להתהדר בנוצות
כן לנו

עוד משחר ימי האנושות נשאו בני האדם את פניהם אל השמיים ושאפו לעוף. טובי הממציאים והמהנדסים, החל ברישומי האבטיפוסים של לאונרדו דה-וינצ'י, דרך הכדור הפורח של האחים מונגולפייה וכלה בטיסה הראשונה של האחים רייט לפני כ-120 שנה, שאבו השראה מעולם הטבע. בזכות המאמצים לחקות את פעולת כנפי הציפורים המגביהות עוף, יש לנו כיום מטוסים כבדי משקל שנושאים אותנו בקלות לכל קצווי הגלובוס.

ואולי במפתיע, הטבע ממשיך לשמש מקור לא אכזב להשראה הנדסית בתחום התעופה גם כיום. מאמר חדש, שפורסם בכתב העת PNAS, מציע כעת רעיון חדש-ישן: מטוס עם נוצות. אפשר לומר שזהו מפגש נוסף בין התעופה לבין הביומימטיקה, התחום ששואל עקרונות מעולם הטבע והחי ומיישם אותם בטכנולוגיה ובהנדסה.

מפגש נוסף בין התעופה לבין הביומימטיקה. החוקרים יחד עם מטוס בשלט רחוק, מצויד בלוחיות דמויות נוצות שפיתחו | Princeton University/Lori Nichols

ציפור פלדה

הפעם הביומימטיקה לוקחת אותנו אל על, עם הצעה לשלב בכנפי המטוס מעין חיקוי יצירתי של נוצות – עוד צעד בדרך ליצירתה של ציפור פלדה אידיאלית. במאמרם מציגים החוקרים מאוניברסיטת פרינסטון ראיות מוצקות לכך שציפוי כנף המטוס בלוחיות שהם יצרו בהשראת נוצות של ציפורים מסוגל לשפר את ביצועי המטוס בצורה ניכרת. את הלוחיות הם כינו "נוצות סוככות" (covert feathers), בהשאלה מעולם העופות. נוצות כאלה בולטות למשל אצל השקנאי החום, שעל כנפיו הן מונחות שורות-שורות בסדר מופתי, ואכן מקנות לו ביצועי טיסה מרשימים.

החוקרים סקרו במאמרם את היתרונות המשמעותיים של הלוחיות הללו, לעומת מדפים ועזרים נוספים שכבר מצויים בשימוש בעולם התעופה. הלוחיות המוצעות נפתחות במגע עם משב אוויר, במצב שמוכר כ"זווית התקפה גבוהה". זווית התקפה היא הזווית שבין מישור הכנף, לבין כיוון התקדמותו של המטוס. ככל שזווית ההתקפה גדולה יותר, כך הכוח האווירודינמי שפועל על הכנף גדול יותר, וגוברת הסכנה לשלום המטוס ונוסעיו. פתיחה של הלוחיות עשויה לעזור בייצוב המטוס.

את הלוחיות הם כינו "נוצות סוככות", כמו הנוצות שבולטות למשל אצל השקנאי החום. על כנפיו הן מונחות שורות-שורות בסדר מופתי, ואכן מקנות לו ביצועי טיסה מרשימים. שקנאי חום בתעופה | Shutterstock, ranchorunner

"הלוחיות לא זקוקות לשליטה של מנוע או של מכשור הידראולי", אומרת איימי וויסה (Wissa), החוקרת המובילה במאמר, בראיון לאתר Science News. מעבר לכך, בניגוד למטוסים הקיימים, "הלוחיות מכסות את כל פני הכנף, לא רק מלפנים או מאחור".

הלוחיות המוצעות עשויות מחומר בשם פוליאתילן טרפתלט מכוונן דו-צירית (BoPET - Biaxially oriented Polyethelene Terephthalate), המוכר יותר בשם המסחרי מיילאר (Mylar). מדובר בפולימר – כלומר שרשרת ארוכה של אבני בנייו קצרות – שידוע בין השאר בחוזקו היחסי וביכולת הבידוד החשמלי הגבוהה שלו. אלה שתי תכונות רלוונטיות מאוד בהנדסת תעופה.

סרטון שמראה כיצד טס מטוס בשלט רחוק עם הלוחיות על כנפיו:

יותר עילוי, פחות גרר

כיאה למהנדסים, החוקרים בחנו במנהרת רוח, שמשמשת לבדיקת דגמים של כלי טיס בתנאים מבוקרים, כיצד מערך של לוחיות כאלה משפיע בפועל על זרימת האוויר מסביב לכנף. מהניסויים עלה שלוחיות שנמצאות קרוב לחזית הכנף גורמות לאוויר לזרום קרוב מאוד לפני הכנף, וכך תורמות לכוח העילוי ומפחיתות את הגרר – החיכוך עם האוויר. ככל שמוסיפים למערך הלוחיות שורות נוספות, האפקט החיובי משתפר.

עילוי וגרר הם שני רכיבים של הכוח האווירודינמי. העילוי הוא הרכיב האנכי של הכוח, שדוחף את הכנף כלפי מעלה ומרים יחד איתה את המטוס כולו. הגרר הוא רכיב אופקי, שמתנגד להתקדמות הכנף קדימה ומאט את תנועת המטוס. היחס בין שניהם, שנקרא יחס הגלישה, משקף את יעילות התעופה.

החוקרים בחנו במנהרת רוח איך מערך של לוחיות כאלה משפיע בפועל על זרימת האוויר מסביב לכנף. כנף מטוס עם לוחיות בתוך מנהרת הרוח | Princeton University/Lori Nichols

עד כמה משמעותי האפקט? החוקרים מצאו שדי היה בהתקנה של שורת לוחיות אחת בחלק האחורי של הכנף כדי לחסום אוויר בלחץ גבוה שנשב שם. יש לכך חשיבות, מאחר שכדי ליצור עילוי יש צורך בלחץ נמוך באזור זה של הכנף. כשמתקינים מערך של חמש שורות, העילוי יכול להשתפר ב-45 אחוז, בעוד הגרר פוחת ב-31 אחוז.

ניסויים נוספים, שבוצעו על כלי טיס בשליטה מרחוק, הראו כי בכוחן של הלוחיות להקטין בפועל את סכנת ההזדקרות – מצב שבו המטוס מאבד עילוי באופן פתאומי עקב זווית התקפה גדולה מדי. מערך הלוחיות מאפשר להגדיל את זווית ההתקפה בתשעה אחוזים נוספים בלי להוביל להזדקרות. אף שלא מדובר בתוספת גדולה, היא עשויה להיות משמעותית מאוד כשעפים בתוך רוחות חזקות, או כשנוחתים על מסלולים קצרים מאוד. כך שלוחות "הנוצות" החדשים עשויים לאפשר תמרונים מסובכים יותר מבעבר, והכול בזכות השקנאי החום וחבריו, עופות השמיים.