שדה תעופה מעגלי - עתיד מסלולי ההמראה?

ההמראה

בתכנון מסלולים למטוסי נוסעים רב מנועיים, למשל מתוצרת בואינג ואיירבאס, נלקחים בחשבון שיקולים רבים הנובעים מתהליכי ההמראה והנחיתה, בנוסף לדרישות למרווחי בטיחות עקב תקלות אפשריות.

עוד כתבות בדף הפייסבוק מדע גדול, בקטנה:

תיעוד מרהיב ויוצא דופן! קרב זכרים של הנחש צפע מצוי

סודות מכניקת הקוונטים

תסמונת הילד הנשכח

מהירויות ההמראה של רוב מטוסי הנוסעים נעות בין 130 ל-155 קשר (כ-240 עד 290 קמ"ש). המטוס מאיץ מעמידה עד למהירות זו; במשך ההאצה עוקב הצוות בקפידה אחרי תקינות מערכות המטוס וספי המהירות.

הסף הראשון נקרא Vs, מהירות ההזדקרות המינימלית (Stall), שבה כנפי המטוס יוצרות עילוי מספיק לאיזון כוח הכבידה הפועל עליו, כך שיוכל לטוס. אולם, מהירות זו לא מבטיחה טיסה יציבה כיוון שהיא גבולית, ומטוס שיתנתק מן המסלול כשהוא ב-Vs עלול לצנוח אליו שוב עם כל שינוי קל בזויות משטחי ההיגוי, זווית ההתקפה ועוד.

סף המהירות הבא נקבע לפי שיקולי תקלה אפשרית: אם תהיה תקלה באחד המנועים שתביא לכיבויו, חוסר האיזון בדחף יצור מומנט (תנופה סיבובית) המטה את המטוס הצידה. הצוות יוכל לאזן זאת בהפניית הגה הכיוון ליצירת היגוי נגדי; אבל לשם כך, מהירות האוויר הזורם על פני משטח הגה הכיוון חייבת להיות מספיקה להפעלת הכוח האווירודינמי הנדרש. המינימום לקיום תנאי זה נקרא Vmc, מהירות השליטה המינימלית. היא תהיה לפחות כ-Vs, בתלות במטוס ותנאי ההמראה.

הסף שלאחריו נקרא V1, שלפחות שווה ל-Vmc. במקרה תקלה חמורה, ידרש הצוות לקבל החלטה האם לבטל ולעצור, או להמריא מכיוון שלא יוכל לעצור בבטחה לפני סוף המסלול (ואז לפנות לנחיתת חירום). V1 היא המהירות המקסימלית בה עדיין ניתן לעצור על המסלול.

מוגדרות רמות מהירויות נוספות, כמו Vr - מתי ניתן להרים את אף המטוס (פעולה המכונה Rotation) וכמו Vlof, מתי ניתן להתנתק מן המסלול בבטחה. תקנות מנהל התעופה הפדרלי בארה"ב (ה-FAA) מחייבות לתכנן את מסלול ההמראה ארוך ב-15% מהנדרש להמראה תקינה של המטוס בעל ריצת ההמראה הארוכה ביותר שיפעל ממנו, כך שיגיע לפחות לגובה של 35 רגל או 10.7 מטרים מעל המסלול בסופו.

(צילום: מתוך יוטיוב)

כעת נניח שההמראה נעשית על מסלול מעגלי, בקוטר של 2.5-3 ק"מ. לפי הרעיון החדש, המסלול משופע כלפי מרכז המעגל בדומה למסלול מירוצי מכוניות, כדי לשפר את אחיזת המסלול בתנועה סיבובית. ההמראה תעשה כאשר המטוס נטוי סביב ציר האורך שלו. יש לזכור שכוח העילוי פועל בניצב למישור הכנפיים, ולכן במצב זה חלק ממנו יפעל במאוזן; מהירות Vlof תועלה, כדי להגדיל את רכיב העילוי הפועל נגד הכבידה. בנוסף, חישוב מהירות השליטה המינימלית עלול להשתנות, כיוון שהמטוס יהיה בפניה מתמדת ותדרש הפעלת הגה כיוון כחלק שגרתי בהמראה.

כל עוד ההמראה תקינה ומנועי המטוס פועלים כסדרם, נראה שאיכשהו הרעיון יעבוד. אולם, נניח שאירעה תקלת מנוע וכיבויו. כאמור, כך נוצר מומנט השואף להפנות את המטוס לכיוון צדדי מקו האמצע של המסלול. הצוות יפעיל את הגה הכיוון לאיזון; אולם קביעת שיעור ההיגוי הנדרש תהיה כעת מורכבת מאשר במסלול ישר, כיוון שיש להמשיך ולעקוב אחרי המסלול המעגלי.

יתרון מעניין של המסלול המעגלי הוא שסף V1 אינו קריטי כבמסלול ישר - מרחק העצירה אינו מוגבל, תיאורטית לפחות, כי למסלול אין קצה. אך מה אם אכן נדרש לבטל ההמראה ולעצור?

עצירת חירום בסיבוב מסוכנת בכל כלי רכב, כיוון שכוח החיכוך הבולם אינו פועל במקביל לכיוון תנועתו ולכן קיימת סכנה לסיבוב על הציר האנכי ואיבוד שליטה. מטוסי נוסעים עוברים סדרת ניסויים מחמירה לבחינת יכולת העצירה שלהם בעת ביטול המראה, בהם נבדקת גם הבלימה במסלול רטוב ואף מוצף חלקית עקב תנאי מזג האויר. במסלול סיבובי בתנועה בפניה נוצר סיכון מוגבר להחלקה אל מחוץ למסלול וסיבוב ללא שליטה על הציר האנכי. זאת, כאמור, במהירות גבוהה מהמוגדר כיום.

הנחיתה

הנחיתה היא אחד השלבים המורכבים בטיסה, הדורש ניווט והתמצאות מדוייקת במרחב. מטוס מנמיך לקראת המסלול לאורך קו גישה המשופע ב-2.5-3 מעלות מעל האופק, ממרחק של מספר קילומטרים בודדים ועד עשרות קילומטרים לפני קצה המסלול. בתנאי ראות טובים (כלומר ביום, ובמזג אוויר בהיר וללא עננים) ניתן לראות את קצה המסלול ממרחק רב.

(צילום: מתוך יוטיוב)

אולם, פעמים רבות נחיתות נערכות בלילה, בתנאי עננות כבדה ונמוכה, ערפל, גשם ועוד. בתנאים אלו, אמצעי העזר העיקרי הוא מערכת נחיתת המכשירים (ה-ILS) המסייעת לצוות להביא את המטוס לקרבת קצה מסלול הנחיתה, במרחק ובגובה מהם יוכל להמשיך ולנחות לפי ראיה. ה-ILS הוגדרה כמערכת תקנית לסיוע בגישה לנחיתה על ידי ארגון התעופה האזרחית הבינ"ל ב-1947.

ה-ILS כוללת מספר מרכיבים המסייעים להגיע לגישה האופטימלית לנחיתה. ראשית, ה-Localizer, מערך משדרים הממוקמים בקצה הרחוק של המסלול ומציינים את מיקום המטוס האופקי ביחס לקו האמצע של המסלול. הציון נעשה בשתי אלומות רדיו, שתיהן נושאות אותות בתדרים שונים: בימין המסלול (מנקודת ראיית הצוות במטוס) 150Hz, ובצידו השמאלי 90Hz. הכוונה לאותות המאופננים על ידי הגל המשודר, כשתדר הגל הנושא הוא בתחום 108-112MHz בערך. אותות ה-Localizer נקלטים במקלט ה-ILS של המטוס ומפוענחים לצורך הצגת חיווי המיקום האופקי לצוות.

פעולה דומה נעשית על ידי משדרי ה-Glideslope, אך במישור אנכי. משדרים אלו ממוקמים 230-380 מטרים לפני קצה המסלול הקרוב וכ-120-180 מטרים מציר האמצע שלו. ה-Glideslope משדר גם הוא שני אותות, אך אלכסונית לקרקע: אלומה עליונה (90Hz) ותחתונה (150Hz) לחיווי מיקום אנכי לצוות. כאשר קיים שוויון בעוצמת הקליטה של שני זוגות האלומות: העליונה מול התחתונה והימנית מול השמאלית, המטוס נמצא על נתיב הגלישה הנדרש.

הנחיתה אינה אוטומטית, גם אם במהלך הגישה אותות ה-ILS מועברים ישירות למערכת הטייס האוטומטי וזו מטיסה את המטוס בנתיב הנכון. בגובה מוגדר, המכונה גובה ההחלטה, ומשתנה לפי תנאי שדה התעופה וקטגוריית מערכת ה-ILS, נדרש הצוות לבחון האם תנאי הראות מאפשרים נחיתה בטוחה, לפי נהלים מוגדרים. בנוסף, נעזר הצוות בשלוש משואות רדיו לקביעת מיקום (Marker Beacons) שקליטתן מציינת המצאות במרחק ידוע מקצה המסלול.

אמצעי עזר נוסף לצוות בטווח הקרוב, לאחר שקיבל החלטה לנחות, היא מערכת תאורה מורכבת הפרוסה לפני המסלול והמציינת את מיקומו והמשך נתיב הגלישה. צבעי הפנסים השונים, מיקומיהם ומספרם כפי שנראים מתא הטייס מציינים האם המטוס בנתיב, או שמא מתחתיו או מעליו.

כעת נניח שמדובר במסלול מעגלי, שבו נקודת הנחיתה משתנה לפי כיוון הרוח. מערכות ה-ILS והתאורה ידרשו להיות ניידות, ולנוע בהיקף המסלול הפנימי והחיצוני לפי כיוון הנחיתה הנדרש בכל עת, כדי לתת מענה לתנאי ראות מוגבלת. נניח שלשאלה זו ימצא פתרון טכני מתאים (שאינו פשוט בפני עצמו) למיקום מחדש מדויק של אמצעים אלו. עדיין, תהליך הנחיתה יהיה שונה מאוד מהיום ובמרווח טעות קטן ביותר; נתיב ההנמכה ידרש להשיק למסלול בנקודת הנחיתה הנדרשת.

בגובה ההחלטה, הצוות יצטרך להתיישר במהירות אל נקודת ההשקה. הזמן האפשרי לתיקון גובה לפי תאורת הנחיתה יהיה קטן מאוד; החטאת המסלול, שתדרוש נסיון נוסף לאחר "הליכה מסביב" תהיה סבירה בהרבה מאשר במסלול ישר. בנוסף, בעת הנחיתה יש להטות את המטוס סביב ציר האורך כדי לגעת במסלול עם שני כני הנסע הראשיים יחד, לצורך איזון. מיד אחר כך ידרש לבלום את המטוס תוך כדי סיבוב.

בסרטון שבו מוצג הרעיון מוסבר שהיוזם קיבל השראה מסרטונים מפחידים של נחיתות ברוח צד (Cross Wind), המצולמים בשדות תעופה שונים בעולם (כמו בברמינגהם שבבריטניה). אולם בעיה זו לא הועלתה על ידי צוותי אוויר ושדות תעופה, ונהלים קיימים מגדירים היטב כיצד לפעול במצב זה. יתכן מאוד, אם כן, שרעיון המסלול המעגלי מציע פתרון לבעיה שאינה קיימת.;

המאמר פורסם בדף הפייסבוק מדע גדול, בקטנה