הקברניט
למה למטוסי קרב יש שני זנבות?
ל-F15 יש שניים, ל-F16 יש אחד גדול, ויש מטוסים שאין להם בכלל: איך עובד הזנב, כיצד הוא קשור לחמקנות - ולמה למטוסי נוסעים יש תמיד רק אחד למרות שהצורה הכפולה חוסכת דלק וכסף ומשפרת בטיחות במקרי חירום?
שלום, כאן הקברניט; לא פעם שאלתם אותי (בעיקר באינסטגרם של טור הקברניט) למה ישנם מטוסים עם זנב אחד ואחרים עם שניים, למה חלק מהזנבות אנכיים וחלק נוטים הצידה, ולמה למטוסי נוסעים אין זנבות כפולים כמו למטוסי קרב. אלו שאלות טובות, שראויות לתשובות טובות; הדקו את החגורות - אנו ממריאים לסיור בממלכת עיצוב המטוסים.
לטורי "הקברניט" הקודמים:
נתחיל עם קצת הגדרות: כשאומרים זנב מתכוונים בדרך כלל לסנפיר האנכי, אבל זנב הוא בעצם כל מכלול ההיגוי שבאחורי המטוס ולרוב כולל הגה כיוון (האנכי) והגאי גובה (הכנפיים הקטנות מצדדיו).
הזנב מאפשר לבצע תמרון: הגאי הגובה משנים את הזווית שלהם ביחס לכנפיים וכך מייצרים זרימת אוויר שגורמת לכלי להרים או להוריד את האף. הגה הכיוון כולל משטח שנע לצדדים כמו הגה של אוניה, מטה זרימת אוויר ומסובב את החרטום ימינה או שמאלה.
אגב, כל הסנפירים והמייצבים הללו יכולים להיות גם במיקומים אחרים לגמרי: אצל הלביא הישראלי, זכר מטוס לברכה, ישנם סנפירים מקדימה שמתפקדים כהגאי גובה. ואצל הקוזי 6, הוולוסיטי XL ומטוסים קלים נוספים נמצא הגה הכיוון בקצה הכנפיים.
ואם כבר נגענו בעיצובים יצירתיים - היכן הזנב של המפציץ החמקן B2? על רצפת חדר העריכה; מדובר בכנף מעופפת חמקנית, אצלה אין צורך בסנפירים; הכנפיים עצמן כוללות משטחים שנעים מעלה ומטה כדי לשנות גובה, ויוצרים גרר כל פעם בצד אחר כדי לאפשר סיבוב.
לצד התמרון, יש לזנב תפקיד חשוב לא פחות: ייצוב המטוס. כן, כשנעים קדימה בשמיים עוברים מערבולות ושינויי לחץ, זרמי אוויר ועוד גורמים שמזיזים את המטוס לצדדים. כל סנפירי ומשטחי הזנב מאפשרים לצמצם את השפעת התנועה הזאת מעצם עיצובם.
בעתיד אקדיש טור מיוחד לעיצובי זנבות, בו אציג לכם את כל הסוגים ואסביר מה מספק כל אחד; בינתיים, נמשיך בדרכנו ונגיע אל הסנפיר האנכי המפורסם של מטוסי הקרב: למה טובים השניים מן האחד?
הסיבה הראשונה היא משקל; ככל שהמטוס רחב יותר, כך יזדקק לסנפיר אנכי שמפעיל יותר התנגדות, כדי לאפשר פנייה על הציר האופקי - ולשם כך, עליו להיות גדול וכרישי. ואולם, האוויר לא פראייר ומפעיל על הזנב התנגדות בהתאם. ולכן, סנפיר זנב בודד יזדקק לבסיס עבה, ולקורות וחיזוקים בתוכו כדי שלא יישבר בעת תמרונים חריפים.
העניין הזה מתנגש חזיתית בעובדה שמטוסי קרב צריכים להיות קלים ומעצביהם וחוסכים במשקל בכל מקום אפשרי; עובי מעטפת הגוף, למשל, הוא בערך כשל שני שקלים זה על זה.
כשמפצלים את הזנב לשניים, אפשר להקטין את הסנפירים האנכיים (ועדיין לאפשר פנייה אפקטיבית), ובהתאם גם להקטין את הבסיס והתמוכות שלהם. מה קיבלנו? דיאטת רצח למטוס. צמצום המשקל יאפשר למנוע להתאמץ פחות וכך לחסוך בדלק, להאריך זמן משימה ועוד. ולכן, זנב כפול מאפשר טיסה יעילה יותר.
הסיבה השנייה היא גילוי; זנב כפול מצמצם את חתימת המכ"מ של המטוס. הרי מכ"מים קולטים רק עצמים בזווית הסריקה שלהם ולכן, מהצד יראו רק זנב אחד ומהחזית אמנם יקלטו שני זנבות, אך בעלי שטח פנים קטן. בנוסף, כשהזנב כפול, אפשר להעמיד אותו בשיפוע - כדי שאם יפגעו גלי מכ"מ בסנפיר, הם לא יוחזרו לאנטנה ששלחה אותם אלא לכיוון אחר.
לכן לא תמצאו מטוס חמקן ללא זנב כפול ומשופע (כל עוד יש לו זנב, כמובן). כל הרעיון בחמקנים הוא להשתמש בחומרים שבולעים חלק מהקרינה של המכ"מ, ולהחזיר אותה לכיוון שונה מזה שממנו הגיעה. הטיית האותות מקשה על הסנסור להבין שמצא מטוס - או ליתר דיוק, לקבל מיקום מדויק שלו ברמה שמאפשרת הנחיית חימוש או מעקב מסודר.
הסיבה השלישית היא יתירות: הזנב נמצא מאחור, היכן שבדרך כלל יפגעו טילים של האויב. כשמפצלים את הזנב לשניים, מעלים את הסיכוי שסנפיר אחד ישרוד פגיעה, יאפשר להמשיך ולצלוע לבסיס לנחיתה - ולא יחייב נטישה. בנוסף, זנב כפול מאפשר שימוש בהאנגרים נמוכים יותר ומקל קצת על צוותי קרקע.
עד כאן מצאנו רק יתרונות לתצורת הזנב הזאת, על אף שהיא יותר מסובכת מכנית - הרי תשתית הסרנים צריכה לעבור דרך שני סנפירים במקום אחד. איך מחליטים איזה מטוס צריך זנב כפול?
רוחב הגוף הוא פקטור מרכזי; גם כי לא בכל מטוס יש מקום לשני סנפירים, וגם כי לא כל אחד צריך. כאמור, גוף צר לא צריך סנפיר גדול כדי להשפיע, ולכן המיג 21 הדקיק מסתדר יופי עם זנב בודד. לעומתו, נכדו המיג 29 רחב פי שניים ולכן קיבל דאבל.
רוחב הגוף וצורת הזנב משליכים גם על אפקטיביות השליטה במקרי חירום כמו הזדקרות - מצב בו הכנפיים לא מייצרות עילוי כשלא עובר סביבן מספיק אוויר. הרי מה שמאפשר לנו לטוס הוא מעבר אוויר בלחץ גבוה מתחת לכנף, וזה מצריך תנועה מהירה ורציפה קדימה.
אם טסנו לאט מדי, אם הרמנו את האף בצורה שהכנף אנכית לכיוון התנועה, לא יהיה עילוי ואנחנו ניפול. ונפילה כזו מתבצעת לעיתים קרובות תוך סחרור, שמסבך את העניינים אף יותר.
המצב הנפוץ ביותר של הזדקרות הוא כשהאף נמצא מעל לאופק. אם הוא מספיק גבוה, הוא בעצם מפריע לזרימת אוויר אל הזנב ונוצר מצב שנקרא צל אווירודינמי. זה מסוכן מאוד משום שהזנב קריטי ליציאה מסחרור; הוא שיוצר התנגדות לתנועה הסיבובית, ומאפשר לתפוס שליטה על האווירון לפני שהמצב מסתבך.
אם גוף המטוס צר, כמו למשל במיג 21, הצל האווירודינמי קטן והזנב יכול לדחוק מספיק אוויר כדי להניע את הכלי לצדדים. זהו מטוס שלא צריך יותר מסנפיר בודד.
אבל מה קורה במטוסים בעלי גוף רחב יותר, כמו למשל F15 או סוחוי 30? במצב כזה, יש צל אווירודינמי גדול בהרבה, וזנב אחד פשוט לא יהיה אפקטיבי. לכן מפצלים את הזנב לשניים: כדי שבכל מקרה בו ישנה הזדקרות וסכנה שהמטוס יפול ויסתובב, יהיה לפחות זנב אחד קרוב לדופן הגוף - כזה שיוכל להשפיע בשלב מוקדם יותר.
והזמן משחק פה תפקיד מאוד חשוב: מצב החירום יכול לקרות בגובה נמוך או בעת חמיקה מאש אויב. אנו חיים בעידן בו ישנם טילי נ"מ שחורכים את השמיים ב-8,000 קמ"ש וכל פיפס שמפריע לך לחמוק הוא קטלני.
אז ראינו שלזנב כפול ומפוצל יש שורה ארוכה של יתרונות. וכולם נראים ממש תפורים על מטוסי נוסעים סטנדרטיים: גם יציבות במקרי חירום, גם טיסה יעילה יותר שתאפשר חיסכון בדלק והוזלת כרטיסים, גם הקלה על צוותי הקרקע - מדוע לא לתת לכל בואינג ואיירבוס זנב מפוצל?
הסיבה היא שכל היתרונות שהצגתי קשורים לטיסה קרבית, בעוד למטוס הנוסעים פרופיל טיסה שונה בתכלית: הם תוכננו להיות הכי יציבים שאפשר ובכל מצב אפשרי. התמרון הכי נפוץ שיעשו הוא פנייה מעל לשדה, שצריכה גם כך להיות כמה שפחות חדה כי רוב הנוסעים מעדיפים טיסה משעממת ונינוחה. ולכן, הסיכוי שמטוס שלוקח אתכם לחו"ל יזדקר ויסתחרר הוא גם כך נמוך מאוד. ובמקרה כזה, סנפיר אנכי גדול אחד יעשה את העבודה.
מטוסי נוסעים בנויים בצורה שממש כל רכיב בהם שומר על הנוחות והבטיחות שלכם: יש להם מחשבי טיסה שלא מפסיקים למדוד, לנתח ולנטר כל תנועה שלהם, כדי לנסות לזהות מראש דפוס שעלול להוביל להזדקרות ולעצור אותו בזמן.
הנדסית, אין היגיון בלתכנן את גוף המטוס עם זנב כפול שאולי יספק יתרון במקרי חירום, כשהתוכנה של האווירון דואגת שכלל לא יגיע אליהם.
ומה על יעילות הטיסה? ובכן, חיסכון בדלק הוא הפרטר הכי חשוב לחברות התעופה, משום שזו ההוצאה הכי גדולה שלהן. ולכן, עוצב גופם של מטוסי הנוסעים כך שיצמצם התנגדות אוויר, וכך גם הכנפיים וכמובן הזנב. מהנדסים בחברות כבואינג, איירבוס, אמבראר וקומאק יצרו איזון נהדר בין גוף דמוי סיגר שמכיל מקסימום נוסעים, כנף שמייצרת מקסימום עילוי ומינימום גרר, וזנב שמאפשר לכל הקונסטרוקציה לטוס ביציבות של מכבש.
יכול להיות שישנו עיצוב זנב כפול שיהיה אפקטיבי יותר במקרי חירום, אך סביר להניח שיבוא על חשבון תוספת התנגדות אוויר או משקל. אלו שני דברים שמעמיסים על המנוע, שכידוע משלם בדלק - והעלות תתגלגל לכרטיסים שלנו.
בשורה התחתונה, מה שיעיל עבור F15 של 30 טון לא תופס לגבי בואינג של 300 טון. יתכן שבעתיד ישתנו מטוסי הנוסעים וייראו אחרת, יקבלו שני זנבות או יותר, אולי אף יהפכו לכנפיים מעופפות וישאירו את הזנב מאחור - אך זה לא יקרה לפני שנתקדם קצת בתחומי טכנולוגיות ההנעה והחומרים. בינתיים, מסתדרים מטוסי הנוסעים שלנו עם סנפיר אנכי אחד כדי לשייט בבטחה, ביציבות ואפילו בזול. טיסה נעימה!
29 תגובות לכתיבת תגובה