מציין זווית ההתקפה: האם הוא מציג את ביצועי המטוס בצורה הטובה ביותר בכל שלבי הטיסה?
במהלך השנים האחרונות פועל ה-FAA ומעודד את התקנת מערכת ציון זווית ההתקפה (AoA)[1] כאמצעי להפחתת תאונות של אובדן שליטה במטוס (Loss of Control =LOC). בבדיקה של כ-2,500 תאונות של התעופה הכללית בארה"ב בין 2001 ו-2010 נמצא כי זה היה הגורם הראשי לתאונות, בהן נהרגו 1,259 אנשים. מאז נהרגים בכל שנה כ-175 איש מתאונות של LOC. ה-FAA טוען כי מערכת AoA תקטין את מספר האירועים והתאונות ותציל חיים.
גם האירוע החמור של טיסת "איר פראנס" 447 שבה נספו 216 נוסעים ואנשי צוות הגבירה את העניין של יצרנים ואנשי תעופה וה-[2]EASA בהכנסת מערכת AoA למטוסי נוסעים ואת הצורך בתרגול היחלצות בעזרתה, כשהיא זמינה ישירות לצוות המטיס.
כזכור, הצוות איבד שליטה במטוס לאחר שצינורות הפיטו נחסמו בגבישי קרח ופגעו ב- Control laws המפעילים ושומרים על מערכות הטיסה. מכשירי הטיסה הראשיים, מערכת ההטסה Fly by Wire והטייס האוטומטי ירדו לרמה בסיסית או לא היו זמינים. מערכת התראה לפני הזדקרות פעלה, אך לא הייתה הגנה פעילה. הטייסים המופתעים הביאו את המטוס למצב-אף גבוה, נכנסו להזדקרות שהוחרפה בגלל משיכה רציפה של ה"סטיק" אחורנית והקיזוז שהצטרף ללחץ. מלבד הפסקה קצרה של שחרור הלחץ על ה"סטיק" והפסקת אתראת ההזדקרות, זווית ההתקפה הוחרפה שוב מ-6 מעלות ועד ל35-40 מעלות כשהמטוס שוקע בשיעור של כ-10,000 רגל לדקה – אך במהירות של 107 קשר בלבד – עד שפגע באוקיינוס.
החקירה העלתה שהטייסים לא זיהו כלל את ההזדקרות ושלא הייתה להם גישה לזווית ההתקפה. אם יכלו לקרוא לדעת מהי הזווית יכלו לזהות בקלות את המצב ולהיחלץ. אך עד עתה אין במטוסי הנוסעים הקיימים ובאלה שבייצור מדי זווית התקפה שכאלה. והנתונים של AoA משמשים רק באופן עקיף לשמירת מעטפת הטיסה ולהימנעות מ- Windshear.
זווית ההתקפה מוגדרת כזווית הנוצרת בין המיתר האווירודינמי הממוצע של הכנף ובין זרימת האוויר היחסית לווקטור התנועה של המטוס. המדידה ברוב המטוסים אינה מתבצעת בכנף אלא בחרטום המטוס. נתוני ה- AoA הם הטובים ביותר להימנעות מהזדקרות, כי המטוס יזדקר תמיד באותה זווית התקפה בהתאם לקונפיגורציה שלו. מצטרפים לכך גם מספרי המאך המקומיים של הזרימה מעל לכנף. כתוצאה מהם, זווית ההזדקרות בשיוט בגובה רב תהייה נמוכה ב 6-7 מעלות מאשר בגובה נמוך
העילוי הזמין הוא תוצאה של זווית ההתקפה, מספר המאך המקומי על הכנף, צפיפות האוויר ושטח הכנף. בהנחה ששאר הגורמים לא משתנים, זווית ההתקפה היא המגדירה את העילוי ואת תחום ההזדקרות. ה-AoA מגיב גם ביתר מהירות על תנועות הגה או שינויי כוח-מנוע וכן על שינויים בקונפיגורציה, כמו הורדת מדפים ו- Slats.
מד זווית ההתקפה מותקן במטוסי קרב רבים (כמו ה- AdeMar ב"כפיר" וה"מיראז'" ובמטוסי נושאות מטוסים של הצי של ארה"ב) בצורת רמזור ירוק-צהוב-אדום. הוא משמש כעזר חשוב לנחיתות על נושאות מטוסים ונותן לטייסים מידע על ביצועי העילוי בתרגולי תמרונים חריפים.
זווית התקפה רגילה ומיוחדת בטיסה בגובה נמוך
העילוי המירבי שיכולה כנף להפיק ב-AoA נתון הוא תולדה של מצב ההגאים המשניים, כולל המדפים הגדלים את קימור הכנף, מדפי שפת ההתקפה (אם מותקנים) והוצאת מעצורי האוויר (או Spoilers) זיהום של מדפי שפת ההתקפה – במיוחד בעת הצטברות קרח עליהם – יכול לגרום לפגיעה של ממש בעילוי. במטוסים עם עומס-כנף גבוה וללא מדפי שפת התקפה הם רגישים במיוחד לאובדן העילוי הזמין, בזוויות התקפה גבוהות.
בטיסה בגובה נמוך, מטוס מנהלים סילוני בעל ביצועים גבוהים לא יזדקר עד ל-AoA מקומי של 16-18 מעלות, או יותר כתלות בהורדת מדפים. כאשר מדפי שפת הזרימה יורדים, העילוי אמנם מתגבר אך ההזדקרות תקרה בזווית AoA פחותה, בגלל ההפרעה לזרימה מעל לכנף. לעומתם, הורדת מדפי שפת ההתקפה מאפשר להשיג זווית גדולה יותר לפני ההזדקרות, כי הם מעכבים את ניתוק זרימת האוויר.
כאשר ידועה ההבנה הבסיסית של AoA לא ברור מדוע לא העדיפו יצרני המטוסים והאוויוניקה להכניס למערכת מכשירי הטיסה, לצד מדי המהירות גם מצייני זווית התקפה למעקב אחרי ביצועי המטוס. ניסיונות מעטים בעבר ליצור מערכת שכזו נעלמו כמעט לגמרי עם המעבר ל- Glass Cockpit והחמרת תקנות הרישוי, אך יש עדיין כמה סוגי מטוסים בהם מורכבת מערכת אתראת הזדקרות המציינת גם את ה- AoA, החל ממטוסים קלים וכלה במטוסי-מנהלים סילוניים כמו ה- Gulfstream.
יש שתי סיבות טובות שעד כה לא זכה מד זווית ההתקפה לתפוצה נרחבת, במקום מהירויות ה- V speeds: הראשונה היא שעד שיגיע הדור החדש של מכשירי הפיטו המבוססים על Solid state, מדי זווית ההתקפה אינם יכולים להתחרות במידע המדויק, האמין והמוכר של מערכות פיטו הקיימות. אם גלאי זווית ההתקפה מתכסה בקרח או נפגע (ראה מקרי ה- 737 MAX!…) אין להם גיבוי או מערכת משנית שתספק מידע לטייס. לעומתם, שתי מערכות פיטו נפרדות ועוד אחת כ- Stand-by מבטיחות יתירות[3] משולשת
במהלך ההמראה והנחיתה המטוס טס קרוב – יחסית – לטווח ההזדקרות שלו. במהלך ההמראה, המהירות המוכתבת במקרה של אבדן מנוע – בסביבות ה- V2 – היא בערך 1.13 עד 1.2 ממהירות ההזדקרות בתצורה הזו. כך ה- V2 נחשבת איטית יותר מזו של יחס העילוי/התנגדות הטוב ביותר. אם המטוס יאיץ למהירות של היחס המיטבי הזה, ביצועי הטיפוס שלו ייפגעו והוא לא יצליח לשמור על ה- Gradient הנדרש בתקנות.
במהלך הנחיתה, מהירות ה- Vref מjושבת כ-1.23 עד ל-1.3 של ה- Vso. מקדם העילוי מתגבר, בדרך כלל, בערך של 0.1 לכל העלאה של מעלה אחת ב- AoA, אך גם ההתנגדות גדלה בהתאם.
לכל המטוסים עם מערכות הגאי Fly by Wire דיגיטליים יש "מעטפת הגנה" המונעת מן המטוס להתקרב להזדקרות אווירודינמית או להפגין תכונות הטסה בלתי קבילות בזוויות התקפה גבוהות. מערכת ה-FBW תשאף להוריד את האף מטה אפילו כשה"סטיק" משוך חזק לאחור.
במטוס עם מערכות הגאים קונבנציונליות, אם אין התראה טבעית מספקת על התקרבות להזדקרות, מוסיפים מערכת מלאכותית, כמו Stick shaker ו/או אתראה קולית. אם המטוס אינו נוטה להורדת אף עצמאית בעת הזדקרות בגלל הכוחות האווירודינמיים, מוסיפים מערכת היחלצות להורדת האף. במטוס מנהלים כמו ה- Lear-Jet מופעל ה- Stick shaker ב-1.07 של מהירות ההזדקרות ומערכת ה- Stick pusher ב-5% לפני ההזדקרות.
בזמן המצאות ב- Ground Effect הכנף מייצרת יותר עילוי לכל מעלה נוספת של AoA אך ההזדקרות (CL max) מתרחשת בזווית התקפה של 1.5 עד 2 מעלות מאשר בזרימה חופשית. הבדל זה מחייב הכנסתו למערכת האתראה, כדי שלא לצמצם את טווח האזהרה, בכל שלבי הטיסה.
הסיבה השנייה היא שמהירויות ה- V speeds לא מחושבות רק על פי זווית ההתקפה האופטימלית של הכנף אלא גם מתחשבות ב- VMCA, וב- VMCG, שהן המהירות המינימלית המאפשרת שליטה בהגה הכיוון והמהירות שבה לא יפגע זנב המטוס במסלול בעת הרמת האף בהמראה ובנחיתה. יש גם מגבלות לשליטה בכל שלושת צירי התנועה של המטוס בגלל השפעות של הצטברות קרח על משטחי ההיגוי ועל הכנפיים..
המהירויות להמראה ולנחיתה הן צירוף של כל אלה אך בנוסף ישנו כלל ברור: ככל שמשקל המטוס עולה, גם מהירות ההזדקרות עולה – וכך גם מהירויות ה- Vspeeds. לכן, משתמשים בעולם התעופה במדי המהירות ככלי הראשי לביצועי ההמראה/נחיתה. לנסות לשנות זאת ולרשיין הסתמכות על מד זווית ההתקפה יהיה תהליך מסובך ויקר שתועלתו מועטה למפעילים.
ההסתמכות על מהירויות ה- Vspeeds אינן מתאימות כאשר הצוות נדרש להוציא מהמטוס ביצועי עילוי מירביים כדי להימנע מתאונה, כמו בעת Windshear או כשיש צורך ל"שבור" ממטוס קרוב אחר. במצבים כאלה, קריאות ה- AoA הופכות למציין הביצועים הראשי של המטוס. הבעיה היא שקריאות ה-AoA במצבים אלה חייבות להיות מידיות ואינטואיטיביות. אין זמן לנתחן – ואכן מערכת ההגנה מפני גזירת רוח מציגה ציון ברור על מכשירי הטייסים המאפשר הבאת המטוס למצב של עילוי מירבי ללא גרימת הזדקרות, תוך שימוש בכוח מלא והרמת האף בהתאם להוראות המציין.
זווית התקפה רגילה ומיוחד בעת טיסה בגובה רב
מבחינה אווירודינמית הנקודה של ההתנגדות המינימלית נמצאת ביחס עילוי / התנגדות הגבוה ביותר. לפני שהוכנסו לשימוש פרופילי כנפיים מודרניים (כנף סופר-קריטית) מטוסי הנוסעים שייטו מתחת למספר המאך הקריטי, במהירות (Indicated Airspeed) שבה הזרימה המקומית על כמה חלקים מהמטוס – בדרך כלל על החלק העליון של הכנף – הגיעה למהירות הקול. כשהזרימה מעל הכנף היא תת-קולית, הטיסה בזווית התקפה אופטימלית תביא ליחס עילוי / התנגדות מיטבי בגבהים שונים. כך יכלו מטוסי הדור הקודם לטוס בזווית התקפה אופטימלית והשיגו יותר חסכון בדלק מאשר כששמרו מאך קבוע.
לעומתם, רוב המטוסים המודרניים מצוידים בכנף סופר-קריטית, המתוכננת כך שהיא פועלת ביעילות כאשר הזרימה המקומית מעל רוב שטח הכנף היא מעבר למאך 1. כנף כזו מייצרת יותר עילוי במצב זה מאשר בעת זרימה תת-קולית. גם כנפיים סופר-קריטיות הן יעילות ביותר ביחס עילוי / התנגדות המיטבי, אך מהירות השיוט תלויה גם במספר המאך וגם ב-AoA. אם טסים במספר המאך האופטימלי לצורך חיסכון בדלק, זווית ההתקפה הולכת ויורדת ככל שמשקל המטוס קטן. לעומת זאת, טיסה בזווית התקפה קבועה תפגע בטווח. כאשר טסים במספרי מאך גבוהים, העילוי אמנם מתגבר, אך יש עליה גדולה בהתנגדות והפחתה בזווית ה- AoA המוחלטת בה מתרחשת ההזדקרות. ברוב מטוסי הנוסעים יש רווח של כ-40 קשר ויותר בין מהירות השיוט ובין אזהרת ההזדקרות.
כל זה בסדר בעת שיוט רגיל. אך מה קורה כשיש בעיה בגובה רב? כמו במקרה של טיסת "אייר פרנס" 447, שבה נעלמו לטייסים שני ה-PFD[4] עם מצייני האופק המלאכותי, מצייני ההזדקרות, מדי הגובה, המהירות ושיעור הנסיקה והם היו צריכים לסקור את מכשירי החירום הקטנים. לא היה להם ציון של ה-AoA, אך ללא תיקון של המאך, נתוניו היו לא מדויקים. ניתן היה לצפות גם לתגובת הפתעה של משיכה בהגה ופתיחת כוח בהיעלמות המסכים. יש סיבות רבות לשינויים (Upset) בעת טיסה בגובה רב, כמו מעבר חזית פעילה, זרמי סילון ו-Mountain wave, שינוי טמפרטורה פתאומיים, קומולונימבוסים, התקרחות בגובה רב או חציית חזית אינטר-טרופית מתכנסת.
מודעות ל-AoA היא חיונית בעת Upset המתרחש בגובה רב. כך גם טוענים ה-FAA[5] וה- [6]EASA בהסברם כי טייסי מטוסים שבהם מידת האוטומציה גבוהה עוקבים פחות אחרי ההטסה ומערכות המטוס, שהם אמינים ביותר ומתרכזים יותר בניווט ובניהול הדלק. הם לא מודעים למגבלות זווית ההתקפה ולא מוכנים להיחלצות מידית מ- Upset.
אם ה-PFD, נעלם לפתע, יש חשיבות עליונה לעבור אל אופק החירום ואל מכשירי ה- Stand-by . רוב מטוסי הנוסעים טסים בעת שיוט בזמצב-אף של 2-4 מעלות. רצוי לבדוק שכוח המנועים הוא המתאים לתנאי השיוט ולשמירת הגובה. גם ללא מציין AoA ניתן לשמור על המצב. אם המטוס הזדקר שלא בכוונה, חשוב להוריד את מצב האף בצורה חכמה ולהקריב גובה לטובת מהירות. בשלב ההיחלצות חשוב לזכור כי בגובה רב, זווית ההתקפה לקראת ההזדקרות היא נמוכה בהרבה מאשר בגובה נמוך. רצוי שלא לעבור ערכים של 1.3G בעת הרמת האף וההיחלצות.
לסיכום:
מודעות לזווית ההתקפה היא מפתח לניהול הסיכונים בכל שלבי הטיסה. היא קריטית בעת היחלצות מהזדקרות בגובה נמוך או בהימלטות מ- Windshear. זווית ההתקפה עדיין אינה יכולה לשמש במקום מהירויות ה- Vref אלא לאחר שיצרני מטוסים יכניסו אותה למערכות.
היחס המיטבי של עילוי / התנגדות במטוסים חדישים תלוי במספר המאך ובזווית ההתקפה וניתן להשתמש בו להשגת טווח מירבי באותה כמות דלק.
מכשיר נפרד לציון ה- AoA בקוקפיט יכול להיות לעזר במקרה של תקלה במערכת קריאת המהירות / מאך. אם המכשיר יהיה מווסת להשפעות מספר המאך ושינוי זווית ההתקפה הוא יכול לשמש לעזר טוב להיחלצות מהזדקרות בכל גובה – בהנחה שהטייסים מתאמנים בשימוש בו. (תיקון מאך לא יפעל אם יש תקלה ב-ADS[7]).
לפיכך, שליטה על זווית ההתקפה של רוב מטוסי הנוסעים במהלך שיוט בגובה רב נשענת בעיקר על מחוונים בלתי ישירים, הכוללים את האופק המלאכותי, קצב הרמת האף, המהירות והמאך, כולל גובה. המודעות ל- AoA בכל שלבי הטיסה היא חיונית, אך כרגע היא נסמכת על מכשירי הטיסה המסורתיים.
עיבוד ותרגום – אילן הייט
[1] Angle of attack זווית ההתקפה של פרופיל הכנף =
[2] European Aviation Safety Agency סוכנות בטיחות הטיסה האירופית =
[3] Redundancy
[4] Primary Flight display
[5] Federal Aviation Administration רשות התעופה הפדרלית של ארה"ב =
[6] European Aviation Safety Agency סוכנות בטיחות הטיסה האירופית =
[7] Air Data System מערכת ממוחשבת המעבדת נתוני גובה ומהירות =