כנף (תעופה)

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

תצורת כנף

כנפיים הן אחד הגורמים המרכזיים בביצועי כלי טיס וביציבות כלי טיס. שיקולים הנדסיים כגון כמות כנפיים, אזור התקנה, גובה בגוף, הטיה וזווית משיכה משפיעים משמעותית על מעטפת הטיסה האפשרית לכלי הטיס.

כנף ישרה

מרובי כנפיים 

בשנים המוקדמות של התעופה המנועים הקנו ביצועים מאוד צנועים ולכן דרשו עיצוב בעל עומס כנף נמוך מה שדורש הגדלת שטח הכנפיים, בניית כנף ארוכה במיוחד הייתה דורשת חיזוק משמעותי ועם החומרים שהיו זמינים – בעיקר עץ ובד – זה היה הופך את הכנפיים למורכבות וכבדות מדי. במקום זאת הפתרון שהועדף הוא התקנת מספר כנפיים, אחת מעל לשנייה עם מבנה תומך של סמוכות וכבלים.

תצורת הכנפיים שהועדפה לרוב בתקופה זאת הייתה דו־כנפית, מספר מטוסי קרב תלת־כנפיים יוצרו במהלך מלחמת העולם הראשונה, אבל אף מטוס עם מספר כנפיים גדול מזה לא עבר את שלבי הניסוי.

חד כנפיים 
עם התקדמות הטכנולוגיה, שיפור בביצועי המנועים ופיתוח סגסוגות פח קלות של פלדה ואלומיניום, חסרונות המטוסים הדו־כנפיים עלו על יתרונותיהם. שני משטחי כנף יוצרים גרר גבוה 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 זרימה דחיסה, כלומר דחיית המאך הקריטי, ועל ידי כך הגדלתו בכלי הטיס קרוב יותר למהירות הקול. 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 גבוהים יחסית.

כנף דלתא 

כנף דלתא מצטיינת בפשטות יחסית של מבנה, קיבולת דלק גדולה יחסית ומאפשרת טיסה במהירויות גבוהות משמעותית מעל למהירות הקול. מרבית המטוסים המיועדים לטיסה ממושכת במהירות על־קולית הם בעלי כנף דלתא.

כנף בעלת גאומטריה משתנה 

אחד החסרונות הבולטים של מטוסי כנף משוכה הם הדרישה למהירות נחיתה והמראה גבוהים יותר, מה שדורש מסלולים ארוכים יותר. בשביל לפצות על כך עיצוב הכנף היה צריך לכלול פשרות בשביל לשפר ביצועים בשלבי המראה ונחיתה. כנף בעלת גאומטריה משתנה, ובעיקר כנף משיכה משתנה תוכננו לפצות על הבעיות הללו על ידי שינוי זווית המשיכה במהלך הטיסה, עם זווית מתונה במהירויות נמוכות ולזווית גדולה יותר ויותר עם עליית המהירות ללא ביצוע פשרות מבחינת עיצוב אווירודינמי.

החסרונות העיקריים של עיצוב כנף זה הם תיבת כנף, הכוללת מכלול מכני המסובב את הכנף, גדולה ומורכבת מאוד לייצור ואחזקה, אי יכולת התקנת מכלי דלק בכנף וגידול במורכבות בהתקנת מנשאים על גבי הכנפיים הסובבות. כלומר, כלל מכלול הכנף יהיה כבד, גדול מורכב וידרוש התקנת כל מכלי הדלק בגוף המטוס.

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.

מבנה

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 מכיוון שהמעטה החיצוני הוא זה שעליו נעה זרימת האוויר היוצרת את העילוי והן מכיוון 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 אחוד-למחצה 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. מפני 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. עם תחילת 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. משום שלא משתמשים בפח, במסמרות או ברגים בכנפיים מרוכבות הן לרוב מאוד חלקות ואווירודינמיות, אם כי יותר בעייתיות לתיקון ואחזקה.

גמישות כנף 
אף על פי שגמישות גורמת להתנהגות לא מיטבית של כנף מכיוון 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.

מאזנות – שליטה בגלגול 

גלגול הוא הציר איתו בפועל מבצעים פניות, ולכן המטוס דורש משטח שליטה לציר זה. מכיוון שהנקודה הרחוקה ביותר ממרכז המסה בציר האופקי הוא קצה הכנף, משטח ההיגוי המשמש לניהוג בגלגול מותקן לקראתו ועל גבי שפת הזרימה והוא נקרא מאזנת. על ידי העלאה או הורדת המשטח בזרימת האוויר, המשטח מפעיל מומנט סיבובי על הגוף. בשביל ליצור תגובה רצוייה שתי המאזנות נעות בצורה הפרשית – אחת נגד השנייה, כלומר כשאחת עולה, השנייה יורדת.

במטוסי נוסעים בעלי כנפיים עם יחס ממדים גדול במהירות גבוהה המאזנות בקצוות הכנפיים יפעילו כוח עודף ויפתלו את הכנפיים ברמה לא רצוייה ולכן לרוב במצבים אלה משתמשים במאזנות מהירות גבוה המותקנות בערך באמצע הכנף, לרוב בין משטחי המדפים. לעיתים מחבלים ממלאים תפקיד זה או עוזרים בו, כאשר רק מחבל אחד עולה על גבי הכנף שאמורה לרדת מטה. במטוסי קרב הגאי גובה לעיתים מסייעים בגלגול על ידי תנועה הפרשית שלהם.

מדפים – שיפור עקימון ומיתר 

מדף שפת זרימה – מקטין את מהירות ההזדקרות, מגדיל את העילוי של הכנף במהירות נמוכה ומוסיף גרר ועל ידי כך מונע האצה במהלך הנמכה לקראת נחיתה מאפשר מצב אף נמוך יותר יחסית לקרקע ועל ידי כך מקנה ראות יותר טובה ומאפשר נחיתה במהירות נמוכה יותר. מדפים נוטים ליצור מומנט המוריד את אף המטוס.
מדף שפת התקפה – מדף שפת התקפה מורידה את שפת ההתקפה מטה ואיתה את המיתר של הכנף ועל ידי כך מורידה את זווית ההתקפה של הכנף בצורה מלאכותית. בפועל המשטח מקל על זרימת האוויר להיצמד לכנף בזוויות התקפה גבוהות ועל ידי כך מעלה את זווית ההתקפה הקריטית.
שרוול – מעין התקן שפת התקפה גמיש המתנפח ומאריך את פרופיל הכנף, משמש לשיפור ביצועים במהירות נמוכה.
מדף כנפון – בדומה למדף שפת התקפה מקטין את זווית ההתקפה על ידי הורדת המיתר. המשטח נפרד מפרופיל הכנף ויורד מטה מאפשר לאוויר להיכנס בינו לבין הכנף.

ספוילרים – שליטה על עילוי 

מטוסים מסוימים מתקשים להזדקר לקראת נחיתה, בין אם זה מכיוון שמוסיפים מעט מהירות בשביל הבטיחות, או בגלל יעילות הכנף. במצב זה מוסיפים מחבלים המותקנים על השפה העליונה של הכנף. משטחים אלה "מחבלים" בזרימת האוויר ומקטינים את העילוי הפועל על פרופיל הכנף. משמש בעיקר בנחיתה ובפרט לאחר נגיעה על הקרקע. לעיתים מחבלים מסייעים בניהוג בגלגול.

מעצור אוויר – שליטה על תאוצה 

משטח מעצור אוויר לא אופייני לכנפיים אבל עדיין מופיע על גביהם במספר כלי טיס. בדומה למדפי שפת זרימה, מעצור האוויר יוצר גרר, מונע האצה במהלך הנמכה, ומגדיל את ההאטה לאחר נגיעה בקרקע. אך בניגוד למדפים, הוא לא יוצר עילוי ולא יוצר מומנט השואף לשנות את זווית העלרוד של המטוס. כל התכונות הללו של מעצור האוויר מתבטאות בהגדלת קצב ההנמכה ללא שינוי במצב האף, הקיזוז ומהירות האוויר.

מרכיבי כנף נוספים

אמצעי שיפור זרימת אוויר 

שן מסור או שן כלב – עוצרת זרימה אופקית של האוויר בשפת ההתקפה ומשפרת את הביצועים של הכנף.
שפת התקפה חריצית – פועלת בצורה דומה לשן כלב.
גדר – מאפשרת שליטה מסוימת על זרימת האוויר האופקית על גבי הקימור העליון של הכנף ובשפת ההתקפה.
מערכת בקרת שכבת הגבול – מערכת פניאומטית הדוחפת אוויר ממערכות המנוע, על גבי הכנפיים או משטחי ההיגוי המשניים. זרימת האוויר היוצאת מהמערכת נצמדת בקלות לכנף ועל ידי כך משפרת את ביצועיה בתנאי טיסה גבוליים, שימושית בעיקר במהלך נחיתה שכן היא דורשת ניתוב אוויר מעבודת המנוע לטובת המערכת ועל ידי כך מקטינה את הכוח שהמנוע מפיק.

אמצעי ייצור מערבולות 

Leading-edge root extension או LERX – מעין הארכה לשפת ההתקפה של שורש הכנף. מייצרת מערבולות בזווית התקפה גבוה הנצמדות לכנפיים ומגדילות את העילוי.
מחוללי מערבולות – לעיתים זרימת האוויר בכנפיים מאבדת את האנרגיה שלה, מאטה, מתחילה להיות לא למינרית או ישרה ומתנתקת מהכנף, במצב זה מתקינים מעין משטחים קטנים בצורת משולש או להב שמייצרים מערבולות שלא נצמדות לכנף אבל אלה "מדרבנות" את זרימת האוויר, מוסיפות לה אנרגיה, מאיצות אותה ועוזרות לה להיצמד לכנף.
וורטילון – משטח המתארך משפת ההתקפה ומותקן מתחת לכנף. במהירות נמוכה משטח זה עוצר זרימה אופקית של אוויר בתחתית הכנף ויוצר מערבולות שעולות מעל הכנף ו"מדרבנות" את זרימת האוויר על גביה.
פס הזדקרות – מעין בליטה משולשת בשפת התקפה של הכנף. הפס גורם להזדקרות בצורה ניתנת לחיזוי ומשולבת באזורים בהם מעוניינים בהתנהגות עקבית במהלך הזדקרות.

אמצעי הקטנת גרר 

פנל משלים צורה – בעצם חלק מהמעטה החיצון שנבנה בשביל לאפשר השתלבות חלקה של זרימת האוויר מהכנף אל גוף המטוס, משמש להקטנת הפרעות הנוצרות באזור המפגש בין הגוף לכנף וגורמות לגרר.
פוד מכשירים – מעין תא הכולל מכשירים שהכנף לא יכולה לכלול, משפר את הפרופיל האווירודינמי יחסית למצב בו המכשירים היו מותקנים כמו שהם בזרימת האוויר.
גוף אנטי־שוק – מעין הארכה אורכית לכנף בדרך כלל בשפת הזרימה. גוף זה דוחה את הופעת גלי ההלם על הכנף במהירויות של מעבר מאך ועל ידי כך מקטין את הגרר הגלי.
כנפון קצה־כנף – מעין הארכה לקצה הכנף, המקטינה את מערבולות קצה כנף ועל ידי כך מקטינה את הגרר שחוות הכנפיים.

אמצעים נוגדי התקרחות 

מגף כנף – שרוול כנף מתנפח בצורת בליטות השוברות את הצטברות הקרח ומרחיקות אותן מפרופיל הכנף בעוד הן מועפות על ידי זרימת האוויר. המערכת בדרך כלל משתמשת באוויר ממערכת המיזוג והדיחוס של המטוס.
שפת התקפה מחוממת – מתאפיינת במבנה מפלדת אל חלד בו עובר צינור המנתב אוויר חם ממנועי המטוס. החום של שפת ההתקפה מונע מגבישי הקרח מלהצטבר על שפת ההתקפה.
אלקטרו פולס – משתמש בפולס אלקטרומגנטי מסלילים המותקנים בשפת ההתקפה, אלה שוברים את הגבישים הנושקים לשפת ההתקפה ועקב כך הצטברות הקרח מתנתקת משפת ההתקפה ומועפת על ידי זרימת האוויר.
TKS – מערכת זאת משתמשת במבנה שפת התקפה בעל חריצים מיקרוסקופיים דרכם מוזרם נוזל מיוחד בעל טמפרטורת קפיאה נמוכה מאוד היוצרת שכבת נוזל עלייה הקרח לא יכול להידבק לפרופיל שפת ההתקפה ולהצטבר. עם זאת, המערכת מוגבלת בזמני פעולה בגלל כמות נוזל מוגבלת.

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.

מוטת כנפיים

מוטת כנפיים הוא הרוחב הכולל של הכנפיים, מקצה אל קצה, ולמעשה מודד את הרוחב המקסימלי של כלי הטיס, ומשמש לחישובים של ביצועים בסיסיים כגון עומס כנף, יחס־ממדים, גובה אפקט הקרקע וכדומה.

כך למשל, ל־F-15 מוטת כנפיים של 13 מטר, ואילו לטיל AIM-120 אמראם מוטת כנפונים של 52.5 ס"מ.

ראו גם
 הגה גובה
 הגה כיוון
 מעצור אוויר
 מערכת בקרת טיסה
 תצורת כנף

קישורים חיצוניים

כנפיים באתר נאס"א
 

רכיבי כלי טיס
אווירודינמיקה