מדף (תעופה)

תמונה הממחישה את שני סוגי משטחי המדף. בקדמת הכנף פרוש מדף שפת התקפה מסוג כנפון, ובשפה האחורית של הכנף פרוס מדף שפת זרימה מחורץ.

מדף או דש (באנגלית: Flaps) הוא משטח היגוי משני המשמש לשינוי פרופיל אווירודינמי של כנף מטוס בתנאי טיסה שונים. ישנן שתי קטגוריות של מדפים – מדפי שפת התקפה הנמצאים בקדמת הכנף ומדפי שפת זרימה הממוקמים בחלק האחורי של הכנף. שני הסוגים העיקריים הללו משמשים לשינוי תכונות האווירודינמיות של הכנף באופני פעולה שונים.

מדפי שפת התקפה מקלים על זרימת האוויר להיצמד לפרופיל הכנף על ידי שינוי צורת שפת ההתקפה, לעיתים על ידי הורדת המשטח לכיוון זרימת האוויר, לעיתים על ידי הארכת הכנף והקניית חריץ דרכו אוויר מתחת לכנף מסוגל לעלות מעליה.

מדפי שפת זרימה משנים את פרופיל הכנף בצורה משמעותית יותר, מגדילים עילוי מקטינים את מהירות ההזדקרות ומגדילים את הגרר.

הן משטחי מדפי שפת ההתקפה והזרימה משמשים בעיקר לשיפור תכונות אווירודינמיות של הכנפיים בשלבים בהם המטוס הוא לקראת סף מעטפת הטיסה שלו, לרוב בשלבי ההמראה והנחיתה.

מדפי שפת זרימה

עקרון פעולה

מדפי שפת זרימה הם משטחים המותקנים בחלק האחורי של הכנף ויורדים מטה. המשטחים נוטים להיות גדולים יחסית בשטח הפנים שלהם. הורדת המדפים לתוך זרימת האוויר משנה את הקמרון של הכנף, זה מגדיל את העילוי שלה ומוריד את מהירות ההזדקרות של הכנף בצורה משמעותית.

השפעה משנית של הורדת משטח זה היא הגדלה משמעותית בגרר של המטוס. זה מאפשר זווית אף נמוכה יותר במהלך הנמכה, הגדלת קצב ההנמכה ללא האצה – גישה במסלול תלול יותר. תופעה משנית נוספת היא היווצרות מומנט עלרוד השואף להוריד את אף המטוס.

מדפי שפת זרימה מאפשרים נחיתה והמראה במהירויות נמוכות יותר, ועל ידי כך מאפשרות תכנון כנפיים של כלי טיס למהירויות גבוהות יותר.

סוגי מדפי שפת זרימה

תמונות של מדפי שפת התקפה וזרימה

תרשים של סוגי מדפים אופייניים. סדרת תמונות הממחישות את אופן השימוש במדפי שפת זרימה. המשטחים העולים בחלק העליון של הכנף הם מחבלים. תרשים המדגים את ההבדל בין מכלולי מדפי שפת זרימה של מטוס A-320 המשתמש במסילה לפריסה. ומטוס בואינג 787 המשתמש בזרוע ממפעיל סיבובי ומשטח המעוגן בציר. תרשים המדגים את המבנה של מדפי שפת זרימה. תמונה המציגה מנוע ההידראולי של מדפי שפת זרימה של מטוס An-140. תמונה של גחון של מטוס בואינג 747. ניתן לזהות את מדפי שפת ההתקפה מסוג כנפון ומדפי שפת הזרימה המחורצים הפרוסים לתצורת נחיתה. תרשים של המבנה המכני של מדפי שפת התקפה מסוג כנפון, כאשר המשטח עצמו מוחזק על ידי מסילה שיוצאת או נכנסת בעזרת פעולת גלגל השיניים המופעל על ידי מפעיל סיבובי. מפעיל סיבובי של מדף שפת התקפה.

• מדף פשוט (Plain Flap) – מדף הנפרס עלי ידי סיבובו סביב ציר. מבנה הציר נוטה להיות פשוט, אבל דורש מפעילים וצירים קשיחים, וכן נוטה ליצור מערבולות בשפה העליונה של הכנף מה שמקטין את מקדם העילוי של הכנף.
• מדף חצוי (Split Flap) – מדף חצוי הוא משטח המשתמש בשפה התחתונה בלבד של הכנף. משטח זה היה היה אופייני לכנפיים ישרות ויצא משימוש נרחב בשנות ה־50. נוטה לייצר מערבולות חזקות באחורי הכנף.
• מדף מחורץ (Slotted Flap) – מדף מחורץ מתאפיין בחריץ או פער בין פרופיל הכנף למדף עצמו המאפשר לאוויר מתחת לכנף לעבור מעל לכנף. זה מאפשר היצמדות זרימת האוויר לשפה העליונה של הכנף ומגדילה את יעילות המדף.
• מדף פאולר (Fowler Flap) – מדף זה בעל מצב ביניים אחד בו המדף נמשך החוצה מאחורי חתך הכנף המקורית ומשפר את עילוי הכנף על ידי הארכת המיתר. המצב הפרוס של המדף מסובב את המדף כלפי מטה ממצב הביניים. מדף זה נוטה להיות מורכב מכנית.
• מדף יונקרס (Junkers Flap) – מדף זה משתמש במשטח שלא משתלב עם הכנף עצמה אלא מותקן מעט מתחת לפרופיל. מאפשר שימוש במדף כמאזנת.
• מדף גאוג' (Gouge Flap) – מדף הנפרס לאורך מסילה. מאריך את מיתר הכנף יחד עם הורדת המשטח.
• מדף פיירי־יאנגמן (Fairy-Youngman Flap) – מדף פיירי יאנגמן כולל מצב ביניים בו המשטח יורד במקביל לזרימת האוויר משנה את המיתר. בשלב האחרון של הפריסה המדף משמש כמאזנת.
• מדף זאפ (Zap Flap) – מדף זאפ דומה למדף גאוג' בזה שהוא נפרס על ידי מסילה מתוך פרופיל הכנף אבל הוא לרוב לא נפרס לאורך כל הדרך החוצה מפרופיל הכנף.

אופן התקנה ותפעול

מדפי שפת זרימה מוסיפים מורכבות מכנית וכן מוסיפים גרר רב ואיתו כוח רב ולכן אופן התקנת המשטח נוטה להיות גדולה, כבדה וקשיחה ככל הניתן. תפעול המדפים מתבצע על ידי מפעילים חשמליים או הידראוליים המסובבים מערכת צירים שמעבירים תנועה צירית בין מפעילים סיבוביים או בורגיים הפורסים או מקפלים את המשטחים. לעיתים המשטחים מוגדרים למספר מצבי פריסה התואמים לשלבי טיסה שונים – המראה, נחיתה ושיוט. לעיתים המדפים מאפשרים שליטה מלאה לאורך חופש התנועה שלהם – מאפיין כלי טיס שמשתמשים במדפים במהלך שיוט או כלי טיס שדורשים עלייה הדרגתית של המדפים לאחר המראה.

בקרה ושליטה על המדפים מבוצע על ידי ידית מדפים בתא הטייס ומערכת המציגה את מצב המדפים הנוכחי.

לעיתים משתמשים במדפי שפת זרימה לטיפוס שכן בעזרתם הכנפיים מייצרות יותר עילוי במהירויות הנתונות ותורמות לקצב הטיפוס.

מצבי תקלה במערכת כוללים הטיה אסימטרית (לא שווה) בין המדפים. מצב זה ייצור מומנט חזק בציר הגלגול. תנועה לא רצונית של המשטחים או "בריחה" של המפעיל – המשך פעולה כאשר המפעיל אמור לעצור. ברוב המערכות בזיהוי מצב תקלה תתבצע נעילה של המשטחים.

במצב בו לא ניתן לפרוס את המדפים המטוס נדרש לנחות במהירויות גבוהות יותר בשביל לא להזדקר, מה שמאריך משמעותית את המרחק עד לעצירת כלי הטיס.

מדפי שפת התקפה

עקרון פעולה

מדפי שפת התקפה מותקנים בחלק הקדמי של הכנף. מדפים אלה יורדים לתוך זרימת האוויר, מורידים את מיתר הכנף ועל ידי כך מקלים על זרימת האוויר להיצמד לפרופיל הכנף. זווית ההתקפה הקריטית של הכנף עולה והכנף מסוגלת לתפקד במהירויות נמוכות יותר.

מדפי שפת התקפה מסוגלים לעזור לכלי טיס בנחיתה, עם זאת בגלל הגדלת מעטפת הטיסה לזוויות התקפה גבוהות יותר, מדפים אלה משמשים גם לאפשור תמרונים חריפים יותר במטוסי קרב. במטוסים אלה לרוב מדפי שפת התקפה יתופעלו אוטומטית על ידי מערכת בקרת הטיסה.

סוגי מדפי שפת התקפה

• מדף קרוגר (Kruger Flap) – כולל משטח בשפה התחתונה ומקורב לשפת ההתקפה. המשטח דומה למדף שפת הזרימה בזה שמשטח מישורי יורד לתוך זרימת האוויר.
• כנפון הנדלי־פייג' (Handley-Page Slot) – משטח הנפרד משפת ההתקפה של הכנף ונפרש קדימה, מאריך את מיתר הכנף, מאפשר לזרימת האוויר מתחת לפרופיל לעבור לחלק העליון של הפרופיל.
• מדף כנפון (Leading Edge Slat) – מדף הנפרד מפרופיל הכנף ונפרש קדימה ולמטה. מדף זה מאוד נפוץ במטוסי נוסעים מודרניים. לעיתים מדף זה משתמש במכלול משקולות, כאשר זרימת האוויר היא נמוכה מספיק (במהירות טיסה נמוכה) ולא מספיקה להתנגד למשקל המדף שיורד לתוך זרימת האוויר.
• מדף שמוט (Leading Edge Droop או Nose Droop) – מתאפיין בשימוש בכל שפת ההתקפה כמשטח מתופעל על ידי מערכת צירים ממפעילים המותקנים בשורש הכנף או במרכז הגוף. מדף שמוט מאפיין מטוסי קרב מהדור הרביעי והחמישי.

אופן התקנה ותפעול

בדומה למדפי שפת הזרימה, מדפי שפת התקפה מתופעלים על ידי מערכת מכנית מורכבת. תפעול המדפים מתבצע בשילוב ידית המדפים בתא הטייס, אם כי במטוסי קרב מערכת אוטומטית תשנה את זווית מדפי שפת התקפה בהתאם לתמרונים ומצבי הטיסה בשביל להגדיל את מעטפת הטיסה של המטוס. המפעילים של מדפי שפת התקפה ישתמשו לרוב במפעילים סיבוביים המונעים על ידי צירים קשיחים.

במקרה של פריסה אסימטרית של מדפי שפת התקפה נוצר סיכון משמעותי לכניסה לסחרור שלא ניתן להיחלץ ממנו ולכן הבקרה המדויקת על המערכת המכנית מקבלת משנה חשיבות ולרוב מערכת זאת כוללת מערכת בקרה מתקדמת יחסית למערכת בקרת מדפי שפת זרימה.

מערכת בקרת שכבת הגבול

תרשים המדגים את אופן הפעולה של מערכת בקרת שכבת הגבול במטוס בלקברן בוקניר

ערך מורחב – מערכת בקרת שכבת הגבול

בכלי טיס מסוימים שבהם מדפים סטנדרטיים לא מספיקים בשביל להביא את מעטפת הטיסה לתנאים מתאימים לנחיתה, לעיתים משתמשים באוויר ממנוע הסילון, ממנוע עזר או מפוח נפרד. האוויר המהיר מנותב ונושף על גבי משטח המדף (שפת התקפה או זרימה) מחליף את האוויר בשכבת הגבול, הצמוד למשטח ונוטה להיות איטי ומערבולתי יותר במהירויות נמוכות, ועל ידי כך מגדיל את יעילותו של המשטח.

במטוסים בהם משתמשים באוויר מנותב מהמנוע, הגדלת היעילות של המדפים באה בתמורה לכוח משמעותי שאובד למנוע ולכן מקשה על תיקון שגיאות במהלך הגישה לנחיתה. כמו כן, מערכת זאת דורשת שמירת מנוע בסל"ד גבוהה, באופן לא אינסטנקטיבי לאורך כל הנחיתה ואף לקראת הנגיעה בקרקע.

ראו גם

• כנף (תעופה)
  • מאזנות
  • ספוילרים (תעופה)
• מעצור אוויר