כנף בעלת משיכה משתנה

ממוזער|שלושה מטוסי F-111 מדגימים שלושה מצבי כנפיים.
כנף בעלת משיכה משתנה (באנגלית: Variable Sweep Wing או Swing Wing) הוא סוג של כנף גאומטריה משתנה המשתמשת בכנפיים המשנות את זווית המשיכה שלהם יחסית לציר האופקי של כלי הטיס. סוג זה הוא הנפוץ והמפורסם מבין סוגי כנף גאומטריה משתנה ולכן לעיתים משתמשים במושג זה כמקביל למושג כנף משיכה משתנה.

 היסטוריה 

בתקופה המוקדמת של התעופה כנף בעלת משיכה משתנה שימשה במספר מצומצם של כלי טיס כאמצעי לקיזוז אורכי (בציר העלרוד). בשלהי מלחמת העולם השנייה, עם הופעת מטוסי הסילון הראשונים הגרמנים מצאו שבשביל לטוס במהירויות גבוהות יותר היה צורך בהטיית הכנפיים אחורנית, אבל 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.

צי ארצות הברית היה מעוניין מאוד הכנף משיכה משתנה, שכן בתקופה זאת מטוסי הקרב גדלו במשקלם וממדיהם וביצועיהם על גבי סיפון הטיסה 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.

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 – כלי טיס מנוהג באמצעות הכנפיים. 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.

 עידן הזהב 
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.

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 תוכננו לעבור למתקנים ארעיים ללא מסלולים סלולים, בשדות פתוחים או כאלה שמשתמשים באורכי כביש סלול מוגבלים באורך, אבל מטוסי 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.

 הדעיכה 
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.

לקראת שנות ה-80 הדרישות ממטוסי הקרב עברו מביצועי מהירות ותאוצה, לביצועי פנייה בקרבות אוויר. עיצובים אל-יציבים ובמיוחד לאחר הופעת טכנולוגית החמקנות, ירד קרנם של טכנולוגיות כנף גאומטריה משתנה. מאז רק מטוס אחד עם כנף בעלת משיכה משתנה נשאר בייצור והוא הטופולב Tu-160.

 מאפיינים 
עיצוב כנפיים הוא בין הגורמים המרכזיים בביצועי כלי טיס באוויר. עיצובי כנף שונים מקנים ביצועים שונים בתנאי טיסה שונים. כנפיים ישרות הן היעילות ביותר בצורה מבנית ומקנים ביצועים מיטביים במהירות טיסה נמוכות כגון עילוי גבוה, מהירות הזדקרות נמוכה וכדומה. כאשר עולים במהירות כנף ישרה מגבילה את כלי הטיס מבחינת תאוצה וגרר וגורמת לביצועים גרועים במהירויות העבר-קוליות ועל-קוליות.

כנף משיכה משתנה מאפשר, על ידי שינוי בזווית המשיכה לשלוט על נתונים כמו מנת ממדים, אורך מיתר, מוטת כנף ובמידה מסוימת בשטח כנף. כל אלה משפיעים על הגרר והביצועים של כלי הטיס. כנף משיכה משתנה מגשרת בין ביצועי כנף ישרה וכנף משוכה ולהקנות ביצועים טובים ומסגרת ביצועים רחבה ללא הפשרות האופייניות לכנפיים סטנדרטיות.
התרשים מעלה מדגים נתוני יחס עילוי-גרר (L/D) יחסית למאך, ומשווה בנתונים אלו בין מטוס כנף ישרה אופטימלית, מטוס כנף משוכה אופטימלית ומטוס כנף משתנה. ניתן לראות שמטוס כנף משתנה מציג נתונים קרובים לאלו של כנף ישרה במהירות תת-קולית, ביצועים קרובים לאלו של כנף משוכה במהירות על-קולית, ואף מתעלה על שניהם במהירות עבר-קולית.

שינוי זווית המשיכה של הכנף מושג על ידי סיבוב הכנף סביב נקודת ציר. שינוי זווית המשיכה משנות את מיקום מרכז המסה ובמידה יותר גדולה את מיקום מרכז העילוי. שינוי מרכז העילוי יחסית למרכז המסה משנים את תכונות היציבות של כלי הטיס. מרכז|714x714 פיקסלים|לא ממוסגר

האיור מעלה מציג את תנועת מרכז הכובד ומרכז העילוי בתלות בזווית המשיכה בשלושה סוגי מכלולי משיכת כנף. השמאלי ביותר מציג מכלול הכולל ציר בודד וקבוע במרכז כלי הטיס. התרשים המרכזי מציג כלי טיס עם ציר בודד אבל נע אחורה וקדימה בתלות בזווית המשיכה. והתרשים הימני ביותר מציג מכלול הכולל שני צירים קבועים בשורשי כנפיים.

כפי שניתן להתרשם לפי התרשים השמאלי ביותר שהוא תאורטית מכלול שינוי זווית משיכה הפשוט ביותר, תנועת מרכז העילוי אחורנית הוא משמעותי ביותר. עד כדי כך שכלי הטיס הופך ליציב יתר בזוויות משיכה גבוהות. סוג זה של כנף משיכה משתנה דרש פיצוי על תנועה זאת עם שינוי מיקום מייצבי הגובה.

כלי טיס עם ציר בעל תנועה קדימה ואחורה מאפשר הגבלת תנועת מרכז העילוי יחסית למרכז המסה ונחשב למכלול היעיל ביותר מהבחינה הזאת, אך תנועת הציר מייצרת קשיים הנדסיים שכן הציר הנושא במשקל כלי הטיס צריך לנסוע על גבי מסילה שגם היא צריכה להיות מחוזקת.

כלי טיס עם מכלול שני צירים כמוצג בתרשים הימיני מצטיין בתנועה מינימלית של מרכז העילוי במהירויות על קוליות. שורשי הכנפיים בהן מותקנים הצירים לרוב בולטים מחוץ לגוף ומשמשים כחלק קבוע בכנף, ומוסיפים לעילוי. כאמור מרבית כלי הטיס עם כנפיים בעלי משיכה משתנה כוללים את הסוג הזה.

 מאפיינים מבניים ומכניים 

כאמור מרבית כלי הטיס עם כנפיים בעלי משיכה משתנה כוללים שני צירים סביבם סובבות הכנפיים. הצירים הללו הם מעין מסבים כבדים המחברים בין הכנפיים עצמן לשתי לשוניות המתחברות לתיבות הכנף שנוטות להיות מורכבות ומחוזקות שכן כל העומס של הכנף שאמור לשאת את כל משקל המטוס והעומסים עקב תמרונים וכדומה, מתרכזים בהם. הכנפיים מסובבות על ידי מפעילים ליניאריים לרוב, המחוברים בקצה אחד של שורש הכנף בקרבת שפת ההתקפה (קדמת פרופיל הכנף) או הזרימה (באחורי פרופיל הכנף) ומתחברים למרכיב מבני מרכזי בגוף המטוס כגון קורה אורכית מרכזית.

בגלל שהכנף מסתובבת, אם היא מתוכננת לשאת מטען כגון פצצות או מכלי דלק, המנשאים בכנף יתוכננו עם מכלול שיסובב אותם לכיוון הטיסה. לרוב זה בא בצורה של שתי מוטות מקבילים שמתחברים במקביל לגוף המטוס, ועם הסיבוב של הכנף, המוטות שומרים על המצב המקבילי שלהם ומסובבים את הפיילונים על גבי הכנף.

 רשימת מטוסים בעלי כנף משיכה משתנה 
+שםמדינהתפקידשנת טיסת בכורהכמות יחידות שיוצרוהערותבל X-5מטוס ניסוי19512תוכנן על בסיס המסרשמיט P.1101דאסו מיראז' Gמטוס קרב19673ג'נרל דינמיקס F-111מטוס קרב-הפצצה1964563גראמן XF10F יגוארמטוס קרב19521מטוס הניסוי השני לא טס מעולם, בוטל בשלב הניסויגראמן F-14 טומקטמטוס קרב1970712מסרשמיט P.1101מטוס ניסוייוצר ב-19450כלי הטיס היחיד לא היה מושלם ולא הוטס מעולם, מנגנון שינוי זווית המשיכה ניתן היה לתפעול על הקרקע בלבד.מיקויאן גורביץ' מיג-23מטוס קרב19675,047מיקויאן גורביץ' מיג-27מטוס תקיפה19701,075גרסת תקיפה של המיג-23פאנאוויה טורנדו פאנאוויהמטוס קרב רב-משימתי1974992רוקוול B-1 לנסרמפציץ1974104סוחוי Su-22מטוס קרב-הפצצה19662,867סוחוי Su-24מטוס תקיפה19701,400~טופולב Tu-22Mמפציץ1969497טופולב Tu-160מפציץ198136נפתח מחדש פס היצור של המטוס ומייצרים יחידות חדשות, עם מטוס ראשון מסדרת יצור חדשה שיצא מהפס בשנת 2022.ויקרס ווילד גוסמטוס ללא טייס19501שימש לאשרור קונספט ניהוג חדיש - שימוש בשינוי זווית המשיכה של הכנפיים כאמצעי ניהוג ראשי.ויקרס סוואלומפציץ19570הוטס רק בצורת דגם בלתי מאויש בקנה מידה מוקטןוסטלנד-היל פטרודקטיל IVמטוס ניסוי19311זווית משיכה עד 4.5 מעלות אחורה, שימש לקיזוז אורכי

ראו גם
 כנף משוכה
 כנף דלתא
 כנף מעופפת
 כנף ישרה

קישורים חיצוניים
 Quest for Performance: The Evolution of Modern Aircraft מתוך אתר https://history.nasa.gov

הערות שוליים

קטגוריה:רכיבי כלי טיס
קטגוריה:אווירודינמיקה
קטגוריה:אווירונאוטיקה