כנף משוכה

כנף משוכה (באנגלית: "Swept Wing") היא תצורת כנף הנמשכת בזווית משורש הכנף יחסית לציר הרוחבי של כלי הטיס, זאת בניגוד לכנף ישרה המותקנת במקביל או לאורך הציר הרוחבי. זווית משיכת הכנף היא הזווית בין הציר הרוחבי לבין שפת ההתקפה של הכנף. לרוב המושג חל על כנפיים משוכות לאחור (יחסית לכיוון טיסה), אם כי ישנו סוג של כנפיים המשוך קדימה משורשו. כנף משוכה מקנה ביצועים עדיפים (יחסית לכנפיים ישרות) במהירויות אוויר גבוהות ובפרט בטווח העבר־קולי על ידי הטיית זרימת האוויר הגורמת לדחייה של גל ההלם הנורמלי על גבי הכנף ולכן מועדפת במטוסי סילון רבים בהם מטוסי נוסעים, מפציצים, מטוסי קרב וכן הלאה. עם זאת, כנף משוכה מתאפיינת בביצועים ירודים במהירויות נמוכות המתבטאות במהירות הזדקרות גבוהות יחסית הדורשות מהירות גישה ונחיתה גבוהות יחסית. לעיתים בשביל לפצות על כך מתכננים כנפיים עם זווית משיכה לא אחידה לאורכה. פתרון אחר הוא כנף בעלת גאומטריה משתנה שעל ידי סיבוב הכנף בשורשה מסוגלת לשנות את ביצועי הכנף בטווח רחב של מהירויות. בשנים הראשונות לאחר הטיסה הראשונה של האחים רייט רוב כלי הטיס כללו כנפיים מלבניות ללא משיכה כלל ופרופלורים בתצורת מדחף (מותקן באחורי המטוס ודוחף אותו) עם המנוע מאחורי הטייסים. תצורה זאת הייתה פשוטה למדי אבל יצרה מספר לא מבוטל של בעיות יציבות. עם הפרופלור והמנוע באחורי המטוס כלי הטיס התאפיין במרכז כובד אחורי ומרכז עילוי קדמי, כמו כן לא היה ניתן לייצר גוף מוארך עם משטחי ייצוב באחורי המטוס המייצבים אותו תוך כדי טיסה. בשנת 1905 ג'ון ויליאם דון (אנ') הבריטי ייצר מטוס כנף מעופפת דו־כנפי עם כנפיים משוכות שכלל משטחי ייצוב בקצות הכנפיים. מטוס זה נחשב למטוס היציב סטטית הראשון. משיכת הכנפיים אחורה אפשרה להזיז את מרכז העילוי מאחורי מרכז המסה ובכך לייצב את כלי הטיס בציר האורכי. התקנת משטחי הייצוב בקצוות הכנפיים המשוכות אפשר יצירת זרוע ארוכה יחסית המאפשרת למשטחים לייצב את כלי הטיס באופן טבעי במהלך טיסתו באוויר. תצורה זאת הייתה פופולרית במטוסים בעלי פרופלור מדחף. כמו כן היא שימשה במטוסים בעלי פרופלור מסחב (המותקן בקדמת כלי הטיס ומושך אותו) שהיו יותר יציבים סטטית בהם רצו להזיז את מוטת הרוחב העיקרית של הכנף למיקום נוח יותר מבחינה הנדסית, או אם בשלב מאוחר יחסית של התכנון התגלה שכלי הטיס לא יציב מספיק בציר האורכי. בשנת 1935, במהלך ועידת וולטה (ועידה להנדסת אווירונאוטיקה באיטליה), מהנדס האווירונאוטיקה אדולף בוזמן (אנ') הגרמני הציע שימוש בכנפיים משוכות בטיסה על־קולית, באותה פגישה צוין שייתכן שכנף משוכה גם תשפר ביצועים בטווח המהירויות העבר־קולי. אבל באותו הזמן לא היו כלי טיס או מנועים שיכלו להגיע למהירויות אלו ולכן הנושא נשכח. בשנת 1939 התבצעו ניסויים במנהרות רוח בכנף ישרה וכנף משוכה ב־45 מעלות במהירויות של מאך 0.7 ו־0.9. הניסויים אוששו את השיפור בביצועים בתנאים אלה ולכן המחקר הורחב בשנת 1940 למהירויות של עד מאך 1.21. עם הצלחה בייצור מנועי סילון במהלך מלחמת העולם השנייה החלו לאט לאט לשלב כנפיים משוכות במטוסים הסילוניים הגרמנים (אם כי הכנפיים של המסרשמיט Me-292 היו משוכות משיקולי יציבות ולא מהירות) דוגמת המפציצים בלום ווס P 215, פוקה־וולף Ta 183 ודומים להם. בתום המלחמה באירופה ברית המועצות וארצות הברית (במבצע מהדק נייר) החלו במרוץ אחר מחקר, מדענים ומהנדסים גרמנים בניסיון להקדים זו את זו, והידע לגבי כנפיים משוכות בעיקר הגיע לידי שני הצדדים. אף על פי שהאמריקאים הכירו ואף אוששו את המחקר הגרמני, מטוס ה־X-1 ששבר לראשונה את מהירות הקול כלל כנפיים ישרות, בעוד מקבילו הבריטי שגם כלל כנפיים ישרות בוטל עקב המחקר הגרמני. ערך מורחב – כנף (תעופה) ערך מורחב – עבר-קולי בטיסה במהירויות גבוהות, ולקראת הטווח העבר קולי של מהירויות האוויר, זרימת האוויר על גבי הכנף, במיוחד באזורי לחץ נמוך, מאיצה בצורה משמעותית, עד כדי כך שהאוויר זורם במהירות הקול, זרימה זאת נקראת זרימה דחיסה והיא יוצרת גל הלם הנמשך על גבי הכנף ויוצרת גרר גלי גבוה מאוד. מהירות הסף בה מתחילות להופיע תופעות זרימה דחיסה נקראת מאך קריטי. בכנף ישרה מאך קריטי האופייני הוא לרוב בסביבות מאך 0.75. הדרך העיקרית להגדלת המאך הקריטי היא הקטנת מנת העובי של הכנף (היחס בין אורך מיתר הכנף ורוחבה) כאשר הדרך היחידה לעשות כן בכנף ישרה היא להאריך את מיתר הכנף או להצר את עובי הכנף כאשר יש סף מסוים בו הכנף דקה מכדי לשאת את משקל כלי הטיס. כנף משוכה מייצרת פרופיל מוארך החשוף לזרימת האוויר ועל ידי כך מגדילה בצורה מלאכותית את המיתר של הכנף ודוחה היווצרות של זרימה דחיסה. ניתן לחשב את המאך הקריטי בתלות בזווית המשיכה על ידי הנוסחה הבאה: M c r , Λ M c r , Λ = 0 = 1 cos ⁡ Λ {\displaystyle {M_{cr,\Lambda } \over M_{cr,\Lambda =0}}={1 \over \cos \Lambda }} כאשר: Λ {\displaystyle \Lambda } – זווית המשיכה של הכנף. M c r , Λ {\displaystyle M_{cr,\Lambda }} – מספר מאך קריטי בזווית המשיכה הנוכחית. M c r , Λ = 0 {\displaystyle M_{cr,\Lambda =0}} – מאך קריטי בזווית משיכה של 0°. ניתן להציג את הנוסחה גם בצורה הבאה: M c r , Λ = M c r , Λ = 0 cos ⁡ Λ {\displaystyle {M_{cr,\Lambda }}={M_{cr,\Lambda =0} \over \cos \Lambda }} אם ניקח את הדוגמה של M c r , Λ = 0 = 0.7 {\displaystyle M_{cr,\Lambda =0}=0.7} ו־ Λ = 30 ∘ {\displaystyle \Lambda =30^{\circ }} אז ניתן לחשב כי: M c r , Λ = 0.7 cos ⁡ 30 = 0.7 0.866 = 0.808 {\displaystyle M_{cr,\Lambda }={0.7 \over \cos 30}={0.7 \over 0.866}=0.808} המתמטיקה מציגה גורם נוסף — מספר המאך הקריטי מתנהג בצורה זהה בין אם זווית המשיכה היא חיובית או שלילית. כלומר, אין הבדל אם המשיכה היא קדימה או אחורה. במהירות על־קולית הזרימה הדחיסה נדחפת לפני שפת הכנף. גל ההלם יוצר אזור של לחץ נמוך אחריו שלא תורם לעילוי וגורם לגרר גבוה. בשל כך בשביל ביצועים מיטביים הכנפיים צריכים להיכנס לתוך חרוט גל ההלם שזוויתו נהיית יותר ויותר חדה ככל שעולים במהירות ודורשת זווית משיכה גבוה יותר. במאך 1.3 זווית המשיכה הדרושה תהיה 45 מעלות לערך, כאשר במהירות של מאך 2 זווית המשיכה הדרושה תהיה כ־60 מעלות. התמונה למעלה מציגה את התנהגות גלי ההלם בדגם מטוס כנף ישרה במהירות של מאך 1.2. גל ההלם הנורמלי לפני הכנף נדחף קדימה ונושק לשפת ההתקפה של הכנף ולכן גורם לגרר מוגבר. בנוסף ההפרעות ואזור הלחץ הנמוך לפני הכנף יכולים לגרום לפרפור על גבי כנפיים בעלות מנת ממדים גדולה. התמונה למעלה מציגה התנהגות גלי הלם בדגם מטוס בעל כנף משוכה במהירות של מאך 1.2. שפת ההתקפה של הכנף לא מתערבת בהתנהגות גל ההלם ועל ידי זה מקטין את גרר הגלים ומשפר את ההתנהגות כלי הטיס במהירויות אלו. כנף משוכה מתאפיינת בהארכה של מוטות הרוחב יחסית לכנף ישרה בעלת אותה מוטת כנף אך גם צלעות כנף ארוכות יותר, מה שמגדיל משקל אבל גם מתאפיין בקשיחות נמוכה יותר. קשיחות נמוכה יחסית גורמת לפיתול הכנף לאורכה במהלך טיסה ושינוי התנאים (תמרון, מערבולות וכדומה) גורמת לשינוי זווית ההתקפה המקטינות את יעילות הכנפיים, במיוחד בקצוות. בשביל למנוע את הפיתול נדרשת הקשחה משמעותית שתגדיל את משקל הכנפיים בצורה משמעותית ולכן מעדיפים לתכנן כנפיים המיועדות להתפתל ולהתאים אותם לתופעת הפיתול על ידי זווית הכוונה. ערך מורחב – תצורת כנף כנף משוכה לאחור היא הכנף האופיינית למטוסי הסילון ובמיוחד מטוסי הנוסעים הסילוניים. כאמור, כנף כזו מתאפיינת במוטות רוחב ארוכות וקשיחות נמוכה יותר אבל לרוב מאפשרת ייצור כנף בעלת מנת־ממדים גדולה המקנה ביצועים מיטביים במהירויות תת־קוליות גבוהות וגם יחס גלישה (יחס קצב הנמכה לתנועה קדימה ללא מנועים) טוב. עם זאת כנף משוכה אחורה מתאפיינת בזרימת אוויר לרוחבה הזורמת יחד עם המשיכה ועל ידי כך מגדילה את מערבולת קצה הכנף ובכך מגדילה את הגרר הכללי. כמו כן היא מתאפיינת בהזדקרות שמתחילה בקצות הכנף, מה שגורם לחוסר יכולת לניהוג בגלגול מפני שזרימת האוויר נפרדת ולא מושפעת ממשטחי המאזנת המותקנים בקרבת קצה הכנף. כנף משוכה עם מנת־ממדים גדולה מאפיינת מטוסי סילון אזרחיים וכן מפציצים סילוניים תת־קוליים. כנף משוכה עם מנת־ממדים קטנה מאפיינת מטוסי־קרב ומפציצים על קוליים. כנף סהרית היא כנף בעלת שתי דרגות משיכה, כאשר לקראת קצוות הכנפיים המשיכה מתמתנת, זאת כדי לשפר את ביצועי הכנף במהירות נמוכה — מקטין את מהירות ההזדקרות של קצוות הכנפיים. כנף זאת מהווה פשרה מבחינת ביצועי הגרר והעילוי של הכנף במהירויות עבר־קוליות. כנף זאת שימשה מספר מצומצם של מטוסי סילון כבדים מוקדמים, שכן אמצעים הנדסיים ותפעוליים שונים שיפרו את ביצועי הכנף או אפשרו מהירויות גישה לנחיתה גבוהות יותר. ערך מורחב – כנף דלתא כנף דלתא מתאפיינת בשפת התקפה בעלת זווית משיכה גבוהה, כאשר זווית המשיכה של שפת הזרימה היא הרבה יותר מתונה ויחדיו הן יוצרות צורה של משולש. שורש כנף וצלעות כנף זו נוטים להיות ארוכים מאוד, מוטות הרוחב נוטות להיות קצרות יחסית אבל גם מרובות יותר מכנף רגילה. הכנף נוטה להיות קשיחה, בעלת מנת־ממדים קטנה. כנפיים כאלה הן פשוטות יותר לייצור, ויכולות לשאת הרבה דלק יחסית לסוגי כנפיים אחרים ולכן מאפשר ייצור כנף דקה יחסית מה שמשפר את נתון המאך הקריטי. עם זאת הכנף מתאפיינת בביצועי מהירות נמוכה ויחס גלישה גרועים ולכן מאפיינת מטוסים על־קוליים בלבד. כאמור, משיכה קדימה משפרת את נתון המאך הקריטי של הכנף בדיוק כמו משיכה אחורה. אבל בניגוד לה במשיכה קדימה זרימת האוויר לרוחב הכנף נוטה לכיוון השורש, מה שמקטין את הגרר מפני שזה מקטין מערבולות כנף. כמו כן בניגוד לכנף משוכה אחורה כנף משוכה קדימה מזדקרת בשורש הכנף. לכן גם אם נכנסים למצב של הזדקרות, ישנה עדיין יכולת משמעותית לניהוג בגלגול, מה שלא אפשרי לרוב בכנף משוכה אחורה המזדקרת בקצה הכנף ובשל כך המאזנות מאבדות את יכולתם לנהג. הכנף גם מתאפיינת לרוב בנתון זווית התקפה קריטית גבוה יחסית ולכן מאפשר תאורטית יכולת תמרון גבוהה מאוד. עם זאת, בזווית התקפה גבוהה זרימת האוויר מעקמת את קצה הכנף מעלה, מה שמעלה את זווית ההתקפה של הכנף, מה שיוצר משוב חיובי המחמיר את המצב ולכן כנף זו לא הועדפה על כנף משוכה אחורה. אם כי שיטות ייצור וחומרים מרוכבים מתקדמים מסוגלים להתמודד עם תופעה זו. עדיין, כנף זו לא נכנסה לשימוש וקיים מטוס אחד בלבד המיועד להשתמש בה באופן סדרתי. כנף משיכה משולבת היא ניסיון להתגבר על תופעת פיתול הכנף. בשורש הכנף היא משוכה לכיוון אחד ואז באמצע הכנף זווית המשיכה מתחלפת. ישנן שתי תצורות אפשריות: כנף M – כנף משוכה קדימה בשורשה; וכנף W – כנף המשוכה אחורה בשורשה. שני סוגי הכנף הוצעו בגרמניה לקראת סוף מלחמת העולם השנייה, אבל מעט מאוד מחקר הושקע בהם והחסרונות והסיבוכים ההנדסיים שהם כללו האפילו על היתרונות. ערך מורחב – כנף בעלת גאומטריה משתנה כנף משיכה משתנה היא סוג כנף גאומטרייה משתנה הנפוץ ביותר וכוללת כנף הסובבת בשורשה בשביל לשנות את זווית המשיכה של הכנף ואת מנת הממדים שלה ומאפשרים ביצועים טובים בכל שלבי הטיסה ומשפרים את פרופיל הגרר של המטוס בכל מעטפת הטיסה. הכנף מתאפיינת במנגנון סיבוב כנף ומשטחי היגוי מורכבים הדורשים אחזקה רבה. אם יש מנשאים המותקנים על הכנפיים, גם הם צריכים מנגנון סיבוב בשביל ליישר אותם לזרימת האוויר. בגלל כל אלה יש יכולת מוגבלת לנשיאת דלק בכנפיים אלו ולכן מטוסים בעלי כנף משיכה משתנה נוטים להיות בעלי גוף רחב או ארוך יחסית בשביל לאפשר התקנה של מכל דלק פנימי מוגדל. כנף ישרה כונס אוויר Quest for Performance: The Evolution of Modern Aircraft, Part II: THE JET AGE, Chapter 10: Technology of the Jet Airplane, באתר נאס"א. Research in Supersonic Flight and the Breaking of the Sound Barrier, by John D. Anderson, Jr, באתר נאס"א. מדיה וקבצים בנושא כנף משוכה בוויקישיתוף