מערכת בקרת שכבת הגבול

מערכת בקרת שכבת הגבול (באנגלית: Boundary Layer Control System, בראשי תיבות: BLCS) היא מערכת המותקנת לרוב על גבי הכנפיים או משטחי ההיגוי והמשפרת ביצועים אווירודינמיים על ידי שיפור זרימת האוויר בשכבת הגבול על גבי הכנף באמצעים פניאומטיים כגון הזרמת אוויר או שאיבתו מעל גבי הכנף.

מטוס F-4 פנטום ממריא עם מדפים קטנים יחסית שיעילותם משופרת בעזרת מערכת BLCS.

אמצעי להזרמת אוויר על גבי הכנף מכונה כנף מבוקרת זרימה (באנגלית: Circulation Control Wing , בראשי תיבות: CCW) בעוד אמצעי להזרמת אוויר על גבי המדפים נקרא מדף סילון (באנגלית: Jet Flap או Blown Flap ).

בעוד המושג Boundry Layer Conrol חל על כל אמצעי השליטה הפניאומטיים, המושג בקרת זרימה למינרית (באנגלית: Laminar Flow Control, בראשי תיבות: LFC) חל בדרך כלל על מערכות הכוללות שאיבה. עיצוב כנף המשלב מערכת LFC ועיצוב כנף יעיל לשיוט מכונה בקרת זרימה למינרית היברידית (באנגלית: Hybrid Laminar Flow Control, בראשי תיבות: HLFC).

היסטוריה

מטוס B-18 עם פנל ניסיוני עם חרירים השואבים את שכבת הגבול. בניסוי של ה-NACA בשנת 1941.

במשך השנים היו ניסיונות רבים לשיפור זרימת האוויר על גבי כנפיים עם אמצעים כגון מחוללי מערבולות וכדומה. בשנות ה-20 וה-30 של המאה ה-20 בגרמניה התנסו במערכות שהיו שואבות את שכבת הגבול.

במהלך שנות ה-30 יצרני מטוסים גם להתנסות עם עיצובי פרופיל אווירודינמי של כנפיים המאפשרות זרימה למינרית, על ידי יצור כנפיים עם החלק העבה ביותר בפרופיל יותר לקראת אמצע אורך מיתר הכנף במקום בקרבת שפת ההתקפה במטוסים דוגמת B-24 ו-P-51. על אף השיפור בביצועי הכנפיים במהירות גבוהה, בפועל הזרימה על גבי הכנפיים לא הייתה למינרית ועדיין היו נוצרות נקודות סטגנציה ומערבולות אוויר במיוחד במספר ריינולדס גבוה (היחס בין האינרציה לכוחות החיכוך). ניתן היה לשפר את הזרימה עם כנפיים חלקות במיוחד, אבל אלה קשות לייצור ואחזקה.

לפני מלחמת העולם השנייה במוסד המטוסים המלכותי, שהיה לאחד ממרכזי המחקר והניסוי האווירונאוטי העיקריים בבריטניה, נוסו מספר אמצעים שהיו מזרימים אוויר על גבי הכנפיים או משטחי ההיגוי.

במהלך מלחמת העולם השנייה הגרמנים והאמריקאים התנסו עם מערכות בקרת שכבת הגבול. בכלי טיס נסיוניים.

לאחר סוף המלחמה ובמיוחד עם כניסת מטוסי סילון עם כנפיים משוכות ביצועי המטוסים החלו לעלות, אבל בתמורה ביצועי הנחיתה נהיו גרועים יותר עם מהירות המראה ונחיתה ואיתם ריצות ההמראה והנחיתה התארכו בצורה משמעותית. במיוחד עם כניסת מטוסי הקרב מהדור השני שכללו כנפיים עם נתוני עומס כנף גבוה ומנת ממדים קטנה. ולכן מערכות BLCS הפכו למרכיב חשוב למטוסים שנדרשו לשיפור ביצועי המראה ונחיתה במיוחד מטוסי הפועלים על גבי נושאות מטוסים, כאלה שחיפשו דרך לקצר מרחקי המראה ונחיתה וכאלה שהיו בעלי יכולת המראה ונחיתה קצרים.

אב-הטיפוס השני של ה-F-16XL בשירות נאס"א עם מערכת LFC למהירויות על-קוליות המותקנת על כנף שמאל.

המטוס הסדרתי הראשון שכלל מערכת BLCS היה הלוקהיד T2V סיסטאר שנכנס לשירות בשנת 1957 אבל בשל בעיות אחזקה מרובות הוצא משירות לטובת תת-דגם ללא המערכת. ה-F-104 סטארפייטר שנכנס לשירות בינואר 1958, כלל כנפיים טרפזיות דקות וקטנות במיוחד ולכן נדרשה מערכת מדף סילון עם אוויר המוזרם על גבי המדפים להקטנת מהירות הנחיתה. ביוני 1958 נכנס לשירות הסופרמרין סימיטאר עם מערכת מדף סילון. לאחר מכן נכנסו מספר רב של מטוסים עם מערכת BLCS ביניהם ה-A-5 ויג'לנטי, הווט F-8 קרוסיידר (בדגם F-8E), ה-F-4 פנטום, הבלקברן בקניר שכלל הזרמת אוויר בשפת ההתקפה של הכנף ושל מייצב הגובה וכן על גבי המדפים של המטוס. בברית המועצות המערכת שימשה מספר מטוסי קרב שתוכננו לפעול משדות ארעיים ולא סלולים כגון המיג-21 והמיג-23.

ניסויים במערכות LFC המשיכו באותו הזמן הן בארצות הברית והן בבריטניה. הנורת'רופ X-21, שטס לראשונה בשנת 1963, השתמש בחרירים לאורך הכנף ושימש לאישוש עיצוב מערכת בקרת זרימה למינרית בכנפיים משוכות שמטבען כוללות זרימת אוויר לאורך מוטת הכנף בנוסף על זרימה לאורך המיתר, המסבכת תפעול של מערכות כאלו.

לקראת פיתוח מטוסי קרב של הדור הרביעי ביצועים כגון מהירות מרבית הפכו לחשובים פחות לעומת ביצועים כגון תמרון, ולכן בהרבה מקרים מטוסים חדשים היו בעלי כנפיים עם שטח גדול יותר וכן ביצועי נחיתה טובים יותר והצורך במערכת BLCS דעך. אם כי מטוסים מסוימים עדיין משתמשים בזה. ספציפית, מטוסים ימיים מתוצרת יפן דוגמת השין מיוואה US-1A, והשין מיוואה US-2 משתמשים במערכות מדף סילון להשגת יכולת המראה מהים במהירויות נמוכות וריצות המראה קצרות יחסית.

במהלך שנות ה-90, שני מטוסי ה-F-16XL השתתפו בניסויי נאס"א. במטוס הראשון הותקן מגף מטיטאניום לאורך כנף שמאל עם חרירים זעירים שדרכם שאבו את שכבת הגבול ממעל לכנף ושימש לניסויים תת-קוליים. במטוס השני הותקן התקן דומה אבל שימש לניסויים בבקרת זרימה למינרית במהירויות על-קוליות.

בבואינג 787 מדגם 787-9 והלאה שולבה מערכת HLFC במשטחי הזנב (מייצב גובה וכיוון) השואבת אוויר טורבולנטי בקרבת שפת ההתקפה של המשטחים ומשפרת ביצועי שיוט.

רקע

זרימה על גבי השפה העליונה של הכנף ומתחילה כלמינרית (חלקה ואחידה) אבל החיכוך בין שכבת הגבול למעטה הכנף מושך את האוויר איתה וזרימת האוויר מאטה, בנקודה מסוימת האוויר על גבי הכנף עוצר (מה שמכונה סטגנציה) ומהנקודה הזאת האוויר בשכבת הגבול הופך למערבולתי.

התרשים מעלה מציג התנהגות האוויר בשכבת הגבול בחמש נקודות: נקודות 1 עד 3 אזורי זרימה למינרית כאשר זרימת האוויר מאטה בהדרגה. בנקודה 4 קוראת הסטגנציה בה זרימת האוויר עוצרת. בנקודה 5 זרימת האוויר נהיית מערבולתית ונעה יחד עם הכנף.

זרימה מערבולתית זאת גורעת מהעילוי ומוסיפה לגרר המושרה. וכך גורעת מביצועי כלי הטיס כגון הגדלת מהירות ההזדקרות, הקטנת ביצועי השיוט וכדומה.

מערכות המזרימות אוויר

תרשים של הבלקבורן בקניר המציג את אמצעי ה-BLCS. אוויר מוזרם בשפת ההתקפה של כנפי המטוס ומייצבי הגובה (CCW) וכן אוויר מוזרם על גבי המדפים (מדף סילון).

אחת השיטות העיקריות לבקרה על מעטפת הגבול היא הזרמת אוויר על גבי הכנפיים או המשטחים לשיפור ביצועייהם. המערכות משתמשות באפקט הקונאדה בו אוויר הזורם על גבי משטח קמור, יצמד למשטח ויתעקל יחד איתו. הזרמת אוויר על גבי הכנפיים, אם כן יצמידו זרימת אוויר במצב בו זרימת אוויר חיצוני תיפרד.

הזרמת אוויר על גבי מדפים מגבירים בפועל את ויעילותם. כלומר מדפים אלו יאפשרו טיסה במהירות נמוכה יותר ממדפים רגילים בעלי אותו גודל. לחלופין, מאפשר הקטנת המשטח ושמירה על יעילותו. כאמור, תכונה זאת שימושית מאוד למטוסים בעלי מהירות הזדקרות גבוה גם עם מדפים סטנדרטיים, או מטוסים המתוכננים לפעילות משטחים מוגבלים ועל כן כוללים יכולת המראה ונחיתה קצרים.

מערכות אלו משתמשות באוויר המנוקז משלב המדחס של מנועי הסילון של המטוס או מנוע עזר (דוגמת APU) או מפוח חשמלי נפרד. במשטחים קבועים הזרמת אוויר מתבצעת דרך חרירים, אלו לעיתים יהיו צמודים למחוללי מערבולות. על גבי משטחים נעים, במיוחד על גבי מדפים האוויר יוזרם דרך תעלה המותקנת לרוחב מוטת המשטח ובצמוד לציר התנועה שלו. התעלה תכלול פתחים שיזרמו אוויר על גבי המשטח לכל אורכו.

תרשים המדגים פעולת מערכת BLCS במדפים הכוללת תעלה לאורך המדף עם פתחים בשפה העליונה עם אוויר הנצמד למדף ומשפר את יעילותו.

בקרת טיסה מבוקרת זרימה

מערכות BLCS פוטנציאלית מסוגלים להחליף את מרבית אם לא כל משטחי ההיגוי בכנפי המטוס על ידי הזרמת אוויר באזורים שונים ובעוצמות משתנות. מערכת זאת מסוגלת לשפר את חמקנות כלי הטיס על ידי השמטת משטחי היגוי הפולשים מחוץ לגוף כלי הטיס. עם זאת, מערכת כזאת תדרוש צנרת פניאומטית נרחבת, מנוע מפוח נפרד, ומערכת שסתומים מורכבת המבוקרת על ידי מחשב.

מערכות השואבות אוויר

בקרת זרימה למינרית

מערכת בקרת זרימה למינרית (LFC) משפרת ביצועי כנף על ידי שאיבת שכבת הגבול הקרובה למעטה בעזרת חרירים במעטה הכנף המחוברים למערכת וואקום. מערכות LFC לא מיועדות לשיפור ביצועי כנף בקצה מעטפת הטיסה כגון מערכות מדף סילון וכדומה, אלא מייעלות ביצועים במתאר שיוט ובמיוחד בטיסות ארוכות טווח בהן העלייה בביצועים מתעלה על מחיר המערכת, מורכבותה ומשקלה.

בקרת זרימה למינרית היברידית

מערכת בקרת זרימה למינרית היברידית (HLFC) משלבת מערכת LFC עם עיצוב כנף ייחודי המייצר מדרג לחצים מאוד חלק וספציפי (באנגלית: Natural Laminar Flow, בראשי תיבות NLF). כנף NLF אמנם מייצרת ביצועים טובים בשיוט בכנפיים עם זווית משיכה מתונה, אבל בכנפיים עם זווית משיכה גדולה יותר מייצר ביצועים בלתי קבילים ולכן מעדיפים לשלב בין מערכת LFC וכנף NLF. כאמור, מערכת זאת משפרת ביצועים בתנאי שיוט.

ראו גם

• מערכת בקרת טיסה
• קנארד

קישורים חיצוניים

• Overview of Laminar Flow Control מתוך אתר נאס"א.