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 סטטית היא הנטייה של כלי הטיס לחזור למצב המקורי לו המטוס מוגדר בכוח קבוע והגאים מקוזזים, ללא התערבות – שחזור מהירות ומצב במרחב אחרי הופעה של הפרעה רגעית. ישנם שלושה סוגים של יציבות: יציבות סטטית חיובית – מטוס יציב – בהופעת הפרעה המטוס ישאף לחזור למצב המקורי. כלומר תגובת המטוס תיצור שינויים שיגרמו למטוס לחזור למצב של איזון מחודש. למרות זאת מטוס יחשב יציב גם אם הוא יצור אוסילציה מתונה סביב לטווח שאליו המטוס מקוזז. יציבות סטטית שלילית – מטוס אל־יציב – בהופעת הפרעה המטוס יצור תגובות שיחריפו את ההפרעה וירחיקו את המטוס מהמצב המקורי. יציבות סטטית אפסית – מטוס אדיש – בהופעת הפרעה המטוס לא תיצור שום שינוי אלא תשמור על המצב החדש ללא נטייה לתיקון או החרפה של השגיאה. יציבות סטטית קשורה באופן אינטימי עם תכונות הניהוג של כלי הטיס. מטוס בעל יציבות סטטית גבוהה מדי יתנגד לפקודת ההגאים ולא יאפשר לבצע תמרונים סטנדרטיים הנדרשים בטיסה. למעלה מזאת המטוס לא יאפשר כניסה להזדקרות, שאף על פי שזהו מצב לא רצוי בטיסה, הוא קריטי במהלך נחיתה. אם המטוס בעל יציבות סטטית נמוכה הוא יהיה רגיש מדי לפקודת טייס ויכול להיכנס מהר מאוד למצב של התבדרות שיוציא את המטוס מידי טיסה נשלטת. בשל תכונות אלו יציבות כלי הטיס משפיע על קיזוז ההגאים הנדרש על שמירת מצב קיים. מטוס יציב מדי ידרוש הטיה גדולה של הגאי המטוס בשביל להגיע למצב רצוי ולכן יגדיל את הגרר וישפיע לרעה על נצילות הדלק של המטוס, מטוס עם יציבות סטטית נמוכה לעומת זאת ידרוש הרבה פחות קיזוז ולכן יחווה פחות גרר. לכן רמת היציבות הסטטית הרצויה ברוב המקרים היא בינונית – מתונה. יציבות דינמית היא אופן התגובה של כלי הטיס להפרעות לאורך זמן. כלומר כמה חריפה תהייה הנטייה של כלי הטיס לחזור למצב המקורי או לצאת ממנו. ישנם שלושה סוגי יציבות דינמית: יציבות דינמית מתבדרת – מטוס מסוג זה יגיב בחריפות לכל שינוי ויטה להתבדר. יציבות דינמית מתרסנת – הרמה הרצוייה של יציבות דינמית בו המטוס מגיב ברמה שתאפשר חזרה למצב קודם אבל לא תגרום להתבדרות בדרך כלל מתבטא במספר מחזורים מתמתנים של תיקון עד להגעה למצב המקורי. ישנו מצב נוסף של יציבות זה והוא יציבות דינמית מרוסנת יתר – נטייה של כלי הטיס להגיב בכבדות, מעל סף מסוים לא יאפשר למטוס לחזור למצב המקורי כלל, גם אם המטוס יציב סטטית. יציבות דינמית אדישה – נטייה של מטוס להישאר בתנודה יציבה לאחר היווצרות שגיאה. ישנן מספר תופעות טיסה האופייניות הן למטוסים יציבים והן למטוסים לא יציבים. פוגואידה – תופעה של מטוסים המופיעה לאחר הפרעה. במצב זה המטוס חוזר לזווית התקפה המקורית אבל במקום לשמור על הגובה והמהירות המטוס מייצר מעין תנועה גלית מעלה ומטה בזווית התקפה קבועה. גלגול הולנדי – תופעה במטוסים יציבים כאשר ישנה מעין תנועה נחשית של האף ימינה ושמאלה המשולבת עם תנועה בגלגול וכתוצאה ממנה גם שינוי בזווית עלרוד. ניתן לדמות את התנועה הזאת לתנועת מזחלת בתעלה מעוגלת בפנייה. ישנם מספר אמצעים לשיכוך ותיקון התופעה שאופיינית להרבה כלי טיס, במיוחד אלה עם התקנת כנף נמוכה. האמצעים העיקריים הם התקנת הגה גובה בהטייה מטה, התקנת סנפירים בזנב המטוס המוטים לצדדים ושיכוך פעיל על ידי מערכת בקרת טיסה. 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 יהיה 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 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 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. 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. 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. ערך מורחב – מערכת בקרת טיסה מערכות בקרת טיסה מתוכננות להקל על הטייס על ידי ביצוע תיקוני הפרעות באופן עצמאי. פונקציה בסיסית של מערכות אלה היא הגברת יציבות (SAS) המודדת תאוצה זוויתית של כלי הטיס ומכניסה תיקונים רגעיים ומגדילה בפועל את היציבות הסטטית של כלי הטיס. פונקציות נוספות מאפשרות למערכת לשכך תופעות דינמיות וצימודים שונים ואף לרסן מטוס שיוצא מסף היציבות. כמו כן עם פונקציות מתקדמות מערכות בקרת טיסה מסוגלות להקנות יכולות כגון טייס אוטומטי וריחוף אוטומטי המורידות את עומס העבודה של הטייס במהלך ביצוע עבודתו. היכולת של מערכות בקרת טיסה מתקדמות לתגובה מהירה מאוד, במיוחד במערכות טוס־על־חוט מאפשרות תכנון וייצור כלי טיס אל־יציבים (כלומר עם מרכז כובד אחרי מרכז העילוי) המרוסנים על ידי מערכת ההיגוי בלבד ומאפשרת לכלי הטיס זריזות גבוהה מאוד. 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. ערך מורחב – מסוק מטבע התכונות של המסוק הטהור (מסוק עם רוטור ראשי אחד עם רוטור עזר בזנב) המסוקים הללו הם מוגדרים כיציבים סטטית בציר האורכי ובגלגול, שכן דיסקת הרוטור המתנהגת כגירוסקופ ומתנגדת לשינוי במרחב ולכן כאשר הגוף זז הוא מושך את הראש רוטור, אבל הרוטור מגיב על ידי שינוי הטייתו לזווית היוצרת דחף לכיוון ההפוך לכיוון השגיאה, משכך אותה ולא משנה את מיקום הגוף בפועל. תוצאה של תכונה זאת היא שכאשר מנסים לצאת מריחוף, המסוק נוטה להתנגד ומגיב בכבדות יתרה. אבל עם התגובה הראשונית הזאת בצורה דינמית הדיסקה ואיתה שאר המסוק יגיבו באוסילציה מחריפה לאורך זמן ולכן מסוקים נחשבים לכלי טיס לא יציבים דינמית. למסוק טהור אין שום נטייה לתגובה בציר הסבסוב ולכן נחשב לאדיש בציר זה, אבל עם זה ניהוג בציר הסבסוב אחראי ליצירת הפרעות בצירים אחרים, בגלל צימודים שונים האופייניים למסוקים. בטיסה מהירה ישנו הבדל מסוים בהתנהגות המסוק, בחלק מהמצבים ההתנהגות דומה לזאת של כלי טיס כנף קבועה, כגון הקשר בין גלגול לסבסוב ולהחלקה, מה שמכונה יציבות רוחבית. בנוסף לכך יש השפעה אווירודינמית על גוף המסוק ששואף ליישר את כלי הטיס לכיוון הטיסה ולכן מוסיף לו יציבות מסוימת בציר הסבסוב. יש חשיבות גדולה לשמירה על טיסה מתואמת בטיסה מהירה שכן הצימודים האופיינים לכלי טיס כנף סובבת משפיעים על כלל תכונות הניהוג והיציבות של כלי הטיס. לדוגמה, הפרעה בסבסוב תגרום לתגובה בעלרוד וכתוצאה מכך על גובה כלי הטיס ומהירותו. בפועל כלי טיס כנף סובבת לא מסוגלים לשמור על מצב טיסה קיים ודורש התערבות פעילה ומתמדת בכל הצירים על ידי הטייס או מערכת בקרת הטיסה. במסוק טהור חשיבות מיקום מרכז הכובד במסוקים הוא גבוה 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 נסוג. 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. 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. 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/מגלשיים ולכן המסוק נוטה להתהפך לכיוון הציר. 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 קטנה 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. תצורת כנף תאונה אווירית Aircraft Stability and Control, by A. W Babister, 1961. Aircraft Design, by Ajoy Kumar Kundu, 2010. Mechanics of Flight, by A. C. Kermode, 11th edition, 2006. Aircraft Stability and Control, A. W Babister, 1961, עמ' 34 Aircraft Stability and Control, A. W Babister, 1961, עמ' 35