพร่ไปทั่ว แม้วิศวกรส่วนใหญ่จะรู้ว่าไม่จริง แต่ก็ยังไม่รู้ว่าแรงต้านจะเพิ่มขึ้นเท่าไร

Bell X-1 ออกแบบอย่างไร

พิพิธภัณฑ์ National Air and Space Museum ระบุว่า Bell X-1 เป็นส่วนหนึ่งของโครงการร่วมระหว่าง NACA (หน่วยงานต้นกำเนิดของ NASA) กับกองทัพอากาศบกสหรัฐฯ ที่เริ่มในปี 1944 เมื่อวันที่ 16 มีนาคม 1945 กองทัพทำสัญญาให้ Bell Aircraft แห่งเมือง Buffalo รัฐนิวยอร์ก สร้างเครื่องบินวิจัย 3 ลำภายใต้รหัสโครงการ MX-653 และตั้งชื่อว่า XS-1 ซึ่งภายหลังเปลี่ยนเป็น Bell X-1

การเลือกเครื่องยนต์จรวดเป็นจุดที่ทีมเห็นต่างกัน NASA บันทึกว่า NACA และกองทัพเรืออยากได้เครื่องบินวิจัยเครื่องยนต์ไอพ่นมากกว่า แต่กองทัพอากาศบกเลือกจรวด เพราะต้องการบินให้ถึงความเร็วเหนือเสียงเร็วที่สุดเพื่อพิสูจน์ว่ากำแพงเสียงทำลายได้ และกองทัพเป็นผู้จ่ายเงิน ความเห็นของกองทัพจึงชนะ

จากเที่ยวบินร่อนถึง Mach 0.997: ทดสอบทีละขั้น

Bell X-1 ลำแรกส่งมอบในเดือนธันวาคม 1945 Jack Woolams นักบินทดสอบของ Bell ทำเที่ยวบินร่อนครั้งแรกเมื่อ 19 มกราคม 1946 ที่สนามบิน Pinecastle รัฐฟลอริดา รวม 10 เที่ยวก่อนส่งกลับไปติดเครื่องยนต์ จากนั้นเครื่องบินย้ายไปหน่วย NACA ที่ Muroc ในเดือนตุลาคม 1946 ซึ่งปัจจุบันคือศูนย์วิจัยการบิน Armstrong ของ NASA ที่ Edwards รัฐแคลิฟอร์เนีย

เมื่อ 30 มิถุนายน 1947 กองทัพอากาศบกกับ NACA ตกลงแบ่งงานเป็น 2 ระยะ กองทัพใช้ Bell X-1 ลำที่ 1 ซึ่งปีกบางกว่า เร่งบินให้ถึง Mach 1.1 โดยเร็ว ส่วน NACA ให้คำปรึกษาและวิเคราะห์ข้อมูล แล้วจึงใช้ Bell X-1 ลำที่ 2 ทำการวิจัยย่านความเร็วใกล้เสียง (transonic) อย่างละเอียดภายหลัง

Yeager ได้รับเลือกเป็นนักบินสำหรับเที่ยวบินสู่ Mach 1 เขาบินร่อนครั้งแรกในวันที่ 6, 7 และ 8 สิงหาคม 1947 และบินใช้เครื่องยนต์ครั้งแรกเมื่อ 29 สิงหาคม ได้ Mach 0.85 ตลอด 6 สัปดาห์ต่อมาเขาขยับเข้าใกล้ Mach 1 ทีละน้อย จนได้ Mach 0.997 เมื่อ 10 ตุลาคม NASA บันทึกว่าในสายตาวิศวกร NACA ที่คุ้นกับการทดสอบทีละขั้นอย่างระมัดระวัง ฝั่ง Yeager และกองทัพดูเร่งรีบเกินไป

เช้าวันที่ 14 ตุลาคม 1947 เกิดอะไรขึ้น

หนังสือประวัติศาสตร์ของ NASA เล่าว่าวันอังคารที่ 14 ตุลาคม 1947 ทีมวิศวกรเริ่มเตรียม Bell X-1 ตั้งแต่ 06:00 น. ติดตั้งเครื่องบินสีส้มลำเล็กไว้ในช่องทิ้งระเบิดของ B-29 แล้วออกบินเวลา 10:00 น. ขณะผ่านระดับ 5,000 ฟุต Yeager ปีนเข้าห้องนักบินของ X-1 ทั้งที่ซี่โครงหัก 2 ซี่จากอุบัติเหตุขี่ม้าเมื่อสุดสัปดาห์ก่อน เขาไม่บอกใครนอกจาก Capt. Jack Ridley เพื่อนสนิทที่ช่วยดันเขาเข้าห้องนักบิน

• 10:26 น. Bell X-1 หลุดจากช่องทิ้งระเบิดที่ความเร็ว 250 ไมล์ต่อชั่วโมง Yeager จุดจรวด XLR-11 ไต่ระดับขึ้นอย่างรวดเร็ว
• Mach 0.85 ความเร็วที่ไม่มีข้อมูลอุโมงค์ลมรองรับ Yeager ดับห้องเผาไหม้ 2 ใน 4 ห้องชั่วคราวเพื่อทดสอบการบังคับ
• ระดับ 40,000 ฟุต เครื่องบินเริ่มบินระดับ Yeager จุดห้องเผาไหม้กลับ 1 ห้อง มาตรวัดขยับจาก 0.98, 0.99 ถึง 1.02 แล้วกระโดดไปที่ 1.06
• Mach 1.06 ที่ 43,000 ฟุต การบินนิ่ง ไม่มีการสั่นรุนแรงหรือสูญเสียการควบคุมอย่างที่วิศวกรบางคนกลัว

ระดับความสูงตอนปล่อยตัวมีบันทึกไม่ตรงกัน หนังสือ NASA SP-4219 ระบุว่า B-29 ไต่ขึ้นถึง 20,000 ฟุต ส่วน Smithsonian ระบุว่าปล่อยที่ระดับ 7,000 เมตร (23,000 ฟุต) ทั้งสองแหล่งตรงกันเรื่องความเร็วสูงสุด Mach 1.06 และระดับ 43,000 ฟุต

ภาพนี้มีทั้งตัวเครื่องบินและหลักฐานทางวิศวกรรมของวันนั้น คือแถบกระดาษบันทึกข้อมูล "Mach jump" ของเที่ยวบินแรกที่เร็วกว่าเสียง ซึ่งกองทัพอากาศสหรัฐฯ นำมาซ้อนไว้ในภาพถ่าย