בחודש שעבר ציינו שנתיים למותו הטרגי של חברנו דב לבנון. דב היה מהנדס אוירונוטי בהכשרתו וטייס פרטי. דב נהג להקדיש מזמנו ללימוד בהתנדבות של חוגי נוער לתעופה במסגרת טייסת 10 של אגודת התעופה. בעברו שימש כמדריך קרקע בקורסי טייס של התעשייה האווירית. דב נהרג בהתרסקות מטוס בסמוך לשדה התעופה ר"פ. תחום נוסף בו נהג דב להתעסק - שילוב של אהבתו, תחביבו ומקצועו, היה כתיבת כתבות מקצועיות בנושאים אווירודינאמיים שונים. לזכרו אנו מעלים כתבה שכתב לפני שנים ארוכות - ברורה, מסבירה ומקצועית.
גבוה מעל האוקיינוס השקט, מטוס הסטרטוקרוזר (בואינג 377) העמוס לעייפה, שייט בדרכו מהונולולו לסן פרנסיסקו. עד כה הייתה הטיסה שגרתית למעט נזילה הידראולית קלה באחת הצינוריות – שום דבר יוצא דופן. העננים מתחתיו נסחפו קלות ברוח הקבועה, והקברניט טייסון הרגיש נמנום מתקרב. תוך פיהוק קל, טייסון סרק את מכלול המחוונים שבלוח המכשירים ורשם במוחו כמה קשה לשמור על עירנות בקטע הארוך והמשעמם הזה של הטיסה. אך ללא ידיעתו, הזמן ליהנות משעמום מתוק זה עמד להסתיים בחטף.
באחת ניתק הפרופלור ממנוע מס' 2, ולעשרים ושמונה הבוכנות שלו לא היה לפתע למה להעביר את כוחן העצום. הפרופלור הסתחרר הצידה כיחידה אחת וניסר את המנוע השני על אותה כנף. בבת אחת איבד המטוס שניים מארבעת מנועיו, ונכנס לאסימטריה חריפה (שנים רבות אחר כך, מעל אמסטרדם, מטוס ג'מבו מטען של אל-על חווה תופעה דומה שהסתיימה בהתרסקות נוראה על שכונת מגוריםת אבל זה לא שייך לנושא שלנו). הסטרטוקרוזר העמוס החל להנמיך. טייסון נלחם באסימטריה תוך שהגביר את הכח במנועים הנותרים ל- METO (כח מירבי מותר פרט להמראה) ומשך בהגה להרים את האף למהירות גלישה מיטבית, אבל גם זה לא עזר והמטוס המחליק המשיך לאבד גובה אל האוקיינוס שמתחתיו בשיעור הנמכה מפחיד. מאחור, הנוסעים המבועתים חבשו את חגורות ההצלה והתכוננו לחבטה כשהמטוס יפגוש את המים כאבן ענקית.
אבל, כשהמטוס הנכה כמעט ופגע במים שורצי הכרישים, כאילו יד ענקית עצרה את שקיעתו וטייסון הצליח למנוע את הנגיעה במים. במאבק בלתי פוסק נגד כוחות אסימטריים טייסון הצליח למנוע הזדקרות המטוס והמשיך לרחף , מטרים בודדים מעל המים, למרחק של מאות מיילים. אט אט, בגלל הדלק שהתכלה, משקל המטוס פחת והוא הצליח להתרומם לגובה סביר יותר ולהגיע לנחיתה בסן פרנסיסקו. (מתוך: The Proficient Pilot Vol. 2 , מאת Barry Schiff בהוצאת Thomasson-Grant Inc. 1995 )
הגילוי הדרמטי של טייסון על ביצועי המטוס בגובה נמוך במיוחד, נקרא אז על שמו: T-effect ואחרי שנחקר - "אפקט הקרקע". ברור שאם אובד כל הדחף, בסופו של דבר יפגוש המטוס את המים או היבשה. אולם בגלל הקטנת הגרר המושרה בקרבת הקרקע, משתפר יחס הגלישה והמטוס "יצוף" רחוק יותר מהמצופה.
תמונות 1 ו-2 צולמו במחצית שנת 2004 בארה"ב, כאשר צסנה 172 שמנועה נדם, נחתה במים (אנו מכנים זאת "ציוף" ובאנגלית Ditching). נקודת הנגיעה של המטוס במים רחוקה בהרבה מהנקודה התאורטית בה פוגש קו הגלישה את המים: חדי העין יבחינו בתמונה מס' 1 כיצד ה- Downwash מאחורי הכנף דוחף את האוויר כלפי מטה – עשן הנפלט מהמנוע מעיד על כך. מהו ה - Downwash הזה - נסביר בהמשך.
קצת תיאוריה ללא נוסחאות...
יש ה"מסבירים" שאפקט הקרקע נגרם בגלל דחיסת האוויר בין הכנף לקרקע היוצר "כרית אויר", וזו משפרת את הביצועים. ההסבר נשמע טוב, אך אינו נכון. לא ניתן לדחוס את האוויר מתחת לכנף כי הוא יכול "לברוח" למעלה בקלות מצידי הכנף, לפניה או מאחוריה. אין כאן בוכנה סגורה שאפשר "לנפח". בואו ניישר הדורים אחת ולתמיד: האוויר אינו נדחס בין הכנף לקרקע! המנגנון העיקרי דרכו משפיעה הקרקע הוא הגרר. הגרר הכולל של מטוס מורכב משני חלקים עיקריים: גרר פרזיטי עקב צורה וחיכוך (גרר צורה תלוי בריבוע המהירות, ומורגש לכן במהירות גבוהה ופחות בשלב המראה ונחיתה), וגרר מושרה. גרר מושרה הוא תוצאה בלתי נמנעת של העילוי, שהוא "מאמץ" הכנף להחזיקנו באוויר.
הכנף מייצרת עילוי ע"י האצת מסה של אויר כלפי מטה. על בסיס עקרון פיזיקלי בסיסי, ברור שעל המטוס פועל כוח הפוך ושווה. מול הפנית האוויר מטה, האוויר דוחף את הכנף מעלה. דחיפת האוויר ע"י המטוס כלפי מטה "זהה" לכמות העילוי שהכנף צריכה לייצר (לא נכנס פה לדקויות של השוואת כוח, תנע, עבודה ואנרגיה – הבה נישאר ברמת "הרגשת הבטן"). הגרר המושרה נוצר מאותה "הפנית זרם האוויר" כלפי מטה. כמו שנוסע ברכב מוציא ידו דרך החלון אל תוך הרוח ומסובב את כף ידו ממצב אופקי למצב שדוחף אויר כלפי מטה: היד שואפת להתרומם – זה העילוי – אך גם להמשך לאחור – וזה הגרר. ככל שזווית כף היד גדלה – עד גבול מסוים – יגדלו כוחות העילוי והגרר). טיסה במהירות נמוכה (וזה בעיקר בהמראה ונחיתה) דורשת הגדלת זווית ההתקפה כדי לשמר את כוח העילוי, ולכן אנו "מרימים אף" הרבה יותר מאשר בשיוט. בהמראה ונחיתה, הגרר הדומיננטי הוא הגרר המושרה. מעט מעל מהירות ההזדקרות, גרר מושרה תורם כ- 80% מכלל הגרר במטוס קל אופייני. תמונה 3 מראה כיצד קטן ה- Downwash בקרבת הקרקע, ועקב כך קטן הגרר המושרה. בפשטות, האוויר "מתיישר" ליד הקרקע כי אין לו ברירה...
יש גורם נוסף המגדיל את הגרר, והוא מערבולות קצה הכנף (תמונה 4). המערבולות תורמות להגדלת גרר מושרה, כי רק כשיש עילוי נוצרות מערבולות אלה. מערבולות קצה הכנף מקלקלות את הזרימה באזור קצה הכנף, מקטינות שם את העילוי, ומוסיפות גרר. ככל שזווית ההתקפה גדלה, מתחזקות מערבולות אלו.
הקרקע מגבילה את מערבולות קצה הכנף. הקירבה לקרקע "תוחמת" את הרדיוס המרבי של המערבולת. מעשית, אם הכנף תהיה בגובה מטר אחד מהקרקע, זה יהיה הקוטר המרבי האפשרי למערבולת – בעוד שבטיסה תורגש מערבולת קצה הכנף גם 5 מטרים מתחת למטוס. במילים אחרות: עקב החלשת ה Downwash מערבולות קצה הכנף באפקט הקרקע (הקטנת המערבולות מגדילה את יעילות הכנף שמקבלת "יותר עילוי בפחות גרר"), יחס הגלישה של המטוס (עילוי מחולק בגרר) גדל ומשתפר כי לאותו עילוי (השווה למשקל המטוס) יש פחות גרר. מטוס קל אפייני, בעל יחס גלישה ממוצע באוויר של 1:10 יכול לקבל יחס של אפילו 1:25 לקראת נגיעתו בקרקע. לסיכום, אפקט הקרקע נגרם מהקטנת הגרר המושרה במהירות נמוכה, והאפקט חזק יותר ככל שמתקרבים לקרקע. בניסויים נמצא שהאפקט מורגש רק בגובה הקטן ממוטת הכנף. מטוס קל אפייני, שמוטת כנפיו כ 10 מטרים, יחוש את השיפור בגרר באחוזים כדלקמן:
גובה מעל הקרקע במטרים אחוז השיפור
10 מטרים (מוטת כנף) 2%
90% מהמוטה שהם 9 מטרים 2.5%
8 מטרים 3%
7 מטרים 4%
6 מטרים 6%
5 מטרים 8%
4 מטרים 13%
3 מטרים 19%
2 מטר 29%
1 מטר(10% ממוטת הכנף) 48%
עיון בטבלה מראה את ההבדל בין מטוסי כנף עילית (צסנה למשל, בה הכנף בגובה כשני מטרים מהקרקע) לכנף תחתית (כמו זלין, צירוס, בוננזה) שם הכנף כמטר ואף פחות מהקרקע. במקרה הראשון, יש לנו 30% שיפור ובמקרה השני 50% שיפור בגרר המושרה, בנגיעה/ניתוק מהמסלול. כלומר, מטוסי כנף תחתית מושפעים חזק בהרבה מאפקט הקרקע, וירגישו בחזקה את ההבדל עם ההתרחקות מהקרקע!
לעתים טייסים מופתעים מעצמת האפקט כאשר הם מנסים לנתק בהמראה מוקדם מדי. כל טייס"כנף תחתית" מכיר את התופעה שהמטוס "מנסה להתרומם" בריצת ההמראה ולמעשה "טס על המסלול". אבל אם נעתרים לו ומנתקים לפני המהירות המומלצת, לפתע הוא מתנהג בכבדות וכמעט אינו מטפס.
ניקח לדוגמה מטוס ממריא משדה דשא. הטייס מפעיל כוח מנוע מרבי ומחזיק "אף גבוה" בהאצה על המסלול כדי להקל על כן הנסע הקדמי העדין מפני עונשם של הרגבים. במצב זה למעשה זווית הגוף חיובית אך אפקט הקרקע מקטין את הגרר המושרה. המטוס מגיע למהירות בה הוא מנתק לפתע אך כשהוא אוסף מעט גובה גדל הגרר המושרה ואפקט הקרקע נחלש. שישה עד עשרה מטרים מהקרקע נעלם האפקט לגמרי, הכנף פוגשת את מלוא הגרר המושרה, והמטוס שקודם ניתר לאוויר בשמחה וצהלה, "זוחל" לפנים כמעט על סף הזדקרות. הטייס נבוך למצוא שלמטוס רצון משלו, ואינו רוצה לטפס... המהירות שהספיקה לכנף לטפס את המטרים הראשונים, אינה מספיקה בגובה 10 מטרים! הנקודה העיקרית היא שצריך דחף נוסף כדי להתגבר על הגרר הגדול יותר כשיוצאים מאפקט הקרקע. אבל בהמראה המנוע כבר מייצר את מירב הדחף ואין עודף.
מכאן הלקח: בעיקר (אך לא רק) במטוסי כנף תחתית, אם כבר "ניתרת לאוויר" במהירות נמוכה, אל תמהר לטפס במטוס עצל. הורד אף וטוס נמוך על המסלול, האץ למהירות Vy לפני הטיפוס.
שיפור ביצועי הגלישה עקב הקטנת גרר מושרה מביא להצפה שטוחה
אפקט הקרקע ניכר בשלבי הנחיתה האחרונים, בעיקר עם ההצפה, הנעשית קרוב מאד לקרקע. בשלב זה מורגשת ההפחתה בגרר המושרה ומטוסנו מחליק לאורך המסלול, ממש "צף" בנתיב שטוח שמביא אותנו לנגיעה רחוקה מזו שאליה כיוונו את קו הגלישה (ראה תמונות 1+2). למרות שהמטוס מיוצב לאורך הצלע הסופית, ותמונת המסלול שבחלוננו מראה את הנקודה על המסלול אליה אנו עומדים "להתרסק", בפועל אנו נוגעים רחוק יותר לאורך המסלול. גם כאן, התופעה בולטת יותר במטוסי כנף תחתית. אם נוסיף לכך מקרה שכיח בו יש לנו קצת עודף מהירות "לשם בטחון", עלולה ההצפה שלאורך המסלול "לשרוף" חלק ניכר ממנו, והמטוס "מסרב לגעת". עקב הגרר הנמוך יותר, לוקח יותר זמן להאט ולשרוף את עודף המהירות. 10 קשרים עודפים יאריכו את המסלול הנדרש בכ-20%. בשדות קצרים כמו הרצליה, ובעיקר בביצוע הקפות Touch & Go, מומלץ ללכת סביב ולא להתעקש על נגיעה במקרה כזה. כבר היו מספר פעמים "כמעט ונפגע" כאשר מטוס נגע במסלול 29 מעבר למחצית ארכו, ניתק בשנית לקראת סוף המסלול וכמעט פגע בברושים המצויים כ-300 מטרים מקצהו.
בשדות קצרים, עדיף לשמור בצלע סופית על מהירות גישה נמוכה במסגרת המלצות היצרן וככל שהבטיחות תתיר. למשל אם ספר המטוס ממליץ על טווח מהירויות (בצסנה 182 לדוגמה התחום הוא 65 עד 75 קשר) – בחר בתחום הנמוך המומלץ . בנוסף, כוון את הגלישה כעשרים מטרים אל לפני הנקודה בה בחרת לגעת.
השפעת הקרקע על מיצב הגובה – זהירות, שמור מצב אף!
כל מטוס נוטה להיות יציב יותר (יציבות אורכית) באפקט הקרקע, ויקבל "אף כבד" יותר. בטיסה רגילה, הזרימה פוגעת בזנב בהשפעת ה , בזוית היוצרת כוח כלפי מטה על הזנב ("הרמת אף" המטוס). קרוב לנגיעה, הקרקע מיישרת ומקטינה את ה Downwash , הזנב מיצר יותר עילוי חיובי מקודם ולכן האף נוטה ליפול. זו הסיבה שממש לקראת נגיעה יש למשוך במוט ההיגוי (לעתים ממש עד הבטן) כדי למנוע נגיעת גלגל האף. תמונה 5 מראה את התנהגות הזרימה באזור הזנב והשפעתה על המומנט מוריד האף. כל מי שעובר לראשונה ממטוס בו כוחות הסטיק קלים (למשל צסנה 152), למטוס כבד יותר-בדרך כלל צסנה 172- נתקל לעתים בנגיעה לא רצונית של גלגל האף בנחיתותיו הראשונות – ומפתח את ה"קנגורו" המפורסם. נזקים רבים כבר נגרמו למטוסים בישראל ובעולם עקב נחיתות כאלו. אם נערך מראש לצפות לנפילת האף לקראת הנגיעה, נוכל למזער נזקים אלו.
בהמראה, קורה התהליך ההפוך. כאשר המטוס מטפס אל מחוץ לאפקט הקרקע, מתחזק ה Downwash הזנב מאבד עילוי (לרוב מקבל עילוי שלילי) והאף נוטה להתרומם. יש לדחוף את מוט ההיגוי לפנים כדי למנוע עלית האף ואיבוד מהירות. נטית המטוס לחדד את זווית הגוף עלולה להיות קריטית עם מרכז כובד אחורי מדי (מעבר למותר בספר המטוס). המטוס יהיה בשליטה עם הניתוק, אך כשיחדד את זווית האף עם התרחקות מהקרקע, ייתכן שלא יהיה מספיק הגה להורדתו- וההזדקרות הקטלנית תגיע מהר מאד.
לקח לנחיתה: שמור מצב אף ואל תיתן לו ליפול – היה מוכן למשוך בהגה עוד ועוד בזמן ההצפה ואל "תקפא" על ההגה – האף רוצה ליפול. עצה ידידותית שקיבלתי ממדריך ותיק: כדי להקטין את הכוח הנדרש למשיכת הסטיק, יש הממליצים "לקזז לאחור" (פעמיים בצסנה) עם חציית סף המסלול. אני נוהג כך וזה שיפר מאד את נחיתותי.
לקח להמראה: לפני תחילת ההמראה, קזז מעט "אף מטה", זה יעזור להתגבר על הרמת האף עם היציאה מאפקט הקרקע
לקחים בהמראה – זהירות מניתוק מוקדם!
סיפור אישי: ביוני 2004 , השתתפתי במשלחת אגודת התעופה הישראלית לפולין, שם טסנו במטוסים פולניים משדה דשא ליד קרקוב. לטיסתי הראשונה קיבלתי צסנה 172 מצוחצחת, והיינו 3 נוסעים במטוס. כמקובל במסלולי דשא, החזקתי "אף גבוה" בריצת ההמראה, עם דרגת מדפים אחת. המטוס האיץ על הקרקע בעצלנות רבה, לאט מכפי שאני רגיל במודל זה, תוך קפיצות קלילות על גבשושיות הדשא ורגבי העפר, והנחתי שאנו איטיים בגלל החיכוך המוגבר עם סוג מסלול זה והגרר עקב זווית הגוף. רק מאוחר יותר נודע לי שלמטוס ספציפי זה מנוע 145 כ"ס בלבד... לבסוף, המטוס ניתק אך להפתעתי נותר קרוב לקרקע וכמעט לא האיץ. הורדתי קלות את האף כדי להאיץ בלא לשנות גובה, וציפיתי לצוף בגובה של כמטר מעל המסלול, להגיע למהירות טיפוס אופטימלי (70 קשר), ולעבור לנסיקה. המטוס הנמיך עד כמעט נגיעה, מצאתי עצמי צף סנטימטרים מהקרקע ומאיץ אט אט עד שכל המסלול חלף מתחתי לפני שהייתי מספיק מהיר לעבור לנסיקה. הודיתי לאפקט הקרקע, ולאיכרים הפולנים שאינם שותלים עצים בקצה המסלול...
ראינו שאפקט הקרקע מתחזק ככל שהכנף קרובה יותר לקרקע. מטוסים עם כנף תחתית וכני נסע קצרים, ירגישו ביתר שאת את ההבדל בגרר וביחס הגלישה בעת שיאספו גובה אחרי הניתוק. מטוסי פייפר חד מנועיים רבים בנויים כך.
לפני שנים אחדות המריא משדה התעופה "עטרות" שבירושלים, מטוס פייפר לאנס עמוס וכבד, ביום חם. המטוס המריא מערבה עם 6 נוסעים, במשקל מרבי. בגלל החום והלחות ששררו באותו יום, "הגובה האמיתי" של השדה היה הרבה מעל 2500 הרגל הרשום בספרים (למעשה כ-5000 רגל!) והספק המנוע ירד בהתאם. מטוס זה הוא בעל זנב T שאינו מושפע מזרימת הפרופלור ולכן המטוס צריך לאסוף על המסלול מהירות גבוהה יחסית כדי שהגה הגובה יהיה יעיל. צירוף כל הגורמים הנ"ל הביא לכך שהמטוס צרך את רוב המסלול לפני שהגיע למהירות הרמת האף.
הטייס ראה לחרדתו את קצה המסלול מתקרב כשגלגלי המטוס עדיין על הקרקע. בתגובה אינסטינקטיבית, משך בהגה ו"הקפיץ" את המטוס לאוויר במהירות נמוכה, בתקווה שהמנוע החזק יאיץ ויטפס ממצב זה. המטוס אכן ניתר לאוויר אך נשאר בגובה של פחות ממטר ו"נגרר" לפנים ללא יכולת לטפס. הוא נשאר בגובה בו הספק המנוע היה זהה למה שנדרש להתגבר על הגרר שגדל עם ההתרחקות מהמסלול. אילו היו פני השטח משתפלים, בודאי יכול היה להאיץ מעט למהירות יעילה יותר ולהתחיל בטיפוס. לרוע המזל, מעט אחרי המסלול קיימת טרסה בולטת כשני מטרים מעליו – בתנאים רגילים איש אינו שם לכך לב. ייתכן שבקור רוח גדול יותר היה טייסנו מנמיך דווקא לכיוון המסלול, מאיץ (עקב הקטנת הגרר באפקט הקרקע) וצובר מעט מהירות למעבר המכשול – אולם בפועל הוא ניסה להרים עוד יותר את האף, הזדקר והתרסק על הטרסה. במקרה זה, הבנה טובה יותר של השפעת הקרקע ושימוש בה, ייתכן שהיה מציל חיים.
זהירות מיוחדת נדרשת במטוסים עם כני נסע מתקפלים. תאונות קרו בגלל קיפול גלגלים מיד אחרי הניתוק כאשר ביצועי הטיפוס גבוליים (משקל מרבי, שדה גבוה, חום ולחות). תהליך הקיפול לרוב מוסיף גרר (הגלגלים מסתובבים והדלתות נעות). נפילה למסלול עם גלגלים מקופלים עוזרת לעובדי המוסך ומשפחותיהם בלבד! בתנאים גבוליים להמראה וטיפוס, דחה קיפול גלגלים לשלב טיפוס מיוצב מעל אפקט הקרקע, והשגת שעור נסיקה חיובי מיוצב.
התחלתי עם בארי שיף, וגם אסיים בעצתו החכמה: ניתקת במהירות נמוכה, אתה מופתע מטיפוס גבולי או לא קיים - אינך בטוח שתצליח לעבור מכשול שלפניך (ברושים, קרקע, בתים) – כוון האף אל המכשול, הנמך לכיוון המכשול, קרוב לקרקע ככל שביטחונך ירשה לך – והאץ באפקט הקרקע למהירות גבוהה יותר אותה תנצל ל"משיכה" לפני המכשול.