המטוסים הבלתי נראים

חמקנות של כלי טיס היא ההמשך הטכנולוגי המתקדם של עקרון ההסוואה העתיק: כמו שחיילים לובשים מדים שמקלים עליהם להתמזג עם הסביבה, וכמו שחיות בטבע מסוות עצמן כדי לחמוק מטורפים או להפתיע את טרפן – מהנדסות ומהנדסים מעצבים כלי תחבורה צבאיים כך שיימנעו מגילוי במכ”מים ובאמצעי חישה אחרים. זו דוגמה קלאסית למרוץ חימוש מתמשך, או יותר נכון מרוץ התחמקות, בין יכולות הגילוי לבין פתרונות הסתרה והטעייה של כלי תקיפה.

לפני עידן המכ”ם, רעיון החמקנות התמקד בהיעלמות מעיני האויב: צביעת מטוסים בצבעי הסוואה או טשטוש קווי המתאר של המטוס בשמי היום. כבר במלחמת העולם הראשונה ניסו מהנדסים להפוך מטוסים לבלתי־נראים בעזרת חומרים שקופים. כך למשל, בגרמניה פותח המטוס הכבד Linke-Hofmann R.I, שחלק מגופו צופה בחומר שקוף כדי לצמצם את נראותו. אלא שהחומר נשחק ואיבד את שקיפותו במהירות, מה שגרם דווקא להשתקפויות מסגירות במקום להסוואה. מבין הנסיונות הנוספים לפתח מטוסים שקשה לראותם היו כמה שהשיגו הצלחה מוגבלת וזמנית, אך רובם העלו חרס. הרעיון נזנח בסופו של דבר, עד שקם לתחייה בעידן המכ”ם והטכנולוגיה המתקדמת.

בשנות ה־30 של המאה הקודמת, עם פיתוח המכ”מים הראשונים והשפעתם העצומה על העליונות האווירית, החל להתגבש רעיון החמקנות המודרנית. מאז נקשר המושג בעיקר ביכולת לחמוק מגילוי מכ”מי, המבוסס על גלי רדיו – אך לא רק. טכנולוגיית המכ”ם העניקה לראשונה יכולת זיהוי ומעקב לטווחים ארוכים, גם בתנאי מזג אוויר קשים או ראות מוגבלת, וכך הפחיתה במידה רבה את גורם ההפתעה של תקיפות אוויריות. דוגמה בולטת להשפעה של מערכות המכ”ם היא הקרב על בריטניה במלחמת העולם השנייה, שבו הצליחו מטוסי הקרב הבריטיים להגן על אנגליה מול יתרון מספרי ניכר של מטוסי הלופטוואפה, חיל האוויר של גרמניה הנאצית, בזכות רשת המכ”ם הבריטית שאיפשרה גילוי מוקדם ויירוט מכוון. עד סוף המלחמה הפך המכ”ם לנפוץ יחסית, ומכאן נולד הצורך במחקר ממוקד בטכנולוגיות חמקנות רדיו – עיצוב המטוס כך שיסיט גלי רדיו במקום להחזיר אותם, ו”יעלים” אותו מהמכ”ם. אולם בשנות ה־60 ובתחילת ה־70 רווחה עדיין הדעה שחמקנות מלאה אינה מעשית: עלותה נחשבה גבוהה מדי, היא פגעה בביצועי הטיסה, וחישוב החזרי המכ”ם היה מורכב מכדי לאפשר עיצוב יעיל של כלי טיס חמקני.

על אף שטכנולוגיית החמקנות המודרנית פותחה ונחקרה בעיקר בארצות הברית, מי שנחשב למייסד תורת החמקנות, כנראה בלי שהתכוון לכך, היה הפיזיקאי והמהנדס הסובייטי פיוטר יופימצב (Ufimtsev). הוא התפרסם בזכות עבודתו על התיאוריה הפיזיקלית של עקיפה שחקרה כיצד גלים אלקטרומגנטיים מוחזרים ממשטחים, ובעיקר מקצוות וקודקודים. עד אז אפשר היה להעריך החזרות ממבנים גדולים וחלקים כמו כדור או גליל, אבל לא היו נוסחאות מתמטיות מספקות למבנים מרובי זוויות, קצוות בולטים, או צורות מורכבות. יופימצב הראה שאפשר לחשב את זה באופן אנליטי, כלומר לפתח מודל מתמטי שיחזה את תכונות הפיזור של הקרינה החוזרת. ממצאיו הפכו ליסוד תיאורטי מרכזי בפיתוח מטוסים בעלי חתימת מכ”ם מופחתת. בברית המועצות של שנות ה־60, קובעי המדיניות הצבאית לא הבינו את המשמעות האסטרטגית של המחקר, ראו בו עניין אקדמי בלבד ולכן התירו ליופימצב לפרסם את המאמר בזירה הבינלאומית. זה איפשר למהנדסי חברת לוקהיד בארצות הברית להיעזר במחקר התיאורטי כדי לעצב ב-1981 את המטוס החמקני המאויש הראשון שהוכנס לשירות מבצעי, F-117 Nighthawk כחלק מפרויקט Have Blue ובהמשך סלל את הדרך ל־B-2 Spirit “הכנף המעופפת” של חברת נורת’רופ שהפכה לסמל היכולת האמריקאית לחדור לשמי האויב בלי להתגלות.

הפיתוח הראשוני של מטוסי החמקנות בארצות הברית נעשה במסגרת “מיזם שחור” – תוכנית צבאית סודית במיוחד, שהממשלה, הצבא ועובדי הביטחון אינם מודים רשמית בקיומה. מטרת החשאיות היא כמובן להבטיח יתרון אסטרטגי ולמנוע זליגה של מידע חיוני לידי האויב. המיזם לפיתוח ה־F-117 החל באמצע שנות ה־70 תחת מעטה סודיות מוחלט. המטוס היה בכשירות מבצעית מ-1983 אך קיומו נחשף לציבור רק ב־1988. גם תוכנית ה־B-2, שהחלה בסוף שנות ה־70, נשמרה בסוד במשך קרוב לעשור. במשך כל שנות הפיתוח הכחישה ארצות הברית  את עצם קיומם של מטוסים כאלה, והתמונה המלאה נחשפה הרבה אחרי שהם נכנסו לשימוש.

מתחת לרדאר

עיקר ההתחמקות של מטוסים חמקניים היא התחמקות מכ”מית. מכ”ם (מגלה כיוון ומרחק  ובאנגלית Radio Detection And Ranging או בקיצור RADAR) היא מערכת המשתמשת בגלי רדיו כדי לגלות את המרחק, הכיוון והמהירות של עצמים ביחס למיקומו של המכשיר. עקרון הפעולה פשוט: משדר שולח גלים אלקטרומגנטיים, במקרה זה גלי רדיו, באמצעות אנטנה. הגלים פוגעים בעצמים ומוחזרים, ואותם קולטת אנטנה שמחוברת למקלט. עיבוד המידע הנקלט מאפשר לחשב  את מיקום העצם, גודלו ומרחקו מאיתנו. מעקב רציף אחרי ההחזר מאפשר לחשב גם את כיוון תנועתו ואת מהירותו. 

כמה מדינות החלו לפתח בחשאי מערכות מכ”ם עוד לפני מלחמת העולם השנייה, וביתר שאת – במהלכה. אחד הפיתוחים ששינו את פני הטכנולוגיה היה המגנטרון – רכיב שמאפשר לייצר גלי רדיו  בעוצמה גבוהה במיוחד במכשיר קטן יחסית. נוסף על שימושים ביתיים כמו מכשירי מיקרוגל – גלי מיקרו הם תדר מסוים של גלי רדיו – הרכיב הזה מאפשר גם לבנות מערכות מכ”ם קומפקטיות בעלות רזולוציה גבוהה. כיום המכ”ם נמצא בשימושים מגוונים מאוד – מפיקוח תעבורתי אווירי ויבשתי, ניטור האוקיינוסים והחלל, חיזוי מזג אוויר, מדידת גובה טיסה, כלי רכב אוטונומיים, מחקר גיאולוגי וכמובן – הגנה צבאית מפני כלי טיס וטילים. 

מונח חשוב בתחום הפיתוח של כלים חמקניים הוא שטח חתך מכ”ם (שח”ם) או חתימה מכ”מית. זהו מדד למידת הגילוי של עצם באמצעות מכ”ם: ככל שהחתך גדול יותר, העצם קל יותר לגילוי. השח”ם נמדד ביחידות של מטר רבוע ומושפע מתכונות רבות: הצורה הגיאומטרים של הכלי הנמדד, החומרים שהוא בנוי מהם, הזווית שבה פוגע בו גל המכ”ם, תדר הגל היוצא ממשדר המכ”ם. שטח החתך גדל ככל שיש למטוס יותר בליטות, חריצים, חללים פתוחים או אנטנות. 

עיצוב גאומטרי

מעצבי כלי טיס חמקניים שואפים להקטין את השח”ם בכמה דרכים, ובראשן עיצוב הצורה הגיאומטרית של המטוס. זהו אחד הגורמים הקריטיים ביותר בקביעת חתימת המכ”ם שלו. כאשר גל המכ”ם פוגע במשטח גדול וישר (כמו לוח אנכי), עיקר האנרגיה מוחזרת ישירות חזרה אל האנטנה ששידרה אותו – בדיוק כמו אור שמוחזר ממראה. תופעה זו נקראת החזר מראה (Specular Reflection) והיא התורמת העיקרית  לשח”ם. כדי להפחית החזרים אלה, מתכננים את המטוס כך שצדו החיצוני יורכב מלוחות קטנים יחסית ומשופעים בזוויות   שונות אלו לאלו. הרעיון הוא לפזר את החזרי הגל כמה שיותר ולא להחזירם למקור השידור: כל לוח מפנה את האנרגיה האלקטרומגנטית לכיוון אחר, רחוק ככל האפשר מקו הראייה של אנטנת המכ”ם. צורה זו לא מגיעה ללא הפסדים – ובדרך כלל משלמים על כך באווירודינמיות  – המטוס פחות יציב ובעל ביצועי טיסה פחות טובים בהשוואה למטוסי קרב שתוכננו בעיקר לפי שיקולים אווירודינמיים.

חתימת מכ”מ דומה לזו של ציפור. השוואת שטחי החתך של חרק, ציפור, כמה מטוסים חמקנים ומטוס F-16 לא חמקן. מתוך מאמר סקירה של  J. M. ter Harmsel

בתחילת הדרך נמנעו מהנדסים מצורות עגולות במטוסים חמקניים כאלה מחשש לגלים זוחלים (creeping waves) – קרינה שנעה לאורך משטח קמור ועלולה להיפלט חזרה לכיוון המכ”ם. עם השנים השתפרה מאוד היכולת לחשב ולדמות את התנהגות גלי המכ”ם סביב צורות מורכבות, והדבר איפשר לתכנן ולעצב משטחים קמורים שמפזרים את הקרינה לכל הכיוונים בעוצמה נמוכה מאוד ובו בזמן משפרים משמעותית את האווירודינמיקה.

עקרון נוסף בעיצוב הזה כולל הימנעות מזוויות ישרות בין משטחים, מכיוון ששני משטחים הנפגשים בזווית של 90° יוצרים מבנים של רטרורפלקטור (Retroreflector), שיוצר החזר חזק של  הגל ישירות לכיוון המכ”ם. בעיצוב חמקני מנסים להימנע ככל האפשר מזוויות ישרות – גם בזנבות ובחיבורים בין הכנפיים לגוף המטוס.

אחד ממקורות ההחזר הגדולים במטוסי סילון הם פתחי יניקת האוויר של המנוע והחללים הפנימיים, שגלי המכ”ם חודרים אליהם ומוחזרים מהם בעוצמה. מנועי סילון עם להבים בולטים נראים במכ”ם באופן ברור  במיוחד. כדי להתמודד עם החזרים מחללים כאלה משתמשים ברשתות מתכת עדינות שחוסמות גלי רדיו בלי לפגוע בזרימת האוויר. זה דומה לרשת שמכסה את הצד הפנימי של דלת תנור המיקרוגל – גודל החורים והמרווחים ביניהם מבטיחים שגלי מיקרו לא ייצאו מהתנור, אך מאפשרים למי שעומד לידו להתבונן פנימה. בנוסף, הפתחים מעוצבים בזוויות שמסתירות את המנוע מגלי המכ”ם. חימוש המטוסים נשמר בתאים פנימיים במקום להיות תלוי מתחת לכנפיים, וכל החיבורים, הברגים והדלתות מיושרים בקפדנות ושקועים בגוף המטוס כדי למנוע נקודות החזר.

ציפוי מונע החזרים

דרך נוספת להתמודד עם גילוי מכ”ם היא ציפוי המטוסים בחומרים שבולעים את גלי הרדיו או ממסכים את ההחזרים. חומרים אלו נקראים  Radiation-absorbent materials, ובקיצור RAM והם מבוססים על שלוש טכניקות עיקריות.  

התאמת מקדם השבירה: כאשר גל אלקטרומגנטי עובר מחומר אחד לחומר אחר חלקו עובר וחלקו מוחזר עקב המעבר בין החומרים. ככל שהפער בין מקדמי השבירה של החומרים שהגל עובר בהם גדול יותר, כך ההחזר מנקודת המעבר יהיה גדול בהתאם. אפשר ליצור מצב של החזרים נמוכים כאשר דואגים שציפוי  המטוס יהיה בעל מקדם שבירה קרוב לזה של האוויר. דוגמה יום יומית להתאמת מקדמי שבירה אפשר למצוא אצל האופטומטריסט: בציפויים אנטי־רפלקטיביים על עדשות משקפיים. הציפוי נבחר, בין היתר, כך שמקדם השבירה שלו עשוי שכבות המגשרות בין האוויר לזכוכית – החלק החיצוני בעל מקדם שבירה קרוב לשל האוויר ובחלקו הפנימי הנושק לזכוכית –  מקדם שבירה הקרוב לזה של זכוכית. 

בליעה והמרה לחום: בתוך הציפוי משלבים לעיתים חלקיקים פֶרוֹמַגנטיים קטנים, כמו פחמן או ברזל, שרוטטים כאשר גלי הרדיו פוגעים בהם, וכך ממירים את האנרגיה של הגלים לחום. דוגמה מחיי היום-יום של תופעה זו היא דרך הפעולה של תנור המיקרוגל. גלי המיקרו מרטיטים את מולקולות המים באוכל ובכך מחממים אותו. כמובן שבמקרה של המטוסים אין צורך בחימום, וזו תופעת לוואי של מיסוך האנרגיה האלקטרומגנטית על ידי רטט של מולקולות בתוך החומר.

ביטול באמצעות התאבכות הורסת: כאשר גלים בעלי תדר דומה נפגשים באותה נקודה במרחב, הם מסתכמים זה עם זה – תופעה המכונה סופרפוזיציה. התוצאה תלויה ביחסי המופע בין הגלים: התאבכות בונה מתרחשת כאשר שני הגלים מגיעים באותו מופע – למשל שיא מול שיא או שפל מול שפל. במקרה זה הם מחזקים זה את זה, והמשרעת של הגל המתקבל היא סכום המשרעות של שני הגלים.
התאבכות הורסת מתרחשת כששני הגלים מגיעים במופעים מנוגדים – שיא מול שפל. אז כל חלק חיובי של גל אחד מבוטל על ידי החלק השלילי של הגל השני. על העקרון הזה מבוסס מנגנון הפעולה של אזניות מבטלות רעשים. כשגל רדיו פוגע בציפוי של גוף המטוס, חלק מהקרינה מוחזר ממנו. חלק אחר חודר לציפוי מגיע לדופן המטוס עצמה, מוחזר ממנה ועובר שוב דרך שכבות הציפוי עד צאתו לאוויר. בחירה נכונה של עובי הציפוי כתלות באורך הגל, מאפשרת ליצור מצב שהמופע שההחזר השני צובר בתוך הציפוי תיצור התאבכות הורסת עם ההחזר הראשון ותבטל את ההחזרות של קרינת המשדר.

תופעה דומה לזו אחראית לצבעוניות של בועות הסבון. פני הבועה מורכבים משכבת נוזל דקה מאוד, שעובייה שונה ממקום למקום לאורך פני השטח. והעובי השונה יוצר החזרי אור שונים, במגוון צבעים. 

ציפויי המיסוך מסוגלים להפחית במידה ניכרת את החזרי המכ”ם ולהקטין את חתימת המכ”ם של כלי טיס חמקניים, אבל יש להם גם חסרונות לא מבוטלים. ראשית, הציפויים אינם יעילים באותה מידה בכל תחום התדרים. ברוב המקרים הם מתוכננים לפעול היטב מול מכ”מים בתחום תדרים גבוה יחסית, כמו אלו המשמשים להנחיית טילים, שם קל יותר ליצור התאבכות הורסת או בליעה יעילה של הגל. לעומת זאת, מול מכ”מים המשתמשים בתדרים נמוכים יכולת ההסוואה פוחתת באופן ניכר. שנית, החומרים עצמם עדינים, ודורשים תחזוקה מתמדת. שכבות הציפוי נשחקות בקלות יחסית כתוצאה מחשיפה לגשם חום, שינויי לחץ, ואפילו סתם מהירות גבוהה בטיסה. המשמעות היא שכלי טיס חמקני זקוק לעיתים קרובות מאוד לצביעה מחדש ותחזוקה אינטנסיבית, מה שמצטבר לעלות כספית משמעותית לאורך חיי המטוס, שבדרך כלל יקר מאד מלכתחילה. 

התחמקויות נוספות: חמקנות תת־אדומה וחמקנות אקוסטית משלימות את טכנולוגיות החמקנות מול מכ”ם, ונועדו להקטין את סיכויי הזיהוי של כלי טיס באמצעים אחרים. בתחום התת־אדום, זיהוי החום של המטוס, נעשה שימוש בהקטנת טמפרטורת הפליטה של המנוע באמצעות הזרקת אוויר קר או פיזור הגזים בנפח גדול יותר; בהפחתת השימוש במבער אחורי שמגדיל מאוד את החתימה התרמית; ובהסתרת חורי הפליטה בחלקים העליונים של גוף המטוס כך שיקשה על חיישנים לזהותם. במקביל, חמקנות אקוסטית נועדה לצמצם את רעש המנועים והפליטה, בעיקר בטיסה נמוכה, באמצעות עיצוב מבני ותעלות פליטה מיוחדות שמפנות את גלי הקול כלפי מעלה ומרחיקות אותם מגלאים קרקעיים.

הישראלים מתחמקים

מטוס F-35I של לוקהיד מרטין, שנקרא בחיל האוויר הישראלי “אדיר”, הוא מטוס קרב רב־משימתי מהדור החמישי, המבוסס על ה-F-35 לייטנינג II האמריקאי, עם שדרוגים ייחודיים של חיל האוויר הישראלי והתעשיות המקומיות בשלושה היבטים עיקריים: מערכת שליטה ובקרה, חימוש ולוחמה אלקטרונית. 

ישראל הזמינה את המטוסים לראשונה ב-2008, והראשונים נחתו בארץ ב-2016. מאז השתתפו מטוסי אדיר במבצעים רבים, בהם נרשמו תקיפה מבצעית ראשונה בהיסטוריה וגם הפלות הבכורה העולמית של ה-F-35 – כולל יירוט כטב”מים וטילי שיוט. כיום יש לחיל האוויר שלוש טייסות מבצעיות של מטוסי אדיר, והם נחשבים נכס אסטרטגי התורם לעליונות האווירית של ישראל.

עם הפנים קדימה

מירוץ החימוש החמקני לא הסתיים, וגופים רבים ממשיכים לחקור את התחום ולפתח טכנולוגיות חדשניות. כמובן שעיקר המחקר נעשה תחת מעטה סודיות, אך יש כמה כיוונים סבירים לדור הבא של חמקנות. 

שימוש במטא־חומרים (metamaterials) מתחוכמים שישפרו את הצפויים מונעי ההחזרים. אלה  חומרים מהונדסים שהמבנה המיקרוסקופי שלהם מתוכנן בקפידה כדי לשלוט באופן שבו גלי הרדיו יתפשטו, ייבלעו או יוחזרו. שימוש במשטחי החזר חכמים (Intelligent Reflecting Surfaces או IRS), שמסוגלים לשנות את תכונות החזר הקרינה בזמן אמת, תוך התאמה למצבים משתנים של גילוי המכ”ם. שיטה חדשנית נוספת עוסקת בחמקנות מבוססת פלזמה, שבה יוצרים מעטפת יונית  סביב כלי הטיס שמשנה את גלי הרדיו או בולעת אותם, אך פתרונות בשיטה זו עדיין נראים רחוקים מיישום מעשי. 

בנוסף, בינה מלאכותית ולמידת מכונה יכולות לשמש את תחום החמקנות על ידי התאמה דינמית לאיומים משתנים. מערכות AI שמנתחות בזמן אמת את נתוני החיישנים, ומאפשרות לכלי טיס, ספינות וכלי רכב אחרים להתאים באופן אוטומטי את פרופיל החמקנות שלהם לתנאים ולאיומים סביבם. 

כל שיפור בעיצוב חמקני – בגאומטריה, בציפויים או בהפחתת חתימה תרמית ואקוסטית – מוביל להשקעה מקבילה בטכנולוגיות גילוי מתקדמות, שהולכות ומשתכללות גם הן. 

כיום מכ”מים פועלים במספר תחומי תדר במקביל. אורכי גל ארוכים יותר (VHF ו-UHF)  פחות רגישים לעיצוב החמקני, אך לבדם אינם בעלי דיוק מספק. השילוב בין תדרים שונים לעיבוד נתונים מתקדם מאפשר לנצל את יתרונותיו של כל תחום תדרים: גילוי מוקדם מצד אחד, ומיקוד מדויק יותר מצד אחר, וכך להרכיב תמונת מצב שלמה ואמינה יותר. בנוסף, גדל השימוש במערכות מכ”ם רב־סטטי (multistatic radar), שבהן משדרים ומקלטים ממוקמים בנקודות שונות, כך שכלי טיס מתקשים להסיט את ההחזר מכל הזוויות בו־זמנית.

במקביל, מתפתחות מערכות גילוי פסיביות שאינן משדרות כלל ולכן אינן חושפות את מיקומן. הן מנצלות את הקרינה האלקטרומגנטית הקיימת בסביבה וקולטות החזרים של שידורי רדיו, טלוויזיה או תקשורת סלולרית הפוגעים במטרה, ומשוות בין האות הישיר מהמשדר לבין האות המוחזר. ההבדלים בזמן ההגעה, בתדר ובעוצמה מאפשרים לאתר מטרה ולעקוב אחריה, גם בלי לשדר קרינה ייעודית מהמכ”ם. שיטה זו מכונה לעיתים Passive Coherent Location, והיא יעילה במיוחד בסביבות עתירות שידורים אזרחיים.

בפעם הבאה שתראו או תשמעו דיווח על כלי טיס חמקני – במלחמה עם איראן או בנסיבות אחרות – העניקו לו רגע של כבוד: חשבו על הדרך הארוכה שעבר מאז ניסויי ההסוואה הראשונים, על המחקר האדיר שהושקע בו, ועל כל הפיזיקה וההנדסה החבויות במראה החריג של המטוסים הלא־שגרתיים הללו.