בעם כלביא נחשפנו למפציץ החמקן האמריקאי B-2. מעבר לעובדה שהמראה העב״מי של המפציץ מצטלם יפה, יש לו תפקיד משמעותי ביכולת החמקנות שלו. התבנית הגאומטרית של כלי הטיס מפזרת את קרינת הרדיו אל מחוץ לאטמוספירה וכך מונעת מהמכ״ם לקלוט אותו. בכתבה זו נחשוף את הסיפור המדעי מאחורי החמקנים וכיצד מאמר תמים לכאורה הפך את הבלתי אפשרי לאפשרי.
בסוף שנות הארבעים, האובססיה של המהנדס אמריקאי ג׳ק נורטופ לכנפי מטוס הייתה בשיאה. נורטופ האמין שאם נסיר מהמטוס כל חלק שלא מייצר תנופה, כמו גוף המטוס או אפילו את הזנב, ניתן לייצר, לפחות על הנייר, את כלי הטיס היעיל ביותר. במקביל הוא הבחין במשהו נוסף – ללא אותם חלקים אנכיים, הרדארים מתקשים לאתר את המטוס. נורטופ הבין שהוא עלה על משהו, אך המתמטיקה באותה תקופה לא הייתה מפותחת מספיק.
כמה שנים לאחר מכן, בשנת 1962, הפיזיקאי הסובייטי פיטר אומפיס פרסם מאמר מתמטי מהפכני (אך דיי טכני) בו הוא מתאר כיצד גלים אלקטרומגנטיים מתפזרים ממשטחים חלקים. באופן מפתיע, המשטר הסובייטי לא חשב שיש במאמר שום ערך צבאי ואיפשר לחוקר לפרסם את המאמר בכתבי עת בינלאומיים. בטיפשותם של הסובייטים, פרסום המאמר העניק במתנה את גלימת ההיעלמות האווירית לעולם כולו. בזמן שהמהנדסים מחברת לוקהיד האמריקאית הבחינו במאמרים המתורגמים, הם הבינו מיד שהפיזיקאי הרוסי פתר את מה שנחשב דאז לבעיה לא פתירה. בזכות המאמר של פיטר, המהנדסים החליטו לזנוח את הגיאומטריה המורכבת של המטוסים, והניחו מטוס שבנוי ממשטחים ישרים וזוויות חדות. תגלית זו הובילה את האמריקאים בשנות ה-70 לבנות את החמקן הראשון ״יהלום חסר תקווה״. מטוס חמקן שלא באמת היה בעל יכולת טיסה. ההייפ שהתגלית הרוסית ייצרה דאז במסדרונות וושינגטון נשמע באוזניים לא מיומנות כמעט כמו קסם, ממש כמו גלימת היעלמות בסרטי מדע בדיוני, אך לא כך הדבר. בהנדסה אין קסם, יש רק שימוש מתוחכם בחוקי הפיזיקה. כדי להבין כיצד מטוס בשווי מאות מיליוני דולרים (אם לא מיליארדים) מתחמק מרדארים, עלינו להבין את האקו שהוא מייצר.
רדארים הומצאו בתחילת המאה הקודמת לאיתור גופים בסביבה. רדאר (Radar) הוא למעשה ראשי תיבות של radio detection and ranging. בעברית רדאר מכונה מכ״ם (מגלה כיוון ומרחק). הרדאר הוא לא יותר מאשר כלי ״ששומע״ את האקו שחוזר מגופים מהסביבה. בפועל, תחנת מכ״ם בקרקע משגרת פולס רדיו אנרגתי מאוד. גלי הרדיו הם חלק ממשפחת גלי האור, ולכן גלים אלו נעים במהירות האור. אם גוף עומד בדרכו, הגל פוגע בו ומוחזר בחלקו לקולטנים בקרקע. משום שמהירות האור קבועה, את מרחק המטוס מהקרקע ניתן להסיק בקלות מתוך הזמן שלקח לאות לחזור לקרקע. נשמע פשוט, לא? התשובה לכך מורכבת יותר. כדי לגרום למטוס להתחמק מגלאי, צריך להבין את הפיזיקה יותר לעומק.
לשם כך, נתחיל מהמשדר. הוא מפיק אנרגיה בהספק אדיר (אנרגיה ליחידת זמן). נכנה אותה באות P מהמילה power. אם האנרגיה הזו קורנת לכל עבר, היא מתפשטת על שפת כדור שהולך וגדל במהירות האור. כתוצאה מכך האנרגיה הזו מתפזרת במהירות ונחלשת עם הזמן. ליתר דיוק, האנרגיה כולה נשמרת, אך האנרגיה הנמדדת ליחידת שטח קטנה כתלות במרחק בריבוע. אבל מכ״ם הוא לא נורה פשוטה, הוא יותר כמו פנס. האור שלו ממורכז לכיוון מסוים. לכן, האנרגיה לא בידיוק קטנה לפי המרחק בריבוע ובזכות הפוקוס, אור הפנס גדול בפקטור G מאור של נורה תמימה. בנוסף לכך, גם המטוס לא מחזיר את האור כמו מראה. חלק מהאור מתפזר, חלק נבלע, וחלק חוזר לגלאי. כמות האמור שחוזרת לגלאי מאופיינת במה שפיזיקאים מכנים חתך פעולה. גודל זה מתאר את השטח האפקטיבי של המטוס אילו היה פועל כמו מראה. אם רוב האור מתפזר או נבלע, המכ״ם לא יקבל את האור בחזרה ולכן עוצמת האות שתתקבל שקולה לאתר ״מראה״ קטנה בהרבה ממטוס החמקן. ככל שחתך הפעולה קטן יותר, כך החמקן קשה יותר לאיתור.
אבל האור חייב גם לחזור לגלאי, ולכן ההספק המתקבל על הקרקע לא קטן בפקטור השווה רק למרחק בריבוע, אלא במרחק בחזקת ארבע. כדי לפצות על כך, מייצרים אנטנות גדולות עם דיסקה רחבה ככל הניתן כדי לאסוף כמה שיותר גלי רדיו. מכל אלו נוכל לקבל את הנוסחה להספק הרדיו שמתקבל בחזרה, או כפי שהיא מכונה – משוואת הטווח של מכ״מים
כאשר P הוא ההספק של המכ״ם, סיגמא הוא חתך הפעולה, A הוא שטח האנטנה, G הוא פקטור הפוקוס ו-R הוא המרחק של החמקן מהגלאי. . למען האמת הנוסחה הזו יותר מורכבת מכפי שהיא כתובה כאן משום שהאנטנה שקולטת היא גם זו שמשדרת. בכל אופן, הנוסחה בהחלט מכסה את הפיזיקה של גלאים ומתוכה אנחנו למדים שהעוצמה הנקלטת דועכת משמעותית ככל שהמרחק גדל. זוהי ״הקללה״ הידועה בהנדסת אנטנות, וגם הסיבה שמטוסי חמקן בד״כ שטים בגובה רב יותר ממטוסים רגילים. לשם כימות, חוק זה אומר שאם מטוס חמקן יטוס פי 2 גבוה יותר, האות שחוזר לגלאי ייחלש פי 16. מכאן עולה השאלה הטבעית – איך אנחנו בכלל יכולים לראות מטוסים אם הדעיכה היא כה עוצמתית? שלא לדבר על העובדה שקיים פיזור נוסף של האור בגלל האטמוספירה. התשובה לכך תמונה בחתך הפעולה. מרבית המטוסים מאופיינים בחתך פעולה גדול, אבל אם החתך הפעולה מספיק קטן, הגובה יעשה את שלו. ולא, לא מדובר רק בלצבוע את המטוס בשחור, עיקר הפיזיקה תמונה במבנה הגאומטרי של המטוס.
ובחזרה לסיפור שהתחלנו איתו. המהנדסים הבינו שמכ״ם הוא בסה״כ פנס ומטוס הוא סוג של מראה, לכן לא צריך להפוך את המטוס לשקוף בהכרח. כל מה שצריך לעשות כדי להפוך אותו מטוס לחמקן הוא לשלוט בפיזור האור. הפיזור נובע מהעובדה שאף משטח לא באמת חלק. אם מתבוננים במשטחים שכאלו, רואים שהם בנויים מחרכים מיקרוסקופיים שגורמים לאור להתפזר במעט, אך דווקא אותם חרכים גורמים לאור לחזור לגלאי. אם לעומת זאת האור יפגע במשטח חלק מאוד, הוא יחזור ממנו כמו מראה. לצד זאת, בחירה חכמה של גאומטריה מאפשרת לאור להתפזר לכיוון החלל ולא אל הקרקע. זו בידיוק התכונה שתרצו להשיג עבור מטוסי חמקן.
בשנות השבעים, המהנדסים של לוקהיד השיגו סופסוף את המשוואות שהם צריכים. הם גם הבינו כיצד האור מתפזר ממשטחים, אבל לא היה בידם את הכוח החישובי לתכנן אחד שכזה. כדי להבין את פיזור האור ממשטחים מעוקלים חייבים לפתור משוואות דיפרנציאליות מסובכות ברזולוציה של מילימטרים בודדים. המחשבים בשנות השבעים פשוט לא יכלו לעמוד בזה. לכן, המהנדס דניס אוברהולסר הציע דרך חלופית. אם המחשב לא מסוגל להתמודד עם משתטחים עקומים, אולי פשוט נניח משטחים ישרים עם זוויות חדות? כך הם פיתחו את החמקן הראשון שכונה F-117 ״נץ הלילה״. בעזרת חלוקה של החמקן למראות בצורת משולשים החישוב היה פשוט בהרבה. במקום לחשב מיליארדי החזרות של האור, המחשב היה צריך לחשב רק כמה עשרות.
החמקן שנראה כמעט כמו חללית חייזרית התחמק ממכ״מים נפלא, היה לו שטח חתך בגודל של אפונה אבל הוא היה נוראי מבחינה אירודינאמית. הוא כל כך לא היה יציב שהוא היה צריך להיעזר בארבעה מחשבים שונים כדי למנוע ממנו מליפול. יחד עם זאת החמקן הצליח להוכיח היתכנות וזה מה שהיה חשוב. אם תצליחו לשלוט בגיאומטריה של המטוס תוכלו לעוור את המכ״ם.
ככל שמחשבי-על השתכללו, כך המהנדסים של לוקהיד ונורת׳רופ הצליחו לפתור את משוואות מקסוול (המשוואות שמתארות את התנהגות האור) בדיוק רב יותר. במקום להניח שהכנפיים בנויות מ-20 משטחים ישרים, הם הצליחו לדמות כיצד גלי רדיו מתעוותים סביב כנפיים שעשויות ממשטח עמקומי ורציף ובכך לתכנן כלי תעופה אמיתי שמסוגל להתחמק מכ״מים. התוצאה של העבודה ההנדסית המאומצת הייתה המפציץ B-2 המפורסם. המבנה הגואמטרי של המפציץ תוכנן ברמת המילימטר הבודד כך שגלי הרדיו לא יחזרו לגלאי. זאת הסיבה גם שהמפציץ נראה כמו כנף אחת ענקית. משום כך, למפציץ אין זנב והוא עטוף בחומר מסווג שיכול לספוג את קרינת המכ״ם, תרומה נוספת להקטנת חתך הפעולה שלו. אבל גם B-2 לא חף מבעיות. מפציץ יחיד עולה כ-2 מיליארד דולר. החומר שממנו הוא עטוף דרש האנגרים ענקיים עם בקרת אקלים רצינית ועלות התחזוקה גבוהה. מבחינת עלות מול תועלת, על כל שעת טיסה נדרשות 120 שעות תחזוקה. מצד אחד המפציץ הוא יצירת אומנות פיזיקאלית, ומצד שני הוא סיוט מבחינה לוגיסטית.
נדלג כעט 30 שנה קדימה לשנת 2011 – חיל האוויר האמריקאי מחליט לייצר אלטרנטיבה, כזו שתפתור את בעיית העלות ומחליט לתכנן את המפציץ B-21 . אם B-2 הוכיח שניתן לפתור את משוואת מקסוול בצורה מושלמת, אחיו הצעיר יותר מוכיח שניתן לעשות זאת ביעילות גם כן. להבדיל מהפציץ המיושן, הגרסה החדשה מוכיחה שניתן לבנות מפציץ עם גיאומטריה חלקה עוד יותר. יתרה מזו, המנועים הם עד כדי כך מוחבאים עד שהם בקושי משפיעים על השדות האלקטרומגנטיים מסביב. בזכות בינה מלאכותית הוא עשוי לקבל שדרוג נוסף ואם כל אלו ידגימו הצלחה זהו יהיה המטוס הראשון מ״דור 6״. בזכות ה-AI, האמריקאים כבר מזמן לא השחקנים היחידים – הסינים והאירופאים מפתחים חמקנים משלהם, והטכנולוגיה שיצאה לדרך ממאמר מדעי מהפכני הפך לנחלת הכלל.
יש לכם שאלות? רוצים שאכתוב על נושא שמעניין אתכם? מוזמנים לשלוח לכתובת המייל שלי [email protected] מוזמנים גם לקרוא כתבות נוספות בבלוג האישי שלי whatsquantum.org
עוד בנושא באתר הידען:
