טיפ בטיחות 35/26 - מערכת הפיטו-סטטי: איך היא עובדת ומה קורה כשהיא כושלת

מבנה המערכת ועקרון הפעולה

התיאורים הבאים מתייחסים למבנה הקלאסי של המכשירים המכאניים. במטוסים מסוימים מותקנים מחוונים חשמליים. מכשירים אלה מודדים את אותם המשתנים, אך במקום החלקים המכאניים הם עושים שימוש בחיישנים אלקטרוניים ומנועים חשמליים.

שני סוגי לחץ: לחץ סטטי ולחץ דינמי

צינור הפיטו (Pitot Tube) - ממוקם לרוב בכנף, וחלקו הקדמי פונה ישירות אל הזרימה (כיוון הטיסה). הוא מודד לחץ כולל (Total Pressure) כלומר את לחץ האוויר הסביבתי (Static Pressure) ואת הלחץ הדינמי (Dynamic Pressure) שנוצר כתוצאה מהתקדמות המטוס. ככל שהמטוס מהיר יותר, כך גדל הלחץ הדינמי.

לצינור הפיטו שני פתחים: הפתח הראשי הקדמי, שדרכו נכנס האוויר ונמדד הלחץ הכולל, ופתח ניקוז קטן (drain hole) בתחתית/סוף הצינור. פתח הניקוז נועד לאפשר לגשם, לחות ועיבוי שנכנסים לצינור להתנקז החוצה, כדי שלא יצטברו ויחסמו את מדידת הלחץ.

הפתח הסטטי (Static Port) - חור קטן (לעיתים יותר מאחד) הממוקם באיזור שנבחר כדי לצמצם את השפעת זרימת האויר סביב המטוס על מדידת הלחץ, בד״כ בניצב לכיוון הטיסה. החור קולט רק את לחץ האוויר הסביבתי (Static Pressure), ללא רכיב דינמי. לחץ זה יורד ככל שהמטוס עולה בגובה.

שלושת המכשירים: מנגנון הפעולה

מד המהירות (Airspeed Indicator - ASI)

מד המהירות מחובר לשני מקורות הלחץ: הלחץ הכולל (Total Pressure) מצינור הפיטו נכנס לתוך כמוסה גמישה הנמצאת בתוך תיבה אטומה. הלחץ הסטטי מהפתח הסטטי מקיף את הכמוסה מבחוץ. ההפרש בין שניהם - שהוא הלחץ הדינמי בלבד - גורם לכמוסה להתרחב או להתכווץ.

ללא תנועה וללא רוח הלחץ הכולל שווה ללחץ הסטטי (אין רכיב דינמי) ומד המהירות מצביע על אפס.

בהינתן צפיפות האוויר, ניתן לחשב מהירות אווירית מתוך הלחץ הדינמי. מד המהירות מכוייל על פי הנחה של צפיפות אוויר בגובה פני הים באטמוספירה סטנדרטית (זו גם הסיבה להבדל הגדל בין המהירות המכשירית לאמיתית עם העלייה בגובה).

מד הגובה (Altimeter)

מד הגובה מחובר רק לפתח סטטי. בתוכו נמצאת כמוסה אטומה (Aneroid Capsule) , מעין שקית מתכת שטוחה וגמישה, שהאוויר שבתוכה כלוא בלחץ קבוע (ואקום חלקי). הלחץ הסטטי מקיף אותה מבחוץ.

כשהמטוס מטפס, הלחץ הסטטי יורד, הכמוסה מתרחבת, ומנגנון גלגלי שיניים מסובב את המחוג עם כיוון השעון. כשהמטוס מנמיך, הלחץ עולה, הכמוסה מתכווצת, והמחוג מסתובב בכיוון ההפוך. חלון הקולסמן (Kollsman Window) מאפשר לקבוע את נקודת הייחוס של בה יציג מד הגובה 0.

אנו בדרך כלל משתמשים בחלון לכיול QNH כנקודת האפס.

מד שיעור הטיפוס/הנמכה (Vertical Speed Indicator - VSI)

מד שיעור הטיפוס וההנמכה מחובר גם הוא רק לפתח הסטטי. במכשיר מכני רגיל, הכמוסה אינה אטומה, אלא מחוברת ישירות למקור הלחץ הסטטי. גם בית המכשיר, המקיף את הכמוסה, מחובר לאותו מקור לחץ, אך דרך פתח זעיר המגביל את קצב מעבר האוויר אל בית המכשיר וממנו. פתח זה מכונה דליפה מכוילת (Calibrated Leak).

כשהמטוס טס ישר: שני הלחצים (פנים הכמוסה וחוץ) שווים - המד מצביע על אפס. כשמטפסים, הלחץ הסטטי יורד במהירות בתוך הכמוסה, אך אט-אט בתא החיצוני (בגלל הנתיב עם הדליפה המדודה). הדבר גורם להפרש זמני שמזיז את המחוג כלפי מעלה במידה פרופורציונלית להפרש בין קצב ירידת הלחץ הסטטי לקצב הדליפה המדודה. ברגע שמייצבים גובה, הלחצים משתווים ומד שיעור הטיפוס/הנמכה חוזר לאפס.

מד שיעור הטיפוס וההנמכה מסייע גם בזיהוי מוקדם של שינוי גובה: הוא מציג מגמה של טיפוס או הנמכה כמעט מיד, ולעיתים קל יותר להבחין בתנועת המחוג שלו מאשר בשינוי הראשוני הקטן במד הגובה. עם זאת, יש להבחין בין זיהוי המגמה לבין קריאת שיעור השינוי. במכשיר מכני רגיל, הקריאה מתייצבת רק כעבור כ־6–9 שניות מתחילת טיפוס או הנמכה בקצב קבוע.

תקלות: מה קורה ואיך לטפל

חשוב להפנים: כל תקלה ניתנת לזיהוי רק אם הטייס יודע למה לצפות.

תקלת פיטו-סטטי אינה מדליקה נורות אזהרה. היא מציגה מספרים שעשויים להיראות הגיוניים. ההכרה בתבנית השגויה היא לעיתים הדרך היחידה לזהות את התקלה.

תקלה 1: הפתח הסטטי סתום

זוהי התקלה המשמעותית ביותר. חסימת המקור הסטטי משפיעה על שלושת המכשירים בו־זמנית. גורמים אפשריים כוללים קרח, חרקים או מים החוסמים את הפתח או את הצנרת.

• מד הגובה (Altimeter): קופא על הגובה שהציג ברגע החסימה. גם אם המטוס מטפס או מנמיך, הקריאה אינה משתנה.

• מד שיעור הטיפוס וההנמכה (VSI): חוזר לאפס ונשאר שם, גם כשהמטוס מטפס או מנמיך. כך עלול להיווצר רושם מוטעה שהמטוס שומר על גובה, גם כאשר במציאות המטוס מטפס או מנמיך.

• מד המהירות (ASI): ממשיך להגיב לשינויי מהירות, אך קריאתו משתבשת כאשר המטוס מתרחק מגובה החסימה. הסיבה היא שהמכשיר ממשיך לקבל לחץ כולל מהפיטו, אך משווה אותו ללחץ הסטטי הכלוא, במקום ללחץ הסטטי הנוכחי. מעל גובה החסימה הוא מציג מהירות נמוכה מהקריאה התקינה לאותם תנאי טיסה ומתחת לגובה החסימה הוא מציג מהירות גבוהה מהקריאה התקינה.

• טיפול בסתימת סטטי:

אם מותקן במטוס מקור סטטי חלופי (Alternate Static Source), הפעילו אותו בהתאם לספר המטוס ולבד״ח.

שימו לב: הלחץ בתא נמוך מעט מהלחץ חיצוני, כך שלאחר הפעלת המקור הסטטי החלופי:

• מד הגובה יציג גובה מעט גבוה מהגובה הנכון.

• מד המהירות יציג מהירות מעט גבוהה מהקריאה התקינה.

• מד שיעור הטיפוס/הנמכה יציג טיפוס זמני ואז יתייצב - זה תקין

אם אין מקור סטטי חלופי: שבירת הזכוכית של ה-VSI היא מוצא אחרון חוקי. זהו המכשיר הפחות קריטי מהשלושה, ושבירתו מאפשרת כניסת לחץ סטטי חיצוני.

זכרו שבאז״מ אנחנו טסים VFR ולכן ניתן להתבסס על מצב האף, אומדן הגובה (״התמונה״) ומצב המצערת/סל"ד כדי להביא את המטוס לנחיתה בטוחה. בנוסף, ניתן להשתמש במידע מה EFB (אפליקציות כמו AirNav Pro וכד') כאומדן מסייע.  

תקלה 2: פיטו סתום, אך חור הניקוז פתוח

כאשר הפתח הקדמי של הפיטו חסום אך פתח הניקוז נשאר פתוח, הלחץ בצינור משתחרר דרך הניקוז ומתקרב ללחץ הסביבתי. כתוצאה מכך, מד המהירות יורד לאפס. מד הגובה ומד שיעור הטיפוס וההנמכה אינם מושפעים, כל עוד המערכת הסטטית תקינה.

גורמים נפוצים הם כיסוי פיטו שלא הוסר (הגורם הנפוץ ביותר), חרק, לכלוך או מי גשם שחסמו.

לא בכל המטוסים קיים חור ניקוז ייעודי. במטוסים אלו, תקלת פיטו סתום תתנהג כמו התקלה הבאה.

טיפול:

•       הדלקת חימום פיטו (Pitot Heat) - מיד. אם קיים במטוס.

•       ניהול הטיסה תוך שימוש במצבי אף וסל״ד.

תקלה 3: פיטו וחור הניקוז שניהם סתומים

זוהי התקלה המבלבלת ביותר. הלחץ כלוא בצינור הפיטו - אין כניסה ואין יציאה. כשהלחץ הסטטי משתנה בשינוי גובה, הפרש הלחצים משתנה. מד המהירות אינו מגיב למהירות, אלא לגובה, ומתנהג כמו ברומטר.

•       כאשר שומרים על הגובה בו אירעה התקלה, מד המהירות מראה ערך הגיוני (הלחצים לא משתנים), אך לא זז ואין כל סימן לתקלה.

•       בטיפוס: הלחץה סטטי יורד, אך לחץ הפיטו כלוא ולכן מד המהירות יציג מהירות גבוהה מהמהירות בה ארעה התקלה. נדמה כאילו המטוס מאיץ כאשר בפועל מטפסים.

• בהנמכה: הלחץ הסטטי עולה אך לחץ הפיטו כלוא ולכן מד המהירות יציג מהירות איטית מהמהירות בה ארעה התקלה. בפיינל, תוך כדי הנמכה, נדמה שהמטוס איטי, כאשר יתכן שהוא בפועל על המהירות הנכונה או מהיר ממנה.

יש לשים לב שהקריאה השגויה היא ביחס למהירות בזמן התקלה, לא למהירות בפועל. זה עלול להיות מאד מבלבל. במיוחד כאשר המהירות היא פקטור משמעותי (לדוגמא בפיינל)

הגורם השכיח: התקרחות. 

טיפול:

• הדלקת חימום פיטו (Pitot Heat) - מיד. אם קיים במטוס.

• ניהול הטיסה למצבי אף וסל״ד.

קישור לסרטון מצויין של Pilot Institute שמסביר את המערכות, את הכשלים האפשריים, כיצד לזהות אותם וכיצד לטפל בהם. 

מערכת Glass Cockpit ומחשב נתוני האוויר (ADC)

ב-Glass Cockpit אין דיאפרגמות, אין כמוסות, ואין גירים מכניים. במקום כל אלה, הלחצים מועברים אלקטרונית ל-Air Data Computer (ADC), מחשב ייעודי שמבצע את כל החישובים.

מה ה-ADC מקבל ומחשב

ה-ADC מקבל כקלט את לחץ הפיטו, הלחץ הסטטי, והטמפרטורה החיצונית (OAT) (אם מותקן חיישן). מהשילוב הזה הוא מחשב ומציג:

• מהירות מכשירית (IAS), מהפרש לחצים

• מהירות אוויר אמיתית (TAS), לפי IAS + צפיפות אוויר (גובה + טמפרטורה)

• גובה ברומטרי (Barometric Altitude), מהלחץ הסטטי

• גובה צפיפות (Density Altitude), תוך התחשבות בטמפ׳

• שיעור הטיפוס/הנמכה, מקצב השינוי בלחץ הסטטי

• בנוסף, ב-PFD מוצגים trend vectors – חצים בצבע מגנטה (סגול בהיר) שמציגים את המהירות/גובה הצפויים בעוד 6 שניות.

הפלטים של ה-ADC מגיעים ל-PFD.

בהינתן GPS פעיל, ה PFD יודע לחשב ולהציג גם מהירות קרקעית, וכיוון ומהירות הרוח.

כשלים ב-Glass Cockpit

העקרונות הפיזיקאליים זהים למכשור אנלוגי. סתימת פיטו או סטטי משפיעה בדיוק אותה השפעה על הקריאות של מד המהירות, מד הגובה, ומד שיעור טיפוס/הנמכה.

כמו במכשור אנלוגי: נדרש לטוס לפי מצבי אף וסל״ד.

תקלת חשמל כללית

כדאי להכיר שחלק מהמחוונים האנלוגיים (six pack) באז״מים מודרניים מוזנים באמצעות חשמל. בתקלת חשמל כללית, הם עלולים להפסיק לעבוד (ולהראות אפס).

לחלק מסוגי ה Glass Cockpit, דוגמת גארמין, יש סוללת גיבוי (backup battery) המיועדת בדיוק למקרים הללו. במטוסים שאין סוללת גיבוי יש דרישה לכמה מחוונים אנלוגיים לגיבוי.

בדיקת מד המהירות בריצת ההמראה

במהלך ריצת ההמראה יש לוודא שמד המהירות מגיב ושהקריאה עולה באופן סביר עם האצת המטוס  ״מהירות נבנית״. (זו בדיקת תפקוד קריטית, המאפשרת לזהות בעיה בעוד המטוס על הקרקע, לפני שמתחייבים לטיסה.

בדיקה שמד המהירות מגיב מוכיחה שכיסוי הפיטו הוסר שכן הגורם הנפוץ ביותר לצינור פיטו סתום הוא שהכיסוי לא הוסר. בנוסף, הבדיקה מאפשרת לזהות חסימות אחרות - חרק, קרח, גוף זר.

מה לבדוק? - באז״מ טיפוסי מד המהירות אמור להתחיל להגיב לכל היותר באזור ה 20 קשרים בתצוגה דיגיטאלית ואף מוקדם יותר במחוון מכאני. אם המטוס מאיץ ומד המהירות עדיין על אפס - הפסיקו המראה.

מומלץ לשוב ולקרוא בהקשר זה את טיפ 7/26 בנושא בדיקות לפני המראה ובמהלך ריצת המראה.

רוח משבית ומד המהירות

שאלה נפוצה: האם משב רוח משפיע על קריאת מד המהירות? התשובה היא כן, ובאופן ישיר ומיידי.

הפיזיקה

מד המהירות מודד מהירות ביחס לגוש האוויר בו המטוס נמצא (Indicated Airspeed) ולא למהירות הקרקעית. כשמשב רוח נגדי פוגע במטוס, הרוח מגדילה את המהירות היחסית של האוויר על הפיטו, הלחץ הדינמי עולה והמהירות המוצגת במד קופצת מעלה. כשהמשב שוכך פתאום, הלחץ הדינמי צונח והמהירות המוצגת נופלת.

ההשלכה: גישה לנחיתה בתנאי משבים

בפיינל במשבים, מד המהירות עלול להציג תנודות בין אינדיקציות שונות. המד עצמו תקין. הוא מדווח נכון על שינויים אמיתיים באוויר, אך מדובר בשינויים רגעיים.

זו אחת הסיבות שאנחנו מוסיפים למהירות חצי מרכיב המשב.

ראו על כך את טיפ 22/26 בנושא רכיב המשב (gust factor)

סיכום

מערכת הפיטו-סטטי משפיעה על שלושה מכשירים קריטיים במטוס : מד המהירות, מד הגובה ומד שיעור הטיפוס/הנמכה. חשוב לבדוק את הפתח הסטטי ואת צינור הפיטו היטב בבדיקות לפני טיסה. חשוב להכיר את הגורמים, את התופעות ואת הדרך לטפל בתקלות נפוצות.

חומר קריאה נוסף

FAA: Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge (PHAK), Chapter 8: Flight Instruments — עמ' 8-1 עד 8-14. 

Bold Method : Understanding Pitot-Static Failures In Flight 

מנע את הסיכונים בשליטתך וטוס בביטחה