לשמור בבטן....(המטוס)
עם התפתחות כלי הטיס והחימושים שהם מסוגלים לשאת, עובדים כיום ברפאל על שיפור רהיטות ההטלה עם דגש על תאי חימוש המאפיינים את מטוסי הקרב החדשים
הגנה לישראל
| 19/05/2011
משחר ההיסטוריה, עוד לפני המצאת התעופה הממונעת, שאפו בני האדם "לכבוש את האוויר" לצורך צבירת יתרונות שונים, ביניהם יתרונות צבאיים. השימוש הצבאי בתעופה התמקד תחילה במודיעין ובקבלת תמונה אווירית של שדה הקרב, כפי שנעשה למשל בשימוש בכדורים פורחים במלחמות נפוליאון (1815-1799) ובמלחמת האזרחים האמריקנית (1865-1861). הפוטנציאל האמיתי של התעופה לשימושים צבאיים נחשף רק במלחמת העולם הראשונה (1918-1914), באמצעות הצפלינים המפציצים של גרמניה ובהמשך על ידי מטוסים אשר טייסיהם זרקו פצצות מתוך תא הטייס.
ההפצצה הראשונה מהאוויר אירעה בשנת 1911 על ידי טייס איטלקי בלוב, אשר בניגוד לדעת מפקדיו המריא במטוסו יחד עם רימון יד שמשקלו 2 ק"ג. בהפצצה זו לא היו נפגעים. השימוש בתעופה צבאית הבשיל במלחמת העולם השנייה (1945-1939), אשר בתקופתה חלה התפתחות דרמטית בטכנולוגיית המטוסים ובנשק האווירי (הופעת מטוסי הסילון הראשונים, שימוש במפציצי ענק וכדומה). במלחמה זו היה חיל-האוויר הגרמני (ה"לופטוואפה") החלוץ בשימוש במפציצים, זאת במסגרת פיתוח תורת לחימה הידועה בשם "בליץ-קריג" (מלחמת בזק) והמבוססת על תנועה והתקדמות מהירה של המטוסים תוך ניצול כוח אש גדול לצורך שבירת קווי ההגנה של היריב.
ניתן לומר כי במלחמת העולם השנייה הכריע הכוח האווירי את גורלם של קרבות רבים, אם לא את גורל המלחמה כולה. מאז ועד היום, שיגור אווירי של חימוש (בשילוב יכולות מתקדמות אחרות) מספק לרוב עליונות אסטרטגית וטקטית, והוא מהווה חלק מהותי בטכנולוגיית התעופה הצבאית. כיום מקובלות בתעופה הצבאית מספר צורות לנשיאת חימוש על מטוסים. הצורה המקובלת ביותר היא נשיאה חיצונית למטוס - על גבי הכנפיים או בגחון המטוס.
אחד החסרונות בחימוש הנישא חיצונית למטוס טמון בכך שהוא מוסיף בממוצע כ-30 אחוז לגרר הכולל של כלי הטיס הנושא, ולכן פוגע בצורה ניכרת בטווח ובביצועי המטוס. כמו כן, חימוש זה גורם להגברה משמעותית של חתימות המכ"ם ולפגיעה בחשאיות ובחמקנות המטוס. בגלל גורמים אלה תוכננו מטוסי הקרב החדשניים העכשוויים (F117-A), העתידיים (למשל מטוס F35-JSF) והמל"טים כך שהם יכללו תאים פנימיים לנשיאת חימוש. נשיאה של חימוש בתאים פנימיים (ב"בטן המטוס") הופכת בשנים האחרונות למקובלת יותר, אך מצד שני היא גוררת בעיות אחרות כגון הגדלת נפח המטוס הנושא, הגבלות קשות מאוד על גיאומטריית החימושים (נפח מוגבל בתא החימוש) ועוד. בין אם החימוש נישא חיצונית למטוס או "בבטן המטוס", יש להבטיח כי השיגור (אם מדובר בטיל) או ההטלה (אם מדובר בפצצה) יהיו רהוטים - כלומר יֵצאו מהמטוס בצורה "חלקה" וללא פגיעה בחלקי המטוס.
שיגור רהוט או הטלה רהוטה מוגדרים כך שהמרחק המינימלי בין כל חלק בטיל או הפצצה לבין כל חלק במטוס אינו קטן מאינץ' אחד במהלך שלב ההטלה. במקרה של שיגור או הטלה לא רהוטים, תיתכן במקרה הטוב פגיעה בתקינות המשימה של הטיל, ובמקרה החמור סכנה ממשית לחיי הטייס. לכן, דיוק ואמינות של רהיטות השיגור הינם נדבכים קריטיים בפיתוח החימוש האווירי. עם התפתחות המטוסים ואיתם החימושים שהם יכולים לשאת, עלה הצורך בשיטות הוכחה ואנליזה של רהיטות ההטלה. מדובר באחד השלבים הקשים והמאתגרים ביותר בהנדסה אווירונאוטית.
בתחילה (בין השנים 1960-1950) התבססה שיטת ההוכחה על ניסויי טיסה שבהם הטייסים שיגרו את הטילים במהירויות הולכות וגדלות ובגבהים הולכים ויורדים עד אשר הטיל פגע במטוס. שיטה זו, הנקראת Build-up, הינה מסוכנת ביותר ואף גרמה לאיבוד מספר מטוסים. נוסף לכך היא שיטה יקרה מאוד. בהמשך (1970-1960), פותחה שיטת הוכחה המתבססת על ניסויי מנהרת רוח. במנהרת הרוח ניתן לדמות תנאי טיסה שונים על ידי הזרמת אוויר על פני דגם מוקטן של המטוס והטיל. הטלה של פצצה מדומה באמצעות זרוע רובוטית המודדת את העומסים האווירודינמיים הפועלים על הטיל ומזיזה את הטיל בהתאם. שיטה זו זולה יותר מניסויי טיסה, אך עדיין יקרה מאוד ולא בהכרח מדויקת, שכן נוכחות הזרוע הרובוטית ליד הדגם הקטן מפריעה לשדה הזרימה.
כיום, אנליזה של רהיטות ההטלה מבוצעת באמצעות סימולציות ממוחשבות של שלב השיגור. אנליזה מסוג זה כוללת בדרך כלל הערכה של האינטראקציות האווירודינמיות בין המטען למטוס ולבין המטענים השכנים, חישוב מסלולי שיגור, זיהוי מעטפת לשיגור בטוח וחיזוי פרמטרים נוספים כגון מיקום, מהירות, זוויות גוף וקצבים זוויתיים בסוף שלב הרהיטות. נתונים אלה משמשים לצורך תכנון מערכת הבקרה של הטיל ובדיקות שלה. העומסים האווירודינמיים בסימולציות אלה מתבססים על מספר בודד של ניסויי מנהרת רוח, או על חישוב מספרי של שדה הזרימה (CFD – Computational Fluid Dynamics). מעבר ליכולת הבנה מעמיקה של מאפייני שדה הזרימה, יש לשימוש ב- CFD פוטנציאל לחיסכון כספי עצום, שכן באמצעות יכולת זו ניתן לחסוך או לצמצם את השימוש בניסויי טיסה יקרים.
תחום תאימות במחלקת אווירודינמיקה ברפאל אחראי להגדרת מעטפות שיגור רהוטות ומלווה את מרבית הפרויקטים המוטסים ברפאל (טילי אוויר-אוויר, טילי אוויר-שטח, פודים ועוד) החל משלב בדיקות ההיתכנות וגיבוש הקונספט ועד לביצוע ניסויי טיסה. במהלך השנים האחרונות וכחלק מהיערכות בחיל-האוויר ובמשרד הביטחון לקליטת מטוסי הקרב החדשניים מדגם F35-JSF, מתקיים בתחום תאימות מחקר בנושא מאפייני זרימה ורהיטות שיגור מתאי חימוש. במסגרת המחקר הוקמה תשתית ניסויית הכוללת שני מערכי ניסויי מנהרת-רוח, האחד מתאים לזרימה תת-קולית (מספר מאך עד 0.3), והשני מתאים לזרימה עבר-קולית (מספר מאך בין 0.4 ל-1.2).
באמצעות מערכי הניסוי שהוקמו ניתן לבצע מדידות זרימה (מהירויות, לחצים וכדומה), כמו גם למדוד את הכוחות והמומנטים האווירודינמיים הפועלים על החימוש בעת יציאתו מתא החימוש. במסגרת המחקר פותחה גם תשתית חישובי זרימה (CFD) בתאי חימוש. הזרימה בתאי חימוש היא מנותקת ולא-תמידית, ושונה מהזרימה שאליה חשופים הטילים כאשר הם תלויים על כנף המטוס. זרימה זו יכולה להפיק רעש רב וכן לגרום לעומסים דינמיים גדולים על מרכיבי התא. חישוב הזרימה מאפשר לחזות ולהבין מהם מנגנוני הזרימה הדומיננטיים בתאי חימוש (השלת מערבולות, אינטראקציות אווירו-אקוסטיות, יציבות זרימה וכדומה). המחקר בחמש השנים האחרונות הביא אותנו לחזית הטכנולוגיה ואנחנו נערכים לשימוש בתאי חימוש אשר מידַפֵּקים על דלתותינו עם פיתוח מטוסי הקרב החדשים, הן מהיבטים של תכנון החימוש והן מהיבט של תשתיות לניתוח רהיטות השיגור מתאי חימוש אלה.
***
הכתבה תפורסם בקרוב בביטאון הפנימי של חברת רפאל
משחר ההיסטוריה, עוד לפני המצאת התעופה הממונעת, שאפו בני האדם "לכבוש את האוויר" לצורך צבירת יתרונות שונים, ביניהם יתרונות צבאיים. השימוש הצבאי בתעופה התמקד תחילה במודיעין ובקבלת תמונה אווירית של שדה הקרב, כפי שנעשה למשל בשימוש בכדורים פורחים במלחמות נפוליאון (1815-1799) ובמלחמת האזרחים האמריקנית (1865-1861). הפוטנציאל האמיתי של התעופה לשימושים צבאיים נחשף רק במלחמת העולם הראשונה (1918-1914), באמצעות הצפלינים המפציצים של גרמניה ובהמשך על ידי מטוסים אשר טייסיהם זרקו פצצות מתוך תא הטייס.
ההפצצה הראשונה מהאוויר אירעה בשנת 1911 על ידי טייס איטלקי בלוב, אשר בניגוד לדעת מפקדיו המריא במטוסו יחד עם רימון יד שמשקלו 2 ק"ג. בהפצצה זו לא היו נפגעים. השימוש בתעופה צבאית הבשיל במלחמת העולם השנייה (1945-1939), אשר בתקופתה חלה התפתחות דרמטית בטכנולוגיית המטוסים ובנשק האווירי (הופעת מטוסי הסילון הראשונים, שימוש במפציצי ענק וכדומה). במלחמה זו היה חיל-האוויר הגרמני (ה"לופטוואפה") החלוץ בשימוש במפציצים, זאת במסגרת פיתוח תורת לחימה הידועה בשם "בליץ-קריג" (מלחמת בזק) והמבוססת על תנועה והתקדמות מהירה של המטוסים תוך ניצול כוח אש גדול לצורך שבירת קווי ההגנה של היריב.
ניתן לומר כי במלחמת העולם השנייה הכריע הכוח האווירי את גורלם של קרבות רבים, אם לא את גורל המלחמה כולה. מאז ועד היום, שיגור אווירי של חימוש (בשילוב יכולות מתקדמות אחרות) מספק לרוב עליונות אסטרטגית וטקטית, והוא מהווה חלק מהותי בטכנולוגיית התעופה הצבאית. כיום מקובלות בתעופה הצבאית מספר צורות לנשיאת חימוש על מטוסים. הצורה המקובלת ביותר היא נשיאה חיצונית למטוס - על גבי הכנפיים או בגחון המטוס.
אחד החסרונות בחימוש הנישא חיצונית למטוס טמון בכך שהוא מוסיף בממוצע כ-30 אחוז לגרר הכולל של כלי הטיס הנושא, ולכן פוגע בצורה ניכרת בטווח ובביצועי המטוס. כמו כן, חימוש זה גורם להגברה משמעותית של חתימות המכ"ם ולפגיעה בחשאיות ובחמקנות המטוס. בגלל גורמים אלה תוכננו מטוסי הקרב החדשניים העכשוויים (F117-A), העתידיים (למשל מטוס F35-JSF) והמל"טים כך שהם יכללו תאים פנימיים לנשיאת חימוש. נשיאה של חימוש בתאים פנימיים (ב"בטן המטוס") הופכת בשנים האחרונות למקובלת יותר, אך מצד שני היא גוררת בעיות אחרות כגון הגדלת נפח המטוס הנושא, הגבלות קשות מאוד על גיאומטריית החימושים (נפח מוגבל בתא החימוש) ועוד. בין אם החימוש נישא חיצונית למטוס או "בבטן המטוס", יש להבטיח כי השיגור (אם מדובר בטיל) או ההטלה (אם מדובר בפצצה) יהיו רהוטים - כלומר יֵצאו מהמטוס בצורה "חלקה" וללא פגיעה בחלקי המטוס.
שיגור רהוט או הטלה רהוטה מוגדרים כך שהמרחק המינימלי בין כל חלק בטיל או הפצצה לבין כל חלק במטוס אינו קטן מאינץ' אחד במהלך שלב ההטלה. במקרה של שיגור או הטלה לא רהוטים, תיתכן במקרה הטוב פגיעה בתקינות המשימה של הטיל, ובמקרה החמור סכנה ממשית לחיי הטייס. לכן, דיוק ואמינות של רהיטות השיגור הינם נדבכים קריטיים בפיתוח החימוש האווירי. עם התפתחות המטוסים ואיתם החימושים שהם יכולים לשאת, עלה הצורך בשיטות הוכחה ואנליזה של רהיטות ההטלה. מדובר באחד השלבים הקשים והמאתגרים ביותר בהנדסה אווירונאוטית.
בתחילה (בין השנים 1960-1950) התבססה שיטת ההוכחה על ניסויי טיסה שבהם הטייסים שיגרו את הטילים במהירויות הולכות וגדלות ובגבהים הולכים ויורדים עד אשר הטיל פגע במטוס. שיטה זו, הנקראת Build-up, הינה מסוכנת ביותר ואף גרמה לאיבוד מספר מטוסים. נוסף לכך היא שיטה יקרה מאוד. בהמשך (1970-1960), פותחה שיטת הוכחה המתבססת על ניסויי מנהרת רוח. במנהרת הרוח ניתן לדמות תנאי טיסה שונים על ידי הזרמת אוויר על פני דגם מוקטן של המטוס והטיל. הטלה של פצצה מדומה באמצעות זרוע רובוטית המודדת את העומסים האווירודינמיים הפועלים על הטיל ומזיזה את הטיל בהתאם. שיטה זו זולה יותר מניסויי טיסה, אך עדיין יקרה מאוד ולא בהכרח מדויקת, שכן נוכחות הזרוע הרובוטית ליד הדגם הקטן מפריעה לשדה הזרימה.
כיום, אנליזה של רהיטות ההטלה מבוצעת באמצעות סימולציות ממוחשבות של שלב השיגור. אנליזה מסוג זה כוללת בדרך כלל הערכה של האינטראקציות האווירודינמיות בין המטען למטוס ולבין המטענים השכנים, חישוב מסלולי שיגור, זיהוי מעטפת לשיגור בטוח וחיזוי פרמטרים נוספים כגון מיקום, מהירות, זוויות גוף וקצבים זוויתיים בסוף שלב הרהיטות. נתונים אלה משמשים לצורך תכנון מערכת הבקרה של הטיל ובדיקות שלה. העומסים האווירודינמיים בסימולציות אלה מתבססים על מספר בודד של ניסויי מנהרת רוח, או על חישוב מספרי של שדה הזרימה (CFD – Computational Fluid Dynamics). מעבר ליכולת הבנה מעמיקה של מאפייני שדה הזרימה, יש לשימוש ב- CFD פוטנציאל לחיסכון כספי עצום, שכן באמצעות יכולת זו ניתן לחסוך או לצמצם את השימוש בניסויי טיסה יקרים.
תחום תאימות במחלקת אווירודינמיקה ברפאל אחראי להגדרת מעטפות שיגור רהוטות ומלווה את מרבית הפרויקטים המוטסים ברפאל (טילי אוויר-אוויר, טילי אוויר-שטח, פודים ועוד) החל משלב בדיקות ההיתכנות וגיבוש הקונספט ועד לביצוע ניסויי טיסה. במהלך השנים האחרונות וכחלק מהיערכות בחיל-האוויר ובמשרד הביטחון לקליטת מטוסי הקרב החדשניים מדגם F35-JSF, מתקיים בתחום תאימות מחקר בנושא מאפייני זרימה ורהיטות שיגור מתאי חימוש. במסגרת המחקר הוקמה תשתית ניסויית הכוללת שני מערכי ניסויי מנהרת-רוח, האחד מתאים לזרימה תת-קולית (מספר מאך עד 0.3), והשני מתאים לזרימה עבר-קולית (מספר מאך בין 0.4 ל-1.2).
באמצעות מערכי הניסוי שהוקמו ניתן לבצע מדידות זרימה (מהירויות, לחצים וכדומה), כמו גם למדוד את הכוחות והמומנטים האווירודינמיים הפועלים על החימוש בעת יציאתו מתא החימוש. במסגרת המחקר פותחה גם תשתית חישובי זרימה (CFD) בתאי חימוש. הזרימה בתאי חימוש היא מנותקת ולא-תמידית, ושונה מהזרימה שאליה חשופים הטילים כאשר הם תלויים על כנף המטוס. זרימה זו יכולה להפיק רעש רב וכן לגרום לעומסים דינמיים גדולים על מרכיבי התא. חישוב הזרימה מאפשר לחזות ולהבין מהם מנגנוני הזרימה הדומיננטיים בתאי חימוש (השלת מערבולות, אינטראקציות אווירו-אקוסטיות, יציבות זרימה וכדומה). המחקר בחמש השנים האחרונות הביא אותנו לחזית הטכנולוגיה ואנחנו נערכים לשימוש בתאי חימוש אשר מידַפֵּקים על דלתותינו עם פיתוח מטוסי הקרב החדשים, הן מהיבטים של תכנון החימוש והן מהיבט של תשתיות לניתוח רהיטות השיגור מתאי חימוש אלה.
***
הכתבה תפורסם בקרוב בביטאון הפנימי של חברת רפאל
