גרר גלים

באווירונאוטיקה, גרר גלים הוא רכיב של גרר אווירודינמי על גבי כנפיו וגופו של כלי טיס, קצוות להבי מדחף, וקליעים או טילים הנעים במהירות על-קולית או עבר-קולית, בעקבות נוכחותם של גלי הלם. גרר גלים בלתי תלוי בתופעות צמיגיות, ונוטה לבוא לידי ביטוי כעליה משמעותית ופתאומית של כוח גרר בזמן שהעצם הנע מעלה את מהירותו עד למספר מאך קריטי. העלייה הגבוהה והפתאומית הם אלו המובילים לעיקרון של מחסום הקול. גרר גלים בא לידי ביטוי כחלק מגרר לחץ עקב אפקטים של דחיסות. הוא נגרם בעקבות התצורה של גל ההלם מסביב לגוף. גלי הלם מייצרים כמות משמעותית של גרר, שיכול להסתכם לכוח גרר גדול מאוד על הגוף. אף על פי שגלי הלם מתקשרים בדרך-כלל עם זרימה על-קולית, הם יכולים להיווצר גם במהירויות תת-קוליות של כלי טיס, באזורים בגוף כלי הטיס בהם זרימת האוויר המקומית מאיצה למהירויות על קוליות. בדרך-כלל ניתן להבחין באפקט זה בכלי טיס הטסים במהירויות על קוליות (0.8 מאך בקירוב), אך בעצם ניתן להבחין בהפרעה בכל מהירות שהיא מעל מהירות המאך הקריטית של אותו כלי טיס. בשנים שלפני השנה 1947, חשבו שהמנועים של כלי הטיס לא חזקים מספיק על מנת להתגבר על הגרר הגבוה, או שכוחות בעוצמה כזאת יביאו את כלי הטיס למצב של סכנת שבירה במהלך הטיסה. סיבות אלו הובילו להגדרת עיקרון מחסום הקול. בשנת 1947, מחקרים בנושא גרר גלים הובילו לפיתוחם של "צורות מושלמות" המפחיתות את הגרר מהגל במידה הגבוה ביותר המתאפשרת תאורטית. עבור גוף של מטוס, הצורה הסופית שהתקבלה היא גוף סירס האאק, שמציע צורת חתך מושלמת עבור כל נפח פנימי נתון. עבור גופים עם קצה כהה, כמו למשל בטיל, הגיעו לפיתוח צורה הנקראת אוגיב וון-קרמן. שניהם התבססו על צורות ארוכות ומוארכות בעלות קצוות מחודדים, כאשר ההבדל העיקרי ביניהם היה שהאוגיב (קצה מעוגל של אובייקט דו או תל ממדי) מחודד אך ורק בקצה אחד. מספר טכניקות אשר פותחו במהלך ומיד אחרי מלחמת העולם השנייה, הצליחו להפחית משמעותית את סדר הגודל של גרר הגל, ובתחילת 1950, הדגם החדיש ביותר של מטוס הקרב הגיע למהירויות על קוליות בהצלחה. טכניקות אלו יושמו במהירות על ידי מתכנני כלי טיס. פתרון שכיח לבעיית גרר הגלים היה השימוש בכנף משוכה (swept wing - כנף המשוכה בזווית אחורה או קדימה), אותה פיתחו לפני מלחמת העולם השנייה ויישמו על מספר עיצובים של מכונות מלחמה גרמניות. משיכת הכנף גורם לה להיראות דקה יותר וארוכה יותר מכיוון זרימת האוויר, מה שהפך כנף סטנדרטית בצורת טיפה, לצורה הקרובה יותר לאוגיב של וון קרמן, בזמן שמירת על היעילות גם במהירויות נמוכות יותר, בהן עקמומיות ועובי הם פרמטרים חשובים. פתרון הכנף המשוכה לא ניתן ליישום כאשר ישנה אפשרות לבנית כנף מאוד דקה. הפתרון יושם על מספר עיצובים, תחילה עם בל X-1, כלי הטיס המאויש הראשון שטס במהירות הקול. החיסרון בגישה זו היא שהכנף כל כך דקה שלא ניתן להשתמש בה יותר על מנת לאחסן דלק או ציוד נחיתה. כנפיים אלו נפוצות מאוד בטילים, בתחום זה הן בדרך כלל מכונות צלעות. באותו האופן, עיצובו של גוף המטוס השתנה כאשר הוצג לראשונה חוק השטחים של וייטקומב. וייטקומב ביצע ניסויים על צורות שונות של שלדת מטוס עבור גרר על קולי, ולאחר צפייה במצגת שהועברה על ידי אדולף בוסמן ב-1952, הוא הבין שאת עיקרון גוף סירס האאק צריך ליישם על כל כלי הטיס ולא רק גוף המטוס עצמו. כלומר, יש להצר את גוף המטוס בנקודת חיבור הכנפיים, כך שכל שטחי החתך לאורכו של כלי הטיס יתאימו לגוף סירס האאק. יישומים של עיקרון השטח ניתן לראות בגופים מונעי הלם על גופי טיס על קוליים, הכולל גם חלק ממטוסי הסילון. גופים מונעי הלם, שהם תאים דמויי תרמיל הממוקמים בקצה האחורי של הכנף, משמשים לאותה המטרה כמו עיצוב גוף מטוס עם קו מותניים צר בכלי טיס על קוליים אחרים. מספר הצעות לדרכים להורדת גרר הגלים הוצגו לאורך השנים. לדוגמה, צורת חתך כנף סופר קריטית דורמת לעילוי רגיל במהירויות נמוכות יחסית לכלי טיס, אך בעל פרופיל יחסית קרוב לאוגיב של וון קרמן. כל מטוסי הנוסעים האזרחיים המודרניים משתמשים בצורות שונות של צורת חתך כנף סופר קריטית, ומשיגים זרימה על קולית משמעותית על גבי חלקו העליון של הכנף. Clancy, L.J. (1975), Aerodynamics, Section 11.7