כנף (תעופה)

כנף היא משטח אווירודינמי עיקרי בכלי טיס המייצר את מרבית העילוי המחזיק אותו באוויר. בגלל הגודל האופייני לכנפיים הן לרוב כוללות משטחי ניהוג שונים, את מרבית הדלק ולעיתים גם את בתי המנועים של כלי הטיס.

חד כנפיים

עם התקדמות הטכנולוגיה, שיפור בביצועי המנועים ופיתוח סגסוגות פח קלות של פלדה ואלומיניום מטוסים חסרונות של המטוסים הדו-כנפיים התעלו על יתרונותיהם. שני משטחי כנף יוצרים גרר גבוהה בגלל שטח הפנים הגדול של הכנפיים והתמיכה שלהם. ולכן לקראת אמצע שנות ה-30 של המאה ה-20 המטוסים עברו לעבר מבנה של כנף אחת עם מבנה מחוזק שמאפשר תמיכה פנימית בכנף, מה שנקרא כנף שלוחה.
עלייה משמעותית בביצועי מנועי הבוכנה הביאו את כלי הטיס לטווח המהירויות העבר-קוליות בהם הם החלו לחוות תופעות דחיסות שהיו מסוכנות למטוסים ישרי הכנף של אותה התקופה עם תופעות כגון חוסר תגובה של הגאים בגלל גלי הלם הפוגעים בהגאים ומורידים את הלחץ עליהם.

כנף משוכה

כנף משוכה פותחה כתגובה לבעיות של כנפיים ישרות. כנף משוכה מאפשרת דחייה של הופעת תופעות דחיסות, כלומר דחיית המאך הקריטי, ועל ידי כך הגדלת המהירות המרבית של כלי הטיס קרוב יותר למהירות הקול. ובסוף זה אפשר ייצור כלי טיס שיכלו לעבור ולתפקד בטווח המהירויות העל-קוליות.
נכון להיום מרבית מטוסי הנוסעים ומטוסי הקרב הם משוכי כנף ויחד עם מנועי סילון מאפשרים שיוט בגובה ובמהירות גבוהה יחסית.

כנף סופר-קריטית

כנף סופר-קריטית היא כנף משוכה בעלת פרופיל שפותח במיוחד לטיסה בטווח העבר-קולי. הכנף מקטינה את גלי ההלם הנוצרים במהירות זאת ועל ידי כך מורידה משמעותית את הגרר ודוחה מאך קריטי. בגלל כל היתרונות הללו, מרבית מטוסי הנוסעים המודרניים כוללים כנפיים מסוג זה.

מרכיבי מבנה כנף

הכנף היא המבנה המשמעותי במטוס המחזיק את כל משקל כלי הטיס וכן בהרבה מקרים מחזיק את מרבית הדלק של המטוס ולכן דורש חיזוק בצורה של תמיכה מבנית. במטוסים מוקדמים ומטוסים קלים מבנה הכנפיים עצמן דרשו תמיכה על ידי קורות חיצוניות. כנף בעלת תמיכה חיצונית נקראת כנף סמוכה. אף על פי שזהו פתרון פשוט לכנפיים קלות ודקות, כנפיים סמוכות גורמות להרבה גרר ולכן מגבילות את ביצועי כלי הטיס. מרבית עיצובי הכנפיים המודרניים כוללים את כל התמיכה המבנית בתוכם, כנף כזאת נקראת כנף שלוחה. לרוחב הכנף מותקנות קורות רוחביות. ולאורך פרופיל הכנף מותקנות צלעות. בכנפיים ישרות ומשוכות לרוב יהיו שתי קורות רוחביות ומספר רב של צלעות.

תיבת פיתול

בכנף בעלת שתי קורות רוחביות שתי הקורות יתחמו את הצלעות מה שיהווה את תיבת פיתול. צורה זאת של צלעות כנף תומכת במבנה הכנף ומקשרת בין הקורה הרוחבית של הכנף למעטה. תיבת הפיתול עוזרת לשמור על צורת פרופיל הכנף על ידי מניעת פיתולה. בפועל כנפיים מתפתלות לאורכן בין הצלעות, במיוחד בכנפיים ארוכות ודקות, אבל זה מתוכנן לא להשפיע משמעותית על תפעול המטוס. תיבות פיתול כוללות לרוב חיזוק מבני בצורת מוטות מקשיחים. האופן בו תיבת הפיתול מתחברת למעטה משתנה ממטוס למטוס ומחומר מבנה אחד למשנהו. לרוב בשל הימצאות תיבת הפיתול שפת ההתקפה והזרימה לא נושאות בנטל מבני, מה שמאפשר פישוט מבנה והתקנת משטחים נעים באזורים אלו. תיבות פיתול לרוב כוללות חורים או חריצים באזורים שבין שתי הקורות הרוחביות באזורים בהם אין עומס מבני, זה מקטין את משקל התיבה ומאפשר ניתוב צינורות דלק, חיווט, רכיבי היגוי וכדומה.

שורש כנף

שורש כנף הוא בעצם אזור המבנה ממנו נמשכת הכנף והוא כולל אמצעים להתקנה על גבי תיבת הכנף, ואמצעי חיבור לרכיבים המותקנים על הכנף. לעיתים שורש הכנף דורש כיסוי או משלים צורה אווירודינמי בשביל לשפר את הזרימה באזור זה להקטין זרימה מערבולתית באזור זה.

מעטה חיצוני

המעטה החיצוני הוא חשוב ביותר למבנה הכנף, הן בגלל שהמעטה החיצוני הוא זה שעליו נעה זרימת האוויר היוצרת את העילוי והן בגלל שהוא לרוב נושא בחלק מהעומס המבני על גבי הכנף. כמות העומס שהמעטה החיצוני נושא תלוי בסוג ומבנה הכנף ולרוב מתבצע על ידי מתיחות המעטה החיצוני. לעיתים, בין תיבות הפיתול ועל גבי המעטה החיצוני של הכנף יעשה שימוש באורכנים בדומה למבנה חצי כונכי של גוף המטוס.

שפת התקפה

שפת ההתקפה היא המרכיב הראשון בכנף הפוגש זרימת אוויר ולכן צורתה ושלמותה קריטיים לביצועים ובטיחות הטיסה. לרוב שפת התקפה כוללת מעטה חיצוני שאמור לפזר את הלחץ הנגרם מזרימת האוויר על פני שטח הפנים שלה לעיתים קרובות זה מבוצע על ידי מבנה כוורת שמקנה חוזק מבני רב יחסית למשקל. עם זאת במקרים בהם יש שימוש במדפי שפת התקפה, או אמצעים נוגדי קרח, משתמשים בחומרים וסוגי מבנה אחרים.
כאמור, צורת שפת ההתקפה היא קריטית לביצועי כנף ולכן כל דבר המסוגל לשנות אותה מהווה סכנה מיידית. בין הגורמים העיקריים הם התקרחות המסוגלת להצטבר על שפת ההתקפה, לפגוע בזרימת האוויר ולהכניס את המטוס להזדקרות. בשל כך מרבית אמצעי נוגדי התקרחות משולבים במבנה שפת ההתקפה של הכנף.

תאי דלק

בחלק גדול מכלי הטיס הכנפיים נושאות את מרבית הדלק של המטוס. זה משחרר הרבה שטח בתוך גוף המטוס, שמאפשר להשתמש בו לצורכי משא, נוסעים וכדומה. לעיתים הכנפיים כוללות נאדים או מכלים קשיחים המותקנים בין צלעות הכנפיים, אופייני לרוב למטוסים קלים. במצבים אחרים מבנה הכנפיים עצמן, כולל המעטה החיצוני משמשים כתאי דלק, מה שמכונה תאי דלק אינטגרליים. כנף הכוללת תאי דלק אינטגרליים מכונה כנף רטובה. במצב זה יש שימוש רב באמצעי איטום כימיים.

תיבת כנף

תיבת כנף היא המבנה במטוס התומך בכנף. בגלל שהכנף היא המשטח האווירודינמי העיקרי הנושא את משקל המטוס והעומס בטיסה, תיבת הכנף היא לרוב המבנה המשמעותי והקשיח במטוס. מבנה תיבת הכנף מושפע מסוג הכנף, נקודות החיבור ואופן ההתקנה על גבי הגוף. לדוגמה, במטוס בו הכנפיים מותקנות בתחתית הגוף, הגוף למעשה מונח על גבי תיבת הכנף, מה שמפשט את התיבה, שכן לא נדרש ממנה חיזוק ותמיכה. במצב שהכנפיים מותקנות גבוהה בגוף כלל הגוף תלוי למעשה מתחת לתיבת הכנף ולכן נדרש חיזוק ותמיכה גדולה יותר בגוף המטוס וכן תיבה מחוזקת. בהתקנה אמצעית של כנפיים כל היקף הגוף הופך לתיבת כנף בשביל לתמוך בכנפיים.

חומרים

מבנה כנף דורש חומרים קלים וחזקים בשביל לשאת את משקל המטוס. בשל מגבלות אלו, מרבית כלי הטיס המוקדמים כללו עץ ובד כחומרי מבנה ראשיים. לאחר מלחמת העולם השנייה החומר הפופולרי במבנה הפך לאלומיניום, החומר הוא קל, בעל תכונות חוזק וגמישות טובים, קל לעיבוד ולעבודה.
חומרים מרוכבים משמשים לרוב במרכיבי כנף משניים כגון קצוות כנפיים, חלקים מהמעטה החיצוני וכדומה, אם כי ישנה מגמה גוברת של יצירת כנפיים שלמות מחומרים מרוכבים. זהו תהליך ארוך ויקר, אך הוא נוטה ליצור כנף חזקה וגמישה יחסית ובעלת סיבולת גבוהה להתעייפות החומר. בגלל שלא משתמשים בפח, במסמרות או ברגים בכנפיים מרוכבות הן לרוב מאוד חלקות ואוירודינמיות, אם כי יותר בעייתיות לתיקון ואחזקה.

גמישות כנף

אף על פי שגמישות גורמת להתנהגות לא מיטבית של כנף בגלל שזה משנה את זווית ההתקפה של הכנף לאורכה, היא רצויה ברמה מסוימת. במיוחד בכנפיים בעלות מנת ממדים גדולה בדומה לאלה של מטוסי נוסעים, הגמישות מקנה שיכוך מסוים לכוחות הפועלים על הכנף, החל ממשקל המטוס, תנועת המטוס במרחב והאינרציה הכללית על הגורמים בכנף וכן היא מאפשרת שימוש בחומרים קלים יותר מאלה הנדרשים בשביל לשמור על כנף קשיחה.

משטחי היגוי ועזר

כנפיים, בנוסף לגודלן ותפקידן המרכזי בטיסה כוללות מספר משטחי היגוי אופייניים המשמשים לשליטה על התנהגות המטוס במרחב ועל ביצועי הכנף.

כנפון טיל

בטילים ישנם כנפונים לשני צרכים עיקריים: ניהוג וייצוב.
בעוד במטוס, השימוש העיקרי בכנפיים הוא יצירת עילוי למטוס על מנת לאפשר את שהייתו באוויר. הטיל, השוהה זמן קצר יחסית באוויר, משתמש במנוע הרקטי או סילוני לקבלת דחף מספק לתאוצה, ואילו הצורך בעילוי זניח.
עקב מהירותו הגבוהה וצורתו של הטיל, בעת תעופתו הוא מסתחרר. לשם כך לרוב מציבים כנפוני ייצוב בחלק האחורי של הטיל כך ששקול המומנטים יימצא מאחורי מרכז המסה של הטיל (כמו סנפירי רשת (grid fins)).
כנפונים בעלי ציר תנועה לצורך ניהוג יהיו לרוב בחלקו הקדמי של הטיל (כנפונים אלה מכונים "קנארדים"). תנועתם מתבצעת באמצעות מנוע (חשמלי, פניאומטי או אחר). להבדיל מכנפי מטוס, הם אינם חלולים.
לרוב, ישנם בסך הכול 8 משטחי כנף בטיל (4 מאחור, בבסיס המנוע, המיועדים לייצוב, ו-4 מקדימה, לפני מקטע הרש"ק). בטילים מתקדמים כדוגמת הפיתון 5 ישנם יותר מ-12 משטחים שונים.