בטאון איגוד הטייסים בישראל
The Israeli pilots' Association (ISRALPA) magazine

גליון 07/2024

חיתחות (Turbulence): תופעה מסוכנת ומתעצמת

תיאור ממצה של התופעה התעופתית המסוכנת, שגרמה למותו של נוסע ולפציעתם של רבים בטיסת סינגפור אירליינס בחודש מאי * ההתחממות הגלובאלית צפויה לגרום להרבה יותר אזורי חיתחות ולהגביר את עוצמתו * ניתן לדמות את התרחיש לנסיעה ברכבת הרים, בפארק שעשועים
Picture of קברניט אילן מנחם

קברניט אילן מנחם

כולנו נחשפנו, מן הסתם, לדיווחים במדיה על התאונה שאירעה ב-21.5.2024 בטיסה 321 של סינגפור אירליינס Singapore Airlines. המטוס מדגם B773, שהיה בטיסה מלונדון לסינגפור כשעל סיפונו 229 נוסעים ואנשי צוות, נקלע לחיתחות חמור (Severe Turbulence), באוויר צח, מעל ים אנדמן, במרחב האווירי של מיאנמר. כתוצאה מאירוע החיתחות, שנמשך כדקה, נפצעו עשרות נוסעים, בדרגות חומרה שונות, לרבות פציעות קשות. אחד הנוסעים, אזרח בריטי בן 73, נפטר, ככל הנראה מהתקף לב. לתא הנוסעים נגרמו נזקים. הצוות ביצע נחיתת חירום בבנגקוק. האירוע הוגדר כתאונה ורשות החקירה של סינגפור פתחה בחקירה. בעקבות הנזקים הקשים המטוס נותר בבנגקוק במשך 5 ימים ולאחר מכן ביצע טיסת העברה לסינגפור, שם קורקע להמשך התיקונים.

כך נראה אחד המטבחים, אחרי התאונה

כך נראתה תקרת הקבינה, אחרי שנוסעים נחבטו בה

תופעת החיתחות בתעופה, היא משמעותית, הרבה מעבר לפגיעה, בנוסעים ובצוות. במאמר זה ננסה לסקור את התופעה ואת השפעותיה על התעופה המסחרית.

הגדרה:

חיתחות (ערבולת) הינו טלטלה של כלי טיס בזמן טיסה, כתוצאה ממערבולות אויר. ‏מערבולות נגרמות על-ידי תנועה יחסית של אוויר מופרע (Disturbed) שדרכו מטוס טס. מקור התנועה עשוי להיות תרמי או מכני והיא עשויה להתרחש בתוך ‏‏ענן‏‏ (CIT) או מחוצה לו (CAT).

השפעות החיתחות על התעופה המסחרית:

חיתחות נחשב גורם סיכון משמעותי לתעופה, בכך שהוא עלול לגרום לפציעת נוסעים ואנשי צוות ונזקים למטוס. פרסום של NTSB שסיכם את כל אירועי החיתחות המדווחים בין השנים 2009 ל-2022 (13 שנה) בארה"ב, מראה כי היו פחות מ-10 אירועים בממוצע בשנה, בהם נפצעו קשה 163 בני אדם, מתוכם 129 אצד"א. ממסמך אחר, של FAA על כי נפטרו במהלך אירועי חיתחות בממוצע נוסע אחד בכל 8 שנים. אירועי חיתחות גורמים נזקים כלכליים לחברות התעופה, בדמות פיצויים לנפגעים, ימי עבודה אבודים של אנשי צוות, תיקונים למטוסים ועוד.

נזקים כלכליים נוספים לענף התעופה, נובעים מהצורך להימנע מכניסה לאזורי חיתחות חזויים. מכיוון שחיזוי אזורי חיתחות באוויר צח, אינו מדויק דיו, חברות התעופה נאלצות לתכנן נתיבים שאינם בהכרח אופטימליים. ההערכה הינה שכ-5% מהטיסות מתוכננות בנתיבים לא אופטימליים, בכדי להימנע מאזורי חיתחות חמור. מחקרים שונים העלו כי שיפור אמצעי החיזוי, של אזורי חיתחות, הן מראש והן בזמן אמת, יכול למנוע 15% מהסטיות מהנתיבים האופטימליים. מכיוון שמדובר בתעשייה ש"שורפת" דלק ויוצרת זיהום אוויר, נקל לתאר כמה אפשר היה לחסוך בכסף ובזיהום, אילו אמצעי החיזוי היו טובים יותר.

סוגי חיתחות:

החיתחות, כתופעת מזג אוויר, מתחלק לשתי קבוצות עיקריות – חיתחות בתוך ענן וחיתחות באוויר צח.

חיתחות בתוך ענן נגרם מזרמי אוויר עוצמתיים, עולים ויורדים, אשר מביאים להיווצרות הענן עצמו. ניתן לכנות אותו, על פי הגורם להיווצרותו – CIT-Convection Induced Turbulence ("חיתחות כתוצאה מהסעה").

חיתחות באוויר נקי, הוא כל חיתחות שאינו בתוך ענן והוא מכונה CAT-Clear Air Turbulence.

הגורמים העיקריים להיווצרות CAT:

  • זרמי סילון (Jet Streams) – רוחות ברום בעוצמה של מעל 75 קשר. חיתחות, הנובע מהפרשי עוצמות רוח, מופיע בעיקר בשולי הזרם, בצידו המופנה לקוטב הקרוב.
  • גזירות רוח (Turbulence Induced by High Wind Shears).
  • גלי הרים (Mountain Waves) – רוחות חזקות באזור פסגות הרים, יוצרות מערבולות אוויר, המתאפיינות לעיתים ב"ענני עדשה" (Altocumulus Lenticularis), או עננים "מעגליים" (Rotor Clouds).
  • שבר גלי גרביטציה (Breaking Gravity Waves Induced by Intense Convection) – זרמי אויר העוברים בין שכבות אטמוספירה, הנוצרים בעיקר באזורי חזיתות. כאשר זרם אוויר עולה מגיע לשכבה עם אוויר דליל, הוא מגביר את מהירותו. עקב אי האחידות של התווך, הזרמים "נשברים" ויוצרים חיתחות.
  • חיתחות מעל ענן (Above Cloud Turbulence) – מושפע מזרמי האוויר העולים והיורדים מחוץ ומעל הענן.
  • חיתחות בשכבת מעבר (Boundary Layer Turbulence) – אופייני לגבהים נמוכים. נובע מהשפעות של מכשולים על כיוון ועוצמת הרוח. משפיע בעיקר על מטוסים בסביבת שדה התעופה בהמראה או בנחיתה.

תצוגה גרפית של גורמי החיתחות בתעופה ( Marlton, G.J , אוניברסיטת רדינג, 2016)

Mountain Waves (Skybrar

בנוסף לחיתחות, הנובע מתנאים אטמוספריים, ישנם עוד סוגים של חיתחות, מסוכנים לא פחות, כגון מערבולות קצה כנף (Wake Vortex Turbulence).

היווצרות מערבולות קצה כנף (מתוך פרסום של ה-FAA)

הגדרת עוצמת החיתחות:

בנוסף לחיתחות, הנובע מתנאים אטמוספריים, ישנם עוד סוגים של חיתחות, מסוכנים לא פחות, כגון מערבולות קצה כנף (Wake Vortex Turbulence).

מקובל לסווג את עצמת החיתחות בארבע דרגות: Light, Moderate, Severe, Extreme. מתוך פרסום של ה-FAA

השפעת החיתחות על המטוס:

המטוס נע בתוך גוש אוויר. למטוס יש מהירות והתמדה, בכל הצירים, יחסית לגוש האוויר בתוכו הוא נע. המהירות האורכית נמדדת על ידי מדי המהירות של המטוס (לא אכנס לפירוט לגבי דיוק המכשירים או התיקונים שהמהירות מקבלת בדרכה מצינור הפיטו אל מכשירי המטוס). למטוס מהירות אוויר אמיתית, שהיא המהירות שהוא נע בתוך גוש האוויר והיא מחושבת ומוצגת לטייסים על צג הניווט. מהירות קרקעית, כפי שהיא מחושבת על ידי מערכות הניווט של המטוס.  

למטוס יש גם מהירות אנכית, יחסית לגוש האוויר ויחסית לפני הים. היא מיוצגת על ידי שיעור ההנמכה או הטיפוס. כאשר המטוס טס "ישרה ואופקית", באוויר יציב מהירותו האנכית, יחסית לגוש האוויר ויחסית לפני הים, היא אפס.

למטוס יש גם מהירות אופקית, יחסית לגוש האוויר. מכיוון שמטוסינו לא טסים הצידה, המהירות הזו שואפת לאפס.

המטוס לא מתייחס רק יחסית לגוש האוויר בו הוא נע. למטוס יש התמדה גם מול כדור הארץ, בכל המישורים. מטוס  בנתיב שואף לשמור גובה, ברמת דיוק מרבית. בטיסה ישרה ואופקית העומס המופעל על המטוס (גם על נוסעיו ועל הציוד שבתוכו) הוא 1g. המטוס גם שואף לשמור מהירות ונתיב קרקעי מדויק.

מטוסים חווים חיתחות, בכל טיסה ולמעשה לכל אורך הטיסה. לרוב התופעה מוגבלת לשינויים קלים מאד בעומס, בגובה, במהירות או בפרמטרים אחרים. הנוסעים והצוות לרוב אינם מרגישים זאת ואינם נדרשים לבצע כל פעולה.

כאשר המטוס נע בתוך אוויר בלתי יציב, או עובר בין אזורים להם יש מהירויות אנכיות או אופקיות שונות, לחצים או טמפרטורות שונים, הדבר משפיע עליו. כניסה לאזור בו יש זרם אוויר עולה, או שמהירותו האנכית שונה משל האזור ממנו המטוס הגיע, תגרום לגוש האוויר להתרומם, כאשר המטוס בתוכו. מערכות המטוס יחושו שהמטוס מטפס וינסו לתקן. התנועה ראשונית של הטיפוס תגרום לעלייה בעומס (g) על המטוס. פעולת התיקון תגרום לירידה בעומס.

כאשר המטוס עובר באזורים בהם יש גזירות רוח, עלולים לחול שינויים במהירותו, יחסית לגוש האוויר. במידה ומהירותו המכשירית תרד משמעותית, עלולה להיות פגיעה בעילוי, שתגרום לנטייה להנמיך. עלייה במהירות תגרום לנטייה לטפס. גם בכך, מערכות המטוס מתוכננות לטפל.

כאשר יש חיתחות חזק, בקנה מידה קטן, כגון מערבולות קצה כנף, הדבר עלול להשפיע על המטוס בכל המישורים, לרבות במישור הגלגול. כתוצאה מהכניסה למערבולות, עלולים להיווצר הפרשים משמעותיים בעילוי בין הכנפיים, עד כדי הפלה של כנף. כמוכן, עלולות להיווצר תנודות חזקות במישור העלרוד וגם הסיבסוב. תאונה מסוג זה אירעה בשנת 2017, כאשר מטוס, מדגם Bombardier Challenger 604, חלף 1,000 רגל מתחת למטוס A380 בנתיב, מעל המפרץ הפרסי. המטוס היטלטל קשות בכל המישורים. הצוות הצליח להנחית את המטוס בעומאן, אולם עקב העומסים שהמטוס נקלע אליהם באירוע, הוא נמחה.

מטוס מסחרי בנתיבי אוויר, מתוכנן לבצע נתיב קרקעי מוגדר. כאשר המטוס טס תחת השפעת רוח צד חזקה, הוא מכניס "אף לרוח". ההפרש בין כיוון האף (Heading) לבין הנתיב (Course) פרופורציונאלי למהירות המטוס ולעוצמת הרוח. שינוי משמעותי של עוצמת הרוח, עלול ליצור סחיפה ולהסיט את המטוס מהנתיב. את הסטייה הזו מערכות המטוס ישאפו לתקן. אם מטוס נסחף ימינה מהנתיב, הוא יאלץ לפנות שמאלה ולהתכנס אליו. פניה  נעשית באמצעות הטיה. במקרה זה הטיה שמאלה, יישור והתכנסות לנתיב. בהתקרבות לנתיב הטיה ימינה והתיישרות על הנתיב הקרקעי, עם תיקון חדש לרוח. למטוסים מודרניים יש מנגנון תיאום פניה, כך שפניה מתבצעת אמנם בעיקר בעזרת הטיה, אבל מתואמת בעזרת הגה הכיוון.

כל גוף הנדסי, בכלל זה מטוס, מיוצג בעזרת מרכז הכובד שלו, דרכו עוברים שלושת הצירים. במצבים מסוימים המטוס כולו נע, עם גוש האויר. תיקונים בעזרת הגאים יוצרים תנועה מסביב לצירים. לעיתים פעולת התיקון עלולה להיות מזיקה יותר מהסטייה אותה היא באה לתקן, לכן יש מצבים בהם מוטב לשמור Attitude ולא Altitude.

תרשים מתוך מסמך הדרכה של NASA

השפעת חיתחות על נוסעים וציוד במטוס:

כפי שלמטוס יש "יחסים" עם גוש האוויר בו הוא נע וגם עם פני כדור הארץ, כך לנוסע יש "יחסים" עם המטוס בו הוא נמצא וגם עם פני כדור הארץ. כאשר המטוס נע באופן יציב, בטיסה ישרה ואופקית, העומס המופעל עליו הוא 1g. כך גם הנוסע, מפעיל על מושבו לחץ השווה למשקלו (המסה כפול תאוצת הכובד).

כאשר המטוס משנה מצב, כגון עובר מישרה ואופקית לטיפוס, העומס על המטוס יעלה ובהתאמה, העומס שבין הנוסע ומושבו יעלה, שכן לנוסע יש התמדה, יחסית לכדור הארץ. לאחר זמן קצר העומס על המטוס ועל הנוסע שבתוכו ישתווה. כך גם במקרה של כניסה לזרם אוויר עולה. המטוס יטפס, עם זרם האוויר ועל הנוסע שבתוכו יופעל עומס גבוה יותר, עד שזה ישתווה עם העומס של המטוס. כאשר החריגה מהגובה אינה מתוכננת, המטוס ישאף לבצע תיקון. כאשר המטוס יוריד אף, או שיעבור לגוש אוויר יורד, הוא ינמיך והעומס עליו ירד.

לנוסע, בשלב זה, תהיה התמדה והוא ישאף, בשלב ראשון, לשמור את הנתיב והמהירות שהמטוס הקנה לו. מכאן, שאם הנוסע לא יהיה חגור, המטוס הוא זה ש"יעזוב" אותו כלפי מטה והנוסע יפעיל לחץ או משקל נמוך יותר על מושבו. במידה והתיקון יהיה קיצוני, עד רמה של עומס שלילי, כל נוסע לא חגור או ציוד שאינו מעוגן, ירחף בחלל התא, עד כדי פגיעה בתקרה. הנוסע, שכרגע מרחף, ינוע במסלול בליסטי שתחילתו במהירות שהמטוס הקנה לו והמשכו בהנמכה, שכן תאוצת הכובד הנקייה תפעל עליו. אחרי זמן קצר, התיקון האנכי של המטוס יסתיים והוא יתאזן, או שיחזור לעומס חיובי ואז, אותו נוסע, הנופל במסלול בליסטי (יחסית למטוס זה בקירוב נפילה אנכית) יפגוש את המושב שלו, או את המשענת, או את הרצפה, או את שכניו. באירוע החיתחות של טיסה SQ321, העומס על המטוס התחלף מ-1.35g חיובי ל-1.5g שלילי, בתוך 0.6 שניות. המעבר לג'י שלילי הוא זה ש"הדביק" את הנוסעים לתקרה (יותר נכון את התקרה לנוסעים). המעבר חזרה לג'י חיובי הוא זה ש"הפיל" אותם לרצפה.

עד כאן מה שקורה במישור האנכי. כפי שצוין קודם, המטוס עלול גם להיקלע למומנט גלגול וגם לסטייה שתחייב את מערכותיו לבצע תיקון נתיב, בעזרת מאזנות והגה כיוון. אם תיקון כזה יתבצע, במקביל לניתוק של הנוסעים ממושבם, הרי שאלה לא ינחתו בחזרה על מושבם אלא בצידו, במעבר, על משענת היד או על המושב השכן.

מכיוון שכאמור רוב ההשפעות של המטוס מתרחשות סביב צירו, ככל שנוסע יושב רחוק יותר ממרכז הכובד, כך ההשפעה עליו עלולה להיות גדולה יותר. כל תיקון של מעלה בכיוון האף, יתבטא בהסטה רוחבית גדולה יותר, ככל שהנוסע רחוק יותר ממרכז הכובד. בתרחיש של תיקון לנתיב, הכולל הטיה ושימוש בהגה הכיוון, הנוסע עלול ליפול בחזרה בצד המושב, כאשר המטוס נמצא גם בהטיה קלה.

במקרים בהם שינויי עומס מחיובי לשלילי יקרו במקביל לשינוי משמעותי במהירות המטוס, עלול להתרחש מצב שבו נוסע יתרומם ממושבו וינחת שורה קדימה או אחורה ממקום מושבו הקודם. ידוע מקרה בו תינוק שהיה בידי הוריו, התעופף ונחת על ברכי נוסעים אחרים, שתי שורות קדימה.

ניתן לדמות את התרחיש לנסיעה ברכבת הרים, בפארק שעשועים. הקרונות נעים על מסילות ומעוגנים אליהן. הנוסעים יושבים חגורים למושביהם. כאשר הקרון נע ישר, העומס עליו ועל הנוסעים הוא אחיד. כאשר מתחיל לטפס, הן הקרון והן נוסעיו חשים בג'י גבוה יותר. כאשר הקרון מגיע לשיא המסילה ומתחיל לרדת בפתאומיות, פועל עליו ג'י נמוך מ-1. במצב כזה, נוסע שאינו חגור, ימשיך במסלול הבליסטי שלו. כאשר הקרון יתאזן או יגיע לקטע התחתון של המסילה, הנוסע יפגוש אותו, בנפילה חופשית. אם נוסיף לכך תנודה במישור האופקי, הנוסע כלל לא ייפול אל הקרון אלא החוצה

השפעת חיתחות על נוסעים וציוד במטוס:

כיום עיקר חיזוי מזג האוויר התעופתי נעשה בשני מרכזים (WAFC-World Aviation Forecast Center), האחד בלונדון והשני בוושינגטון. אלה המרכזים המנפיקים לנו מפות מזג אוויר משמעותי ((SIGMET. חיזוי חיתחות באוויר צח נעשה בעזרת מודלים מתמטיים מסובכים למדי, שזה לא המקום לפרטם (גילוי נאות, אני גם לא ממש מבין אותם). חלק חשוב בתהליך החיזוי שייך לדיווחי טייסים (PIREPS). אלה מסייעים לדעת בזמן אמת היכן יש חיתחות ובאיזו עוצמה וכן עוזרים מאד לאשש ולשפר את המודלים המתמטיים המשמשים לחיזוי.

בתעשיית התעופה נעשים מאמצים לשפר את יכולת החיזוי מצד אחד ואת היכולת לזהות אזורי חיתחות בזמן אמת. מערכות מכ"מ מזג אוויר, המותקנות במטוסים, אינן מסוגלות לזהות חיתחות באוויר צח. נערכים מחקרים לבדיקת היתכנות של התקנת מערכת LIDAR (Light Detection and Ranging) בחרטום המטוסים, אשר באמצעות קרני לייזר יוכלו לאתר אזורי חיתחות ולאפשר למטוס להימנע מהם. החיסרון של המערכת הינו בעיקר בכך שהתקנתה יקרה הרבה יותר מהנזקים הפוטנציאליים שהיא אמורה למנוע. כמוכן, המערכת יכולה, תיאורטית, לאתר מה שיש לפני אף המטוס, אולם לא לספק לצוות מידע להיכן לסטות בכדי להימנע מחיתחות. הדבר גם לא ייתר תכנון טיסות העוקף אזורי חיתחות חמור.

אפשרות חיזוי נוספת הוצגה, לפני שנים אחדות, תוך שימוש במכשירי EFB כגון iPad בתאי הטייסים. חיישנים בתוך המכשירים היו אמורים לזהות רעידות ולהעלות את הנתונים, הן בזמן אמת והן אחרי טיסה, לשרת ובאמצעותו לעבור למשתמשים נוספים. מובן שהצלחת המיזם תלויה במספר המשתמשים וחיבורם לרשת.

בשנים האחרונות הכניסה IATA לשימוש מערכת בשם Turbulence Aware. גם זו מערכת שיתופית, אולם היא עושה שימוש בנתונים המשודרים מהמטוסים עצמם, הן בזמן אמת והן אחרי נחיתה. ככל שיהיו יותר משתמשים שיספקו מידע, כך יגבר הדיוק ומכך ייהנו כולם. שיפור מערכות החיזוי יכול לשפר את הבטיחות, את נוחות הנוסעים ואת יעילות התפעול.

סיכום

חיתחות באופן כללי ובאוויר צח בפרט, הם כאן כדי להישאר. ההתחממות הגלובאלית צפויה לגרום להרבה יותר אזורי חיתחות ולהגביר את עוצמתו. כטייסים, עלינו להתמודד עם האיום הזה ולהבטיח, כמיטב יכולתנו, את בטיחות הנוסעים והטיסה. נוסעים וצוות חגורים, לא נפגעים. יש חשיבות עצומה לדיווחי טייסים. כפי שכל אחד מאיתנו רוצה לקבל דיווח מאחרים, חובתנו לתרום את המידע שבידינו לאחרים.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *