משתמש:Lirdon/ביצועי כלי טיס

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

ביצועי כלי טיס בהנדסת אווירונאוטיקה הינם הפרמטרים המתארים את התכונות והתנהגות כלי הטיס בכל מצבי הטיסה. ביצועי כלי טיס מושפעים ממגוון גורמים כגון עיצוב אווירודינמי, משקל, הנעה וכדומה. גורמים אלה חשובים ביותר בעיצוב כלי הטיס והגדרת יכולתיו והמשימות להן הוא מתאים.


עיצוב אווירודינמי[עריכת קוד מקור | עריכה]

כנף[עריכת קוד מקור | עריכה]

ערך מורחב – 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 מתאפיינת בביצועי עילוי, מהירות המראה ונחיתה טובים ופשטות יחסית של מבנה. אם כי התנהגותם בעייתית במהירויות גבוהות, ובעיקר באזור מהירות מאך קריטי.

כנף משוכה מקנה גרר נמוך יחסית, ביצועי מהירות גבוהה טובים ומהירות מאך קריטי גבוהה יותר, יחד עם זאת המטוס מתאפיין במהירות המראה ונחיתה גבוהות יותר, מה שדורש שימוש בהגאי עזר דוגמת מדפי שפת זרימה ושפת התקפה, מערכות עזר דוגמת ה-BLCS, או פשרות בעיצוב הכנף, דוגמת זווית משיכה משתנה לאור הכנף וכדומה.

תרשים המציג את היחסים של עילוי לגרר (L/D), מקדם הגרר (Cd) מקדם העילוי (Cl) של כנף לזווית התקפה.

רוטור[עריכת קוד מקור | עריכה]

במסוקים, הרוטור הוא הרכיב המרכזי המייצר את העילוי ומשפיע בצורה משמעותית על הביצועים שלו. בדומה לכנף סוג הרוטור, אופן ההתקנה וכדומה משפעים בצורה משמעותית על ביצועי המסוק.

נתוני כנף[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • מוטת כנפיים - המרחק בין קצה כנף אחד לשני. משפיע על מספר גורמים דוגמת גובה אפקט הקרקע (חצי אורך מוטת הכנפיים), חישוב מנת מימדים וכדומה.
  • מוטת דיסקה - המרחק הכולל בין הקצוות הקיצוניים של דיסקת הרוטור, מושפע כמות ואופן ההתקנה של הרוטורים.
  • שטח כנף - השטח הכולל של הכנף, משפיע על מספר גורמים וחישובים דוגמת עומס כנף וכדומה.
  • שטח דיסקה - השטח הכולל של הדיסקה של הרוטור או הרוטורים של המסוק. משפיע על מספר גורמים וחישובים דוגמת עומס דיסקה וכדומה.
  • מנת מימדים - היחס בין מיתר הכנף הממוצע למוטת הכנפיים, משפיעה על הרבה ביצועי מטוס דוגמת מהירות מירבית, תאוצה, קצב טיפוס, מקדם גרר וכדומה.
  • מנת עובי - היחס בין אורך מיתר הכנף לרוחב הממוצע של הפרופיל. משפיע על מספר ביצועי מוטוס דוגמת מהירות הזדקרות, מקדם עילוי וגרר וכדומה.
  • מקדם עומס - היחס בין העילוי של הכנף למשקל המטוס. מחושב בשביל להקנות ביצועי טיפוס והמראה טובים יותר.

הנעה[עריכת קוד מקור | עריכה]

ערך מורחב – מנוע סילון

מנוע, יחד עם הכנפיים, הוא בין הגורמים המרכזיים בקביעת ביצועי כלי טיס. היחס בין משקל והגרר של המטוס לדחף המנוע קובעים את מהירויות המירבית. דחף קובע אם כן גם את מהירויות השיוט ומשפיעות בצורה משמעותית על ביצועי הטיפוס והפנייה.

ביצועי מנוע יחד עם התכונות האווירודינמיות של כלי הטיס קובעים את טווח המטוס, מהירות השיוט, מהירות ההמראה, אורך המסלול וכדומה.

כמות מנועים קובעת את הדברים האמורים לעיל פרט לבטיחות, כאשר שני מטוסים נותנים יתירות ויכולת נשיאה טובה יותר יחסית למנוע בודד.

התרשים הבא מציג את היעילות הטרמית של מספר סוגי מנועי סילון:

נתוני יעילות קרנו באחוזים האופיינים למנועי סילון על פי סוג יחסית למהירות האוויר. נ

ניתן לראות שמנועי טורבו-פרופ מצטיינים בביצועים במהירויות נמוכות, במהירויות אלו הוא מקנה את הדחף הגבוהה ביותר יחסית למשקל, ביצועי טיפוס והמראה מיטביים.

אם מסתכלים על המתקף הסגולי בשניות רואים שעם העלייה במהירות המתקף יחסית לטווחי העבודה של המנועים יורד בצורה משמעותית במהירויות על קוליות כמו שמודגם בתרשים הבא:

מתקף סגולי למגוון מנועים סילוניים. כמו שניתן לראות מנועי טורבו-מניפה מקנים מתקף גדול מאוד יחסית, אבל המנוע לא מסוגל להקנות מהירות גבוהה במיוחד.

בגלל הסיבה הזאת לרוב מועדפת טיסה במשטרים תת-קוליים למשימות הדורשות טווח מקסימלי.

נתוני הנעה[עריכת קוד מקור | עריכה]

משקל[עריכת קוד מקור | עריכה]

מרכיבי משקל ההמראה אופייניים למטוסי נוסעים. בערך שליש ממשקל המטוס זה משקל הדלק. בערך רבע זה משקל הנוסעים והמשא ובערך 40 אחוז זה משקל הריק של המטוס.

נתוני משקל[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • עומס כנף - היחס בין שטח הכנף ובין משקלו של כלי הטיס, כמה משקל כל יחידת שטח של הכנף נושאת. משפיע על מהירות המראה ונחיתה, ביצועי פנייה וטיפוס.
  • עומס דיסקה - היחס בין שטח הדיסקה של המסוק למשקלו, כמה משקל כל יחידת שטח של הרוטור נושאת. משפיע על מהירות מירבית, ביצועי הריחוף וקצב טיפוס.
  • משקל ריק - משקל המטוס הכולל רק את מרכיביו, מבנה, מנועים ומערכות, ללא דלק, שמן, צוות או משא/נוסעים. משמש לחישובי משקל ואיזון בסיסיים. משקל ריק יכול להשתנות בין כלי טיס לכלי טיס ובמשך חיי כל מטוס ומטוס, ולכן המשקל הריק נמדד במהלך ביקורות תקופתיות.
  • משקל טעון / משקל המראה מירבי - המשקל המירבי בו המטוס מסוגל להמריא בתנאים סטנדרטיים. משקל זה קובע למעשה את הטווח המירבי של המטוס.
  • משקל הסעה מירבי - משקל מירבי בהתחשבות בדלק הנצרך במהלך התנעה, בדיקות והסעה. מאפשר לצוות האוויר לחשב כמות דלק לפני התנעה ככה שלקראת המראה יהיה להם את מירב הדלק המותר להמראה, מה שיקנה להם טווח מקסימלי.

מהירות, טיפוס וסייג רום[עריכת קוד מקור | עריכה]

תרשים המציג את ההבדל בין מהירות ההזדקרות למהירות המירבית בתלות בגובה. זה אופייני למטוסים תת קוליים כאשר המהירות המירבית מבחינתם היא המאך הקריטי.

נתוני מהירות, טיפוס וסייג רום[עריכת קוד מקור | עריכה]

ערך מורחב – מהירויות-V
  • מהירות מירבית (Vne) - המהירות המירבית המותרת למטוס, מעלייה המטוס מסתכן בנזק או אובדן שליטה קטסרופלי. ההגבלות למהירות מקסימלית באות ממגוון גורמים דוגמת הגבלות העומס אליו מתוכנן מבנה כלי הטיס, ביצועי והגבלות מנוע, יציבות כלי הטיס בטווח מהירויות זה וכדומה.
  • מהירות עבודה מירבית (Vno) - המהירות המירבית בה המטוס מוגדר לעבודה.
  • קצב טיפוס מירבי יחסית לזמן - מהירות קצב טיפוס מרבי (Vy) - מהירות זאת מקנה טיפוס מרבי יחסית לזמן, נשלט על ידי זווית האף של המטוס בגלל שבזמן זה המצערת תהיה תמיד בכוח מלא. בא לידי שימוש בטיפוס רגיל בכוח מלא, בדרך כלל לאחר המראה.
  • קצב טיפוס מירבי יחסית למרחק - מהירות זווית טיפוס מרבית (Vx) - מהירות זאת מקנה טיפוס מרבי יחסית למרחק, נשלט על ידי זווית האף של המטוס בגלל שבזמן זה המצערת תהיה תמיד בכוח מלא. בא לידי שימוש במקרה ויש מכשול שצריך לעבור מיד לאחר המראה, לא חל בכל מצב.
  • מאך קריטי - מהירות מאך קריטי היא המהירות בה המטוס מתחיל לחוות תופעות של מעבר מאך. מתאפיין בעלייה חדה בגרר ובעיות שליטה הדורשות פתרונות הנדסיים בשביל להתמודד עמן. מהירות מאך קריטי תלויה רבות בעיצוב הכנף וגוף המטוס.
  • סייג רום - גובה מירבי שהמטוס מסוגל להגיע אליו, לעיתים מושג על ידי תמרון מסויים ולא ניתן להגיע אליו בטיסה רגילה.
  • גובה עבודה מירבי - הגובה המירבי אליו המטוס מסוגל להגיע במהלך טיפוס סטנדרטי. לרוב גובה זה נקבע בגובה בו קצב הטיפוס המירבי יחסית לזמן ולמרחק שווים.

ביצועי שיוט וטווח[עריכת קוד מקור | עריכה]

ערך מורחב – שיוט (תעופה)

שיוט הוא השלב הארוך בטיסה ועל כן הוא גם השלב הכי משמעותי לביצוע המשימה הספציפית של המטוס. בדרך כלל ביצועי המטוס העיקריים הם משך טיסה, מהירות וטווח ופרופילי הטיסה מנסים לאזן בין הביצועים הללו לטובת המשימה. לדוגמה מטוס שאמור לסוב סביב נקודה אחת למשך זמן מירבי יבחר פרופיל טיסה שיקנה לו את משך הטיסה (הסיבולת) המירבית אבל יקריב את הטווח והמהירות; במצב שבו נדרש לטוס למרחק רב יבחר פרופיל שיקנה למטוס את הטווח המירבי אבל יקריב את המהירות ומשך הטיסה המירבי; ובמקרה וישנה דרישה להגיע למטרה במהירות המירבית הפרופיל שיבחר יקריב טווח וסיבולת באוויר לטובת מהירות מירבית.

הגורמים העיקריים המשפיעים על ביצועי שיוט של כלי טיס הם הגרר על כל מרכיביו, משקל, ביצועי המנוע ועתודת הדלק של המטוס.

איזון הכוחות הפועלים על כלי הטיס[עריכת קוד מקור | עריכה]

ישנם ארבע כוחות הפועלים על המטוס בטיסה: עילוי, משקל או כבידה, דחף וגרר בפרופילי השיוט השונים הכוחות הללו נמצאים באיזון: העילוי שווה למשקל ולכן המטוס לא משנה את הגובה שלו, והגרר שווה לדחף ולכן המטוס לא משנה את מהירותו. עם זאת כל תנאי בפרופילי השיוט השונים מקנים ביצועי טווח ומהירות משתנים ומותנים בדרישות המשימה.

גרר וביצועי שיוט[עריכת קוד מקור | עריכה]

ערך מורחב – גרר (כוח)

כוחות הגרר העיקריים הפועלים על המטוס הם הגרר המושרה והגרר הטפילי. הגרר המושרה הוא הגרר הפועל ביצירת עילוי והוא משמעותי במהירויות נמוכות בעוד הגרר הטפילי נוצר בשל זרימת האוויר על גבי גוף כלי הטיס והוא משמעותי ביותר במהירויות גבוהות יותר. בשל התנהגות זאת של סוגי הגרר ישנה מהירות בה כוחות הגרר שווים זה לזה, מהירות זאת היא מהירות הגרר הכולל המזערי כמתואר בתרשים הבא:

בתרשים זה מודגמת עקומת הגרר הכולל שנקודתה הנמוכה ביותר נמצאת במהירות בה שתי העקומות של הגרר הטפילי והמושרה מצתלבות.

אם לא מתייחסים לביצועי המנוע מהירות הגרר המזערי מקנה את ביצועי השיוט המיטביים מכיוון שבמהירות זאת נדרשת השקעת האנרגיה הנמוכה ביותר בשביל לשמור על שיווי הכוחות הפועלים על המטוס.

מנועי כלי טיס כוללים ביצועים ספציפיים לסוג המנוע ולדגם. ביצועים כגון דחף מזערי ומירבי, נצילות דלק וכן יעילות המרה משפיעים בצורה משמעותית על ביצועי השיוט. אם משלבים נתוני מנוע, עם נתוני הגרר והמשקל ניתן להתרשם שישנם פרופילים שונים שמתאימים לדרישות שונות כפי שמתואר בתרשים הבא:

תרשים המדגים שילוב של כוחות הגרר הפועלים על המטוס עם נתון זרימת הדלק למנוע, כאשר המשיק מציין כוח הפעולה של המנוע, והאזור בו זרימת הדלק נושקת לקו הוא אזור הפעולה היעיל ביותר.

בתרשים זה ניתן לראות שנקודת הטווח המקסימלי נמצאת באזור מהירות בו הגרר של המטוס הוא לא הנמוך ביותר, זאת מכיוון שלמרות שהמטוס מבזבז יותר אנרגיה על שמירה על איזון הכוחות, המנוע עובד בצורה יעילה הרבה יותר - מייצר יותר דחף לכל מנת דלק. אזור הגרר הנמוך אופייני לפרופילי זמן שהיה מירביים. כאשר מעלים את זרימת הדלק מאזור העבודה היעיל בזבוז הדלק עולה בצורה דרמטית הן בגלל אי יעילות והן בגלל העלייה הניכרת בגרר הכולל.

גבהי שיוט[עריכת קוד מקור | עריכה]

עם העלייה בגובה ישנה ירידה ניכרת בגרר הטפילי בגלל שהאוויר דליל יותר ולכן מתנגד פחות לתנועת כלי הטיס. אי לכך, לרוב ביצועי המטוס נהיים יעילים יותר ככל שעולים גבוה יותר. ישנן הגבלות מסויימות הנובעות מטבע העבודה של סוגי מנועים שונים. לדוגמה: מנועי בוכנה, במיוחד אלה ללא מדגשי טורבו או סופר, יאבדו לחץ בתוך הצילינדר מהר מאוד, ולכן מנועים אלה לא מיטביים לעבודה בגבהים אלה. מנועים המפעילים מדחף דוגמת מנועי בוכנה וטורבו-פרופ דורשים שלהבי המדחף יסתובבו במהירויות תת-קוליות, אחרת המדחף לא יוכל לייצר דחף. ביצועי מנועי סילון מסוגים טורבו-סילון וטורבו-מניפה משתפרים עם העלייה בגובה והירידה בטמפרטורת האוויר אבל בגלל הדרישה לזרימת אוויר מספקת ובמהירות של עד 0.4 מאך בכניסה למנוע מטוסים אלה לא יכולים לטוס גבוה מדי. מרבית מטוסי הנוסעים הסילוניים משייטים בגבהים של 20,000-40,000 רגל (6,000 עד 12,000 מטר) בהם ביצועי מנועי הטורבו-מניפה מקנים להם את הביצועים המיטביים יחסית למהירות שלהם.

שיוט על-קולי[עריכת קוד מקור | עריכה]

ערך מורחב – שיוט על-קולי

חלק מהגבלות מהירות במנועי סילון נובעים מהעובדה שמנועים אלה דורשים זרימת אוויר במהירות של עד 0.4 מאך בכניסה למדחס אחרת האוויר בתוך המנוע לא יזרום כראוי. אבל זה ניתן לגישור על ידי מבני כונס מתקדמים ההופכים אוויר מהיר בלחץ נמוך לאוויר איטי בלחץ גבוהה. מבני כונס אלה מאפשרים המשך עבודה של מנוע גם במהירויות גבוהיות ממהירות הקול. התרשים הבא מתאר את התנהגות מקדם הגרר במהירויות מאך שונות:

מקדם הגרר במהרויות מאך שונות


אחד האתגרים של טיסה במהירות על-קולית היא הגרר העולה עם מהירות האוויר והוא גבוהה מאוד במהירויות עבר-קוליות, אבל כאשר עוברים את מהירות מאך 1.2 ובמיוחד מעל מאך 2 ההגרר נמוך יחסית. מרבית המטוסים המתוכננים לשיוט על-קולי משתמשים באזור זה של גרר נמוך בשביל פרופילי השיוט שלהם. אם כי האתגר הגדול בשלב זה הוא יצירת דחף, שכן הדחף נוצר לא ממהירות הסילון מהמנוע, בשלב זה היא לרוב אחידה עם מהירות האוויר, אלא הבדלי הטמפרטורות בין האוויר הנפלט מהמנוע וגוש האוויר בו המטוס טס.

שיוט-טיפוס[עריכת קוד מקור | עריכה]

במטוסים המשתמשים במנועי בערה פנימית המטוס צריך לשאת עתודות דלק. עם המשך השיוט הדלק מנוצל וכמותו הכוללת פוחתת ולכן משתנה משקל המטוס ואיתו איזון הכוחות והוא נוטה לטפס במתינות תוך כדי שיוט, מה שנקרא שיוט-טיפוס. בתעופה בגלל בקרה הדוקה על נתיבי וגבהי הטיסה לטובת שמירה על הפרדה בטוחה, לרוב לא ניתן לאפשר טיסה בשיוט-טיפוס בנתיבים הגבוהים. במקום זאת המטוס ישמור על הגובה שהוקצה לו ויבקש עלייה לגובה בשלבים, אם מתאפשר. הדבר מקטין בהדרגה את נצילות הדלק של המטוס, מכיוון שבשביל למנוע טיפוס המטוס צריך להקטין את העילוי בעזרת הקטנת מהירותו על ידי הקטנת דחף המנוע שעתה לא יפעל באזור העבודה היעיל שלו. לחלופין המטוס יצתרך להוריד אף, במצב זה המטוס יאיץ אבל יבזבז יותר דלק על התמודדות עם גרר.

יעילות שיוט[עריכת קוד מקור | עריכה]

גרף נצילות דלק לדקה יחסית למרחק טיסה של מטוס בואינג 777. בטווחים הקצרים, הדלק המתבזבז בטיפוס מקטין את הנצילות בצורה דרמטית. בטווחים הגדולים, המשקל הנוסף של הדלק מגדיל את דרישות הדחף למהירות השיוט המיטבי ולכן מגדיל את צריכת הדלק. בשל כך, חברות התעופה יעדיפו לחלק לשתיים את הטיסות בין יעדים מרוחקים.

נתוני ביצועי שיוט[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • טווח מירבי - הטווח המירבי שכלי הטיס יכול לטוס, ללא רזרבות. מושג על ידי שימוש בפרופיל שיוט שנותן ביצועים מיטביים של נצילות דלק יחסית למהירות.
  • סיבולת שהיה מירבית - הזמן המירבי שהמטוס יכול לשהות באוויר, לא תואם לטווח המירבי שכן המטוס עובד בפרופיל שנותן ביצועים מיטביים של נצילות דלק יחסית לזמן.

מעטפת ביצועים[עריכת קוד מקור | עריכה]

תרשים דוגמה זה זה מציג את מטעפת הטיסה הכללית של כלי טיס כפונקציה של מהירות יחסית לגובה (מהירות במאך, גובה באלפי רגל), כאשר הצלע השמאלית מציגה את מהירות ההזדקרות, הצלע הימנית מציגה את המהירות המירבית והצלע העליונה מציגה את הגובה המירבי. ניתן לראות כאן שהמהירות המירבית של כלי הטיס היא מאך 1.6, כאשר מתחת ל-17 אלף רגל מהירות זאת יורדת עד למאך 1.2 בגובה פני הים. ניתן גם לראות כי הגובה המירבי של כלי הטיס הוא 60 אלף רגל, כאשר בגובה זה מהירות המינימלית תהיה מאך 0.8. בגבהים נמוכים יותר, מהירות ההזדקרות יורדת בהדרגה עד מאך 0.2 בגובה פני הים. הקווים הצבעוניים בתרשים מציגים את מקדם העומס (ב-ג'י) המירבי איתו ניתן לשמור על הגובה או המהירות הנתונה. כלומר אם מבצעים תמרון במקדם עומס גבוה יותר המטוס יתחיל לאבד גובה או מהירות.

דוגמה לתרשים המציג את ביצועי הפנייה. ניתן לראות כאן שקצב הפנייה המירבי מושג במהירות מעט גבוהה יותר ממאך 0.6. ניתן לראות שבמהירות המירבית קצב הפנייה המירבי הוא מעט נמוך מ-5 מעלות לשנייה.

הקווים הצבעוניים מציגים רמות שונות של תאוצה במהלך כל המעטפת הזאת. כאשר המטוס הוא מתחת לקו אפס, הוא יוכל להאיץ תוך כדי פנייה. אם הפנייה נמצאת מעל לקו זה המטוס יאט.

התרשים מעלה מאפשר לנו להשוות בין ביצועים של שני מטוסי קרב. הגרף האדום הוא מטוס מיג-15. הגרף הכחול הוא F-86 סייבר. ניתן לראות בבירור שהמהירות המירבית של הסייבר גבוהה מזו של המיג, אבל במהירויות שבין מאך 0.6 ועד המהירות המירבית של המיג, המיג ניחן ביתרון בשיעור פנייה לעומת יריבו. עם זאת, ה-F-86 ניחן בביצועי פנייה טובים בהרבה במהירויות של מתחת למאך 0.6 ובמאך 0.5 היתרון הוא משמעותי מאוד. אם לוקחים בחשבון את התנהגות מספר המאך ניתן להבין שבגבהים נמוכים יחסית ל-F-86 יש יתרון משמעותי מאוד בביצועי פנייה מתמשכת לעומת המיג. בעוד המיג מחזיק ביתרון במהירויות וגבהים רמים, אם כי מהירותו המירבית נמוכה יותר מהסייבר.


תרשים מעטפת הטיסה של מטוס F-104. המהירות המירבית של כלי הטיס היא 750 קשר. הג'י החיובי המירבי של כלי הטיס הוא 6 אבל הוא מותר רק בשילוב פרמטרים של גבהים ומהירויות. לדוגמה, בגבהים של 20 אלף רגל ומטה ובמהירויות של 450 קשר ומעלה. בגובה 40 אלף רגל פנייה ב-6 ג'י מתאפשרת רק מעל 550 קשר. ג'י שלילי מירבי המותר למטוס הוא -2.5 וזאת במהירויות של מעל 270 קשר.


נתוני תמרון[עריכת קוד מקור | עריכה]

יציבות[עריכת קוד מקור | עריכה]

ערך מורחב – יציבות כלי טיס

טיסה על-קולית[עריכת קוד מקור | עריכה]

נתוני יציבות[עריכת קוד מקור | עריכה]

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]


המשך קריאה[עריכת קוד מקור | עריכה]


הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]