יציבות כלי טיס

יציבות כלי טיס היא ענף במכניקת הטיס ובהנדסת אווירונאוטיקה העוסקת בהתנהגות העצמית של כלי הטיס יחסית להפרעות בצירי התנועה של הכלי. ניתן להבדיל בין שני מצבי יציבות: יציבות סטטית - נטייה של כלי הטיס לחזור למצבו המקורי. ויציבות דינמית - נטיית כלי הטיס לתגובה לאורך זמן - תוך כמה זמן ותוך כמה מחזורים כלי הטיס יחזור לטיסה יציבה.
חשיבות יציבות כלי טיס היא בטיחותית, במיוחד בציר האורכי וקשורה במיקום מרכז הכובד המושפע מגורמים כמו דלק, פיזור של נוסעים ודלק ודורש הכנה קפדנית בידי צוות האוויר.

יציבות אורכית

יציבות אורכית היא יציבות סביב ציר העלרוד והיא לרוב המרכזית בכלי טיס, מכיוון שמצב האף של המטוס משפיע ישירות על מהירות וזווית התקפה, בעיקר כשהמטוס בישרה ואופקית. החרפת זווית האף מעלה בפנייה, למשל תעלה את זווית ההתקפה ובכך תקרב את מהירות ההזדקרות שעולה במהלך גלגול וזאת מסוגלת להכניס את המטוס לסחרור.
יציבות אורכית תלויה רבות במיקום מרכז המסה של כלי הטיס יחסית למרכז העילוי. במטוסים אם מרכז המסה נמצא לפני (יחסית לכיוון הטיסה) מרכז העילוי במהלך הפרעה משקל המטוס יטה למשוך אותו מטה, ומשטח מייצב הגובה ייצב אותו ויתנגד לעליית הזנב. המטוס יהיה יציב. אם מרכז המסה תהיה מאחורי מרכז העילוי, בכל הפרעה זנב המטוס יטה ליפול ולהוציא את המטוס מטיסה נשלטת, ללא יכולת היחלצות ללא מערכות היגוי מתקדמות.
בשל התנהגות בעייתית זאת מיקום מרכז המסה הוא נתון ששמים עליו דגש מיוחד הן במהלך הנדסת כלי הטיס, והן במהלך תפעולו. גם אם תוכנן כלי הטיס בכוונה להיות אל־יציב, מיקום מרכז המסה משפיע בצורה משמעותית על יציבות ויכולת השליטה בכלי הטיס.
פתרון נוסף המוסיף יציבות אורכית הוא "אנהדרל אורכי" שזה בעצם התקנה של הכנפיים בזווית מתונה יחסית למשטח מייצב הגובה, כאשר הכוונה היא שמייצב הגובה ינחית את הזנב ועל ידי כך יאזן את העילוי הפועל על הכנפיים.

בטיסה על קולית

בטיסה מעל מהירות הקול מרכז העילוי נע אחורה בגלל תופעות שונות. בפועל מבחינת יציבות סטטית זה גורם למצב של מטוס יציב מדי. כאמור במצב זה יידרש קיזוז רב בשביל לאזן את המטוס בעלרוד ולכן זה יפגע בביצועי השיוט של כלי הטיס במהירויות על־קוליות. זה אחד הגורמים המגבילים את כלי הטיס ולכן מרביתם לא מסוגלים לשייט במהירות על־קולית לאורך זמן.

יציבות רוחבית

יציבות רוחבית כוללת בתוכה את היציבות יחסית להחלקות, היציבות בציר הסבסוב, והיציבות בגלגול, שכן אלה משפיעים אחד על השני.
לדוגמה אם נוצרת החלקה לצד, זרימת האוויר על הכנף הנגדית לכיוון ההחלקה תושפע יותר מהכנף השנייה, מפני שזה ישנה את הקמרון המעשי של הכנף החיצונית והיא תחווה פחות עילוי מה שיגרום להפלת הכנף.

ברוב המטוסים קיים משטח מייצב כיוון שתפקידו הוא להתנגד לשגיאת החלקה או סבסוב על ידי ההשפעה האווירודינמתי של המשטח.
אמצעים נוספים להגברת יציבות רוחבית הם סנפירי ייצוב אנכיים או מוטים מעט בזווית (לשיכוך תופעות נוספות) ומנשקים זוויתיים.

אנהדרל ודיהדרל

הכנפיים מתנגדות טבעית להפרעות בגלגול מפני שהכנף היורדת חווה אוטומטית זווית התקפה גבוהה יותר ועל כן מייצרת יותר עילוי, אבל בתלות במיקום גוף המטוס ייתכן שיציבות טבעית זאת לא תספיק, במיוחד בשל העובדה שההתנגדות הזאת מתקיימת כאשר יש תזוזה, כלומר לאחר השלמת התנועה הכנף הופכת לאדישה. במטוסים בהם הכנפיים מותקנות נמוך בתוך הגוף חוסר היציבות בגלגול יכול להיות משמעותי ולכן מתקינים את הכנפיים בהטייה מעלה מהשורש, מה שנקרא דיהדרל כנף או דיהדרל רוחבי. במטוסים בהם הכנף מותקנת גבוה בגוף המטוס (התקנה גבוהה או התקנת כתף) לרוב אין צורך בדיהדרל לכנף, כי גוף המטוס שפועל כמשקולת ומושך את הכנף הגבוהה מטה ומשכך את ההפרעות בגלגול. במטוסים אלה לעיתים היציבות בגלגול היא גבוהה מדי וגורמת למטוס להגיב בכבדות לגלגול, ולכן בשביל להקטין נטייה זאת מתקינים את הכנף בזווית כלפי מטה, מה שנקרא אנהדרל.

ייצוב אווירודינמי

כאמור, הרבה פתרונות הקניית יציבות מסופקים על ידי גורמים אווירודינמיים כגון משטחי ייצוב ראשיים כפי שמתואר בתרשים הבא:
מייצב הכיוון מתנגד להפרעות צידיות ומכוון את אף המטוס לכיוון זרימת האוויר. מייצבי הגובה מאזנים את העילוי של הכנפיים ומייצב את מצב האף של המטוס בעלרוד.
לעיתים ישנן תופעות או הפרעות שמשטחי ייצוב סטנדרטיים לא מסוגלים לשכך - לרוב בהקשר של יציבות דינמית ובשביל אלה מוסיפים משטחים נוספים כגון סנפירים, מנשק זוויתי ומשטחי קנראד למיניהם.

בקרת משקל ואיזון

בשל המורכבות בניהול משקל ואיזון זהו נושא שמקנים לו תשומת לב רבה בהכנות לטיסה ובמהלכה. הטייס, המחזיק באחריות לבטיחות הטיסה, אחראי גם על ביצוע מתאים של פיזור הנוסעים והמטען בצורה שתאפשר למרכז הכובד להישאר בתוך טווח התנועה המותר שלו על פי ספרות הייצרן.
כחלק מביקורות תקופתיות כלי טיס עוברים תהליך שקילה שבו נבחנות ההשלכות של האחזקה שבוצעה למטוס, שבמהלכה ייתכן והוספו או הורדו רכיבים שונים, על המשקל הריק של כלי הטיס וכן על מרכז הכובד.
במטוסים המיועדים לשיוט על־קולי התנועה האופיינית של מרכז העילוי אחורה היא בעייתית שכן ללא שינוי מרכז הכובד המטוס הופך ליציב מדי ובשל כך יידרש קיזוז רב בשביל לאזן את המטוס, מה שמגדיל את הגרר ומשפיע לרעה על ביצועי השיוט. לכן במרבית המטוסים המיועדים לשיוט על־קולי ישנה יכולת של פיזור הדלק במיקומים שונים בגוף או בכנפיים בשביל להזיז את מרכז הכובד אחורה.

מרכז כובד במסוקים

במסוק טהור חשיבות מיקום מרכז הכובד במסוקים הוא גבוהה שכן מפני שבמסוק לרוב מכלי הדלק לא נמצאים צמוד למרכז העילוי של דיסקת הרוטור בשל כך מיקום מרכז המסה משתנה במהלך הטיסה והוא משנה את תכונות הניהוג של המסוק ולכן דורש תכנון ומודעות גבוהה לסכנות שהמרכז מייצר. המיקום האופטימלי למרכז הכובד הוא בדיוק מתחת למרכז דיסקת הרוטור, אבל בדרך כלל ישנה מסגרת תנועה מותרת שמשפיעה מעט יחסית על תכונות הניהוג ונחשבת לבטוחה.
במקרה של מרכז כובד קדמי מדי הסטיק ידרש להמצא במיקום אחורי מאוד בשביל לאפשר ריחוף. במהלך טיסה מהירה המסוק יטה להאיץ יתר על המידה וכן יתנגד לנטייה של המסוק להרים אף ולהאט במהלך הזדקרות להב נסוגה. בנוסף במצב אוטורוטציה ההצפה הנדרשת במהלך הנחיתה לא תתאפשר והמסוק יתרסק במהירות גבוהה במקום להמיר את מהירותו לעילוי הדרוש לנחיתה רכה.
במקרה של מרכז כובד אחורי מדי המסוק ידרוש מיקום סטיק קדמי מאוד בריחוף ולכן יתנגד למעבר לטיסה קדמית. במהלך הזדקרות להב נסוג המסוק יטה להרים אף בצורה חריפה מדי ועלול לגרום להאצת יתר של הרוטור הראשי של המסוק שנושאת בחובה סיכונים של כשל המערכת המכנית. כמו כן במהלך אוטורוטציה המסוק יתנגד להורדת האף ולכן לא יאפשר יצור מהירות נדרשת לביצוע הצפה מתאימה.

יציבות בנשיאת מטען תלוי

נשיאת מטען תלוי על גבי וו הגחון נושא בחובו סכנות גדולות שכן המטען התלוי על כבל מתנהג כמטוטלת בהיווצרות הפרעה. בגלל התנהגות בעייתית זאת ובשל הנטייה של המטען להיגרר מאחורי מרכז הכובד של המסוק, מהירות המסוק במהלך נשיאת מטען היא נמוכה, כמו כן על הצוות לשמור על טיסה יציבה ככל הניתן בשביל למנוע תנודה, שעלולה להוציא את המסוק ורכיביו מסף היציבות הדינמית.

תופעות חוסר יציבות בכנף סובבת

בכנף סובבת תופעות של חוסר יציבות דינמית הן לרוב חמורות יותר מבמטוסים שכן ברובן תופעות אלה קשורות לרוטור הראשי כמסה סובבת במהירות גבוהה, הכוחות הפועלים עליו ישאפו לצאת מאיזון. התנודה שעלולה להיווצר מהפרעות בסיבוב הרוטור מסוגלות להחריף מטבען שכן הלהבים שלא מסתובבות בצורה מאוזנת יטו את מרכז הכובד, שיפעיל כוח בחזרה על הלהבים וחוזר חלילה. מצב זה שנקרא תהודה מסוכן במיוחד שכן הוא יכול להיגרם לא רק מהפרעה חיצונית אלא גם מתפעול. מכת נחיתה אופיינית מאוד למצב הנקרא תהודה קרקעית. תהודה אווירית אפשרית גם היא אבל היא משוככת על ידי מבני רוטור מודרניים.
מצב נוסף של חוסר יציבות נקרא התהפכות דינמית (Dynamic Rollover) בגלל זווית האופקית של המסוק על הקרקע, או המראה/נחיתה לא תקינים תוך החלקה הצידה, הציר האורכי של כלי הטיס עובר ממרכז הכובד לאחד הגלגלים/מגלשים ולכן המסוק נוטה להתהפך לכיוון הציר.

יציבות של סוגי מסוקים נוספים

מסוקים מסוגים שונים כוללים תכונות יציבות שונות מעט ממסוק טהור. במסוק בעל שני רוטורים טוריים תנועת מרכז הכובד משמעותית פחות מפני שיש שני רוטורים בקדמת ואחורי הכלי המאזנים את הכובד ביניהם. כמו כן בגלל תכונה זאת מסוק זה יוכל לשאת מטען רחב יותר בגחונו.
מסוק קואקסיאלי נחשב לזריז ויציב יותר בגלגול וסבסוב מפני שהפרעה הבאה מצד אחד של כלי הטיס תשפיע על שתי הדיסקות הסובבות בכיוונים הפוכים וגורמים לתגובה הפוכה אחת לשנייה המאזנות אותה. במהלך הזדקרות להב נסוג, המסוק הזה לא נוטה להגיב בציר העלרוד כמו מסוק טהור, ומפני שההזדקרות קוראת בשתי הדיסקות במקביל, ובגלל הפרצסייה האופיינית למסוקים, יכולת הניהוג והתגובה הדינמית של המסוק בעלרוד קוטנת פי שניים ולכן המסוק יכול להחריף את תאוצתו ללא יכולת היחלצות.
סינכרופטר מתאפיין ביציבות דינמית גבוהה יותר יחסית למסוק טהור מפני שאופן הפעולה המכנית של הרוטורים שלו מאזנות הרבה רעידות, אי איזונים והפרעות האופייניות למסוקים. עם זאת למסוק יש בעיה בשליטה ויציבות סטטית במהירויות נמוכות, שכן למסוק אין זרימת אוויר על משטחי הייצוב או הניהוג והרוטורים מתקשים לייצר הפרש פיתול מתאים.