מושגי יסוד :

יציבות סטטית

נטייתו של גוף לחזור למצב שווי המשקל ממנו יצא כתוצאה מהפרעה כלשהי.

יציבות סטטית נטרלית/אדישה – הגוף שומר על מצבו או מקומו החדש לאחר ההפרעה.

יציבות סטטית שלילית – הגוף אינו חוזר למצבו הראשוני לאחר ההפרעה ואף מתרחק ממנו.

.יציבות סטטית חיובית – הגוף חוזר למצבו הראשוני לאחר ההפרעה

יציבות דינמית – תוך כמה זמן יחזור גוף בעל יציבות חיובית למצבו הראשוני, לאחר הפרעה.

יציבות דינמית שלילית – יעבור זמן רב עד אשר הגוף יחזור למצבו הראשוני לאחר הפרעה, או שיגביר את התנועה יותר ויותר עד התבדרות מלאה.

יציבות דינמית נטרלית/אדישה – יעבור זמן עד אשר יחזור למצבו הראשוני לאחר הפרעה.

יציבות דנמית חיובית – יעבור זמן קצר מרגע ההפרעה ועד חזרת הגוף למצבו הראשוני.

יציבות מטוסים –

מתכנן מטוסים צריך להגדיר את ייעוד המטוס שמתכנן. בהתאם לקבוע לו את רמת הייציבות המתבקשת, ואז לעשות שימוש בחלקי המטוס כך, שלמטוס תהיינה תכונות היציבות הנדרשות.

ככלל, מטוסים מתוכננים להיות בעלי יציבות סטטית חיובית.

למטוסי תובלה ונוסעים יקנו ייציבות דינמית חיובית ואילו למטוסי קרב יקנו ייציבות דינמית אדישה ואף שלילית.

טייס בלבד לא יכול לשלוט במטוס בעל ייציבות דינמית שלילית ועל כן, תנאי שמטוס כזה יהיה מנוהג אדם-מחשב.

יציבות בשלושה צירים –

ציר הסבסוב –

ככלל מטרת המתכנן היא להקנות למטוס יציבות סטטית חיובית גבוהה ולהפחית בכך למינימום את כניסת המטוס להחלקה כגון בעת הפעלת מאזנות והיווצרות גרר מאזנות.

מייצב כוון גדול ו/או מרוחק ממרכז הכובד יסייעו בהשגת מטרה זו.

ציר העלרוד (יציבות אופקית/אורכית) – מרכז כובד לפני מרכז העילוי וכנגד זאת מיצב גובה גדול ומרוחק ממרכז הכובד יקנו למטוס יציבות סטטית גבוהה במישור העילרוד.

ציר הגלגול (יציבות רוחבית) – כנפיים ארוכות יקנו למטוס יציבות סטטית גבוהה במישור הגלגול.

מרכז הכובד - Center of Gravity CG- נקודה במרחב אשר מסת המערכת כולה או הגוף/עצם, מדומה כאילו היא מרוכזת בה.

נקודה במרחב בה שקול הכוחות/סכום המומנטים של המערכת שווה אפס.

מרכז הכובד ומרכז העילוי

מיקום מרכז כובד לפני מרכז העילוי יוצר מומנט הורדת אף המטוס (מסיבות בטיחותיות). מייצב הגובה המייצר עילוי כלפי מטה, מאזן את מומנט הורדת האף

:מיקום מרכז הכובד ועומס כנף

בפרק העילוי מוצג עומס כנף כיחס בין משקל המטוס לשטח הכנף. זו הצגה חלקית ולא מלאה

מהתרשים לעיל ניתן לראות שבמטוס בו מרכז הכובד מצוי לפני מרכז העילוי. על הכנף לשאת במשקל המטוס + הכוח שמפעיל מיצב הגובה כלפי מטה. מכאן שעומס הכנף הנו היחס בין שטח הכנף לעילוי שמייצרת שהוא משקל המטוס + הכוח כלפי מטה שמפעיל מיצב הגובה

עוד ניתן ללמוד הוא שככול שמרכז הכובד ינוע קדימה, כך יעלה עומס הכנף ועמו מהירות ההזדקרות. מאחר שעל מיצב הגובה ליצור כוח מאזן גדול יותר, עולה שהכנף נדרשת ליצר עילוי רב יותר, אותו ניתן להשיג ע"י הגדלת זווית ההתקפה. יוצא שללא שינוי במהירות ורק משום תזוזת מרכז הכובד קדימה, הכנף נדרשת לזווית התקפה גבוהה יותר. בהתאם, תנועת מרכז הכובד אחורה, תוריד את מהירות ההזדקרות

מיקומם היחסי של מרכז הכובד ומרכז העילוי ייקבעו את היציבות הסטטית של המטוס במישור העלרוד. ואילו מייצב הגובה ייקבע את היציבות הדינמית שלו.

ככלל מתוכנן המטוס כך שבהעדר כוח עילוי, כלומר במצב של הזדקרות הכנף, מרכז הכובד הממוקם לפני מרכז העילוי, ייגרם לאף המטוס להנמיך.

המטוס יעבור לגלישה, יצבור מהירות וזרימת האוויר על הכנף תתחדש.

בנוסף והדבר נפוץ בתכנון אז"מ אך גם במטוסים אחרים, מתוכנן המטוס כך שמייצב הגובה יזדקר לפני הזדקרות הכנף.

תכונה זו מפחיתה עד מאד את האפשרות להביא המטוס להזדקרות כנף ולסחרור.

מרכז הכובד - CG ממוקם בד"כ, בערך בשליש מאורכו של המיתר האווירודינמי הממוצע - MAC (מצוין במרחק פיזי או אחוזים).

בהזדקרות מייצב/הגה גובה, אין כוח מאזן למרכז הכובד והמטוס יוריד אף, יגביר מהירות עד אשר תתחדש הזרימה על מייצב הגובה וייוצר איזון מחודש בין כוח מרכז הכובד וכוח העילוי ההפוך של מייצב הגובה.

יציבות המטוס על ציר האורך שלו או במישור העלרוד, תלויה במרחק שבין מרכז הכובד - CG למרכז העילוי - CP.

מרכז הכובד קבוע (או משתנה אם מכלי הדלק אינם ממוקמים במרכז הכובד) במהלך הטיסה ואילו מרכז העילוי ישנה את מקומו כתלות בזווית ההתקפה. כמו כן

גודל וקטור העילוי עשוי להשתנות כתלות במהירות. היה והמהירות עולה, וקטור העילוי גדל וגורם הרמת אף המטוס. תגובת הטייס תהייה להקטין זווית התקפה ע"י הורדת אף המטוס ובכך להפחית העילוי (כדי שישמור על שיוויון עם המשקל).

תהליך זהה אך הפוך במהלכיו, יתרחש כאשר המהירות קטנה.

היה ומרכז הכובד ימצא הרחק מאחרי מרכז העילוי, המטוס בלתי יציב במישור העילרוד. בהסעה גלגל האף עשוי לרחף מעל הקרקע ולגרום קשיי היגוי קרקע.

בהרמת אף (בהמראה) עלול שהטייס לא יוכל להורידו חזרה והמטוס יזדקר (בניתוק מהמסלול).

היה ובמהלך טיסה נע מרכז הכובד אחורה (עקב תנועת דלק, מטען או נוסעים), יעלה אף המטוס מעלה ועלול להיות שלטייס לא תהייה אפשרות להורידו חזרה. המטוס יזדקר ויתרסק.

תנועת מרכז הכובד אחורה תגרור ירידה במהירות ההזדקרות ואי יציבות אורכית.

תנועת מרכז הכובד קדימה מדי, תגרור עליה במהירות ההזדקרות ויציבות אורכית גבוהה.

מרכז כובד אחורי מפחית הצורך בכוח שמיצר מיצב הגובה כלפי מטה ובכך מקטין את עומס הכנף. מרכז כובד קדמי מגדיל את עומס הכנף.

אם במהלך טיסה ינוע מרכז הכובד קדימה (עקב תזוזת מטען או נוסעים), ירד אף המטוס ועלול להיות שהטייס לא יוכל להרימו שוב. המטוס יעבור לצלילה והתרסקות.

תנועת מרכז הכובד קדימה תגרור עליה במהירות ההזדקרות.

מן האמור לעיל עולה שמיקום מרכז הכובד עשוי להיות שונה על פי צורת הטענת המטוס - מיקום מטענים לאורכו וכן גם להשתנות במהלך הטיסה, בד"כ עקב צריכת הדלק. לפיכך המטוס מתוכנן כך שיוכל להמריא, לטוס ולנחות בבטחה ובלבד שמרכז הכובד נשמר בתחום שהוגדר ע"י היצרן

(כמרחק פיזי או באחוזים מערכו) MAC - התחום המותר למרכז הכובד נקבע ביחס לקו - דטום מוגדר מראש כגון הקצה הקדמי של אף המטוס, או ביחס ל

עשוי להיות שמרכז הכובד ממוקם מתחת למרכז העילוי. בכך מרוויחים עומס כנף נמוך יותר ויכולת תמרון גבוהה יותר ומפסידים את יכולת הטיס לשלוט במטוס ללא מחשב הטסה המונע את המטוס מלעבור מגבלת זווית התקפה של ההזדקרות

מייצבים כשבשבת רוח -

תפקיד המיצבים הוא לשמור את גוף המטוס במקביל לקווי זרימת האוויר ואת כנפיו בניצב לזרימה.

המייצבים מתפקדים כשבשת רוח. בהיווצר סטייה של גוף המטוס מהזרימה, יפעיל זרם האוויר כוח/לחץ על המייצב ויחזיר את המערכת כולה למקומה שעם קווי הזרימה.

חשיבות רבה יש לגודל המייצב ומרחקו ממרכז הכובד שהוא ציר התנועה של המערכת.

מייצב גדול ואו מרוחק ממרכז הכובד יגרום יציבות חיובית, בעוד מייצב קטן וקרוב למרכז הכובד יגרום יציבות נמוכה.

ציר הגלגול –

מוטת כנפיים גדולה מקנה למטוס יציבות סטטית גבוהה במישור הגלגול.

כנף משוכה לאחור – מקנה ייציבות סטטית גבוהה במישור הגלגול

דיהדרל – כנף בעלת זווית קלה כלפי מעלה ביחס לגוף המטוס.

לדיהדרל אפקט מייצב במישור הגלגול. בעת הטייה התפלגות הכוחות כמתואר בשרטוט שלהלן,מייצבת את המטוס במישור זה.

כנף עילית מקנה יציבות גבוהה במישור הגלגול ואילו כנף תחתית מקנה יציבות נמוכה

סימטריה ויציבות -

סימטריית כוחות – כל כוח הפועל על המטוס, צריך שיימצא כוח שקול אשר יאזן אותו.

אם שני שני מיצבי כוון או שני מנועים אזי משני צדי הגוף באופן סימטרי

יציבות וניהוג -

על מנת לבצע תמרון במרחב שלושה ממדי, מצוייד המטוס בשלושה הגאים. אחד לכול ציר.

הפעלת הגה משמעה שינוי מצבו הנוכחי של המטוס, כלומר הפרעה.

המטוס כאמור לעיל מתוכנן ליציבות סטטית חיובית. ככול שהיציבות הנה חיובית יותר, כך יידרש יותר כוח הגה על מנת להפריע אותו ממצבו הנוכחי.

לפיכך על המתכנן לאזן בין מטרת הייצבות לבין מתן כושר הפרעה, כלומר כושר ניהוג.

מתן ייתר חשיבות לייציבות כנגד ייתר חשיבות לתמרון תלוייה ביעודו של המטוס.

למטוס תובלה ונוסעים תוקנה ייציבות גבוהה וכושר הפרעה נמוך ואילו למטוס קרב, ייציבות נמוכה וכושר הפרעה גבוה.

יציבות ומטען –

מטען המטוס (דלק, נוסעים, כבודה) עלולים לשנות את מיקום מרכז הכובד ועל כן על מתכנן המטוס לקבוע להם מקום אשר ימנע שינוי מיקום מרכז הכובד אל מעבר לתחום בו יאבד כושר הניהוג של המטוס. כמו כן עליו להגדיר משקלים מותרים על פי מרחקם ממררכז הכובד.

מטוסי אז"מ מתוכננים בד"כ כך שהדלק, הטייס והנוסע ממוקמים במרכז הכובד של המטוס, כך שטייס ללא נוסע או טייס ונוסע כמו גם שינוי בכמות הדלק משך הטיסה, לא ישנו את מרכז הכובד מעבר למגבלות הניהוג.

הייה ויש תא מטען לאז"מ גם הוא ממוקם במרכז הכובד ולפיכך אינו משפיע על הניהוג.

ראה הוזהרת – האמור לעיל אינו ערובה שאז"מ שאתה טס בו חסין לשינוי מרכז הכובד !

צל הכנף, מרכז הכובד והזדקרות – בזווית התקפה גבוהה עלולה הכנף ליצור "צל" על הגה הגובה ולהביא את מערבולות הכנף אליו וזאת במקום זרימה חלקה.

מאחר ומרכז הלחץ נע קדימה לעבר מרכז הכובד, עלול המטוס להיקלע למצב בו היציבות הנובעת ממיקום מרכז כובד לפני מרכז הלחץ פוחתת מחד ומאידך הגה הגובה מאבד יעילותו עד כדי איבוד יכולת להוריד אף המטוס קדימה. המטוס ייקלע למצב בו אין הטייס יכול עוד לשנות את מצבו ולחלצו מההזדקרות.

Dutch Roll - "גלגול הולנדי" - הוא תופעה שמשלבת גלגול וסבסוב, צרוף לא מתואם ביניהם. מתבטא בתנועה ימינה-שמאלה של זנב המטוס, משולב עם גלגול קל ימינה-שמאלה.

עקב החלקה ימינה יתפתח גלגול חריף שמאלה. המטוס יטה כנף שמאל שתגרום להחלקה שמאלה ולגלגול חזק ימינה, שיגרום להטיה ימנית והחלקה, וחוזר חלילה.

זו דוגמה לכך שיציבות סטטית (דבר רצוי כשלעצמו) עלולה לפתח אי יציבות דינמית.

התופעה מקורה בדיהדרל הכנף אשר מחד הוא גורם מייצב ומאידך עלול לייצר את הגלגול ההולנדי.

ניתן לייצר את התופעה ע"י הכנסת רגליים מהירה, ימין ושמאל לחלופין. כלומר החלקת המטוס ימינה ושמאלה שוב ושוב.

בכדי למנוע תופעה זו על המתכנן להגיע לאיזון הנכון שבין כמות הדיהדרל לבין גודל מייצב הכוון (כגורם מייצב החלקה וגלגול).

הפרעות חיצוניות, יציבות וניהוג –

מטוס הטס בתוך גוש אוויר חשוף להפרעות חיצוניות הנגרמות ע"י אי יציבות בגוש האוויר וזרמי אוויר אנכיים ואופקיים.

הפרעה משמעה הפעלת כוח כנגד גוף בעל מסה המצוי בתנועה ועל כן ככול שמסת המטוס ומהירותו גדולים יותר כך נדרש יותר כוח כדי להפריע אותו ממצבו.

מכאן שמטוסים, כבדים ו/או מהירים, חשופים להפרעות חיצוניות פחות ממטוסים קלים ואיטיים.

לא די שהמטוס יהיה כבד ומהיר כדי להקנות לו חסינות גבוהה יותר ולא די שיהיה קל ואיטי כדי לעשותו חשוף יותר להפרעות חיצוניות, גם עומס הכנף משחק כאן תפקיד חשוב. ככול שעומס הכנף נמוך יותר כך חשוף המטוס יותר להפרעות חיצוניות בעלות עצמה נמוכה יותר. (ראה ציפורים, מצנחי רחף ודאונים כנגד מטוסי קרב ומטען).

יציבות לעניין זה של הפרעות חיצוניות משמעה שהמטוס יחזור למצבו הקודם לאחר שוך ההפרעה.

אלא כפי שכבר צוין קודם לכן, יציבות דינמית גבוהה מקשה על ניהוג המטוס ועל יכולת תגובה מהירה של הטייס ועל כן תפקיד המתכנן הינו להגדיר את ערכי היציבות כנגד ערכי ההפרעות בהם עשוי המטוס לפגוש.

הפרעות בהן נדרשת תגובה מהירה של הטיס הן בשלבי המראה ונחיתה, כאשר המטוס בקרבת הקרקע.

כאשר המטוס על הקרקע בריצת המראה, רוח צולבת פועלת על מיצב הכוון וגורמת למטוס לסבסב לתוך הרוח. היה והרוח באה מימין מומנט הסבסוב שיוצרת הרוח, מתקזז פחות או יותר עם מומנט הסבסוב שמאלה שמיצר המנוע. היה והרוח משמאל היא מצטרפת ומחריפה את מומנט הסבסוב שמאלה שמיצר המנוע.

היה ונוצר מומנט סבסוב יגיב הטיס ע"י סבסוב נגדי באמצעות לחץ על דוושת הכוון והפעלת הגה כוון כמידת הצורך.

בנוסף יוצרת הרוח זרימה מוגברת בצד הפונה אל הרוח של המטוס ובכך מגבירה העילוי על הכנף הפונה לרוח בעוד הכנף השנייה מצויה ב"צל" גוף המטוס. ע"י כך נוצר מומנט גלגול מהרוח והחוצה.

היה ונוצר מומנט גלגול, יגיב הטיס ע"י הטיית מוט ההגוי לכוון הרוח ויצור מומנט גלגול נגדי.

בנחיתה עם רוח צולבת שומר הטיס את קו הגלישה וציר המסלול ע"י שטס עם אף לתוך הרוח. לקראת מגע עם המסלול יסבסב את המטוס כך שציר האורך של המטוס יקביל לציר המסלול וימצא מעל מרכזו.

מאחר והמטוס טס בתוך גוש אוויר הנע בניצב למסלול, המטוס יסחף עם הרוח. בכדי למנוע זאת יגלגל הטיס לתוך הרוח. כלומר יוריד כנף אך ימנע את המטוס מפניה ע"י סבסוב הפוך. בכך תוצר החלקה לתוך הרוח עד נגיעה.

כל התמרונים הללו ובפרט אם מתבצעים ברוח צולבת משבית, דורשים תגובת מטוס מהירה לניהוג המשתנה של הטיס.

תגובה מהירה משמעה יציבות דינמית נמוכה.

כאמור לעיל, תפקידו של המתכנן הוא ליצור האיזון הנכון בין הרצון להקנות למטוס יציבות דינמית גבוהה כנגד הצורך לתת בידי הטיס יכולת תגובה מהירה ואפקטיבית למצבים המשתנים בתדירות ועצמה בלתי סדירים.

בצד אלו על המתכנן והבונה של המטוס, להגדיר מהן מגבלות ההפרעה בהן אין המטוס אמור להתמודד כגון עוצמת רוח צולבת בהמראה ונחיתה ומהירות טיסה מרבית לטיסה במז"א נגיף.

עבור המדחף