כנף מטוס

הכנף היא משטח המשמש לייצור כוח עילוי אווירודינמי, והמאפשר לכלי הטיס לשהות באוויר, והיא מהווה חלק מהותי ממערכת ההיגוי של כלי הטיס. 

בניגוד לכנפיים של בעלי חיים, כנפיהם של מטוסים אינן נעות, ולפיכך עליהן לספק עילוי רק עקב צורתן. עבור מטוס שנמצא בתנועה, הכנפיים דוחות כמות מסוימת של אוויר, כלומר הן מפעילות כוח על האוויר. עקב חוק הפעולה והתגובה, האוויר מפעיל על הכנפיים כוח בחזרה. כמות האוויר הנדחית מהכנפיים כלפי מטה וכלפי מעלה תלויה בצורתן ובזווית בה הן מוצבות. עילוי יתרחש כאשר הכוח שמפעיל האוויר מתחת לכנף כלפי מעלה יהיה גדול מהכוח שמפעיל האוויר מעל הכנף כלפי מטה. הלחץ מעל כנף שפועל עליה כוח עילוי יהיה קטן מהלחץ תחתיה.

בכלי טיס מודרניים, כנפי המטוס עשויות - כמו גוף המטוס עצמו - מסגסוגות אלומיניום ומגנזיום, שתי מתכות קשיחות וקלות. הכנפיים החלולות מכילות את רוב הדלק המשמש את מנועי המטוס; בתוכן עוברת רשת מסועפת של צינורות המובילים את הדלק מהכנף אל המנוע. הכנפיים משמשות במטוסים רבים לנשיאת המנועים עצמם, ולעיתים גם מכלי דלק וחימוש (במטוסי קרב).

בכנף ישנם מדפים (בחלק האחורי) ומדפי שפת התקפה (בחלק הקדמי). חלקים אלו נשלפים אל מחוץ לכנף. תפקידם להגדיל את שטח הכנף וכתוצאה מכך מוגבר העילוי. בעת המראה יש להטות אותם, היות ושחלקים אלו בזווית אפס או סגורים לגמרי לא ניתן לטוס.

הכנפיים הישרות נבדלות בעיקר במנת הממדים שלהן. כנפיים של דאונים מצטיינות במנת ממדים גבוהה (ארוכות וצרות), בעוד מטוסי קרב מתאפיינים בכנפיים בעלות מנת ממדים נמוכה.

מכאן גם שכנפיים בעלות מנת ממדים גבוהה הנן בד"כ, בעלות עומס כנף נמוך ואילו כנפיים בעלות מנת ממדים נמוכה, הנן בעלות עומס כנף גבוה.

כנף עילית מייצרת יציבות גבוהה בגלגול - מטוסי תובלה ונוסעים.

כנף תחתית הנה בעלת יציבות גלגול נמוכה - מטסים הנדרשים לכושר תמרון גבוה במישור הגלגול: מטוסי קרב, אירובטיקה, ריסוס ועוד.

זוהי צורת כנף משולשת המשולבת בעיקר במטוסי קרב. צורת כנף זאת שונה מאוד מצורות הכנף ה"קלאסיות" כגון כנף ישרה וכנך משוכה.

כנף דלתא בשילוב עם הגה גובה סטנדרטי מאפשרת שיפור ביצועי פנייה, אם כי גם מקטינה מעט את היציבות. הדלתא הקטומה מקטינה את השפעת מערבולות קצה כנף בזוויות התקפה גבוהות.

מחקר ועיצוב מבוססי כנף דלתא החלו עוד לפני מלחמת העולם השנייה בידי המהנדס הגרמני אלכסנדר ליפיש, אלא שבאף אחד מדגמיו לא נעשה שימוש נרחב במלחמה. מהנדסי חברת קונבאייר, שהעסיקו אותו אחריה, התרשמו מהם ואימצו את עיצוביו החדשניים. מטוסי המחקר והקרב בעלי כנפי הדלתא עוררו את עניינם של מהנדסים בריטים וצרפתים ולאחר זמן קצר יוצרו מספר רב של דגמי מטוסים בעלי כנף דלתא, שנחשבה לבעלת ביצועים עדיפים על שאר עיצובי הכנף.

לאחר שנות ה-60 של המאה ה-20 ירדה קרנה של כנף הדלתא הקלאסית, אך עקרונות העיצוב נתנו השראה לצורות כנף חדשות, שקיימות במטוסי קרב חדישים בני ימינו. 

• סוגים של כנפי דלתא

דלתא חסרת זנב - כלומר חסרת מייצבי והגאי גובה הכנף כוללת משטחי היגוי משולבים בקצה הכנף המפקדים על ציר העלרוד והגלגול המכונים אלוון. זהו עיצוב קלאסי שהוצע על ידי קאז'ימייז' סמינוביץ', מהנדס צבאי מהמאה ה-17.

דלתא מקוצרת - כלומר כנף דלתא בה הקצוות החיצוניים של הכנף "קוצרו" והכנף קיבלה צורה של טרפז ישר-זווית (במטוס F-16 לדוגמה).

דלתא משולבת - כנף אשר שפת ההתקפה שלה בעלת זווית משיכה משתנה לאורכה.

דלתא מקושתת - כנף אשר שפת ההתקפה שלה חסרת זווית משיכה קבועה אלא בעלת צורה גלית.

דלתא קנראד - כדי להגביר עילוי בזויות התקפה גבוהות שולבו מעין הארכות של שפת ההתקפה של הכנף. אלה הפכו למעין משטחי דלתא שיצרו מערבולות בזויות התקפה גבוהות, מערבולות שהיו נצמדות לכנף ומגבירות עילוי. משטחים אלו היו לעיתים חסרי תזוזה כגון בכפיר, לדוגמה; חלקם פנו עם כיוון הזרימה של האוויר (כגון בלביא).

• יתרונות

פשטות - מבנה כנף הדלתא הוא פשוט בהרבה מצורות כנפיים אחרות, גם בשל הצורה ההנדסית הפשוטה, וגם בגלל כל שטח המגע בין הגוף לכנף. בשל פשטות המבנה ניתן לייצר כנפיים קשיחות יותר, דקות יותר ומרווחות יותר יחסית לצורות כנף אחרות.
מרווח - צורת הכנף בעלת הרבה מקום למטענים ודלק בגלל השטח הגדול שלה לעומת צורות כנפיים אחרות.
זווית התקפה גבוהה - בתמרונים בזויות התקפה גבוהות הכנף מצטיינת בנתון עילוי גדול לעומת כנפיים משוכות. המערבולות שנוצרות על כנף הדלתא נצמדות לכנף הארוכה ומייצרות עילוי מוגבר לאורכה.
התאמה למהירויות גבוהות - בשל הצורה של הכנף בה שפת ההתקפה היא משוכה, הכנף מתאימה במיוחד למהירויות עבר ועל קוליות אשר בהן לכנף היה יתרון בעילוי. בשל כך צורת הכנף הייתה דומיננטית במטוסי יירוט.

• חסרונות

חוסר רגש - במטוסים בעלי צורות כנף רגילות לקראת הזדקרות מתחילות רעידות, בשל רעידות אלו היה הטייס יכול להרגיש מתי הכנף עמדה להזדקר ויכל להימנע ממצבים אלו. בכנף דלתא אין תופעה של רעידות בזויות התקפה מסוכנות, והמטוס יכול להזדקר בלי כל אזהרה. בשביל לפצות על כך לרוב הותקן רכיב שתפקידו היה להזהיר את הטייס על מצבים מסוכנים. במיראז' 3 לדוגמה הותקן מעין רמזור (או בשמו הצרפתי "אדאמאר") אשר היה משנה צבע בתלות בזויות התקפה. המצבים היו: ירוק, ירוק-כתום, כתום, כתום-אדום ולבסוף אדום שהוא המצב הכי מסוכן. במטוסים אחרים הותקנו מערכות כדוגמת מרעידי סטיק שנועדו לדמות לטייס את הרגש שהיה מקבל במטוס בעל צורת כנף קלאסית.
איבוד אנרגיה - מכיוון שלרוב מורכבים משטחי ההיגוי על הכנף (כולל מאזנות והגאי גובה) גורעים משטחים אלו מהשטח הכולל של הכנפיים בזמן בתמרונים חריפים, מה שמקטין את יחס גרר עילוי. למעשה מסוגלות כנפי דלתא לשאת זוויות התקפה גדולות יותר, אך המטוס מאבד יותר מהירות יחסית למטוסים בעלי צורת כנפים אחרות.

שחיקת גלגלים וכני הנסע- בזמן המראה במטוס רגיל, מפעילה העלאת האף מעט כוח על כני הנסע שכן הגוף מסתובב סביב מרכז הכובד. לעומת זאת בכנף דלתא,הנמשכת עד לקצה גוף המטוס  יוצרות הכנפיים כוח הלוחץ את המטוס כלפי מטה, מגדיל את החיכוך בגלגלים וגורם לשחיקה מוגברת בצמיגים ובכני הנסע עצמם. 

• דוגמאות למטוסים בעלי כנף דלתא

מטוסי קרב - מיראז' 3, טייפון, לביא, כפיר, ראפאל, מיראז' 2000, J-10, סקאייהוק, JAS-39 גריפן, קונבאייר F-102 דלתא דאגר, קונבאייר F-106 דלתא דארט.

מפציצים - אוורו וולקן, קונבאייר B-58 הסלר.

מטוסים שונים - SR-71, קונקורד, טופולב Tu-144,‏ נורת' אמריקן XB-70 ולקירי.

לקריאה על תצורות כנף נוספות לחצו כאן

ישנם מונחים רבים המסייעים בתיאור הכנף והבדלתה מאחרות:

שפת התקפה - הקו הקדמי של הכנף והוא הפוגש את זרם האוויר.

שפת זרימה - הקו האחורי של הכנף.

שורש הכנף - מקום חיבור הכנף לגוף המטוס.

קצה הכנף - קו קצה  הכנף המרוחק ביותר מגוף המטוס.

מוטת כנף – המרחק שבין קצה כנף אחת לשנייה.

שטח כנף – סך כל השטח המייצר עילוי.

מנת ממדים – היחס בין אורך הכנף לרוחבה.

עומס כנף – היחס בין שטח הכנף למשקל המטוס 

מיתר הכנף - הקו המחבר את שפת ההתקפה עם שפת הזרימה.

מיתר ממוצע - מאחר שרוחב הכנף עשוי להשתנות ולפיכך יש אינסוף אורכי מיתרים, מחושב המיתר הממוצע.

מנת עובי – היחס בין עובי הכנף בנקודה העבה ביותר לבין אורך המיתר הארוך ביותר.

זווית הכוונה – הזווית שבין המיתר הממוצע לבין ציר האורך של המטוס.

דיהדרל – הזווית שבין מישור הכנף למישור הניצב לגוף המטוס.

פרופיל הכנף – חתך רוחב של הכנף, המקנה לה את כושר יצירת העילוי. 

עילוי הכנף – תלוי ראשית לכול בפרופיל הנבחר של הכנף. בנוסף תלוי בשטח הכנף ובעזרי עילוי נלווים.

גרר הכנף – תלוי ראשית לכול בפרופיל הנבחר. בנוסף ניתן להקטין גרר הכנף באמצעות מנת הממדים (גבוהה). באמצעות קצה כנף מעוגל או בנוי בזוית למישור הכנף. ע"י הקטנת שטח הכנף

הזדקרות כנף – תלויה בזווית ההתקפה הנגזרת מהפרופיל הנבחר בלבד. ככלל מתוכננת הכנף להזדקר מבסיסה לכוון קצה הכנף כאשר יש כנפיים שזו תכונתן הבסיסית, כגון כנף מלבנית. המתכנן יקבע לכנף זווית הכוונה משתנה במטרה להקנות לה תכונה זו.

מהירות ההזדקרות של כנף תלויה במשקל. ככול שהמשקל גבוה יותר תגיע הכנף לזווית ההתקפה המרבית במהירות גבוהה יותר.

באווירודינמיקה, עומס כנף הוא היחס בין משקלו של הגוף, לדוגמה מטוס או ציפור, לבין שטח הכנף שלו. אצל המטוס, היחס משקף את יחס העילוי למסתו, המשפיע על קצב הטיפוס, יכולת נשיאת המטען וכושר התמרון שלו.

עומסי כנף אופייניים במטוסים נעים מכ־100 ק"ג למ"ר עבור מטוסים רגילים, עד לטווח של 390 עד 585 ק"ג למ"ר עבור מטוסים מהירים כמטוסי קרב מודרניים. 

הכנפיים מייצרות עילוי הודות לתנועת האוויר הנע מעל לשטח הכנף. מעל כנפיים גדולות יותר זורם יותר אוויר, כך שלמטוס בעל שטח כנף גדול ביחס למסתו (כלומר מטוס בעל עומס כנף קטן) יהיה יותר כוח עילוי בכל מהירות נתונה. לפיכך, מטוס בעל עומס כנף קטן יהיה מסוגל להמריא ולנחות במהירות נמוכה יחסית (או שהוא יהיה מסוגל להמריא עם מטען גדול יותר). בנוסף יהיה לו קצב טיפוס גבוה יותר מפני שהוא צריך פחות תוספת במהירות התקדמותו כדי לייצר את כוח העילוי הנדרש כדי לנסוק. ייתכן שהמטוס יהיה בעל יכולת שיוט יעילה יותר מפני שדרוש לו פחות דחף כדי לשמור על העילוי בטיסה ממושכת.

עומס הכנף הוא גם מדד יעיל למדידת ביצועי התמרון הכלליים של המטוס. כדי לפנות, המטוס חייב להתגלגל בכיוון הפנייה. לדוגמה, בפנייה ימינה הטייס מגלגל את המטוס כך שהכנף הימנית מופנית מטה והכנף השמאלית מופנית מעלה. כתוצאה מכך קטן העילוי והמטוס שואף לצלול, כך שצריך לשמור על האף מאוזן על ידי הגה הגובה. בנוסף, עילוי הכנף מנוצל להפניית המטוס והעלייה בזווית ההתקפה של הכנף יוצרת גרר נוסף. ככל שהפנייה חדה יותר, כך נוצר יותר גרר.

שיעור הפנייה המקסימלי האפשרי עבור דגם מטוס נתון מוגבל על ידי גודל הכנף וכוח המנועים המכתיבים את זווית הפנייה המקסימלית שהמטוס יכול להשיג תוך כדי שמירה על ביצוע פנייה ממושכת.

מטוסים בעלי עומס כנף נמוך מתאפיינים לרוב ביכולת ביצוע פנייה ממושכת גבוהה מפני שהם יכולים לייצר יותר עילוי עבור כמות נתונה של דחף המנוע. מאידך, כנף גדולה בעומס נמוך תיטה להיות בעלת מסה וכוח התמד גדולים יותר ותיצור יותר גרר מושרה. יכולת הפנייה של מטוס בטרם כוח הגרר יגרום לאיבוד גדול של מהירות נקראת "יכולת ביצוע פנייה מיידית": היכולת שלו לשנות כיוון במהירות. מטוסים בעלי כנף קטנה בעומס כנף גבוה מתאפיינים ביכולת ביצוע פנייה מיידית טובה, אבל פנייה ממושכת גרועה: המטוס מגיב במהירות להוראות הטייס, אבל יכולתו להמשיך לפנות לאורך זמן מוגבלת. דוגמה קלאסית לכך היא המטוס F-104 "סטארפייטר", שהייתה לו כנף קטנה מאוד. מהקצה השני של הספקטרום ניצב המטוס הענק "קונבאייר B-36". כנפיו הגדולות הובילו לעומס כנף קטן, והיו טענות שנויות במחלוקת שהדבר הפך את המפציץ לזריז יותר לעומת ה־F-104 בגובה רב. מטוסים בהם הכנף מתמזגת באופן הדרגתי לגוף המטוס מתאפיינים בדרך כלל בעומס כנף נמוך יחסית; בדגם כזה (כמו מטוס ה־F-16 או המיג־29), צורת גוף המטוס מייצרת בעצמה מעט עילוי אווירודינמי, מה שמשפר את עומס הכנף ובו זמנית מאפשר לשמור על ביצועים גבוהים.

כנף גדולה יותר מייצרת יותר גרר מאשר כנף קטנה. כנף גדולה נוטה לרוב להיות גם עבה יותר, מה שמגביר עוד יותר את כוח הגרר. כוח הגרר הזה מקטין את תאוצת המטוס, במיוחד במהירויות על־קוליות. כנף קטנה ודקה יותר (באותם סוגי מטוסים) מייצרת פחות גרר, ולכן היא מתאימה יותר לטיסה במהירות גבוהה (אך במחיר של מהירויות המראה גבוהות יותר והורדת ביצועי הפנייה).

עומס הכנף גם משפיע על המידה שבה המטוס מושפע ממערבולות ומשינויים בצפיפות האוויר. לכנף עמוסה מאוד יש יותר כוח התמד ולכנף קטנה יש פחות שטח שמשבי הרוח יכולים לפעול עליו, שניהם עוזרים לטיסה חלקה. עבור טיסה במהירות גבוהה ובגובה נמוך (כמו בהפצצה מהירה בגובה נמוך שמבצע מפציץ), כנף קטנה, דקה ועמוסה מועדפת; מטוסים בעלי עומסי כנף נמוכים חווים לרוב טיסה קשה ולא נעימה בתנאים אלו.

סיבוך נוסף עם עומס הכנף הוא שקשה מבחינת מעשית לשנות את שטח הכנף של דגם מטוס קיים (אם כי כמה שיפורים אפשריים). כשמטוסים מפותחים הם מועדים ל"עלייה במשקל" – תוספת של ציוד וחימוש שמגדילים את המשקל הכולל של המטוס. מטוס שמפחיתים לו את עומס הכנף בדגם המקורי שלו, יכול להגיע למצב של עומס כנף גדול מאוד כאשר יוסיפו לו ציוד נוסף. אם כי ניתן להחליף או לשדרג את המנועים כדי להשיג עוד כוח דחף, ההשפעות על ביצועי הפנייה וההמראה הנובעות מעומס כנף גדול יותר אינן נפתרות בקלות כה רבה. 

מאזנות הן משטחים הנעים על ציר בחלקה האחורי של הכנף ומהווים חלק אינטגרלי מהפרופיל האווירודינמי שלה.

המאזנות נשלטות ע"י הטייס באמצעות תנועת מוט ההיגוי ימינה ושמאלה.

תנועת המאזנות הפוכה האחת לשנייה. כאשר האחת עולה השנייה יורדת ולהפך.

הזזת מוט ההיגוי ימינה גורמת למאזנת השמאלית לרדת ולמאזנת הימנית לעלות.

ירידת המאזנת השמאלית מגדילה את זווית ההתקפה בכנף שמאל וכתוצאה גדל העילוי בכנף שמאל.

בכנף ימין המאזנת עולה ולכן אין שינוי בעילוי שלה.

ההפרש בין העילוי בכנף שמאל וימין גורם לתנועת גלגול המטוס ימינה. כך גם בהזזת מוט ההיגוי שמאלה.

מקורות: ויקיפדיה, אומנה, תעופה בחקירה.