כנף בעלת גאומטריה משתנה

כנף בעלת גאומטריה משתנה (באנגלית: Variable Geometry Wing) היא סוג של כנף מטוס המתוכננת לשנות את התכונות הגאומטריות דוגמת מוטת כנף, זווית המשיכה, זווית הטיה וכדומה בשביל לשפר את תכונות הכנף בתנאי טיסה שונים ללא התפשרות בעיצובה האווירודינמי. סוגי כנף גאומטריה משתנה הם כנף בעלת משיכה משתנה, כנף מתלכסנת, כנף הכוונה משתנה, כנף טלסקופית, כנף נפרשת, כנף מתקפלת וכנף התמרת צורה. כנף גאומטריה משתנה הנפוץ ביותר והיחיד הנמצא בשימוש סדרתי נכון להיום היא כנף משיכה משתנה המתאפיינת בסיבוב הכנף ועל ידי כך שינוי זווית המשיכה של הכנף. פתרון זה הוא כה נפוץ עד כי לעיתים משתמשים במושג כנף גאומטריה משתנה כמושג נרדף לכנף משיכה משתנה. ערך מורחב – היסטוריה של התעופה הרעיון של כנף גאומטריה משתנה עלה לימים המוקדמים ביותר של התעופה בהם התבטאה הגישה של תכנון כלי טיס המדמים ציפורים כגון האורניטופטר – כלי טיס בעל כנפיים מנפנפות וקונספטים נוספים של כנפיים גמישות וכדומה. כנפיים בעלי משיכה משתנה תוכננו במקור כאמצעי קיזוז אורכי. כמו כן משיכת כנף אסימטרית נראתה כאמצעי ניהוג בגלגול. בעשורים הראשונים לאחר הטיסה הראשונה של האחים רייט כנפיים של כלי טיס עוצבו לתנאי טיסה מצומצמים מאוד. המטוס תוכנן להמריא, לטפס, לשייט, להנמיך ולנחות בטווח מהירויות כמעט זהה ובטווח גבהים מצומצם, זאת תודות ליכולות המוגבלות של המנועים באותה תקופה. בשל כך הכנפיים שעוצבו למטוסים אלה עוצבו להתאים למהירות ההמראה בלבד ולכן כללו רק את המאזנות כאמצעי ניהוג. עם התקדמות הטכנולוגיה שבמהלכה השתפרו ביצועי המנועים ואפשרו לכלי הטיס לטוס גבוה ומהר יותר, הכנפיים התחילו להיות הגורם המגביל בביצועי כלי הטיס. בשנות ה-20 המאוחרות התחילו לעצב כנפיים שיכלו להקנות סייג רום ומהירות גבוהים יותר, אך אלה התקשו לספק ביצועים מספקים במהירויות נמוכות ובטיפוס. על כן החלו להתנסות באמצעים שונים בשביל לשפר את ביצועי הכנף בתנאים אלה, פתרונות אלה ברובם שינו באמצעים שונים את הגאומטריה של הכנף בצורה כל שהיא. הפתרון שנוסה והפך לסטנדרטי מאז היה הוספת משטחי עזר בשפת הזרימה של הכנף שיורדים לתוך זרימת האוויר, משנים את קמרון הכנף ומקנים לה ביצועי עילוי טובים יותר במהירות נמוכה. סוג מדפים נוסף שנוסה היה מדפי שפת התקפה שמקלים על זרימת האוויר להיצמד לכנף בזויות התקפה גבוהה ועל ידי כך מקנים לכנף מעטפת ביצועים רחבה יותר. אף על פי שפתרונות אלו הפכו לסטנדרטיים, בהמשך היו עוד מספר קונספטים לעיצובי כנף ששינו את ביצועי הכנף בצורה משמעותית. בתקופת מלחמת העולם השנייה הגרמנים התנסו בכלי טיס סילוניים בעלי כנף משוכה, שכן סוג כנף זאת אפשרה מהירויות טיסה גבוהות יותר. עם זאת, משיכת הכנף נטתה לבוא יד ביד עם מנת ממדים קטנה יותר וביצועי מהירות נמוכה ירודים ודרשו מסלולי המראה ונחיתה ארוכים. על כן עלה כי בשביל לייצר כנף שתקנה ביצועים מספקים בכל הטווחים הללו, היה נדרש לעצב כנפיים מורכבות שאיזנו והתפשרו על ביצועים מסוימים בשביל לאפשר המראה ונחיתה במתקנים קיימים. בשביל להתגבר על בעיה זאת הוצע פתרון של כנף בעלת משיכה משתנה, שעל ידי סיבוב הכנף על גבי ציר בשורשה יאפשר לשנות את זווית המשיכה של הכנף בזמן הטיסה. כנף כזאת תוכל להקנות ביצועים מיטביים בטווח מהירויות רחב מאוד. המסרשמיט P.1101 שלא הספיק לטוס טרם סיום מלחמת העולם השנייה ונפילתו בידי האמריקאים כלל מנגנון שינוי זווית משיכה לפני טיסה. פתרון זה נוסה מאוחר יותר במטוס הניסוי ה-X-5 שטס לראשונה בשנת 1950. מטוסי הפצצה סילוניים מוקדמים סבלו ממרחקי המראה ארוכים ולכן בתכנונם לרוב השתמשו באמצעים לא שגרתיים, כגון רקטות האצה. המרטין XB-51 שטס לראשונה בשנת 1949 השתמש בכנפי הכוונה משתנה בשביל לשפר ביצועי כנף במהירות נמוכה, כאשר הכנף הסתובבה בשורשה מעט מעלה ומטה. אך מטוס זה הפסיד במכרז למטוס תקיפה סילוני ולכן לא נכנס ליצור סדרתי. צי ארצות הברית היה מעוניין מאוד הכנף משיכה משתנה, שכן בתקופה זאת מטוסי הקרב גדלו במשקלם וממדיהם וביצועיהם על גבי הסיפון היו הופכים ליותר ויותר בעייתיים מבחינת מהירות המראה, גישה וקצב הנמכה. כנף משיכה משתנה הבטיחה ביצועים טובים גם במהירויות ההמראה והנחיתה הנמוכות הנדרשות לטובת פעילות על גבי נושאת המטוסים, וגם ביצועי מהירות ותאוצה טובים בשאר משטרי הטיסה, ולשם כך יוצר מטוס הגראמן XF10F יגואר וטס לראשונה בשנת 1952. תוכנית הניסוי של מטוס זה הייתה רוויית בעיות, וחידושים נוספים בעיצוב של נושאות מטוסים כגון הטיית סיפון הטיסה בזווית של תשע מעלות ושילוב מערכת מעוט אפשרו להמשיך בשימוש במטוסים בעלי כנפיים סטנדרטיות ולכן המטוס לא נכנס לשירות. בשנת 1955 המריא לראשונה ה-ווט F-8 קרוסיידר שכלל כנף הכוונה משתנה. הכנף שלו הותקנה גבוה בגוף וכל תיבת הכנף יכלה לנטות מעלה. זה היה משפר משמעותית ביצועי כנף במהירות נמוכה, וגם שיפר את הראות קדימה במהלך נחיתה על גבי נושאות מטוסים. מטוס זה הוא היחיד בעל כנף הכוונה משתנה שנכנס לייצור סדרתי ולשירות פעיל. בבריטניה עיצוב כנף משיכה משתנה נלקח לכיוון חדש לגמרי כאשר המהנדס בארנס וואליס שעבד בחברת ויקרס התנסה בכנפיים בעלי משיכה משתנה כאמצעי ניהוג עיקרי בציר האורכי. השינוי הזה בהיגוי כלי טיס היה כה משמעותי עד שהוצע לשנות את הקטגוריה של כלי הטיס החדש ל-אארודיין – מנוהג כנפיים. העיצוב נוסה בתוכנית הכטמ"מ ויקרס ווילד גוס אבל הדגם לא נכנס לשירות. תוכנית נוספת שנקראה ויקרס סוואלו שהוצעה כתחלופה על קולית למפציץ ויקרס וליאנט אבל לא משכה עניין מספיק בבריטניה ולכן בוטלה בשנת 1957. בשנת 1962 ג'נרל דינמיקס וגראמן זכו בהצעתם המשותפת במכרז TFX של משרד ההגנה האמריקאי לייצור מטוס תקיפה וקרב בעל כנף משיכה משתנה. המטוס שסומן כ-F-111 המריא לראשונה בדצמבר 1964 והיה למטוס כנף משיכה משתנה הסדרתי הראשון. בספטמבר 1964 המריא לראשונה ה-XB-70 ולקרי שהיה מיועד להיות מפציץ אסטרטגי ויכל לטוס במהירות של מאך 3 ומעלה. המטוס כלל כנפיים שחציין החיצוני היה יכול לנטות מטה עד 65 מעלות במהירות גבוהה. כנף מתקפלת זאת אפשרה לכידת גלי ההלם שנוצרו במפגש האוויר עם חרטום המטוס במהירות גבוהה, וכך היה מגדיל את העילוי. פתרון זה לא שימש באף מטוס מאז. ברית המועצות גם מצאה את עצמה מחפשת פתרונות לביצועי ההמראה והנחיתה של מטוסי הקרב התקיפה וההפצצה המתקדמים שלה. בעת מלחמה, הצפי היה ששדות הטיסה ובסיסי חיל האוויר הסובייטי יופצצו ולכן המטוסים היו תוכננו לעבור למתקנים ארעיים ללא מסלולים סלולים, בשדות פתוחים או כאלה שמשתמשים באורכי כביש סלול מוגבלים באורך, אבל המטוסי הקרב שהפכו לכבדים יותר ויותר וכנפיהם המוטות בזווית חדה יותר ויותר ודרשו מהירויות נחיתה והמראה גבוהים יותר, התקשו לפעול משדות אלו. לכן ברית המועצות התנסתה בהרבה טכנולוגיות כמו יכולת המראה ונחיתה אנכית. אבל לאחר שה-F-111 עלה לאוויר, הסובייטים החלו להתנסות בכנפי משיכה משתנה גם כן. אבל הסובייטים נתקלו בקשיים רבים בפיתוח יכולת זאת ולכן הם העדיפו בהתחלה לייצר מטוסים שרק החצי החיצוני של הכנף יכול לשנות את זווית המשיכה שלו. פתרון זה אפשר להשתמש בדגמי מטוסים קיימים מה שהקטין את מחיר הפיתוח של מטוסים בעלי כנפיים אלו. הראשון מבין המטוסים המוקדמים הללו היה הסוחוי סו-17 שהיה שדרוג של הסוחוי סו-7. מאוחר יותר ברית המועצות הצליחה לייצר מטוסים צבאיים בעלי כנפי משיכה משתנה טהורים כגון הסוחוי סו-24 והמיג-23. באותה התקופה צרפת פיתחה את המיראז' G, ומעט מאוחר יותר בריטניה בשותפות עם גרמניה המערבית, איטליה, בלגיה, הולנד וקנדה פיתחו את הפנאוויה טורנדו. בשנת 1970 המריא לראשונה ה-F-14 טומקט שהיה למטוס הקרב בעל כנף משיכה משתנה היחידי הפועל מנושאות מטוסים. הוא הפך גם למפורסם מבין מטוסי משיכה משתנה בכללי. מספר מפציצים על קוליים כבדים גם קיבלו כנפיים בעלי משיכה משתנה, כגון הבואינג B-1B לנסר, הטופולב Tu-22M,והטופולב Tu-160. בתקופה זאת החל שינוי מגמה בהקשר של כנפי משיכה משתנה. מבחינת מטוסי נוסעים אזרחיים, ההגבלות הרעש של הבום העל-קולי, הגבילו את נתיבי הטיסה והפכו את המטוסים הללו ללא כדאיים. הבואינג 2707 שהשתתף בתוכנית מטוס הנוסעים העל קולי של ארצות הברית, והיה מיועד להיות המקביל של הקונקורד, שינה את עיצובו ממטוס נוסעים עם כנף משיכה משתנה למטוס בעל כנף דלתא ודמה בצורתו למקבילו, לפני שהתוכנית בוטלה סופית בשנת 1971. על אף שנבחנו עיצובים נוספים כגון כנף מתלכסנת, אלה לא משכו תשומת לב אצל יצרני המטוסים וקהל הלקוחות. לקראת שנות ה-80 הדרישות ממטוסי הקרב עברו מביצועי מהירות, לביצועי פנייה בקרבות אוויר, עיצובים אל-יציבים ובמיוחד לאחר הופעת טכנולוגית החמקנות, ירד קרנם של טכנולוגיות כנף גאומטריה משתנה. ערך מורחב – תצורת כנף ערך מורחב – כנף בעלת משיכה משתנה כנף משיכה בעלת משתנה היא כנף המשנה את זווית המשיכה שלה על ידי סיבוב הכנף אחורנית לרוב, יחסית לציר הרוחבי של כלי הטיס. עם סיבובה של הכנף היא מסוגלת להקנות ביצועים מיטביים בכל מהירות אוויר על ידי שינוי זווית הכנף. במהירויות נמוכות הכנף בדרך כלל תהיה בעלת זווית משיכה מינימלית, מה שיקנה למטוס עילוי גבוה (למהירות זאת) ומהירות הזדקרות נמוכה יותר. במהירות גבוהה הכנף תיטה אחורה בהדרגה ותקנה למטוס גרר נמוך, יכולת תאוצה גבוהה וביצועים מיטביים במהירויות גבוהות. עם זאת מנגנון שינוי זווית משיכה לרוב מורכב ודורש אחזקה מתמדת. התמונה מעלה מציגה שלושה מטוסי F-111 המציגים את כנפי המטוס במצבי משיכה משתנה. בכל מצב משיכה ביצועי הכנף משנים. כנף מתלכסנת (באנגלית: Oblique Wing) מתאפיינת בכנף הסובבת כמקשה אחת לאורך המוטה שלה על גבי ציר על גב המטוס ועל ידי כך משנה את זווית המשיכה, כאשר צד אחד יטה קדימה והשני אחורה. מבחינה אווירודינמית הכנף כוללת ביצועים דומים לכנף משיכה משתנה סטנדרטית אבל כוללת כנף בעלת מנת-ממדים גדולה. הכנף פותחה לטובת מטוסי נוסעים הטסים במהירויות עבר-קוליות ועל-קוליות, אבל פרט למטוס ניסוי אחד להוכחת והדגמת העיצוב, הכנף לא משכה עניין. התמונה מעלה מציגה את מטוס ה-AD-1 של נאס"א עם כנפיים מסובבות בזווית של 45 מעלות. מטוס ניסיוני זה הוא היחיד עם כנף מתלכסנת. המטוס הוכיח את ישימות העיצוב במהירות נמוכה, אבל הכנף סבלה מבעיות פיתול וקשיחות בכנפיים ומכוחות גזירה עודפים על הציר עליו סובבת הכנף. כמו כן המטוס סבל מיכולת ניהוג ירודה בגלגול כאשר הכנף משוכה בזווית מרבית. חומרים מרוכבים ומתקדמים בשילוב מערכת בקרת טיסה מתקדמת היו צפויים להתגבר על תופעות אלו, אבל בגלל חוסר העניין בעיצוב זה, לא הוקצבו משאבים למחקר מתקדם. זווית הכוונה בכנפיים היא הזווית בין מיתר הכנף לציר האורכי של הכלי הטיס. לרוב מתקינים את הכנפיים בזווית הכוונה מסוימת בשביל להקנות לכנף ולכלי הטיס תכונות הטסה מסוימות כגון זווית אף מסוימת במהלך שיוט. כנף הכוונה משתנה מעלה או מורידה את זווית ההכוונה של הכנף על ידי סיבוב הכנף בשורשה על גבי ציר או הטיית תיבת הכנף כולה. העלאת זווית הכוונה מעלה את זווית ההתקפה של הכנף ללא שינוי המצב האורכי של כלי הטיס (העלאת אף מעלה). בכלי טיס מסוימים שאין להם מספיק מרווח בין גחון המטוס לקרקע בשביל לאפשר העלאת אף לטובת המראה, או הצפה במהלך נחיתה, הכוונה משתנה מאפשרת הגדלת זווית ההתקפה של הכנף ואיתה העילוי, והמראה עם מעט או ללא רוטציה כלל. מטוסים מסוימים שיש להם בעיה של ראות בלתי מספקת בגישה לנחיתה בגלל זווית ההתקפה הגבוהה, זווית הכוונה המשתנה מאפשרת הורדת האף וראות משופרת ללא הורדת זווית ההתקפה. התמונה מעלה מציגה את ה-ווט F-8 קרוסיידר במהלך נחיתה. תיבת הכנף יחד עם שתי הכנפיים שלו נוטות 7 מעלות מעלה ומאפשרות ראות משופרת במהלך נחיתה על גבי נושאות מטוסים, כמו כן זה אפשר התקנת כני נסע קטנים יחסית עם מרווח קטן בין גחון המטוס לקרקע. זהו המטוס הסדרתי היחיד עם מנגנון זה. כנף טלסקופית היא כנף הכוללת מנגנון פתיחה וסגירה טלסקופית - נפתחת ונסגרת לתוך עצמה או לתוך גוף כלי הטיס בשביל לשנות נתונים כגון מוטת כנף, אורך מיתר כנף, שטח כנף, וכדומה, בשביל לשנות את תכונות הכנף בתנאי טיסה שונים. כנף זאת מתאפיינת בקשיחות נמוכה, מורכבות מכנית גבוהה יחסית, ויכולת מוגבלת מאוד לשימוש בכנפיים לנשיאת דלק. מטוס מקונין Mak-10 צרפתי עם כנפיו במצב פרוס. מטוס מקונין Mak-10 עם כנפיו במצב מקופל. תרשים של מטוס NIAI RK-I עם כנף טלסקופית. במצב מקופל כנפי המטוס הן ארבעה משטחים המותקנים בזוגות בטור. עם שטח כנף נמוך יותר המטוס חווה גרר נמוך יותר במהירויות גבוהות יחסית. במצב הנגדי נפרס מבנה דומה לוילון שמכסה את שתי הכנפיים מלמעלה ומלמטה, מגדיל את שטח הכנף, מגדיל את מנת העובי של הכנפיים ומשפרת את הביצועים בטיסה איטית - המראה או נחיתה. כנף נפרסת משתמשת בחומרים ורכיבים גמישים שניתן למתוח אותם באזור שפת ההתקפה או הזרימה כהארכה באזורים אלו ולשנות נתונים כגון שטח כנף, אורך מיתר, מנת-ממדים וכדומה. בגלל ההסתמכות על רכיבים גמישים ומורכבות המכלולים המותחים אותם, המנגנון נחשב ללא בטיחותי יחסית לאמצעים אחרים כגון מדפי שפת התקפה או מדפי שפת זרימה, ולכן כנף נפרשת מעולם לא הותקנה במטוס סדרתי. תרשים מטוס Schmeidler SN.2 המציג את מנגנון פריסת הכנף שבה שפת הזרימה של הכנף נמשכת אחורה ועל ידי כך מאריכה את מיתר הכנף ומגדילה את שטחה. מטוס Schmeidler SN.2 עם מנגנון פריסת כנפיים במצב פרוס, שפת הזרימה משוכה אחורה. בשיוט המנגנון מתקפל ושפת הזרימה של הכנף היא קצרה בצורה משמעותית. ערך מורחב – כנף מתקפלת קיפול של כנף במהלך חניה על הקרקע הוא פתרון נפוץ בכלי טיס המיועדים לשימוש על גבי נושאות מטוסים, שכן קיפול הכנף חוסכת במקום אחסנה לכלי הטיס. ה-XB-70 ולקירי הוא כלי הטיס היחיד שהשתמש ביכולת הטיה של חלקה החיצוני של הכנף כלפי מטה במהלך טיסה. במהירויות על קוליות גבוהות קיפול הכנף מטה הייתה לוכדת את גלי ההלם הנוצרים באף המטוס, ואלה היו מגדילים את העילוי של הכנפיים. בנוסף הורדת הכנפיים הקטינה את שטח הכנף, מה שהקטין את תזוזת מרכז העילוי אחורנית בשיוט על-קולי, מה ששיפר ביצועי שיוט. כמו כן, החלק החיצוני של הכנף שנטה 65 מעלות מטה שימש כמייצב כיוון וכך הגדיל את יציבות כלי הטיס בסבסוב. עם התפתחות טכנולוגיות כמו חומרים חכמים החלו להעלות קונספטים כגון כנף התמרת צורה (Morphing Wing), המסוגלת לשנות את צורתה ותכונותיה האווירודינמיות על ידי שינוי גאומטרי במרכיבים המבניים שלהם. כנף זאת מסוגלת להשתנות למספר רב של צורות, ועל ידי כך להתאים את עצמה לתנאים ולדרישות ביצועים מרובות. בתלות בטכנולוגיה בשימוש שינוי הגאומטרי של המרכיבים המבניים מבוצע אקטיבית – על ידי הפעלה או גירוי של החומרים בצורה יזומה, או פסיבית – כאשר תכונות החומר החכם מגיבים לתנאי הטיסה הקיימים (לחץ אוויר דינמי, זווית התקפה וכדומה) ומשנים את הצורה של הכנף. אף על פי שאין נכון לעכשיו כלי טיס סדרתיים העושים שימוש בהתמרת צורה מספר טכנולוגיות נמצאות בתהליכי פיתוח וניסוי. כנף משוכה כנף ישרה כנף דלתא כנף מעופפת מדיה וקבצים בנושא כנף בעלת גאומטריה משתנה בוויקישיתוף Introduction to the aerodynamics of flight Quest for Performance: The Evolution of Modern Aircraft NASA, NASA’S CONTRIBUTIONS TO AERONAUTICS, Volume 1., National Aeronautics and Space Administration, 2010, עמ' 57-58