יום חמישי, 21 בפברואר 2008

איחוד כוחות – הפעלת מסוקים מצוללות

סמיון סמיונוב

לפני כחצי שנה זכתה קבוצה משותפת של סטודנטים מהפקולטה ומאוניברסיטת פנסילבניה במקום ראשון, בתחרות השנתית ה-24 לתכנון מסוקים בקטגוריית הסטודנטים לתואר ראשון. בסקירה זו נעבור על ההיסטוריה של שימוש במסוקים מצוללות, כאשר החלק הראשון יוקדש לסקירה היסטורית, והחלק השני לפרויקט התכן של הסטודנטים (פרויקט שגם אתם הולכים לעשות).

אפשרות השימוש בכלים מוטסים-אנכית מצוללות נחקרה לא מעט בעבר. כלים אלו יכולים לשמש לסיור בים הפתוח ולהעברת מטען או אנשים לחוף או לספינה אחרת. שלא כמטוסים רגילים, הם אינם זקוקים למסלול המראה ונחיתה, אלא יכולים להסתפק בשטחה הקטן יחסית של הצוללת. גודלם הקטן יותר, ובמקרים מסוימים, יכולת ההרכבה במקום, הינם תכונות מועילות נוספות. לכן לצוללות וכלים אלו יש היסטוריה משותפת לא קצרה.

לראשונה יושם הרעיון במלחמת עולם השנייה. בעיה ידועה בשימוש בצוללות הייתה אז חוסר יכולת לאתר משחתות בזמן בגלל גובהן הנמוך של הצוללות, מה שהפך אותן לפגיעות. אחרי שנשקלו מספר רעיונות, החליטה גרמניה לצייד את ה- U-Boats ב – Focke Achgelis Fa 330 - אוטוג'ירו פשוט, חד –מושבי וחסר מנועים. Fa-330 אוכסן במיכלים אטומים על ירכתי הצוללת ובמקרה הצורך הוא הורכב ע"י שני אנשים. לאחר מכן הוא נקשר ע"י כבל לצוללות, וכאשר הצוללות נעה במהירות מתאימה, זרימת האוויר הייתה מסובבת את להבי הרוטור והכלי היה עולה לגובה של כ- 120 מטר. משם היה הטייס צופה על פני הים ומדווח על הנראה. לפי ההוראות, במקרה של התקפה מן האוויר, על אוטוג'ירו והטייס אפשר היה לוותר, והצוללות הייתה צריכה לנתק את הכבל ולהשאיר את הטייס לדאות לבדו לפני הים.

הבעיה של איתור הספינות נפתרה ע"י התפתחות הסונאר. נושא אחר לעומת זאת נשאר על הפרק – הנחתת או אסיפת הכוחות מיוחדים על החוף מצוללות או ההפך. הצוללות עצמן התאימו מאוד לביצוע פעולות חשאיות, כי שלא כמו ספינות רגילות, לא היה פשוט לגלות אותם. רוב האמצעים להביא את הכוחות המיוחדים לנקודת הפעולה מן הצוללת היו ימיים – סירות מתנפחות או "מיני-צוללות" – כמו ה- SDV (ר"ת של SEAL Delivery Vehicle). אבל לאמצעים אלו יש חסרונות, כי ניתן להפעילם בים בלבד, והם לא נגישים לכל נקודות בחוף.

בפני בעיה מעט דומה נתקלו גם בחילות האוויר במדינות שונות, כאשר הועלתה הבעיה של החזרת טייסים שנטשו את המטוס בקרב או אנשי הכוחות המיוחדים שנשארו מאחורי קווי האויב והיו זקוקים לכלי מילוט אווירי קטן שיכלו לקחת איתם בצב מפורק. למרות שפותחו דגמים שנפרשו ולהתחיל לטוס כבר באוויר, (לחילוץ טייסים) וכלים אחרים שנועדו להרכבה על הקרקע (להחזרת סוכנים\אנשי יחידות עילית), בסופו של דבר הפרויקטים האלה לא הצליחו מכיוון שהכלים היו עדינים ולא עמדו בתנאים הדרושים.

גם הסובייטים רוצים

ב-1971, בבריה"מ, ניתנה למשרד התכנון של קאמוב (Kamov) ההוראה לפתח מסוק אישי מתקפל, שאפשר יהיה להפעיל מספינות הצי הסובייטי, כולל השטה מצוללות דרך צינור מטיל טורפדו. על פי הדרישות, היה על המסוק להיות מורכב מכמה רכיבים בסיסיים, שיאפשרו את הרכבתו ע"י אדם אחד תוך 15 דקות, ומימדיו יאפשרו לאכסנו במיכל גלילי בקוטר של עד 500 מ"מ. מהדרישות נקבעה הקונצפציה העיקרית – מסוק שאפשר לקפלו לתוך מארז בעל יכולת ציפה.
הכלי, שקיבל כינוי Ka-56, היה מסוק קואקסיאלי (בעל שני רוטורים שמסתובבים בכיוונים הפוכים, במקום התצורה הנפוצה יותר של רוטור ראשי ורוטור זנב) חד מושבי, עם מנוע ונקל (רוטורי) בעל 40 כ"ס ,המונע בדלק מכוניות, עם משקל המראה של 220 ק"ג, ויכולת נשיאה של 110 ק"ג. המסוק תוכנן לעבור כ-150 ק"מ במהירות של 110 קמ"ש ובגובה של עד 170 מ'. לביצוע ניסויים נבנה דגם תצוגה בגודל מלא ואב טיפוס של המודול העיקרי של המסוק (המנוע והלהבים). לאחר אימונים על הדגם הוכח כי זמן ההכנה לטיסה, מתחילת ההרכבה ועד מצב שבו הכלי היה מוכן לשימוש בתוך פחות מעשר דקות. אבל בסופו של דבר הכלי לא הגיע לכשירות מבצעית עקב בעיות בתכנון המנוע.

Ka-56
מאז נערכו מספר פרויקטים נוספים בתחום, אך רובם נפלו בשלב כזה או אחר.

חזרה לכותרות

ב-2007 נערכה התחרות השנתית של האגודה האמריקאית למסוקים (AHS) בקרב הסטודנטים לתארים שונים, כאשר בשנה זו הם נדרשו לתכנן כלי מוטס-אנכית שאותו ניתן להפעיל מצוללת לצורך תמיכה במשימות של יחידות עילית. במקום הראשון בקרב סטודנטים לתארים מתקדמים זכתה קבוצה מהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה שהציגה פרויקט בשם "Cyphir, Dragonfly and Barracuda" שבו תוכננו בנוסף לכלי טיס עיקרי גם מל"ט עזר ונערכה בדיקה כוללת של הסבת צוללת לנשיאת כלים רבים המאפשרים הנחתת כוחות רבים יחסית.

במקום הראשון בקרב הסטודנטים לתואר הראשון, וגם בקטגוריית "המתמודד החדש הטוב ביותר" זכה צוות משולב של שבעה סטודנטים מהפקולטה שלנו, בשיתוף פעולה עם ארבעה סטודנטים מאוניברסיטת פנסילבניה (Penn-State). הפרויקט נעשה במסגרת פרויקט תכן, קורס חובה בפקולטה לאווירונאוטיקה, שנערך בסמסטרים 7-8. על הפרויקט הזה נספר בהרחבה.

בתחרות הוצבו לפני הסטודנטים מספר דרישות לכלי, וביניהן: המראה ונחיתה אנכית, יכולת ציפה על פני המים בים גלי לפחות 30 דקות, פריסת הכלי כאשר הצוללת בגובה הפריסקופ (כ-15 מטר מתחת לפני המים), טווח של 260 קילומטרים, יכולת לפעול בכל תנאי אקלים, שימוש בטכנולוגיית חמקנות, ויכולת נשיאה של שני אנשי הצוות גם כאשר הם פצועים. צוות הטכניון תכנן את מכלולי המכניקה של הרוטורים, מנגנון קיפול הלהבים, ממשק השיגור של המסוק מהצוללת, מנגנוני האטימה השונים, וביצע אנליזת יציבות של הכלי על פני המים. הצוות מאוניברסיטת פנסילבניה היה אחראי לתכנון אוירודינמי של להבי המסוק, מערכת דלק עמידה בריסוק וביצע חישובי ביצועים לעמידה בדרישות השונות. שני הצוותים שיתפו פעולה באופן מלא בנושא בחירת התצורה הכללית, כני הנחיתה, צורתו החיצונית של המסוק ושני פתחי הכניסה והיציאה מהכלי.

התצורה של המסוק נקבעה בראש ובראשונה בצורת הפעלתו. על פי הדרישות המסוק היה צריך להיות מופעל מצוללות מדגם Ohio, מתוך פתחים קיימים המיועדים לטילים בליסטיים מסוג Trident-D5. על מנת לאפשר שימוש יעיל בנפח שעמד לראשותם, ולגרום לשינויים מינימליים לצוללת, נקבעו המגבלות הבאות – קוטר של 2.11 מ' וגובה של 13.4 מ'. לאחר מצא הצוות הסטודנטים פתרון לאחת מהדרישות המרכזיות – הפעלה מתחת לפני המים. נבדק ונפסל הרעיון של שימוש במסוק מתקפל בתוך קפסולה (ראה Ka-56) בגלל הגבלות נוספות לגודל והוספת קשיים לא מעטים לנחיתת המסוק. לאחר מכן נבדקו מספר צורות: צורה רגילה, הכוללת רוטור מרכזי ורוטור הזנב, צורת טאנדם עם שני רוטורים נפרדים, שימוש בדחף המנוע להטיית הזנב, ו-2 רוטורים קואקסיאליים. לאחר דיון ובדיקת יתרונות וחסרונות, בחר הצוות את הצורה האחרונה, שלא דרשה מימדים גדולים, והקלה על שיגור וקליטת המסוק ע"י הצוללת.

ה-Waterspout

המבנה החיצוני שהתקבל לבסוף כולל גוף דמוי סביבון, כאשר בחלק העליון הצר נמצאים 4 הלהבים (2 על כל רוטור). הרוטורים יכולים להתקפל, על מנת להתאים לדרישות הגודל.

ה-Waterspout כולל שני פתחי יציאה – דלת תחתית להנחתת הצוות ע"י כבל במצב רחיפה ודלת צדדית גדולה לשימוש בעת נחיתת המסוק (לשם כך קיימים 3 מוטות נשלפים המשמשים ככני נחיתה). עובי הקירות הוא 10 מ"מ ו הם בנויים מ-3 שכבות. שכבה פנימית של חומר בידוד, בעובי של 6 מ"מ מגנה מפני תנאי מזג האוויר. שכבת המבנה העשויה מחומר מרוכב מאפשרת מבנה קל וחזק. על מנת לענות על הדרישה לחמקנות הקפסולה מצופה בחומר המקטין את שטח חתך מכ"ם ונצבעת בצבעי הסוואה.

לאחר ההכנות לטיסה, נפתח המיכל בו נמצא המסוק, והוא מתחיל לעלות לפני השטח בגלל יכולת הציפה שלו. על מנת לשמור על יציבותו, הוא מחובר ע"י מתקן מיוחד הכולל מתקן חיבור, 4 מנועי סילוני-מים קטנים וכבל לצוללת. מתקן זה חשוב גם לחלק האחרון של המשימה, כי הוא אחראי ל"תפיסת" המסוק והחזרתו למיכל. יכולת הציפה בים גלי מתאפשרת בעזרת מצופים מתנפחים שנשלפים מתוך כני נחיתה. לאחר ההגעה לפני השטח נפרשים הלהבים, ומתחיל תהליך חימום המנועים הלוקח מספר דקות.
חשיבות גדולה נועדה לאטימת המסוק, שצריך לעמוד בתנאי אקלים שונים ואף נמצא חלק מהזמן מתחת לפני הים. לשם כך העלו הסטודנטים פתרונות חדשניים ומקוריים. פתחי הפליטה של המנוע מסוגלים להיסגר, וכך גם פתח כניסת האוויר, שכולל מסנן בפני חול. מגן מיוחד אוטם את הרוטור הקואקסיאלי, ללא הפרעה לסיבוב הלהבים. קצי הפתחים אטומים ע"י רצועות גומי, והמסוק כולל משאבה על מנת למנוע צבירה של נוזל מעובה בתוך הכלי.

דרישות רבות ניצבו ליחידת ההנעה. לאחר שנבחרה צורה קואקסיאלית, נבחרה גם התצורה של המנועים, תיבת התמסורת, ומיכל דלק של 290 ליטר. לסיבוב הרוטור נבחרו שני מנועי טורבו-ציר (turboshaft בלעז) בעוצמה של 330 כ"ס כל אחד, המאפשרים טיסה במהירות של כ-185 קמ"ש, מהירות עלייה 335 מטר לדקה, וזמן פעולה כולל של עד כ- 4 שעות. גם שיקולי חמקנות נלקחו בחשבון – כל מנוע קיבל פתח נפרד לפליטת גזים חמים, וצורתם מאפשרת ערבוב עם זרימת האוויר הקר שמקרר אותם ומוריד את חתימת החום של המסוק.

אחת הדרישות לכלי הייתה יכולת טיסה אוטומטית. יחידת האוויוניקה הנמצאת בחלק התחתון של הקפסולה כוללת טייס אוטומטי ומאפשרת התערבות מינימאלית במהלך המשימה. הצוות מקבל את המידע אודות מצב הטיסה דרך שני מסכי נגיעה וקיימת אפשרות לביטול ידני של תכנית המשימה (שמועלת למחשב לפני היציאה מהצוללת). בפרויקט נסקרו גם מערכות עקיבה אחרי שטח וצורות ניווט שונות שמתאימות ל-Waterspout.

הצוות הטכניוני כלל את מור גלעד, אביחי אלימלך, רוני חכמון, איגור טלר, אבידע שנלר, אלעד סיני וליאור שני, בהנחייתם של פרופסור עמרי רנד (דיקן הפקולטה) ומר חן פרידמן.
הצוות מפנסילבניה בהנחייתם של פרופסור אדוארד סמית, ראש המרכז למצוינות בכלי טיס סובבי כנף וד"ר רוברט ביל, כלל את פול ברנסון, מיהיר מיסטרי, אלכס רזאנו ודניאל לאונרד.

הטרנד העיקרי בעולם התעופה כיום הוא מל"טים – מטוסים ללא טייס. הדבר מאפשר שימוש בכלים קטנים יותר, בין היתר למטרות סיור ותקיפה. לפני כשנה בלוקחיד מרטין נעשו ניסויים בפרויקט Cormorant, בתקצוב של הסוכנות האמריקאית הפרויקטים מתקדמים (DARPA) שבו מפותח מל"ט סילוני המשוגר אנכית ממיכל שיגור של צוללת. עם זאת, פיתוח טילי שיוט לתקיפה ושימוש במערכות לווייניות הופך את השימוש בכלי טייס מצוללות ללא אטרקטיביים. אבל היכולת להנחית כוח קטן של יחידות עילית בצורה חשאית עדיין רלוואנטית, וייתכן שבעתיד נראה המשכים, ולו רעיוניים, של הפרויקט הישראלי.

הערות

פרטים נוספים אודות ה-Waterspout: קובץ PDF.

אין תגובות: