מדינת ישראלדיווח טלפוני מיידי על תאונה או תקרית חמורה 24 שעות ביממה:050-6212329
משרד החוקר הראשי
עמוד הביתבטיחות טיסהחשיבות חישוב מרכז הכובד

חשיבות חישוב מרכז הכובד

הערת המתרגם: לאלה מאיתנו שהנושא התחיל והסתיים במסגרת המבחנים התיאורטיים לקבלת רישיון הטיס, הנה עוד כמה הסברים שיעלו את המודעות לחשיבות הנושא. המאמר מאיר נקודות, שאיננו ערים להן, תוך כדי התפעול המעשי של המטוס - מרכז כובד קדמי, או אחורי והשפעתם על הטיסה והתפעול שלנו.

האחים רייט הצליחו כיוון ששילבו שני אלמנטים חיוניים בתכנון המטוס: שליטה ויציבות. ווילבור ואורוויל השיגו שליטה באמצעות תכנון ראשוני, שהתפתח למה שמשמש היום בכמעט כל המטוסים בעל כנף קבועה - מערכת העושה שימוש ביציבות מתוכננת במטוס. יכולת שליטה אינה יכולה להתקיים ללא כמה אמצעי יציבות, כשהיציבות עצמה מושפעת על ידי כמה גורמים.
משתנה אחד - מיקום מרכז הכובד (CG - Center of Gravity) - אפילו עובר שינוי במשך הטיסה.

מתי לאחרונה חישבתם משקל ואיזון של המטוס? איזו השפעה מעשית הייתה לידיעה של מיקום מרכז הכובד על תכנון הטיסה שלכם? מה קרה ליציבות המטוס לאחר שצרכתם דלק בטיסה?

חישוב העומס

באמצעות חישוב מיקום מרכז הכובד  (CG) אתם יכולים לצפות כיצד יתפקד המטוס. בכמה מטוסים התפקוד יכול להשתנות מאוד בשינויים של מיקום מרכז הכובד. יתרה מכך, אם מרכז הכובד יהיה מעבר למגבלות התכנון, עלול המטוס להיות חסר שליטה לחלוטין.

כיצד מיקום מרכז הכובד משפיע על שליטה, אפילו בתוך המעטפת המורשית?

מרכז כובד קדמי
ככל שמרכז הכובד קדמי יותר, כך גדלה הנטייה לחלץ את המטוס מההפרעה של מערבולת, או הזזת הגה. הזזת מרכז כובד קדימה מגדילה את היציבות. נתון זה הוא בדרך כלל טוב (במיוחד בטיסת מכשירים), אולם אפילו בתוך מעטפת מרכז הכובד, למרכז כובד קדמי ישנם מעט השפעות על הביצועים כולל:
  • צורך בכוח נוסף של הגה הגובה - ולפיכך יותר מהירות - להרמת האף להמראה. המשמעות של גורם זה שיידרש מסלול ארוך יותר להשגת מהירות שליטה - כוח
  • למהירות נתונה, הטיית הגה גדולה יותר לשמירת מצב עלרוד. הטיית הגה גדולה יותר מגדילה את הגרר האווירודינאמי ומקטינה את הביצועים
  • במרבית משטרי הטיסה, הגדלת הכוח על הזנב כלפי מטה, כדי להתנגד לנטיית האף לרדת, גורמת להגדלת הגרר ובעקיפין, טיסה בזוית התקפה גדולה יותר למהירות נתונה. שני גורמים המקטינים יותר את הביצועים
  • מהירות שיוט מופחתת להספק נתון ומשקל מטוס, מאותן הסיבות
  • נדרש הספק מוגדל (וצריכת דלק) להשגת מהירות שיוט נתונה
  • צורך בתוספת הגה גובה מעלה בהצפה לנחיתה
חשוב לציין שכל הגורמים הללו מתרחשים אפילו כאשר מרכז הכובד הינו בתחום המגבלות המורשות. אם המטוס מועמס, מעבר למגבלות, בקצה הקדמי של המעטפת המותרת, עשוי המטוס להיות כה יציב, שאפילו הטיה מלאה של ההגה אינה מספיקה להתגברות על נטיית אף מטה. מעשית המטוס הופך ליציב מדי להטסה. העמסת מרכז כובד קדמי, הניתנת לשליטה בטיסה עם זרימת אוויר גדולה על הגה הגובה, עשויה להפוך אף כבד לבלתי ניתן לשליטה, ככל שהמטוס מאט ויעילות ההגה עובדת. מטוס עם אף כבד עשוי לנוע מהר יותר לקראת תחילת המסלול, או לנחות בכבדות על גלגל האף, כאשר יעילות השליטה אובדת בהצפה.

מהו אף כבד אופייני?

כמה תכנוני מטוסים הם באופן טבעי בעלי אף כבד, בפרט מטוסים עם מדחס גידוש, בגלל המשקל של ציוד הדיחוס המותקן לפני קיר האש. במיוחד אם אין נוסעים, או מטען בתא המטען האחורי של המטוס. כמה שלדות מטוס קצרות גם הן בעלות אף כבד ללא נוסעים במושב האחורי, או מטען.

מרכז כובד אחורי

ככל שמרכז הכובד זז אחורנית, יש פחות מרחק בין מרכז הכובד ומרכז העילוי והמטוס הופך פחות יציב. בצורה קיצונית נמצאים מטוסי הקרב, המתוכננים להיות בלתי יציבים לחלוטין לצורך תמרון מירבי. מטוסים אלה תלויים בשליטה מונחית מחשב ל"יצירת" יציבות לשליטה במטוס.
למרות שיציבות מופחתת מגדילה את יכולת התמרון, מרכז כובד אחורי גם הוא משפיע על גורמים אלו:
  • נטייה להרמת אף מוקדמת בהמראה ועלרוד מוגזם כתגובה לתשומת טייס "נורמאלית" בהמראה. נטיות אלה גורמים למטוס לאפשרות סבירה להזדקר ומגדילים  את הגרר המקטין את ביצועי הטיפוס ההתחלתיים
  • אם המטוס מופרע על ידי מערבולת, הוא לא יחזור לטיסה יציבה, אלא עשוי "לצוד את העילרוד", שיצור תשומות אקטיביות יותר של היגוי על ידי הטיס. מטוס על מרכז כובד אחורי הינו מטוס בעל עומס עבודה גבוה יותר בהטסה מדוייקת - פעול איזון בלתי יציבה
  • בהאטה לנחיתה, יתכן ויידרש הגה גובה להורדת אף למניעת נטייה לאף מעלה. אם מופעלות תשומות "נורמאליות" של שליטה, סביר שהמטוס יגדיל את זווית ההתקפה וינחת קצר, או יזדקר
  • מטוס בעל זנב כבד יצא מקיזוז בזווית התקפה נמוכה בשיוט ומהספק נתון ולכן הוא יטוס מהר יותר מאשר אותו מטוס בעל מרכז כובד קדמי
אם מרכז כובד אחורי ממעטפת העומס המאושרת, עלול המטוס להיות בלתי יציב ולא ניתן יהיה להטיסו בביטחה. ההשפעה עלולה  היות מובהקת יותר במהירויות נמוכות, כגון נחיתה, כאשר זרימת אוויר מופחתת גורמת להגה הגובה להיות פחות יעיל.

מהו זנב כבד אופייני?

מטוסים עם אזורי מטען גדולים ומטוסים עם גוף ארוך, עם מושבים בקירבת החלק האחורי של התא, מועמסים, בדרך כלל, בקירבת (או מעבר) למגבלת מרכז הכובד האחורי שלהם.

כולנו למדנו לחשב מיקום מרכז כובד כחלק מהדרכת הטיס שלנו. אולם כמה מאיתנו למדו לחשב משקל ואיזון לא רק למצב המראה, אלה גם למצב נחיתה צפוי? ניתן להעמיס הרבה מטוסים בתחום המגבלות להמראה, ולצאת ממעטפת מרכז הכובד לאחר שכמות מסויימת של דלק נצרכה מהמיכלים.
הפתעתי שוכרי ססנה 172, שטסתי איתם בתור מדריך בקריירת ההדרכה המוקדמת שלי, על ידי שהראיתי להם שהמטוס היה בטוח בתוך המגבלות עם דלק ושני אנשים במושבים האחוריים. אולם, לאחר צריכה של כמחצית מהדלק בטיסה, זז מרכז הכובד אל מאחורי המגבלה האחורית בצורה מסוכנת.

כיוון שמרבית המטוסים נושאים את הדלק שלהם בחלק הקדמי של הכנף, נפוץ מאוד שמרכז הכובד זז אחורה עם צריכת הדלק. תכנון מטוס ייחודי ומיכלי דלק אופציונאליים עלולים לסבך חוק זה.

תרגיל

בשימוש בנתוני משקל ואיזון למטוס שאתם מטיסים עם עומס נוסעים ומטען נתונים, חשבו את מרכז הכובד עם דלק מלא, חצי מהדלק ואפס דלק. ראו לאן זז מרכז הכובד עם צריכת הדלק והאם הוא יזוז אל מעבר למגבלה כאשר יועמס ועדיין יש דלק במיכלים. אם כן, ביססתם עכשיו טווח מטוס קצר יותר (כולל רזרבה) לפני שאתם צריכים לנחות לתדלוק, כדי לשמור יכולת שליטה.

דעו מגבלותיכם

אם אתם בתוך מעטפת, אולם קרובים למגבלת מרכז כובד קדמי, יידרש למטוס מסלול ארוך יותר להמראה, ויד חזקה כדי להיכנס למצב טיפוס. אולם, המטוס יהיה יציב יותר במערבולת, נתון שיתן חנוסעים שלכם (ולכם) טיסה חלקה יותר. נצלו את היתרון של מרכז כובד קדמי ותכננו עצירות תדלוק ושהמטען שלכם יהיה קרוב למגבלה הקדמית, כאשר אתם טסים במזג אוויר קשה ובקרבת הרים.
אם האוויר "חלק", אתם יכולים לתכנן מרכז כובד אחורי, אולם בתוך המגבלה, למהירות שיוט גדולה יותר. בכל מצב, קחו בחשבון השפעות צריכת דלק על מרכז כובד וודאו שעדיין תהיו בתוך המעטפת בצורה בטוחה בסיום המסע, כולל אם יידרש, טיסה לשדה אלטרנטיבי.

ישנם טייסים האוהבים מטוסים "יציבים", במיוחד לטיסת מכשירים. אחרים אוהבים מטוסים "ניתנים לתמרון". הטיפוסים "היציבים", מחשיבים מטוסים בעלי יכולת תמרון כ"מוזרים", בעוד ציבור "הניתנים לתמרון" אומרים שהמטוסים היציבים "טסים כמו משאית". מה של תהיה העדפתכם, הדרך בה המטוס מתפקד במרביתה הינה פונקציה של מרכז הכובד שלו.

נכתב על ידי Thomas P. Turner, תורגם על ידי איציק מה-יפית, מתוך AV web מתאריך 26/05/2008

 

הודעות החוקר הראשי

רביעי, 11 אוקטובר 2017
השתבשות נחיתה של מרחף ופגיעה קשה בקרקע (69-17)
מס' הודעה: 1202 | מידע על אירוע בטיחותי מס' 69-17 לגבי תאונת מרחף באתר הרחיפה במבוא חמה בתאריך 4.8.2017
קרא עוד...השתבשות נחיתה של מרחף ופגיעה קשה בקרקע (69-17)
רביעי, 11 אוקטובר 2017
קנגורו בנחיתה ונזק לקדמת המטוס (68-17)
מס' הודעה: 1201 | מידע על אירוע בטיחותי מס' 68-17 לתאונה שארעה למטוס טכסן HYN, בתאריך 10.10.2017 במנחת ראשון.
קרא עוד...קנגורו בנחיתה ונזק לקדמת המטוס (68-17)
שני, 09 אוקטובר 2017
אובדן שליטה ונפילה לשטח סבוך (66-17)
מס' הודעה: 1200 | מידע על אירוע בטיחותי מס' 66-17 לתקרית שארעה בתאריך 7.10.2017 למרחף שיצא מאתר הר האר"י.
קרא עוד...אובדן שליטה ונפילה לשטח סבוך (66-17)
לכל הודעות החוקר הראשי
למעלה