עובדות ועוד על כנפיים של טיסנים...

מהי כנף? כיצד היא מייצרת עילוי?

נתחיל ממש מהבסיס. קחו לוח בלזה שטוח, הציבו אותו במקביל לקרקע, והניעו אותו באוויר במקביל לקרקע.

האם הלוח התרומם? לא, נכון?

כעת הקנו לו זווית כלפי מעלה ושוב הניעו אותו במקביל לקרקע. הפתעה...

הלוח ניסה להתרומם !!!

הכוח ה"אשם" בכך הוא כוח העילוי שנוצר כתוצאה מהקניית הזווית,הידועה גם כזווית ההתקפה

ועליה נלמד בהמשך.מסקנה: גם לוח שטוח יכול לספק עילוי !!!

זהו הכוח ה"טוב" בסרט שלנו...

ומהו הכוח ה"רע"?

ובכן,זה הכוח בו נתקלתם כאשר ניסיתם להניע את הלוח בתוך האוויר,וידוע גם בתור גרר.

כמובן שמטוסים לא טסים עם לוחות שטוחים, אלא עם כנף בעלת פרופיל שתוכנן בדיוק רב

ומתאים לפרופיל המשימה אותו אמור למלא כלי הטייס.

לכן יש מאות סוגי פרופילים,ועדיין עובדים על פיתוח של חדשים,בעיקר למזלט"ים לשהיה מרובה.

אחד הפרופילים הראשונים בהיסטוריה נקרא Clark Y והוא נפוץ במטוסים ישנים.

רוב הפרופילים הראשונים היו של NACA, לימים NASA .יש פרופילים בעלי 4,5,6 ספרות ,כאשר

לכל ספרה יש משמעות.

בל נשכח את פרופסור אפלר (Eppler) הנכבד שפיתח גם הוא המון פרופילים חדשים ומעניינים

בשיטות חדשניות.

ובכן, מהי אותה זווית התקפה?

זווית ההתקפה מוגדרת כזווית בין המיתר של הפרופיל לרכיב המהירות,

כאשר המהירות היא מהירות האוויר ש"תוקפת" את הכנף (אפשר לנהל כאן וויכוח פילוסופי על תוקף ונתקף...)

תמיד מתייחסים למטוס כאל זה שנח ולאוויר כאל לזה שנע יחסית אליו (כדברי איינשטיין, הכל יחסי בחיים...)

המיתר הוא הקו המסומן באדום.

זווית ההתקפה מסומנת כ- α.

פרופיל סימטרי?

פרופיל סימטרי קיים בד"כ בטיסנים מתקדמים כדוגמת FunFly ואווירובטיקה.

כפי שכבר ראינו מדוגמת הלוח, אם לא תהיה לכנף בעלת פרופיל סימטרי זווית התקפה, לא ייוצר עילוי.

(בפרופיל לא סימטרי, ייוצר עילוי גם בזווית התקפה= 0)

לכן,הכנף במקרה של פרופיל סימטרי מותקנת מראש בזווית הכוונה של 2-3 מעלות בתוך הטיסן על מנת לייצר

עילוי בטיסה ישרה ואופקית. אותו עילוי יפעל כלפי הקרקע בטיסה הפוכה...

לכן יהיה צורך לתת מעט Downבטיסה הפוכה.

נוסחת העילוי...

עובדה ידועה היא, שכל נוסחה שמכניסים למאמר או ספר שמיועד לקהל הרחב מורידה

את תפוצתו, אך על הנוסחה הבאה אין אפשרות לדלג. זוהי נוסחת הנוסחאות:

L=q*S*CL

כאשר:

L=כוח העילוי

q=לחץ דינמי (מהירות אוויר בריבוע חלקי 2 כפול צפיפות אוויר)

S=שטח כנף

CL=מקדם עילוי

מקדם העילוי תלוי בזווית ההתקפה וככל שזווית ההתקפה גדלה, כך אותו מקדם

גדל ובסופו של דבר העילוי עצמו.אך האם ניתן להגדיל זווית זו עד אין סוף?

לצערנו לא...

קיימת זווית התקפה מקסימלית הידועה גם כזווית ההזדקרות.

ערך מאפיין הוא של כ-15 מעלות, תלוי בסוג הפרופיל.ייתכנו הבדלים של עד 5 מעלות בזווית הזדקרות בין פרופיל אחד למשנהו !

ובכן,מהי אותה הזדקרות עליה כולם מדברים?

הזדקרות היא מצב בו זווית ההתקפה של הכנף הגיע לערך כזה בו זרימת האוויר

על פני הכנף מתחילה להתנתק מהכנף, ואז נוצר אובדן פתאומי בעילוי.

זהו מצב לא נעים, שכן הטיסן נופל בפתאומיות ומאבד גובה רב.

זווית זו נקראת α Stall .

כיצד נמנעים מכך?

ובכן,חשוב לא למשוך בסטיק UP חזק מדי כשהטיסן במהירות נמוכה.

הדבר יעלה בפתאומיות את זווית ההתקפה של הכנף ואופ... לא נעים !

מהי מהירות ההזדקרות?

מהירות זו נגזרת מהנוסחה שרשמתי למעלה.

נניח שאנו טסים טיסה ישרה ואופקית, ולאט, לאט מאיטים ע"י הנמכת עצמת המנוע.

q, שמחושב מהמהירות,יורד.אבל אנו מעונינים לשמור על העילוי שלנו,ולא לאבד גובה.

הפרמטר שמפצה על כך הוא מקדם העילוי. כיצד?

ובכן, בזמן שהאטנו משכנוUP , הדבר העלה את זווית ההתקפה של הכנף ובכך את CL.

כפי שאמרנו, זווית זו גדלה עד ערך מסוים בו מופיעה ההזדקרות.

המהירות בה זווית ההתקפה תגיע לערכה המקסימלי והטיסן יזדקר

היא מהירות ההזדקרות, ונקראת גם Vstall .

לכן חשוב לטוס מעל אותה מהירות,כאשר לכל טיסן מהירות הזדקרות שונה.

כמובן שנעדיף מהירות הזדקרות נמוכה ככל האפשר (אפשר לטוס לאט יותר מבלי להזדקר)

דחיית הזדקרות?

מושגת בעיקר ע"י שימוש בפרופיל בעל מנת עובי גדולה, הגורם לכך שלאוויר יותר "קשה" להתנתק מהכנף.

מנת עובי מוגדרת בתור העובי המקסימלי של הפרופיל מחולק באורך המיתר שלו:

:

פרופיל עבה מאפיין טיסני FunFlyשם נדרשת טיסה מהירויות נמוכות.

מנת עובי גדולה יוצרת יותר גרר אך ע"י מנוע מספיק חזק ניתן בקלות להתגבר על כך...

כנף ארוכה או קצרה?

כעיקרון גרר מורכב משני רכיבים: גרר הנובע מהצורה והמשטחים של כלי הטייס

וגרר הנובע כתוצאה מהיווצרות עילוי.

כן,עילוי יוצר גם גרר. ככה זה בחיים, שום דבר לא בחינם...

מהו אותו גרר כתוצאה מעילוי?

העילוי הוא בעצם הפרש לחצים.בחלק התחתון של הכנף פועל כוח גדול יותר מאשר בחלק העליון.

הדבר גורם לבעיה: האוויר בחלק התחתון בעל הלחץ הגבוה "רוצה" לזרום אל החלק העליון של הכנף.

והדבר אמנם קורא.הדבר גורם למערבולות שבטיסה במטוס גדול כגון 747 נראות היטב.

הם נקראות מערבולות קצות כנף או גם "רחוב המערבולות של פון-קרמן" על שם המהנדס שגילה אותם

לראשונה.

המערבולות נוצרו למעשה עקב העילוי שנוצר, לכן הגרר שהן תורמות נקרא גרר מושרה.

כיצד מורידים את השפעתו? משתמשים בכנף בעלת מנת ממדים גדולה ככל האפשר.

מנת ממדים (Aspect Ratio) היא המדד לכמה הכנף היא "ארוכה".

מכיוון שאורך הוא דבר יחסי (בעיקר אצל גברים...), מנת ממדים מחושבת כך:

מעלים בריבוע את אורך הכנף (המוטה) ומחלקים בשטח הכנף.

לכנף של דאון, הזקוק להמון עילוי ולכמה שפחות גרר,תהיה מנת ממדים גדולה (7-10)

לטיסני FunFly, המיועדים לביצוע גלגולים רצחניים,תהיה מנת ממדים קטנה, 3-4,

כיוון שאנו רוצים בכנף כמה שיותר "קצרה" , המתאפיינת במומנט אינרציה נמוך.

(הסבר פשטני יותר: מה יותר קל לסובב, מקל מאוד ארוך וצר, או מקל קצר ורחב? תשובה: קצר ורחב...)

קצות כנף?

דרך מקובלת למנוע מערבולות קצות כנף היא ע"י שימוש בקצות כנף מעוגלים או קטומים.

שימו לב שוב, שב- FunFly הפרופילים בקצות כנף ישרים לחלוטין, מכיוון שהגרר מכוסה ע"י

מנוע חזק ואין כאן מטרה לצבירת מהירות.

דיהדרל?

אפקט דיהדרל הוא גורם מייצב לגלגול וסבסוב של הטיסן.

ככל שזווית הדיהדרל גדולה,האפקט גדול יותר.

כאשר הטיסן מנוהג בעזרת הגה כיוון בלבד, חייב להימצא דיהדרל בכנף בכמות מספקת

מכיוון שהסבסוב שמייצר הגה הכיוון מתורגם לגלגול ע"י זווית הדיהדרל.

כנף מפותלת?

במרבית המטוסים הפרופילים אינם יושבים אחד אחרי השני, אלא בזווית הטיה שונות אחד יחסית לשני.

כך שולטים בפילוג העילוי לאורך הכנף (כיוון שכל פרופיל "רואה" זווית התקפה אחרת)

כמו כן הדבר תורם לאופי ההזדקרות (אם ההזדקרות תתחיל בקצות הכנף,במרכזה או בראשיתה)

בטיסנים בד"כ לא קיים פיתול שכזה, אלא פיתול לא רצוני שנוצר עקב בניה לקויה.

דמיינו לעצמכם, כנף ימנית התפתלה במהלך הבניה כך ששפת ההתקפה שלה מוטית כלפי מטה.

כתוצאה מכך,הכנף הימנית "תראה" זווית התקפה נמוכה יותר,וכתוצאה מכך,תייצר פחות עילוי.

תוצאה: גלגול לימין (כיוון שבכנף שמאל העילוי גדול יותר)

לכן כה חשוב להקפיד על שלב בניית הכנף !!!

כנף עילית?

מדוע טיסן כנף עילית כה יציב בגלגול? הסיבה: מרכז כובד נמוך.

דמיינו את הטיסן בתור מטוטלת התלויה על הכנף.

כאשר הטיסן מתגלגל על הצד עקב מכת רוח, מייד מרכז הכובד נחלץ לעזרה ומגלגל חזרה את הטיסן

לטיסה ישרה.

שפת התקפה משוכה?

עילוי מרבי מושג ע"י שפת התקפה ישרה.

הסיבה למשיכה היא יצירת אפקט דיהדרל, ובנוסף במטוסים אמיתיים הטסים באזור מהירת הקול,

הדבר גורם להעלאת מספר מאך קריטי (הסבר כאן אינו רלוונטי).

מדפים?

כאשר מטוס בא לנחיתה, הוא מאט.אובדן העילוי מפוצה ע"י הגדלת זווית ההתקפה אך הדבר אינו מספיק.

טוב היה לו יכולנו להגדיל פתאום את העילוי ע"י אמצעי כלשהו לזמן מוגבל, וזה תפקיד המדפים.

המדפים מעלים את זווית ההתקפה של המיתר השקול, ובכך מגדילים את העילוי.

ישנם המון סוגים של מדפים,ביניהם גם כאלה שנשלפים לאחור ובכך גם מגדילים פיזית את שטח הכנף ותורמים תוספת נוספת לעילוי.

מדפים גם יוצרים גרר.לכן הם תורמים להאטת המטוס בנחיתה, דבר שהוא בהחלט רצוי.

במטוסים מדפים יורדים 20 מעלות בהמראה ועד כ 50 מעלות בנחיתה.

המדפים מצויים בחלק הפנימי של הכנף, שלא כמו המאזנות, הנמצאות תמיד בחלק החיצוני.

קורה מרכזית?

נמצאת בד"כ במקום שבו פועל כוח העילוי,ב 25% מיתר ממוצע. (בכנף מלבנית המיתר הממוצע הוא למעשה רוחב הכנף, בכנף שאינה מלבנית

יש לבצע ממוצע של כל אורכי הפרופילים השונים לאורך הכנף).

שפת ההתקפה ושפת הזרימה כמעט שאינן נושאות בעומס. לכן חשוב לדאוג לרציפות הקורה המרכזית,

ובמקרה של שבר יש לתקן משני צדי השבר בעזרת חיזוקים.

חציצים?

הסיבה לחשיבות הדבקת החציצים בקורה המרכזית היא השאיפה לקבלת צורה גיאומטרית של קורת “I”.

צורה זו ידועה בעמידותה לכוחות כפיפה (ראו כיצד בנויים מתקני הרמה)

L/D?

(מבוטא: אל אובר די)

זהו פרמטר חשוב ביותר לשם קבלת טווח או שהיה במטוסים.

זהו היחס בין העילוי לגרר במצב טיסה מסוים.

ערך מיטבי של L/D מושג במקדם עילוי מסוים שתוכנן למטרה זו.

דבר זה מכתיב למעשה את כושר הדאיה של כלי הטייס.

בדאונים, ערך זה יכול להגיע ל 50 !!! במטוסים רגילים ערך זה יכול גם להגיע גם רק ל 10...

ל- FunFly יש L/D נמוך בגלל הגרר המושרה העצום הנוצר בעקבות הכנף הקצרה והפרופיל העבה

ולכן אינם "טיפוסים" אווירודינמיים במיוחד.

עומס כנף?

שוב זהו פרמטר נוסף חשוב ביותר.זהו למעשה היחס בין משקל המטוס לבין שטח הכנף. (נקרא W/S )

בדאונים למשל, שם העילוי הוא ערך חיוני, עומס הכנף נמוך (שטח הכנף גדול ביחס למשקל המטוס)

לכל קטגוריה של כלי טייס יש ערך אופייני של עומס כנף, לכן חשוב לשים לב לכך.

אולי משקל הטיסן שנבנה כבד מדי ועומס הכנף חורג מהערך המתוכנן?

או להפך,נשמע מוזר,אך אולי משקל הטיסן לאחר הבניה נמוך מדי? הטיסן לא יטוס כפי שהוא אמור לטוס... הוא יטוס במקדם עילוי שונה מזה שבחר המתכנן...

מאזנות?

המאזנות גורמות לגלגול הטיסן לימין או לשמאל.

מאזנת אחת יורדת, מגדילה את זווית ההתקפה של הפרופיל ובכך את מקדם העילוי.

המאזנת השניה לעומת זאת עולה ומורידה את זווית ההתקפה של הפרופיל ומקדם העילוי קטן.

כלומר בצד אחד העילוי גדל, ובצד שני עולה >>> גלגול לצד המאזנת שעלתה.

המאזנות גם יוצרות גרר.בד"כ הגרר גדול יותר בכנף בה המאזנת ירדה, דבר הגורם לסבסוב לכיוון הפוך. (גלגול ימינה גורם לסבסוב שמאלה).

לכן בדאונים בעיקר, מתבצעת פניה בתוספת הגה כיוון.

בטיסני דאון, כדי לפנות בכל זאת בעזרת מאזנות בלבד, ניתן להשתמש בתכונת Ailiron Differential אם קיימת בשלט.

מכוונים את המאזנות כך שהמאזנת שיורדת (המייצרת יותר גרר), תרד רק 70% ממהלך המאזנת שעולה וכך מבטלים את הבדלי הגרר בין כנף ימין לשמאל.

נקודה ניאוטרלית?

נקראת גם מרכז אווירודינמי ממוצע.

זוהי הנקודה בה פועל כוח העילוי המשולב של הכנף ומייצב הגובה.

בכלי טיס בעל יציבות חיובית, מרכז הכובד יהיה תמיד לפני הנקודה הניאוטרלית.

מרחק מרכז הכובד מהנקודה הניאוטרלית נקרא מרחב יציבות.

השם נקודה ניאוטרלית נובע מכך, שאם מרכז הכובד יעמוד בדיוק בנקודה

זו המטוס יהיה בעל יציבות ניאוטרלית, כלומר לא חיובית ולא שלילית.

אם מרכז הכובד נמצא מאחורי נקודה זו, המטוס יהיה בעל יציבות שלילית (אינו יציב)

ואז יש צורך בניהוג ממוחשב כדוגמת זה הקיים במטוס F16.

דו כנפי?

בתחילת התעופה, עדיין לא היו בשימוש חומרים מתקדמים וכמו כן לא היו למודי ניסיון עדיין

בתכנון נכון של כנף לעומסי כפיפה ופיתול (הנוצרים עקב פעולת כוח העילוי)

לכן בנו 2 כנפיים וחיברו ביניהם.תצורה זו אינה יעילה שכן שתי הכנפיים משפיעות אחת על השניה.

קיימים אפילו מספר מטוסים תלת כנפיים,כדוגמת ה Fokker DR-1

אחת התכונות היפות של מטוס דו כנפי מתבטאת ביכולת לביצוע גלגולים מהירים ומדויקים עקב מומנט האינרציה הנמוך של שתי כנפיים קצרות במקום אחת ארוכה.

(שוב, דמיינו את מקרה המקל הארוך והצר לעומת המקל הקצר והרחב).

ברבות הימים למדו המהנדסים לבנות תיבת פיתול בכנף, עברו לשימוש בסוגי אלומיניום חדשים ואז תמה תקופת הזהב של הדו-כנפיים.

נכתב ע"י:

דניאל דקל

מהנדס אווירונוטי

אשמח לענות לכל שאלה בדוא"ל:ddekel@yahoo.com