עיבוד ותרגום – אילן הייט
אילו טכנולוגיות יעצבו את עתיד התעופה? הנה רשימה קצרה של טכנולוגיות ופיתוחים הנמצאים ממש מעבר לפינה:
- מנועי מניפה Ultra High Bypass:
המנועים של מטוסי הנוסעים נעשים גדולים יותר ויותר. מניפות (Fans) גדולות יותר ויחס דחיסה (Bypass Ratio) גדול יותר מבטיחים יעילות דחף טובה יותר ותצרוכת דלק נמוכה יותר. למנועי ה-Turbofan שיכנסו לשירות משנת 2020 ואילך יהיה יחס דחיסה של 15-20 לעומת ה 10-12.5 במנועים העכשוויים. גודלם של המנועים החדשים יחייב תכנון מחודש לתלייתם על הכנפיים וכן חיזוק כני-הנסע ולבסוף גם לשינוי צורת המטוס ומיקום המנועים.
המחקר הנוכחי של מנועי מניפה נוטה לשימוש במערכות Geared fan למניפות גדולות יותר, אך לבסוף יגיעו למגבלת קוטר המנוע בגלל הגרר והמשקל הגדולים יותר. מנועי Open Rotor (ראה צילום) הם אופציה כשנדרשת הפחתת תצרוכת הדלק והקטנת גזי הפליטה. מצד שני, מובעת דאגה בגלל השפעת מנועים כאלה על הרעש בשדות התעופה וגם על השלכות של בטיחות טיסה.
- בקרת שכבת-גבול
במהלך התפתחות המטוסים היו שיפורים אווירודינמיים מתמשכים, אך לא דרמטיים. החיפוש אחרי שיפור עתידי בתצרוכת הדלק עשוי להביא לשינוי של ממש בתכנון האווירודינמי, שיכלול כנפים דקות וגמישות יותר, שליטה בזרימת שכבת הגבול – גם באופן טבעי וגם באמצעים מלאכותיים – ובתצורות מטוס לא קונבנציונליות.
זרימה מסודרת של שכבת-הגבול מפחיתה את ההתנגדות, אך מחייבת כנפיים שאת דיוקן קשה להשיג באמצעי ייצור רגילים ומשטחים חלקים שקשה לשמור אותם מלכלוך בתפעול יומיומי. למרות זאת, הפוטנציאל להפחתה של ממש בהתנגדות הביאה חוקרים באירופה ובארה"ב לפתח דרכים לייצורן ולתחזוקן של כנפיים בעלות שליטה על שכבת הגבול, שיוכלו להיכנס לשירות בשנת 2030.
כנפיים דקות וגמישות אכן מפחיתות את ההתנגדות והן קלות במשקל, אך נדרשות טכנולוגיות חדשות לבנייתן ולשליטה בהן כדי להימנע מ"פירפור" (Fluttering).הטכניקות שבפיתוח משתמשות בחומרים מרוכבים בכיוון מסוים (directionally biased composites) או בתוספים מתכתיים בעת ייצור. כמו כן מוסיפים שליטה אקטיבית של החלקים הנעים בכנף, כדי לשפר את התמרון, עומסי ה-Gust load ולהפחית את ה- Flutter.
המוקדים לשיפורים האווירודינמיים הם שיוט במהירויות גבוהות, הגדלת העילוי במהירויות נמוכות והשימוש הפוטנציאלי בצורות משתנות (Morphing) של הכנף, להקטנת הרעש וההתנגדות הנוצרים בהפעלת המדפים וה-Slats.. שליטה אקטיבית בשכבת הגבול משפרת גם את ביצועי ההמראה והנחיתה ומקטינה את חתימת הרעש. ניסויים שעשו בואינג ונאס"א גילו כי גם הושג גם שיפור ביעילות הגה הכיוון שהוקטן מאד.
- שליטה ותצוגות:
מאז ימי מכשירי הטיסה הראשונים, דרך שפופרות קרניים קתודיות (כמו בטלוויזיה ישנה), מסכי LCD, כמו במחשבים ניידים ועד עתה, נוצלו יכולות טכנולוגיות שפותחו לשווקים מסחריים ויושמו בתוך תאי הטייס, כשהמכשירים עוברים התאמה והקשחה לצרכי התעופה.
תהליך זה קורה שוב, כשעולם הצרכנות מדבר כבר על מחשבים לבישים. הצעד הראשון בכיוון הוא פיתוח של תצוגה קרובה לעין הטייס הנחבשת על הראש (כמו כוונת-קסדה של ה- F-35) שתוכל להחליף את התצוגה העילית = HUD (Head Up Display). מערכת כזו, ה- Skylens, מפותחת על ידי חברת "אלביט מערכות", יחד עם Thales הצרפתית לצרכי התעופה המסחרית, כתחליף זול ל-HUD ומתאימה במיוחד לתאי טייס קטנים. היא אמורה להיבדק לצורכי רישוי במטוס טורבו-פרופ ATR. גם נאס"א וחוקרים אירופאים מנסים מערכת "מציאות רבודה" (augmented reality) שניתן לחבוש אותה על הראש, שתזהה ותמנע מכשולים.
מערכת שתחילתה במטוסי מנהלים של מסכי-מגע מוכנסת עתה למטוס X-777 של בואינג. יצרני אוויוניקה בודקים שימוש בזיהוי דיבור (speech recognition) כאמצעי הבא להורדת עומס בתא-הטייס. יש ניסוי למעקב אחרי גלי-מוח של הטייס לצורך זיהוי של מצבי עומס-יתר או של ירידת קשב, עם אפשרות לשליטה בפעולות בקוקפיט.
הטסה ב- Fly-by-wire מגיעה כבר גם למטוסים קטנים, המאפשרת הגנה על מעטפת הטיסה. מטוסים חשמליים קלים כבר טסים. ה-FAA מאמין כי בקרוב תוכנסנה מערכות המראה ונחיתה אוטומטיות, מערכות למניעת סיכונים כמו "refuse-to-crash", תצוגה וניהול ארבעה מימדי (4-D) של נתיב הטיסה. והפעלה תצוגה אינטואיטיבית, דמוית I-Pad שתדרוש פחות כישורי טיס.
- מנועים מתכווננים:
המנועים התעופתיים עברו דרך שתי מהפכות: מהפרופלורים למנועי הסילון (Turbojets) וממנועי הסילון למנועי המניפה (Turbofans). עתה מתקרבת השלישית, בצורת מנועים מתכווננים (Adaptive) או variable-cycle. אם במנוע מניפה רגיל יש שני זרמי אוויר: אחד בלב המנוע ואחד מסביבו (Bypass), הרי במנוע מתכוון יש שלושה: המניפה, או ה-Fan יכולה לכוון את עצמה להעביר יותר אוויר דרך הלב כשיש צורך ביותר כוח, או להעבירו דרך ה-Bypass למטרת יעילות ותצרוכת דלק נמוכה יותר, כולל קירור מערכות המטוס.
חברת General Electric יחד עם Pratt & Whitney קבלו חוזה בן מיליארד דולר כדי לפתח מנוע מתכוונן שכזה, בעל סחב של 45,000 ליברות לדור הבא של מטוסי הקרב של ארה"ב. הכוונה היא להרכיב מנוע שכזב במטוס קרב F-35 בשנת 2020. מנוע תלת שלבי שכזה אמור להיות מותקן גם במטוס העל-קולי העתידי, שיספק את הצירוף של סחב, חסכון בדלק והפחתת רעשים בשדות התעופה, כנדרש בתביעות סביבתיות.
- צורות חדשות:
צורת המטוס המקובלת של "צינור עם כנפיים" שירתה היטב את עולם התעופה, אך חוקרים הצופים קדימה, אל עוד 20-40 שנה מזהים מגבלות ביכולת התצורה הזו לשפר עוד את יעילותה. אחת מהבעיות היא היכן להרכיב את המנועים, שקוטרם – בגלל ה-Fan – הולך וגדל. בעיה אחרת היא הקטנת הרעש כך שהוא יישאר בתוך תחום המטוס עצמו.
החוקרים בודקים אפשרויות אחרות למנועים בעלי קוטר גדול: מעל הכנפיים או בזנב ומיקום שבו גוף המטוס יבלע חלק מהרעשים הנוצרים בפעולת המנוע. מנועים המורכבים בחלק האחורי יאפשרו כנף נקייה וחלקה להקטנת שכבת הגבול. אפשרות אחרת היא הרכבת סמוכות (ראה צילום) המאפשרות מוטת כנפים גדולה יותר ומנת-מימדים שתקטין את ההתנגדות.
אם מתרחקים מהצורות המקובלות יש תכנונים הכוללים מנועים חשמליים בזנב המטוס, הנוגסים במערבולות השוליים של גוף המטוס ומשתמשים באנרגיה הזו להקטנת ההתנגדות (ראה צילומים).
תכנון עוד פחות מקובל הוא הכנף-גוף ההיברידי, מין "כנף מעופפת" עם יעילות אווירודינמית וחוזק משופרים. יש המטילים ספק בהתאמת תכנון שכזה לנוסעים (היכן החלונות?), אך התכנון מתאים למטוס מטען.
- מהירויות גבוהות:
לאחר שנים רבות של פיתוח, מתחילים להגיע – לפחות לטילי שיוט – מנועים היפר-קוליים נושמי אוויר, אך נחוץ עוד מחקר רב עד להרכבתם על מטוסי נוסעים או מטען שימריאו ממסלול ויאיצו למהירות של מאך5 (או אפילו ישמשו כשלב מאיץ ראשון, רב שימושי, לשיגור מטענים למסלול).
ניסויים שעושים הרוסים והסינים בטילי שיוט היפר-קוליים דחפו גם את ארה"ב לפתח כלי דומה שיטוס ב-2020. גם בואינג הטיסה מנוע Scramjet (כלומר, מנוע שזרימת האוויר בתוכו היא על קולית, להבדיל מ- Ramjet, שבו הזרימה מהכונס והלאה היא תת-קולית). עתה מנסים לחבר מנוע סילון רגיל משולב עם Ramjet/Scramjet, שישתמשו באותו כונס אוויר שיוכל לפעול מעמידה ועד לשיוט היפר-קולי, כמו ה-“SR-72”
כלי טיס שיגיעו לחלל יוכלו להשתמש במנוע כמו ה-SABRE (ראה צילום) היכול לפעול גם כנושם אוויר וגם כמנוע רקטי. בתוך האטמוספירה האוויר הנכנס מקורר על ידי רדיאטור מחליף-חום ובוער עם מימן נוזלי. בחלל הוא פועל כמנוע רקטי רגיל. הוא אמור לטוס ב-2020.
