"כיפת ברזל" היא מערכת ניידת להגנה מפני טילים, הפרושה ברחבי הארץ. בפוסט זה נתמקד בהיבט פחות מוכר של תכנון המערכת ואישורה – ניסויים דינמיים שנערכו כדי לבדוק את מעטפת הביצועים והבטיחות של כלי הרכב המובילים את המערכת ברחבי הארץ.

השם "כיפת ברזל" מוכר בכל בית בישראל. זוהי מערכת הגנה המאתרת ומיירטת איומים אוויריים: רקטות קצרות טווח [1], פצצות מרגמה ואף כלי טיס בלתי מאוישים . ניסויים שונים מהווים שלב קריטי בתכנון מערכות כאלה לפני כניסתן לשירות פעיל, ולהם שתי מטרות עיקריות: זיהוי כשלים הנדסיים במערכת והוכחת הביצועים והבטיחות בהתאם לדרישות. גם מערכת כיפת ברזל עברה ניסויים שונים כחלק מתהליך הפיתוח. בפוסט זה נתמקד בניסויי נִיּוּד המערכת.

רכיבי המערכת משונעים ברחבי הארץ, על כבישים וגם על דרכים לא סלולות. לפיכך היה צורך לבצע ניסויים בכלי הרכב המובילים את המערכות – ניסויים אוטומוטיביים – כדי לוודא שהנסיעות לא יפגעו בתפקוד הרכיבים השונים, ושאין חשש לסכנות בטיחות, כגון פיצוץ של הטילים במהלך הנסיעה.
הניסויים האוטומוטיביים כוללים נסיעה להתרשמות כללית, בדיקה של יכולות הבלימה של הרכב המוביל, עבירות בתנאי שטח משתנים, יציבות, שדה ראייה ולעיתים גם ניסוי התהפכות [2]. לאחר שקלול תוצאות הניסויים מאושר השימוש ברכב ונקבעים תנאי השימוש (מהירות מומלצת, הגבלות בטיחות וכולי), או שניתנות המלצות לשיפורים נדרשים. כל רכב חדש שנכנס לשימוש בצה"ל עובר ניסויים שכאלה, והשוני במקרה של מערכת כיפת ברזל הוא רגישות הרכיבים. אז איך נערכים הניסויים?

לצורך הניסויים נבנה מערך שמאפשר לדמות תוך פרק זמן קצר את תנועת המערכת במהלך שימוש מבצעי שוטף. מערך הניסוי מותאם לתוואי השטח ולאורך הנסיעה, לדוגמה – נסיעה של 2,000 קילומטר על כבישים סלולים ו-500 קילומטר בדרכי עפר. במהלך נסיעות הניסוי נבדקים כשלים הנדסיים שעלולים לצוץ בנסיעה מבצעית.

מה עושים עם רכיבים נפיצים? איך בודקים ומאשרים את בטיחות ההובלה של מארזי הטילים? שינוע בדרכים מפעיל על הטילים כוחות גדולים מאלה הפועלים עליהם במנוחה. אפשר לדמות זאת להזזה של פחית קולה: אם אתם הולכים עם הפחית ברחוב, תוכלו לפתוח אותה ללא חשש (מלבד חשש מכמות הסוכר, אולי). לעומת זאת, אם תשימו את הפחית באוטו ותיסעו איתה בשטח, כדאי שתחכו מעט לפני שתפתחו אותה.
הטילים, שאורך כל אחד מהם כ-3 מטרים ומשקלו כ-90 קילוגרם, מאוחסנים בתוך מארזים ייעודיים, חמישה טילים בכל מארז. בניסוי נבדק הניוד של משטח הנושא כמה מארזי טילים, והוא נערך באזור שכולל תאי שטח מלאכותיים שונים (חול, אבנים, אדנים וכדומה), המדמים את פרופיל המשימה וכן מצבי קיצון אפשריים. נסיעה בתאי שטח אלה מפעילה תאוצות גבוהות על כלי הרכב ועל המטען שלו, ומאפשרת לבדוק את ניוד הטילים בזמן קצר ובאופן בטיחותי [3].

התמונה מתוך youtube.com/watch?v=qrlQcj-8TkY

בנקודות שמוגדרות רגישות מותקנים חיישנים המודדים את התאוצות שמתפתחות במהלך נסיעה במקומות אלה. מכיוון שאי אפשר למדוד את התאוצה באופן ישיר, נמדדת השפעת התאוצה על רכיב נתון: שינוי באורך קפיץ, שינוי במוליכות החשמלית, שינוי זרם חשמלי וכדומה. מדידה כזאת מבצעים למשל הטלפונים הסלולריים שלנו, שמכילים רכיבים המזהים תנועה. כל תזוזה קטנה יוצרת אפקט חשמלי אשר נמדד על ידי המכשיר, ושינוי המתח החשמלי מתורגם לתאוצה.
נחזור אל הניסוי. על סמך המדידות נבנה פרופיל תאוצה, שאותו משווים לנתונים המותרים של הטיל עצמו: נבדק שהם נמצאים בטווח הדרוש, ושאין חריגה שעלולה לגרום לפיצוץ. אם הכול תקין תאושר המערכת, ואם לא, יערכו אנשי הפיתוח שיפורים, לדוגמה – תוספת שיכוך למארזים.
אבל רגע, באמת נותנים לנהג לנסוע הלוך ושוב ולקפץ בדרך מכוסה באבנים כשהרכב עמוס בטילים? מובן שלא. המארזים על משאית הניסוי הם מארזי דמה, שאין בהם טילים חיים.

בדיקה נוספת שנערכת לרכיבים רגישים היא ניסוי מעוותים, בדיקה המודדת עד כמה החומר מתעוות כתלות במאמץ המופעל עליו במהלך הנסיעה [4]. בבדיקה זו משתמשים במד מעוות (strain gauge) – נַגָּד חשמלי המוצמד ישירות אל החומר. כאשר החומר מתעוות (מתארך או מתכווץ) משתנה ההתנגדות החשמלית שלו ביחס ישר למידת העיוות. את השינוי בהתנגדות מודדים באמצעות חיישן העשוי מסגסוגת מתכות שמקדם שינוי ההתנגדות שלה ידוע. מיקום מדי המעוות המשמשים בניסוי נקבע בדרך כלל בעזרת אנליזת אלמנטים סופיים [5]. ניתוח של המדידות יראה אם התכנון היה תקין, ויוודא שאין חריגה מהמאמץ המותר של החומר, שעלולה לגרום לשבר. הניסוי מאפשר לבדוק את ההתאמה של תכנון הרכיבים והחומרים לחוזק הנדרש במהלך הנסיעות.

בפוסט זה סקרנו בקצרה חלק מהניסויים שבוצעו למערכת כיפת ברזל. ניסויים שונים, והניסויים האוטומוטיביים ביניהם, מהווים שלב קריטי בפיתוח המערכת, והיתרון העיקרי שלהם הוא שהם מאפשרים לאמת את תוצאות החישובים ההנדסיים ואף לאתר נקודות תורפה שלא תמיד מתגלות באנליזות ובסימולציות ממוחשבות, כל זאת במהירות ובפשטות יחסית. המסקנות שעלו מניסויים אלו סייעו לפיתוח מערכת כיפת ברזל, ואפשרו את פריסתה ברחבי הארץ באופן בטוח.
שנדע ימים שקטים יותר.

מקורות והרחבות:

[1] פוסט על רקטת הקסאם – מדע גדול, בקטנה

[2] פוסט על ניסויי התהפכות – מדע גדול, בקטנה

[3] סרטון ניסוי מסלול אבנים

[4] על מאמץ-מעוות

[5] פוסט על אנליזת אלמננטים סופיים – מדע גדול, בקטנה