גרר

הגרר

הגרר – הינו כוח המתנגד לתנועת גוף בתווך זורם.

הגורם ליצירת הגרר הינן המערבולות הנוצרות על חלקי המטוס.

.שקול הגרר פועל במקביל לזרימת האוויר היחסית

גרר טפילי – Parasitic הוא גרר הנוצר על כל החלקים במטוס אשר אינם משתתפים המאמץ יצירת העילוי. גוף המטוס. סמוכות הכנף. אנטנות וכו'.

גרר צורה – Induced – חלקי מטוס היוצרים מערבולות ועל כן גרר.

חיכוך קרום – חספוס מעטה המטוס מונע זרימה חלקה.

גרר לחץ – במהלך טיסה במהירויות גבוהות.

גרר גלים – במהירויות על קוליות.

ניתוקי זרימה – חלקים ובעיקר סביב הכנפיים הגורמים ניתוק הזרימה.

גרר מושרה – induced :

גרר מושרה, הוא גרר הנוצר על ידי אותם חלקים במטוס, המשתתפים במאמץ העילוי, דוגמת: כנפיים, מדחף, מייצב גובה, הגאים וכו'.

מערבולת התחלתית הנוצרת על פרופיל אווירודינמי

מערבולות בשלב מתקדם על פרופיל אווירודינמי

מערבולות הנוצרות ע"י גופים שונים

מערבולות קצה כנף הן תופעה של זרימת האוויר סביב כנף בעלת אורך סופי, שבה האוויר זורם סביב קצה הכנף מהאזור שתחת הכנף לאזור שמעליה, ופוגש את חלקי הכנף הסמוכים לקצה בכיוון זרימה מלמעלה למטה.

תופעה זו נובעת מהפרש הלחצים בין הזרימה מתחת ומעל לכנף. הפרש לחצים זה הינו הגורם לכח עילוי, וככל שהפרש לחצים זה גדל, כך גדלה עוצמתן של מערבולות קצה הכנף. הזרימה הנובעת ממערבולות קצה הכנף פוגשת את זרימת האוויר המגיעה לכנף עקב תנועתה באוויר ויוצרת מהירות זרימה שקולה, שכיוונה מוטה כלפי מטה. לפיכך, כוח העילוי, הניצב לכיוון מהירות שקולה זו, יהיה מוטה לאחור, ולמעשה יהיה לו רכיב של גרר ביחס לזרימת האוויר המקורית.

רכיב זה נקרא גרר מושרה והוא אחד מהמרכיבים העיקריים של כוח הגרר.

הגרר הכולל – הגרר המצרפי של כל סוגי הגרר שנמנו לעיל.

מנת ממדים – Aspect Ratio – היחס בין מוטת הכנף למיתר הממוצע.

מנת ממדים וגרר קצה כנף – בשל היות התופעה קשורה לקצה הכנף, ככל שהיחס בין אורך הכנף לבין רוחב קצה הכנף גדל, נחלשות מערבולות קצות הכנפיים ועמם הגרר המושרה (ועל כן גם את הגרר הכללי). כנף בעלת ממדים גבוהה בהשוואה לכנף מנת ממדים נמוכה מייצרת פחות גרר בעיקר בזוית התקפה גדולה.

מטוסים בעלי מוטת כנפיים ארוכה הם לרוב יעילים יותר, מפני שהם סובלים פחות מהתנגדות מושרית והמערבולות בקצות כנפיהם אינן משפיעות רבות על הכנף. עם זאת, כנפיים ארוכות משמען שלמטוס יש מומנט התמדה גדול יותר בציר האורך שלו ולכן הוא אינו יכול לפנות ולתמרן במהירות. לפיכך, למטוסי קרב ולמטוסי אירובטיקה יש מוטת כנפיים קצרה יחסית וזאת במטרה לשפר את יכולת התמרון. מאחר וכוח העילוי שכנף מייצרת פרופורציוני לשטח הכנף, במטוסים בעלי כנפיים קצרות נדרש רוחב הכנף להיות גדול יותר. מטוסי נוסעים ותיקים כגון בואינג 707 יוצרים מערבולות קצה כנף חזקות המאלצות שמירת מרחק גדול למטוס העוקב בנחיתה. אחד הפתרונות לבעיה זו הוא תכנון כנפיים בעלות קצה כנף העומד כמעט בניצב לכנף – כנפונים. במטוסי תובלה כנפונים שכאלה יכולים "לחסוך" עד כ-5% עילוי.

אמצעים להפחתת מערבולות קצה כנף :

מנת ממדים גדולה.

קצה כנף אליפטי.

כיפוף קצה כנף כלפי מעלה או כלפי מטה.

מיכלי דלק בקצה כנף.

נוסחת כוח הגרר – (תקפה במטוס עבור הגרר הטפילי, אך אינה תקפה עבור הגרר המושרה ההולך ופוחת עם הגדלת מהירות הטיסה)

מקדם הגרר Cd מושפע מהפרופיל האווירודינמי ומשתנה כתלות בזווית ההתקפה של הכנף והוא מושג באמצעות ניסוי.

גרף הגרר הכללי –

גרף הגרר הטפיל – במהירות אפס הגרר הטפיל הינו אפס. ככל שגדלה מהירות הטיסה, יוצרים החלקים שאינם משתתפים ביצירת עילוי יותר מערבולות ויותר חזקות ומגדילים הגרר. לכן הגרף עולה בריבוע מהירות הטיסה.

גרף הגרר המושרה – ככול שהמהירות נמוכה יותר, זווית ההתקפה גבוהה יותר ונוצרות מערבולות שמשמען גרר.

ככול שהמהירות הטיסה גבוהה יותר, זווית ההתקפה פוחתת, הזרימה חלקה יותר, המערבולות פוחתות והגרר יורד.

מצרוף הגרר הטפילי והגרר המושרה, מתקבל גרף הגרר הכללי של המטוס.

מדפים וגרר – מדפים מעלים את הגרר המושרה ומעלים את נקודת המינימום בגרף גרר הכללי למהירות גבוהה יתר.

גרר יזום:

מַחְבֵּלי זרימה – spoiler; – התקנים להפחתת כוח העילוי במטוסים.

הספוילרים הם משטחים המתרוממים כלפי מעלה בחלק האחורי שעל פני הכנף לפני המדפים. הם משמשים להאטה מסיבית של המטוס על ידי הקטנת כוח העילוי של הכנף בצורה משמעותית על ידי יצירת הזדקרות בצורה מבוקרת כלומר, ניתוק זרימת האוויר בחלק ממשטח הכנף בו הם נמצאים. בשונה ממעצורי אוויר, אשר מגדילים משמעותית את כוח הגרר אך אינם משפיעים רבות על כוח העילוי, הספוילרים מקטינים משמעותית את כוח העילוי ומשפיעים בצורה מועטה עלכוח הגרר.

שמם של מחבלי הזרימה ("ספוילר" פירושו באנגלית: לקלקל) נובע מכך שהם מחבלים בזרימת האוויר התקינה מסביב לכנף ובכך "מקלקלים" את המבנה האווירודינמי שלה.

מעצורי אוויר – Air brakes – סוג של משטחי שליטה המשמשים מטוסים לצורך הפחתת מהירות בעת נחיתה.

מעצורי אוויר שונים מספוילרים בכך שמעצורי אוויר מיועדים להגדיל את כוח הגרר תוך יצירת שינוי מועט בכוח העילוי בעוד שספוילרים מפחיתים את כוח העילוי של הכנף בצורה משמעותית על ידי יצירת הזדקרות בצורה מבוקרת. היתרון של מעצורי האוויר על פני הספויילרים הוא בכך שבמקרים רבים הם מגדילים את קצב ההנמכה ללא פגיעה משמעותית במהירות המטוס.

לרוב, המאפיינים של מעצורי האוויר והספוילרים דומים ופעילותם משולבת. רוב מטוסי הנוסעים המודרניים מצוידים במעצורי אוויר וספוילרים משולבים.

השימוש בספוילרים בעת נחיתה מפחית את כוח העילוי של המטוס בצורה דרמטית ובכך מעביר את משקל המטוס מהכנפיים לכני הנחיתה מה שמאפשר לבלמים המכאניים בגלגלים לבלום בצורה יעילה יותר עם סיכוי נמוך יותר להחליק על המסלול. בנוסף, צורתם של הספוילרים בעת פתיחתם יוצרת כוח גרר ומסייעת לאפקט הבלימה. היפוך דחף המנועים מסייע גם הוא להפחתת מהירות המטוס לאחר הנחיתה.

מטוס התקיפה הימי הבריטי, בלקבורן בוקניר, שתוכנן בשנות ה- 50 בצוייד במעצור אוויר בצורת חרוט בחלקו האחורי של גוף המטוס אשר מתפצל בעת פתיחתו לשני חלקים הנפתחים לצדדים בצורה הידראולית. בנוסף זה עוזר לקצר את אורכו של המטוס בעת חניה על נושאת מטוסים. למטוס הקרב הרוסי סוחוי-30 יש מעצור אוויר ממש מאחורי תא הטייס.

הפחתת גרר ע"י מעטה אווירודינמי –

ניתן להפחית גרר טפילי הנוצר ע"י חלקים במטוס ואשר אינם שותפים ביצירת עילוי באמצעות מעטה אווירודינמי או עיצוב אווירודינמי כגון : גלגלים קבועים (ושאינם מתקפלים בזמן טיסה לתוך בית גלגלים), תומכות כנף, כיסוי המנוע, אנטנה וכו'.

הפחתת גרר ע"י קצות כנפיים מעוגלות או ע"י כיפוף קצות הכנפיים –

בניסויי מנהרת אוויר נמצא שקצות כנפיים מעוגלות או כיפוף קצה כנף כלפי מעלה, מפחית מערבולות קצות כנף ובכך את הגרר המושרה.

יעילות אווירודינמית

מתכנן המטוס שואף ליחס גבוה בין עילוי להתנגדות, משמע יעילות אווירודינמית מרבית.

נוסחת העילוי ונוסחת הגרר זהות למעט שהראשונה כוללת מקדם עילוי Ld והשניה מקדם גרר – Cd.

משילוב גרף העילוי עם גרף הגרר נקבל את נקודת Emax

כאשר זווית ההתקפה מגיעה לערך ייחודי עבור כל פרופיל, זרימת האוויר על הכנף תנתק, העילוי יפחת והגרר יעלה.

בתרשים משמאל מוצג מקדם העילוי – Cl כנגד זווית ההתקפה ובתרשים מימין מקדם הגרר – Cd כנגד זווית ההתקפה. הקו הירוק האנכי מציין את נקודת הזדקרות הכנף.

Cd כפונקציה של השינוי ב – Cl עקומה פולארית מציגה את השתנות הגרר כתוצאה משינוי בעילוי על פי זווית ההתקפה

בשיאה של עקומה המציגה את היחס עילוי לגרר – L/D כנגד זווית ההתקפה – AoA, תמצא נקודת היעילות המרבית – Emax

ניתן לקבל את נקודת היעילות המרבית גם מהגרף הפולארי. בנקודת השקת הישר היוצא מראשית הצירים עם העקום הפולארי, תמצא נקודת היעילות המרבית וכן גם זווית ההתקפה המתאימה לה.

גרף הגרר המצרפי מספק שתי נקודות חשובות: מהירות לשהייה מרבית ומהירות לטווח מרבי.

בנקודת מינימום גרר מצרפי דרוש מינימום כוח מנוע כדי לשמור המטוס בטיסה ישרה ואופקית. זו המהירות בה ישהה המטוס את הזמן המרבי.

עד נקודת השקת הישר היוצא מהראשית עם גרף הגרר המצרפי, תוספת כוח מנוע תגדיל את מהירות הטיסה ביעילות הולכת וגוברת.

מנקודת ההשקה, תוספת כוח מנוע תיתן פחות ופחות תוספת מהירות. יעילות פוחתת.

מכאן שנקודת ההשקה נותנת מרב יעילות למהירות (ולחלופין, לכוח מנוע) = מהירות מיטבית לטווח טיסה.

להלן הצגה על גרף הגרר:

הערה: מיקום L/D max בנקודת מינימום גרר נובע ממקומו של הגרר – D בנוסחת L/D max, במכנה.

ההצגה שלהלן הנה על גרף Cl כנגד גרף Cd. היחס המרבי מתקבל בנקודת ההשקה לגרף Cd:

על הגרף הפולארי תמצאנה שתי הנקודות – זווית התקפה לשהייה וזווית ההתקפה לטווח מרבי כדלהלן:

המהירות לטווח מרבי הנגזרת מהגרפים המוצגים לעיל, נכונה לשיוט ללא רוח, כאשר מהירות האויר שווה למהירות הקרקע.

כאשר יש רוח אף, הטווח המרבי יושג במהירות גבוהה יותר שמטרתה לשמור את מהירות הקרקע המקורית.

ברוח גב הטווח המרבי יושג ע"י הפחתת מהירות האוויר, על מנת לשמור את מהירות הקרקע המקורית.

מדפים ויעילות אווירודינמית – מאחר שמדפים מעלים הגרר המושרה ומזיזים את נקודת המינימום למהירות גבוהה יותר, מהירות גלישה ומרחק שיוט מרבים, עולה.

גלישה במהירות המקורית, תעלה את שיעור ההנמכה ותרע את יחס הגלישה.

מדפים ככלי עזר בטיסה

מפחיתים מהירות ההזדקרות.

מדפים חלקית – מקצרים מרחק המראה.

מדפים בנחיתה :

גישה תלולה יותר (מחמת יחס גלישה שהורע).

מהירות בגישה נמוכה יותר מקצרת אורך מסלול נדרש.

זווית התקפה נמוכה יותר משפרת ראות קדימה ולמסלול.