תעופה בת־קיימא

דלקים נקיים יותר, מטוסים יעילים ופליטות נמוכות יותר: חשבונאות CO₂, מדדי יעילות, כנפיים ומנועים שצורכים פחות דלק, דלקי תעופה בני־קיימא, שובלי עיבוי, סוללות ומימן, תפעול נקי יותר ומסלולים לאפס נטו, עם שש מעבדות. חינמי, בקצב אישי, וקשור ל־Sustainable Flight National Partnership של NASA, למחקר NASA-DLR על שובלים, לנתוני SAF של DOE ולמקדמי הפליטה של EIA.

NASA Blue MarbleNASA (ISS066-E-080762, Nov. 8, 2021)NASA (ISS074-E-0046371, Jan. 3, 2026)NASA/Ben Smegelsky (KSC-20240124-PH-JBS01_0071)

קורסים › AERO 470

הורדת מדריך הלימוד כ־PDF (באנגלית)

על הקורס

זהו מתווה של קורס חינמי ללימוד עצמי שנכתב על ידי Saving Planets. הוא אינו קורס אוניברסיטאי, אינו מעניק נקודות זכות אקדמיות, ואף מוסד לימודים אינו מעורב בו.

היקפו תואם קורס בחירה לשנה האחרונה בנושא תעופה וסביבה. הוא נשען על ההרצאה על גורמים סביבתיים ב־MIT 16.885J Aircraft Systems Engineering (חינם ב־MIT OpenCourseWare) ועל חומרים ציבוריים של NASA,‏ DOE,‏ EIA ו־EPA, שאליהם אנו מקשרים כשזה עוזר. אף אחד מהם אינו מאשר דף זה.

מה אנו מוסיפים: כל יחידה קשורה לעבודה אמיתית עם מקור ציבורי מצוטט, כל מספר בדף מחושב מחדש בסקריפט בדיקה לפני הפרסום, וכל מעבדה פועלת בגיליון אלקטרוני או בסימולציה חינמיים.

עברו עליו לפי הסדר. בכל יחידה יש מטרות, רעיונות מרכזיים, משוואות, דוגמאות צעד אחר צעד, תרגול עם תשובות מלאות, טעויות נפוצות, כרטיסיות ובוחן. ההתקדמות שלכם נשמרת רק בדפדפן הזה.

איך הקורס הזה עוזר להציל את כדור הארץ

כל הקורס הזה הוא מקטע כדור הארץ: לפי Alternative Fuels Data Center של DOE, התעופה מייצרת כ־2% מכלל ה־CO₂ בעולם ו־12% מה־CO₂ של התחבורה, ושובלי עיבוי מוסיפים התחממות מעבר ל־CO₂.

ה־Sustainable Flight National Partnership של NASA פועל לקראת יעד ענף התעופה לפליטות פחמן אפס נטו עד 2050. כל יחידה מסתיימת במקטע קצר עם מקורות. ערכים שאינם ממקור מסומנים כערכי דוגמה או ערכי ספר לימוד.

חזרה למעלה

לפני שמתחילים

ידע מוקדם

  • הנעה: דחף, יעילות ו־TSFC.
  • ביצועי מטוסים: עילוי, גרר ומשוואת הטווח של ברגה.
  • תרמודינמיקה: אנרגיה, ערכי חום ויעילות מחזור.
  • Capstone Design או Avionics & Systems Engineering: דרישות ושקלולי תמורות.

איך ללמוד

  • הקפידו על יחידות: kg, גלונים, ליטרים, MJ ו־Wh.
  • שאלו תמיד ״לכל מה?״: לטיסה, לנוסע־ק״מ, לק״ג דלק.
  • הפרידו בין CO₂ מבעירה ל־CO₂ במחזור החיים.
  • בדקו כל חיסכון נטען מול קו בסיס.
  • זכרו השפעות שאינן CO₂, כמו שובלי עיבוי.
  • פתרו כל תרגיל על נייר לפני שאתם פותחים את התשובה, וחזרו על הבחנים כעבור כמה ימים.

ציוד מעבדה (למעבדות הרטובות)

  • תוכנת גיליון אלקטרוני (כל תוכנה חינמית מתאימה), או Python.
  • מחשב או טאבלט לסימולציה החינמית PhET Greenhouse Effect.
  • רשימות ההרצאה החינמיות של MIT 16.885J בדפדפן.
  • מחשבון.

חזרה למעלה

לוח זמנים מוצע ל־15 שבועות

כ־6 עד 9 שעות בשבוע: קריאה, תרגילים, ובשבועות המעבדה גם המעבדה.

שבועיחידהנושאיםקריאה
1תעופה ואקלים: ספירת CO₂ספירת CO₂; מעבדה AEIA
2מדדי יעילותמדדי יעילותNASA SFNP
3יעילות אווירודינמיתL/D וגרר מושרהMIT 16.885J
4יעילות אווירודינמיתצריכת דלק לפי ברגה; מעבדה BNASA SFNP
5יעילות מנועיםיעילות מנועים; מעבדה CMIT 16.885J
6דלקי תעופה בני־קיימאיסודות SAFDOE AFDC
7דלקי תעופה בני־קיימאמחזור החיים של SAF; מעבדה D; תרגול אמצעDOE AFDC
8שובלי עיבוי והשפעות שאינן CO₂שובלי עיבויNASA-DLR
9הנעה חשמלית והיברידיתסוללות וטווח חשמליNASA SFNP
10הנעה חשמלית והיברידיתמערכות היברידיות; מעבדה ENASA SFNP
11מטוסי מימןמטוסי מימןMIT 16.885J
12תפעול, רעש ואיכות אווירתפעולNASA SFNP
13תפעול, רעש ואיכות אוויררעש ואיכות אווירEPA
14מסלולים לאפס נטותרחישים; מעבדה FDOE AFDC
15מסלולים לאפס נטוחזרה; תרגול למבחן הסופיMIT 16.885J

חזרה למעלה

ההתקדמות שלכם

סמנו יחידות ומעבדות כשאתם מסיימים אותן, ועשו את הבחנים. ההתקדמות והציונים נשמרים רק בדפדפן הזה ולעולם לא נשלחים אלינו.

הפעילו JavaScript כדי לעקוב אחר ההתקדמות.

חזרה למעלה

יחידה 1 · שבוע 1

תעופה ואקלים: ספירת CO₂

מאין באות פליטות התעופה, מקדמי פליטה, CO₂ מבעירה לעומת מחזור חיים, וחלקה של התעופה בסך הכול.

מטרות הלמידה

בסוף היחידה הזו תוכלו:

  • להשתמש במקדם פליטה לחישוב CO₂.
  • להמיר בין גלונים, ליטרים וקילוגרמים.
  • להסביר CO₂ מבעירה לעומת CO₂ במחזור החיים.
  • לציין את חלקה של התעופה ב־CO₂ העולמי.

מושגי מפתח

  • שריפת דלק סילוני הופכת את הפחמן שבו ל־CO₂; מסת ה־CO₂ היא בערך פי שלושה ממסת הדלק, כי כל אטום פחמן מקבל שני אטומי חמצן.
  • ה־EIA האמריקאית נותנת 21.50 lb (9.75 kg) של CO₂ לכל גלון דלק סילוני שנשרף.
  • CO₂ במחזור החיים מוסיף את ייצור הדלק והובלתו; בדלקים בני־קיימא, גידול חומר הגלם יכול לקלוט CO₂.
  • לפי Alternative Fuels Data Center של DOE, התעופה אחראית ל־2% מכלל ה־CO₂ ול־12% מה־CO₂ של התחבורה בעולם.
  • התעופה מחממת את האקלים גם בהשפעות שאינן CO₂, כמו שובלי עיבוי ו־NOx.

משוואות מפתח

mCO2=EF×Vfuelm_{CO_2}=EF\times V_{fuel}
פליטות מנפח הדלק
EF=9.75 kg/galEF=9.75\ \text{kg/gal}
מקדם EIA לדלק סילוני
1 gal=3.785 L1\ \text{gal}=3.785\ \text{L}
המרת נפח
4412≈3.67\frac{44}{12}\approx3.67
יחס מסות CO₂ לפחמן

דוגמאות פתורות שלב אחר שלב

דוגמה 1.1 טיסה שורפת 5000 גלונים של דלק סילוני. כמה CO₂?

הצג את השלבים
  1. 5000 × 9.75.

תשובה: 48,750 kg (48.75 t).

דוגמה 1.2 בדקו את ערכי EIA בליברות ובקילוגרמים.

הצג את השלבים
  1. 21.50 × 0.45359237.

תשובה: 9.75 kg, עקבי.

דוגמה 1.3 כמה ליטרים הם 5000 גלונים?

הצג את השלבים
  1. 5000 × 3.785.

תשובה: 18,927 L.

תרגילים

פתרו כל אחד קודם על נייר, ואז בדקו.

  1. CO₂ מ־1000 גלונים?

    הצג תשובה

    9750 kg.

  2. יחס המסות של CO₂ לפחמן?

    הצג תשובה

    44/12 = 3.67.

  3. חלקה של התעופה ב־CO₂ של התחבורה (DOE)?

    הצג תשובה

    12%.

  4. מה מוסיף מחזור החיים?

    הצג תשובה

    השפעות ייצור, הובלה וחומר גלם.

תפיסות שגויות נפוצות

  • מיתוס: ה־CO₂ שוקל פחות מהדלק.

    בפועל: הוא שוקל בערך פי שלושה.

  • מיתוס: התעופה פולטת רק CO₂.

    בפועל: גם שובלי עיבוי ו־NOx חשובים.

  • מיתוס: CO₂ במחזור החיים ו־CO₂ מבעירה שווים.

    בפועל: הם שונים, במיוחד ב־SAF.

כרטיסיות

  • מקדם פליטה

    CO₂ ליחידת דלק.

  • CO₂ מבעירה

    מהשריפה.

  • CO₂ במחזור החיים

    סך הכול מהבאר ועד השובל.

  • השפעות שאינן CO₂

    שובלים, NOx, פיח.

  • Jet A

    דלק סילוני רגיל.

  • t CO₂

    טונה של CO₂.

בוחן לבדיקה עצמית

1. CO₂ מ־5000 gal…

הצג תשובה

48,750 kg. × 9.75.

2. מקדם EIA…

הצג תשובה

9.75 kg/gal. EIA.

3. חלקה של התעופה בכלל ה־CO₂…

הצג תשובה

2%. DOE.

4. ליטרים ב־5000 gal…

הצג תשובה

18,927. × 3.785.

איך זה עוזר להציל את כדור הארץ

ה־EIA האמריקאית מציינת 21.50 lb (9.75 kg) של CO₂ לכל גלון דלק סילוני.

לפי Alternative Fuels Data Center של DOE, התעופה אחראית ל־2% מכלל ה־CO₂ בעולם ול־12% מכלל ה־CO₂ של התחבורה.

ב־Saving Planets: פתרונות · תצפית על כדור הארץ

מקורות: U.S. EIA: Carbon dioxide emissions coefficients · U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

מקורות לימוד חינמיים

חזרה למעלה

יחידה 2 · שבוע 2

מדדי יעילות

דלק ו־CO₂ לנוסע־קילומטר, עצימות אנרגטית, ואיך להשוות מטוסים בהגינות.

מטרות הלמידה

בסוף היחידה הזו תוכלו:

  • לחשב דלק לנוסע־ק״מ.
  • לחשב CO₂ לנוסע־ק״מ.
  • להחיל שיפור יעילות באחוזים.
  • להשוות בין מטוסים בהגינות.

מושגי מפתח

  • פליטות כוללות מטעות; נרמלו לפי נוסעים ומרחק.
  • מקדם התפוסה חשוב: מושבים ריקים מעלים את הפליטות לנוסע.
  • עצימות אנרגטית (MJ לנוסע־ק״מ) משווה דלקים שונים בסקאלה אחת.
  • שיפור יעילות מקטין את הדלק ליחידת הובלה, ולא בהכרח את סך הדלק אם התנועה גדלה.
  • ה־Sustainable Flight National Partnership של NASA מכוון לשיפורי יעילות אנרגטית של 25–30% במטוסי התובלה של הדור הבא.

משוואות מפתח

Vfuelnpaxd\frac{V_{fuel}}{n_{pax}d}
דלק לנוסע־ק״מ
mCO2npaxd\frac{m_{CO_2}}{n_{pax}d}
CO₂ לנוסע־ק״מ
m′=m(1−g)m^\prime=m(1-g)
אחרי שיפור שברי g
LF=npaxnseatsLF=\frac{n_{pax}}{n_{seats}}
מקדם עומס

דוגמאות פתורות שלב אחר שלב

דוגמה 2.1 5000 גלונים מובילים 180 נוסעים למרחק 2000 km (ערכי דוגמה). ליטרים לנוסע־ק״מ?

הצג את השלבים
  1. 18,927/(180 × 2000).

תשובה: 0.0526 L.

דוגמה 2.2 CO₂ לנוסע־ק״מ?

הצג את השלבים
  1. 48,750/360,000.

תשובה: 0.135 kg (135 g).

דוגמה 2.3 שיפור יעילות של 25% באותה נסיעה. מה ה־CO₂ החדש?

הצג את השלבים
  1. 48,750 × 0.75.

תשובה: 36,563 kg.

תרגילים

פתרו כל אחד קודם על נייר, ואז בדקו.

  1. אותה טיסה עם 150 נוסעים: כמה g CO₂ ל־pkm?

    הצג תשובה

    162.5 g.

  2. מקדם תפוסה, 180 מתוך 200 מושבים?

    הצג תשובה

    0.9.

  3. שיפור של 30% על 48750 kg?

    הצג תשובה

    34,125 kg.

  4. למה לנרמל?

    הצג תשובה

    כדי להשוות בהגינות בין נסיעות ומטוסים שונים.

תפיסות שגויות נפוצות

  • מיתוס: מטוסים גדולים תמיד פולטים יותר לנוסע.

    בפועל: לעיתים קרובות פחות לנוסע.

  • מיתוס: יעילות מקטינה את סך הפליטות.

    בפועל: רק אם התנועה אינה גדלה מהר יותר.

  • מיתוס: מושבים שווים לנוסעים.

    בפועל: השתמשו במקדם התפוסה.

כרטיסיות

  • נוסע־ק״מ

    נוסע אחד שהובל ק״מ אחד.

  • מקדם עומס

    נוסעים חלקי מושבים.

  • עצימות אנרגטית

    MJ ל־pkm.

  • אפקט ריבאונד

    צמיחה שמקזזת את היעילות.

  • קו בסיס

    מקרה ייחוס.

  • נרמול

    השוואה ליחידה.

בוחן לבדיקה עצמית

1. L ל־pkm…

הצג תשובה

0.0526. 18,927/360,000.

2. g CO₂ ל־pkm…

הצג תשובה

135. 48,750/360,000.

3. אחרי שיפור של 25%…

הצג תשובה

36,563 kg. × 0.75.

4. יעד SFNP…

הצג תשובה

25–30%. NASA.

איך זה עוזר להציל את כדור הארץ

לפי NASA, ה־Sustainable Flight National Partnership שואף לאפשר שיפורי יעילות אנרגטית של 25–30% במטוסי תובלה מהדור הבא שיכולים להשתמש ב־100% דלק תעופה בר־קיימא ולטוס במסלולים מיטביים.

המדדים לנוסע ביחידה זו הם הדרך שבה נמדדים שיפורים כאלה.

ב־Saving Planets: ביצועי מטוסים · פתרונות

מקורות: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

מקורות לימוד חינמיים

חזרה למעלה

יחידה 3 · שבועות 3–4

יעילות אווירודינמית

L/D, גרר מושרה ויחס ממדים, כנפיים ביחס ממדים גבוה וכנפיים עם תמוכות, וצריכת דלק ממשוואת ברגה.

מטרות הלמידה

בסוף היחידה הזו תוכלו:

  • לחשב שבר דלק לפי ברגה.
  • להראות כיצד L/D מקטין דלק.
  • לחשב את מקדם הגרר המושרה.
  • להסביר מדוע כנפיים ארוכות ודקות חוסכות דלק.

מושגי מפתח

  • לפי ברגה, שבר הדלק הוא 1 − exp(−Rc/(V·L/D)).
  • L/D גבוה יותר פירושו פחות דלק לאותו טווח.
  • הגרר המושרה C_Di = C_L²/(πeAR) יורד ככל שיחס הממדים עולה.
  • כנפיים דקות מאוד צריכות תמוכות (תכנים עם תמוכות) כדי להישאר קלות וקשיחות.
  • לב השותפות של NASA הוא מטוס הדגמה X-plane בקנה מידה מלא הבוחן תכן אווירודינמי יעיל במיוחד.

משוואות מפתח

WfWi=1−e−Rc/(V L/D)\frac{W_f}{W_i}=1-e^{-Rc/(V\,L/D)}
שבר דלק
CDi=CL2πeARC_{D_i}=\frac{C_L^2}{\pi eAR}
גרר מושרה
AR=b2/SAR=b^2/S
יחס ממדים
L/D=CL/CDL/D=C_L/C_D
יחס עילוי לגרר

דוגמאות פתורות שלב אחר שלב

דוגמה 3.1 3000 km ב־230 m/s,‏ c = 0.6 /h,‏ L/D = 17 (ערכי ספר לימוד). שבר הדלק?

הצג את השלבים
  1. Rc/(V L/D) = 3 × 10⁶ × 1.667 × 10⁻⁴/(230 × 17) = 0.1279.
  2. 1 − e^(−0.1279).

תשובה: 0.120.

דוגמה 3.2 אותו דבר עם L/D = 20.

הצג את השלבים
  1. 1 − e^(−0.1087).

תשובה: 0.103: פחות דלק ב־14.2%.

דוגמה 3.3 C_Di ב־C_L = 0.5,‏ e = 0.85,‏ AR = 9?

הצג את השלבים
  1. 0.25/(π × 0.85 × 9).

תשובה: 0.0104.

תרגילים

פתרו כל אחד קודם על נייר, ואז בדקו.

  1. C_Di ב־AR = 12?

    הצג תשובה

    0.0078.

  2. ב־AR = 19 (מחלקת כנפיים עם תמוכות)?

    הצג תשובה

    0.0049.

  3. יחס ממדים עבור b = 36 m,‏ S = 120 m²?

    הצג תשובה

    10.8.

  4. למה להוסיף תמוכות לכנף דקה?

    הצג תשובה

    כדי לשמור עליה קלה וקשיחה.

תפיסות שגויות נפוצות

  • מיתוס: הגרר הוא כולו חיכוך.

    בפועל: הגרר המושרה גדול בשיוט.

  • מיתוס: כנפיים ארוכות יותר אינן עולות דבר.

    בפועל: מגבלות משקל ושער עלייה.

  • מיתוס: הדלק משתנה ליניארית עם L/D.

    בפועל: הוא מתנהג לפי האקספוננט.

כרטיסיות

  • L/D

    יחס עילוי לגרר.

  • גרר מושרה

    גרר הנובע מעילוי.

  • יחס ממדים

    b²/S.

  • מקדם אוסוולד

    יעילות מוטה e.

  • כנף עם תמוכות

    כנף דקה עם תמוכות.

  • שבר דלק

    דלק חלקי משקל המראה.

בוחן לבדיקה עצמית

1. שבר דלק, L/D 17…

הצג תשובה

0.120. ברגה.

2. דלק שנחסך ב־L/D 20…

הצג תשובה

14.2%. השוו את השברים.

3. C_Di AR 9…

הצג תשובה

0.0104. C_L²/(πeAR).

4. AR גבוה יותר…

הצג תשובה

מקטין את הגרר המושרה. נוסחה.

איך זה עוזר להציל את כדור הארץ

לפי NASA, לב ה־Sustainable Flight National Partnership יהיה מטוס הדגמה X-plane בקנה מידה מלא שנבנה לבחון תכן אווירודינמי יעיל במיוחד, כדי להנחות את הדור הבא של מטוסים בעלי מעבר יחיד.

NASA מציינת שהטיסה הראשונה של מטוס ההדגמה לא תתקיים לפני סוף 2026.

ב־Saving Planets: אווירודינמיקה 1 · ביצועי מטוסים

מקורות: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

מקורות לימוד חינמיים

חזרה למעלה

יחידה 4 · שבוע 5

יעילות מנועים

יעילות תרמית, הנעתית וכוללת, יחס עקיפה וליבות מנוע מתקדמות.

מטרות הלמידה

בסוף היחידה הזו תוכלו:

  • לחשב נצילות הנעה.
  • שלבו נצילות תרמית ונצילות הנעה.
  • הסבירו למה יחס עקיפה גבוה חוסך דלק.
  • לקשר יעילות ל־TSFC.

מושגי מפתח

  • היעילות הכוללת היא היעילות התרמית כפול היעילות ההנעתית.
  • היעילות ההנעתית 2/(1 + V_e/V₀) עולה ככל שמהירות הפליטה מתקרבת למהירות הטיסה.
  • מניפי טורבו ביחס עקיפה גבוה מזיזים יותר אוויר לאט יותר, ומעלים את היעילות ההנעתית.
  • ליבות חמות יותר, בלחץ גבוה יותר וקומפקטיות מעלות את היעילות התרמית.
  • עבודת Hybrid Thermally Efficient Core של NASA מפתחת ליבות טורבינה בצפיפות הספק גבוהה למטוסי תובלה מהדור הבא.

משוואות מפתח

ηp=21+Ve/V0\eta_p=\frac{2}{1+V_e/V_0}
נצילות הנעה
ηo=ηthηp\eta_o=\eta_{th}\eta_p
נצילות כוללת
TSFC∝V0ηoTSFC\propto\frac{V_0}{\eta_o}
צריכת דלק לדחף
BPR=m˙bypass/m˙coreBPR=\dot m_{bypass}/\dot m_{core}
יחס עקיפה

דוגמאות פתורות שלב אחר שלב

דוגמה 4.1 V₀ = 230 m/s, V_e = 400 m/s. η_p?

הצג את השלבים
  1. 2/(1 + 400/230).

תשובה: 0.730.

דוגמה 4.2 הורידו את V_e ל־300 m/s (עקיפה גבוהה יותר).

הצג את השלבים
  1. 2/(1 + 300/230).

תשובה: 0.868.

דוגמה 4.3 עם η_th = 0.5, מהי היעילות הכוללת ב־V_e = 300?

הצג את השלבים
  1. 0.5 × 0.868.

תשובה: 0.434.

תרגילים

פתרו כל אחד קודם על נייר, ואז בדקו.

  1. η_p ב־V_e = 350 m/s?

    הצג תשובה

    0.793.

  2. יעילות כוללת ב־V_e = 400,‏ η_th = 0.5?

    הצג תשובה

    0.365.

  3. חיסכון בדלק במעבר מ־0.365 ל־0.434 כוללת?

    הצג תשובה

    פחות דלק ב־15.9% לאותה עבודה.

  4. מהו יחס עקיפה?

    הצג תשובה

    ספיקת העקיפה חלקי ספיקת הליבה.

תפיסות שגויות נפוצות

  • מיתוס: פליטה מהירה יותר יעילה יותר.

    בפועל: היא מורידה את היעילות ההנעתית.

  • מיתוס: היעילות התרמית היא הכול.

    בפועל: ההנעתית חשובה באותה מידה.

  • מיתוס: עקיפה אינה עולה דבר.

    בפועל: מניפות גדולות יותר מוסיפות משקל וגרר.

כרטיסיות

  • נצילות הנעה

    החלק המועיל מהספק הדחף.

  • נצילות תרמית

    יעילות המחזור.

  • נצילות כוללת

    מכפלת שתיהן.

  • יחס עקיפה

    אוויר המניפה חלקי אוויר הליבה.

  • TSFC

    דלק לדחף ליחידת זמן.

  • ליבת המנוע

    מדחס, תא בעירה, טורבינה.

בוחן לבדיקה עצמית

1. η_p ב־400…

הצג תשובה

0.730. 2/(1 + 1.739).

2. η_p ב־300…

הצג תשובה

0.868. 2/(1 + 1.304).

3. כוללת…

הצג תשובה

0.434. 0.5 × 0.868.

4. עקיפה גבוהה…

הצג תשובה

מעלה את η_p. סילון איטי יותר.

איך זה עוזר להציל את כדור הארץ

לפי NASA, עבודת Hybrid Thermally Efficient Core מאיצה פיתוח והדגמה של טכנולוגיות מנועי טורבינה מתקדמות בליבה בצפיפות הספק גבוהה למטוסי תובלה מסחריים מהדור הבא.

שתי היעילויות ביחידה זו משפיעות ישירות על הדלק הנשרף לנוסע.

ב־Saving Planets: הנעה · תרמודינמיקה

מקורות: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

מקורות לימוד חינמיים

חזרה למעלה

יחידה 5 · שבועות 6–7

דלקי תעופה בני־קיימא

מהו SAF, מסלולי ייצור, מגבלות ערבוב, הפחתות במחזור החיים ויעדים לאומיים.

מטרות הלמידה

בסוף היחידה הזו תוכלו:

  • להגדיר SAF.
  • לחשב חיסכון במחזור החיים של תערובת.
  • להעריך חיסכון ברמת היעדים.
  • להסביר מגבלות ערבוב.

מושגי מפתח

  • DOE מגדיר SAF כדלק חלופי המיוצר מחומרי גלם שאינם נפט ומפחית זיהום אוויר מתחבורה אווירית.
  • ניתן לערבב SAF בשיעורים שבין 10% ל־50%, בהתאם לחומר הגלם ולמסלול הייצור (ASTM D7566).
  • SAF מעורבב פועל במטוסים ובתשתיות הקיימים.
  • החיסכון במחזור החיים עומד ביחס לשבר הערבוב כפול ההפחתה של ה־SAF עצמו.
  • ה־SAF Grand Challenge שואף ל־3 מיליארד גלונים ב־2030 ול־35 מיליארד ב־2050, עם הפחתה של 50% לפחות במחזור החיים.

משוואות מפתח

s=b×rs=b\times r
חיסכון התערובת = תערובת × הפחתת ה־SAF
msaved=V×EF×rm_{saved}=V\times EF\times r
CO₂ שנחסך לפי נפח SAF
b≤0.5b\le0.5
ערבוב מרבי (תלוי מסלול)
EF=9.75 kg/galEF=9.75\ \text{kg/gal}
מקדם EIA

דוגמאות פתורות שלב אחר שלב

דוגמה 5.1 תערובת של 50% SAF עם הפחתה של 50% במחזור החיים. מהו החיסכון הכולל?

הצג את השלבים
  1. 0.5 × 0.5.

תשובה: 25%.

דוגמה 5.2 3 מיליארד גלונים עם הפחתה של 50%, כשמקדם EIA הוא קו הבסיס (בפישוט).

הצג את השלבים
  1. 3 × 10⁹ × 9.75 × 0.5.

תשובה: כ־14.6 מיליון טונות CO₂ בשנה.

דוגמה 5.3 אותו דבר עבור 35 מיליארד גלונים.

הצג את השלבים
  1. 35 × 10⁹ × 9.75 × 0.5.

תשובה: כ־171 מיליון טונות.

תרגילים

פתרו כל אחד קודם על נייר, ואז בדקו.

  1. תערובת של 10% עם הפחתה של 80%?

    הצג תשובה

    8%.

  2. טיסות שהשתמשו ב־SAF לפי ICAO, דרך DOE?

    הצג תשובה

    יותר מ־360000 ב־46 שדות תעופה.

  3. למה יש מגבלת ערבוב?

    הצג תשובה

    תכונות הדלק חייבות לעמוד במפרט Jet A.

  4. האם SAF דורש מנועים חדשים?

    הצג תשובה

    תערובות פועלות במטוסים קיימים.

תפיסות שגויות נפוצות

  • מיתוס: ל־SAF אין פליטות.

    בפועל: הוא נשרף ל־CO₂; החיסכון הוא במחזור החיים.

  • מיתוס: כל תערובת מתאימה.

    בפועל: המגבלות תלויות במסלול.

  • מיתוס: SAF משפיע רק על CO₂.

    בפועל: NASA ו־DLR מצאו פחות גבישי קרח בשובלים.

כרטיסיות

  • SAF

    דלק תעופה בר־קיימא.

  • HEFA

    מסלול אסטרים וחומצות שומן מעובדים במימן.

  • מגבלת ערבוב

    החלק המרבי של SAF.

  • ASTM D7566

    מפרט דלק סילוני סינתטי.

  • הפחתה במחזור החיים

    הקיצוץ לעומת דלק מאובנים.

  • דלק תחליפי ישיר

    פועל במערכות קיימות.

בוחן לבדיקה עצמית

1. חיסכון התערובת…

הצג תשובה

25%. 0.5 × 0.5.

2. חיסכון ב־2030…

הצג תשובה

≈ 14.6 Mt. × 9.75 × 0.5.

3. טווח ערבוב…

הצג תשובה

10–50%. DOE.

4. יעד 2050…

הצג תשובה

35 מיליארד gal. DOE.

איך זה עוזר להציל את כדור הארץ

לפי Alternative Fuels Data Center של DOE, יותר מ־360000 טיסות מסחריות השתמשו ב־SAF ב־46 שדות תעופה (לפי ICAO), וה־SAF Grand Challenge שואף ל־3 מיליארד גלונים ב־2030 ול־35 מיליארד גלונים ב־2050, עם הפחתה של 50% לפחות במחזור החיים.

DOE מציין שכל שלושת המפעלים הקיימים בארה״ב משתמשים במסלול HEFA, וצפויים מפעלי אלכוהול־לדלק־סילוני.

ב־Saving Planets: פתרונות · כימיה כללית I

מקורות: U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

מקורות לימוד חינמיים

חזרה למעלה

יחידה 6 · שבוע 8

שובלי עיבוי והשפעות שאינן CO₂

איך נוצרים שובלי עיבוי, למה הם מחממים, פיח וגבישי קרח, ואיך דלקים וניתוב מפחיתים אותם.

מטרות הלמידה

בסוף היחידה הזו תוכלו:

  • להסביר היווצרות שובלים.
  • לחשב הפחתות בגבישי קרח.
  • לתאר התחממות שאינה מ־CO₂.
  • למנות אפשרויות מיתון.

מושגי מפתח

  • שובלים נוצרים כשפליטה חמה ולחה מתערבבת באוויר קר, והמים מתעבים וקופאים על חלקיקי פיח.
  • שובלים מתמשכים יכולים להתפשט לענני צירוס הלוכדים חום יוצא.
  • פחות חלקיקי פיח פירושם גבישי קרח מעטים וגדולים יותר שנעלמים מוקדם יותר.
  • NASA ו־DLR מצאו שדלקים בני־קיימא בעלי בעירה נקייה יותר יצרו פחות גבישי קרח ב־50%–70% בשיוט.
  • ניתוב סביב אוויר רווי־על בקרח יכול למנוע שובלים מתמשכים.

משוואות מפתח

N=EI×mfN=EI\times m_f
גבישי קרח ממדד הפליטה ומהדלק
N′=N(1−r)N^\prime=N(1-r)
אחרי הפחתה r
r∈[0.5,0.7]r\in[0.5,0.7]
טווח NASA-DLR
ΔT∝F\Delta T\propto F
ההתחממות עומדת ביחס לאילוץ

דוגמאות פתורות שלב אחר שלב

דוגמה 6.1 מדד פליטה לדוגמה של 10¹⁵ גבישי קרח לק״ג דלק. עם הפחתה של 50%?

הצג את השלבים
  1. 10¹⁵ × 0.5.

תשובה: 5 × 10¹⁴ לק״ג.

דוגמה 6.2 עם הפחתה של 70%?

הצג את השלבים
  1. 10¹⁵ × 0.3.

תשובה: 3 × 10¹⁴ לק״ג.

דוגמה 6.3 טיסה שורפת 15000 kg דלק בשיוט (דוגמה). כמה גבישים בהפחתה של 70%?

הצג את השלבים
  1. 3 × 10¹⁴ × 15,000.

תשובה: 4.5 × 10¹⁸.

תרגילים

פתרו כל אחד קודם על נייר, ואז בדקו.

  1. למה שובלים מחממים בלילה?

    הצג תשובה

    הם לוכדים קרינה תת־אדומה יוצאת בלי אור שמש להחזיר.

  2. מה מזרע את הקרח בשובלים?

    הצג תשובה

    פיח וחלקיקים אחרים.

  3. הפחתה מ־5 × 10¹⁴ ל־3 × 10¹⁴?

    הצג תשובה

    40%.

  4. פתרון תפעולי אחד?

    הצג תשובה

    ניתוב סביב אוויר רווי־על בקרח.

תפיסות שגויות נפוצות

  • מיתוס: שובלים הם רק מים, ולכן אינם מזיקים.

    בפועל: הם יכולים להוסיף התחממות.

  • מיתוס: כל השובלים מתמשכים.

    בפועל: רק באוויר רווי־על בקרח.

  • מיתוס: רק CO₂ חשוב.

    בפועל: ההשפעות שאינן CO₂ משמעותיות.

כרטיסיות

  • שובל עיבוי

    עקבת עיבוי.

  • צירוס שובלים

    שובלים מתמשכים שהתפשטו.

  • רוויית־על בקרח

    אוויר שבו קרח יכול לגדול.

  • פיח

    חלקיקי פחמן.

  • מדד פליטה

    כמות לק״ג דלק.

  • אילוץ שאינו CO₂

    התחממות מלבד CO₂.

בוחן לבדיקה עצמית

1. הפחתה של 50%…

הצג תשובה

5 × 10¹⁴. × 0.5.

2. טווח NASA-DLR…

הצג תשובה

50%–70%. NASA.

3. גבישים לטיסה…

הצג תשובה

4.5 × 10¹⁸. × 15,000.

4. קרח השובלים נוצר על…

הצג תשובה

חלקיקי פיח. גרעון.

איך זה עוזר להציל את כדור הארץ

NASA מדווחת שדלקי סילון בעלי בעירה נקייה יותר ממקורות בני־קיימא יכולים ליצור פחות שובלי גבישי קרח ב־50%–70% בגובה השיוט, לפי מחקר משותף של NASA ו־DLR (המרכז הגרמני לתעופה וחלל).

NASA מציינת ששובלי גבישי קרח יכולים להישאר באטמוספרה העליונה שעות ולהשפיע על האופן שבו כדור הארץ מתחמם ומתקרר.

ב־Saving Planets: תצפית על כדור הארץ · מעבר חום

מקורות: NASA: NASA-DLR study finds sustainable aviation fuel can reduce contrails (2021)

מקורות לימוד חינמיים

חזרה למעלה

יחידה 7 · שבועות 9–10

הנעה חשמלית והיברידית

צפיפות אנרגיה של סוללות, יעילות מערכת ההינע, טווח חשמלי, והיכן מערכות היברידיות עוזרות.

מטרות הלמידה

בסוף היחידה הזו תוכלו:

  • להשוות צפיפות אנרגיה של סוללות ודלק.
  • להביא בחשבון את יעילות מערכת ההינע.
  • לחשב טווח של מטוס חשמלי.
  • לזהות משימות מתאימות.

מושגי מפתח

  • דלק סילוני אוגר כ־43 MJ/kg (11944 Wh/kg); סוללות של היום אוגרות כמה מאות Wh/kg (ערכי ספר לימוד).
  • מערכות הינע חשמליות ממירות אנרגיה ביעילות גבוהה בהרבה (כ־90%) מטורבינות (כ־35%), וכך מצמצמות את הפער (ערכי ספר לימוד).
  • טווח חשמלי בסוללות הוא R = (e η/g)(L/D)(m_b/m).
  • סוללות אינן נעשות קלות יותר כשהן מתרוקנות, בניגוד לדלק.
  • לפי NASA, הנעה מחושמלת פותחת אפשרויות חדשות להפחתת צריכת דלק ואנרגיה, ממטוסי נוסעים קטנים ועד מטוסים בעלי מעבר יחיד.

משוואות מפתח

R=eηgLDmbmR=\frac{e\eta}{g}\frac{L}{D}\frac{m_b}{m}
טווח בסוללות
efuelebatt\frac{e_{fuel}}{e_{batt}}
יחס צפיפויות אנרגיה
e=250 Wh/kg=9×105 J/kge=250\ \text{Wh/kg}=9\times10^5\ \text{J/kg}
סוללה לדוגמה
1 Wh=3600 J1\ \text{Wh}=3600\ \text{J}
המרה

דוגמאות פתורות שלב אחר שלב

דוגמה 7.1 דלק סילוני ב־43 MJ/kg ביחידות Wh/kg, והיחס לסוללה של 250 Wh/kg?

הצג את השלבים
  1. 43 × 10⁶/3600 = 11,944 Wh/kg.
  2. 11,944/250.

תשובה: פי 47.8.

דוגמה 7.2 תקנו לפי יעילות: טורבינה 0.35, חשמלי 0.9.

הצג את השלבים
  1. 47.8 × 0.35/0.9.

תשובה: בערך פי 18.6.

דוגמה 7.3 טווח עם e = 250 Wh/kg,‏ η = 0.8,‏ L/D = 15, שבר סוללה 0.3.

הצג את השלבים
  1. 9 × 10⁵ × 0.8/9.80665 × 15 × 0.3.

תשובה: כ־330 km.

תרגילים

פתרו כל אחד קודם על נייר, ואז בדקו.

  1. טווח אם אנרגיית הסוללה מוכפלת ל־500 Wh/kg?

    הצג תשובה

    כ־661 km.

  2. 250 Wh/kg ביחידות J/kg?

    הצג תשובה

    9 × 10⁵.

  3. למה מערכות היברידיות עוזרות?

    הצג תשובה

    הספק חשמלי מגביר המראה וטיפוס, בעוד הדלק מספק טווח.

  4. המשימות הראשונות המתאימות ביותר?

    הצג תשובה

    טיסות אזוריות קצרות וטיסות אימון.

תפיסות שגויות נפוצות

  • מיתוס: סוללות ישתוו בקרוב לדלק סילוני.

    בפועל: הפער גדול גם אחרי היעילות.

  • מיתוס: חשמלי פירושו אפס פליטות.

    בפועל: זה תלוי ברשת החשמל.

  • מיתוס: משקל הסוללה יורד בטיסה.

    בפועל: הוא נשאר קבוע.

כרטיסיות

  • אנרגיה סגולית

    אנרגיה ליחידת מסה.

  • יעילות מערכת ההינע

    יעילות מהסוללה לציר.

  • היברידי־חשמלי

    דלק בתוספת הספק חשמלי.

  • שבר סוללה

    מסת הסוללה חלקי מסת המטוס.

  • Wh/kg

    יחידת האנרגיה הסגולית של סוללות.

  • עצימות הרשת

    CO₂ לקוט״ש.

בוחן לבדיקה עצמית

1. יחס אנרגיה…

הצג תשובה

47.8. 11,944/250.

2. מתוקן ליעילות…

הצג תשובה

18.6. × 0.35/0.9.

3. טווח חשמלי…

הצג תשובה

≈ 330 km. נוסחה.

4. טווח באנרגיה כפולה…

הצג תשובה

≈ 661 km. לינארי.

איך זה עוזר להציל את כדור הארץ

לפי NASA, הנעה מחושמלת פותחת אפשרויות חדשות להפחתת צריכת הדלק והאנרגיה בתעופה, ממטוסי נוסעים קטנים ועד מטוסים בעלי מעבר יחיד, בעזרת טכנולוגיות, רעיונות, מטוסי ניסוי ומתקני קרקע חדשים.

משוואת הטווח ביחידה זו מראה מדוע המטוסים החשמליים הראשונים טסים בקווים קצרים. צפיפויות האנרגיה כאן הן ערכי ספר לימוד.

ב־Saving Planets: מעגלים חשמליים · פתרונות

מקורות: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

מקורות לימוד חינמיים

חזרה למעלה

יחידה 8 · שבוע 11

מטוסי מימן

אנרגיית המימן ליחידת מסה ונפח, תכנון גודל מכלים, פליטת מים ושקלולי תמורות בתכן.

מטרות הלמידה

בסוף היחידה הזו תוכלו:

  • להשוות מימן ודלק סילוני לפי מסה ונפח.
  • לחשב נפח מכל מימן.
  • לחשב את המים הנוצרים.
  • להסביר שקלולי תמורות בתכן.

מושגי מפתח

  • מימן מכיל כ־120 MJ/kg, פי 2.8 מדלק סילוני, אך צפיפות המימן הנוזלי היא רק כ־70.8 kg/m³ (ערכי ספר לימוד).
  • לליטר, מימן נוזלי מכיל כ־8.5 MJ לעומת כ־34.4 MJ בדלק סילוני, ולכן המכלים גדולים בערך פי ארבעה.
  • שריפת מימן או שימוש בו בתא דלק מייצרים מים, כ־8.9 kg לכל ק״ג מימן, וללא CO₂ במטוס.
  • מכלים קריוגניים מגושמים וכבדים, ומעצבים את המטוס כולו.
  • מימן ירוק תלוי בחשמל נקי לאלקטרוליזה.

משוואות מפתח

ev=ρ eme_v=\rho\,e_m
אנרגיה ליחידת נפח
V=EevV=\frac{E}{e_v}
נפח המכל
mH2O=8.94 mH2m_{H_2O}=8.94\,m_{H_2}
מים ממימן
eH2ejet=12043\frac{e_{H_2}}{e_{jet}}=\frac{120}{43}
יחס מסה

דוגמאות פתורות שלב אחר שלב

דוגמה 8.1 מימן לעומת דלק סילוני לפי מסה?

הצג את השלבים
  1. 120/43.

תשובה: פי 2.79 יותר לק״ג.

דוגמה 8.2 האנרגיה הנפחית של מימן נוזלי?

הצג את השלבים
  1. 70.8 × 120/1000.

תשובה: 8.50 MJ/L.

דוגמה 8.3 יחס נפח המכל לעומת דלק סילוני (0.8 kg/L, ספר לימוד)?

הצג את השלבים
  1. 34.4/8.50.

תשובה: גדול בערך פי 4.05.

תרגילים

פתרו כל אחד קודם על נייר, ואז בדקו.

  1. מים מ־100 kg מימן?

    הצג תשובה

    כ־894 kg.

  2. האנרגיה הנפחית של דלק סילוני?

    הצג תשובה

    0.8 × 43 = 34.4 MJ/L.

  3. למה מכלי מימן כבדים?

    הצג תשובה

    דפנות קריוגניות מבודדות.

  4. מתי מימן הוא דל פחמן?

    הצג תשובה

    כשהוא מיוצר באנרגיה נקייה.

תפיסות שגויות נפוצות

  • מיתוס: מימן קל, ולכן המכלים קטנים.

    בפועל: צפיפות נמוכה פירושה מכלים גדולים.

  • מיתוס: מטוסי מימן אינם פולטים דבר.

    בפועל: הם פולטים אדי מים, שיכולים ליצור שובלים.

  • מיתוס: כל המימן ירוק.

    בפועל: רובו כיום מיוצר מגז מאובנים.

כרטיסיות

  • LH₂

    מימן נוזלי.

  • קריוגני

    אחסון בקור קיצוני.

  • תא דלק

    מקור הספק אלקטרוכימי.

  • אלקטרוליזה

    פירוק מים בחשמל.

  • אנרגיה נפחית

    אנרגיה ליחידת נפח.

  • מימן ירוק

    מיוצר בחשמל נקי.

בוחן לבדיקה עצמית

1. יחס מסות…

הצג תשובה

2.79. 120/43.

2. MJ/L של LH₂…

הצג תשובה

8.50. 70.8 × 0.12.

3. יחס מכלים…

הצג תשובה

≈ 4. 34.4/8.5.

4. מים לק״ג H₂…

הצג תשובה

≈ 8.9 kg. 18.015/2.016.

איך זה עוזר להציל את כדור הארץ

ה־Sustainable Flight National Partnership של NASA פועל בתחומי טכנולוגיות כלי טיס מתקדמות, תפעול יעיל ודלקי תעופה בני־קיימא; יחידה זו מוסיפה מימן כאפשרות נוספת, שבה נפח המכל הוא אתגר התכן העיקרי.

ערכי המימן ביחידה זו הם ערכי ספר לימוד, לא נתוני NASA.

ב־Saving Planets: כימיה כללית I · תרמודינמיקה

מקורות: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

מקורות לימוד חינמיים

חזרה למעלה

יחידה 9 · שבועות 12–13

תפעול, רעש ואיכות אוויר

הסעה ומסלולים יעילים, חשבון דציבלים, רעש שדות תעופה, איכות אוויר מקומית ובנזין תעופה עם עופרת.

מטרות הלמידה

בסוף היחידה הזו תוכלו:

  • להעריך חיסכון בדלק בהסעה.
  • לחבר מפלסי קול בדציבלים.
  • להחיל את חוק ריבוע המרחק ההפוך.
  • להסביר את בעיית הדלק עם העופרת.

מושגי מפתח

  • התפעול חשוב: הסעה על מנוע אחד, נמיכות רציפות ומסלולים מיטביים מקטינים דלק עם המטוסים של היום.
  • דציבלים מתחברים באופן לוגריתמי: שני מקורות שווים חזקים ב־3 dB, לא פי שניים במספר.
  • באוויר פתוח, מפלס הקול יורד בכ־6 dB בכל הכפלה של המרחק.
  • NOx, חלקיקים ו־CO ממנועים משפיעים על איכות האוויר ליד שדות תעופה.
  • לפי EPA, רוב המטוסים שמשתמשים בדלק עם עופרת הם מטוסי מנוע בוכנה הנושאים 2–10 נוסעים; מטוסי סילון מסחריים אינם משתמשים בדלק עם עופרת.

משוואות מפתח

L=10log⁡10∑10Li/10L=10\log_{10}\sum10^{L_i/10}
חיבור מפלסי קול
ΔL=20log⁡10(r2/r1)\Delta L=20\log_{10}(r_2/r_1)
התפשטות כדורית
mf=m˙ftm_f=\dot m_ft
דלק שנצרך
mCO2=3.16 mfm_{CO_2}=3.16\,m_f
CO₂ לק״ג דלק (ספר לימוד)

דוגמאות פתורות שלב אחר שלב

דוגמה 9.1 שני מקורות של 80 dB יחד?

הצג את השלבים
  1. 10 log₁₀(2 × 10⁸).

תשובה: 83.0 dB.

דוגמה 9.2 ירידת המפלס בהכפלת המרחק?

הצג את השלבים
  1. 20 log₁₀ 2.

תשובה: 6.02 dB.

דוגמה 9.3 הסעה של 10 דקות על מנוע אחד במקום שניים, ב־0.1 kg/s כל אחד (דוגמה). כמה דלק ו־CO₂ נחסכים?

הצג את השלבים
  1. 0.1 × 600 = 60 kg.
  2. 60 × 3.16.

תשובה: 60 kg דלק, כ־190 kg CO₂.

תרגילים

פתרו כל אחד קודם על נייר, ואז בדקו.

  1. עשרה מקורות שווים של 70 dB?

    הצג תשובה

    80 dB.

  2. הירידה כשהמרחק גדל פי ארבעה?

    הצג תשובה

    12.0 dB.

  3. דלק לשני מנועים במשך 10 דקות?

    הצג תשובה

    120 kg.

  4. אילו מטוסים משתמשים בדלק עם עופרת (EPA)?

    הצג תשובה

    בעיקר מטוסי מנוע בוכנה.

תפיסות שגויות נפוצות

  • מיתוס: דציבלים מתחברים ליניארית.

    בפועל: הם מתחברים לוגריתמית.

  • מיתוס: תפעול אינו יכול להפחית פליטות.

    בפועל: הוא מקטין דלק כבר היום.

  • מיתוס: מטוסי נוסעים שורפים דלק עם עופרת.

    בפועל: לפי EPA, מטוסי סילון מסחריים לא.

כרטיסיות

  • דציבל

    מדד לוגריתמי לקול.

  • חוק ריבוע המרחק ההפוך

    העוצמה יורדת עם r².

  • הסעה על מנוע אחד

    הסעה על מנוע יחיד.

  • נמיכה רציפה

    נמיכה בסרק ללא שלבי טיסה אופקית.

  • NOx

    תחמוצות חנקן.

  • Avgas

    בנזין תעופה.

בוחן לבדיקה עצמית

1. Two 80 dB…

הצג תשובה

83.0 dB. +3 dB.

2. הכפלת מרחק…

הצג תשובה

−6.02 dB. 20 log 2.

3. CO₂ שנחסך בהסעה…

הצג תשובה

≈ 190 kg. 60 × 3.16.

4. משתמשי דלק עם עופרת…

הצג תשובה

מטוסי בוכנה. EPA.

איך זה עוזר להציל את כדור הארץ

לפי EPA, רוב המטוסים הפועלים בדלק עם עופרת הם מטוסי מנוע בוכנה, הנושאים בדרך כלל 2–10 נוסעים, ומטוסי סילון לתובלה מסחרית אינם משתמשים בדלק עם עופרת.

EPA פרסמה קביעה סופית שפליטות עופרת ממנועי מטוסים מסוימים מסכנות את בריאות הציבור ורווחתו, מה שמחייב את EPA ואת FAA לקבוע תקנים.

ב־Saving Planets: פתרונות · ביצועי מטוסים

מקורות: U.S. EPA: Regulations for lead emissions from aircraft

מקורות לימוד חינמיים

חזרה למעלה

יחידה 10 · שבועות 14–15

מסלולים לאפס נטו

צמיחת תנועה, יעילות, SAF, מטוסים חדשים וקיזוזים, משולבים בתרחישים לקראת 2050.

מטרות הלמידה

בסוף היחידה הזו תוכלו:

  • להקרין את צמיחת התנועה.
  • לשלב הפחתות באופן כפלי.
  • לבנות תרחיש טריזים פשוט.
  • לדון בכלי מדיניות.

מושגי מפתח

  • פליטות = תנועה × אנרגיה ליחידת תנועה × פחמן ליחידת אנרגיה.
  • הצמיחה מצטברת: 3% בשנה מכפילים את התנועה בתוך כ־24 שנים (שיעור לדוגמה).
  • ההפחתות מוכפלות: (1 − שיפור היעילות) × (1 − חיסכון ה־SAF במחזור החיים).
  • הפליטות הנותרות דורשות מטוסים חדשים, יותר SAF או סילוק פחמן.
  • DOE מציין ש־CORSIA של ICAO מגביל את ה־CO₂ הנטו מתעופה בינלאומית לרמות 2020 עד 2035.

משוואות מפתח

E=T×MJT×CO2MJE=T\times\frac{MJ}{T}\times\frac{CO_2}{MJ}
זהות הפליטות
Tn=T0(1+g)nT_n=T_0(1+g)^n
צמיחת התנועה
E′=E(1−a)(1−b)E^\prime=E(1-a)(1-b)
הפחתות משולבות
n2=ln⁡2ln⁡(1+g)n_2=\frac{\ln2}{\ln(1+g)}
זמן הכפלה

דוגמאות פתורות שלב אחר שלב

דוגמה 10.1 התנועה גדלה ב־3% בשנה מ־2026 עד 2050 (דוגמה). מקדם הצמיחה?

הצג את השלבים
  1. 1.03²⁴.

תשובה: 2.03.

דוגמה 10.2 עם שיפור יעילות של 25%, מהן הפליטות ביחס להיום?

הצג את השלבים
  1. 2.033 × 0.75.

תשובה: 1.52.

דוגמה 10.3 הוסיפו SAF עם חיסכון של 50% במחזור החיים בכל הצי.

הצג את השלבים
  1. 1.525 × 0.5.

תשובה: 0.762, עדיין 76% מהרמה של היום.

תרגילים

פתרו כל אחד קודם על נייר, ואז בדקו.

  1. זמן הכפלה ב־3%?

    הצג תשובה

    23.4 שנים.

  2. החיסכון הנדרש כדי להגיע מ־0.762 ל־0?

    הצג תשובה

    כל השאר: מטוסים חדשים, יותר SAF וסילוק פחמן.

  3. כמה שנים מ־2026 עד 2050?

    הצג תשובה

    24.

  4. מה CORSIA מגביל?

    הצג תשובה

    את ה־CO₂ הנטו מתעופה בינלאומית לרמות 2020 עד 2035.

תפיסות שגויות נפוצות

  • מיתוס: ההפחתות מתחברות.

    בפועל: הן מוכפלות.

  • מיתוס: יעילות לבדה מגיעה לאפס נטו.

    בפועל: הצמיחה עוקפת אותה.

  • מיתוס: קיזוזים מפחיתים פליטות במנוע.

    בפועל: הם מפצים במקום אחר.

כרטיסיות

  • אפס נטו

    פליטות המאוזנות בסילוק.

  • טריז

    פלח מתוכנית הפחתה.

  • CORSIA

    מנגנון הקיזוז של ICAO.

  • צמיחת התנועה

    עלייה בנוסע־ק״מ.

  • סילוק

    הוצאת CO₂ מהאוויר.

  • תרחיש

    מערך הנחות עקבי.

בוחן לבדיקה עצמית

1. מקדם צמיחה…

הצג תשובה

2.03. 1.03²⁴.

2. עם יעילות…

הצג תשובה

1.52. × 0.75.

3. עם SAF בנוסף…

הצג תשובה

0.762. × 0.5.

4. שנת היעד לאפס נטו…

הצג תשובה

2050. NASA.

איך זה עוזר להציל את כדור הארץ

לפי NASA, ה־Sustainable Flight National Partnership עובד עם התעשייה, האקדמיה וסוכנויות אחרות לקראת יעד ענף התעופה לפליטות פחמן אפס נטו עד 2050.

DOE מציין ש־CORSIA של ICAO מגביל את ה־CO₂ הנטו מתעופה בינלאומית לרמות 2020 עד 2035.

ב־Saving Planets: פתרונות · Capstone Design

מקורות: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership · U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

מקורות לימוד חינמיים

חזרה למעלה

המעבדה (Sustainable aviation lab)

המעבדה היא החלק המעשי של הקורס. כאן היא חינמית ולתרגול בלבד, ללא נקודות זכות.

כל מעבדה מתבצעת בגיליון אלקטרוני או בסימולציה חינמית, כך שאין סיכוני דלק, סוללות או מימן. אל תטפלו בדלקים, בסוללות או בגזים דחוסים במסגרת הקורס. עשו הפסקות מהמסך, שבו ביציבה טובה והרחיקו כבלים ממעברים.

מקור בטיחות: OSHA: Walking-working surfaces (slip, trip and fall hazards)

מעבדה A: מחשבון CO₂ לטיסה

שבוע 1

מטרה: בנו גיליון אלקטרוני שהופך דלק שנשרף ל־CO₂ ול־CO₂ לנוסע־ק״מ.

m=9.75Vm=9.75V
מקדם EIA

מהלך הניסוי

  1. הזינו דלק בגלונים לשלוש טיסות לדוגמה.
  2. חשבו CO₂ עם 9.75 kg/gal של EIA.
  3. חלקו בנוסעים × km.
  4. השוו טיסות קצרות וארוכות.

טבלת נתונים

דלק (gal)CO₂ (kg)
10009750
500048,750
20,000195,000

ערכי דוגמה מחושבים.

חישוב לדוגמה

  1. 5000 × 9.75 = 48,750 kg.
  2. 20,000 × 9.75 = 195,000 kg.

בטיחות

  • מחשב בלבד.

חלופה ביתית או וירטואלית

  • כל גיליון אלקטרוני מתאים.

U.S. EIA: Carbon dioxide emissions coefficients

הקשר לכדור הארץ: EIA: ‏9.75 kg CO₂ לכל גלון דלק סילוני. U.S. EIA: Carbon dioxide emissions coefficients

מעבדה B: L/D וצריכת דלק

שבוע 4

מטרה: ראו כיצד יחס העילוי לגרר משנה את הדלק לנסיעה של 3000 km.

Wf/Wi=1−e−Rc/(V L/D)W_f/W_i=1-e^{-Rc/(V\,L/D)}
שבר דלק

מהלך הניסוי

  1. הזינו R = 3000 km,‏ V = 230 m/s,‏ c = 0.6 /h.
  2. חשבו שבר דלק עבור L/D = 15,‏ 17 ו־20.
  3. חשבו את החיסכון ביחס ל־L/D = 17.
  4. הוסיפו את השפעות יחס הממדים על הגרר המושרה.

טבלת נתונים

L/Dשבר דלק
150.135
170.120
200.103

ערכי דוגמה מחושבים.

חישוב לדוגמה

  1. 1 − e^(−0.1449) = 0.135.
  2. 1 − e^(−0.1087) = 0.103.

בטיחות

  • מחשב בלבד.

חלופה ביתית או וירטואלית

  • כל גיליון אלקטרוני מתאים.

MIT OpenCourseWare 16.885J Aircraft Systems Engineering (Fall 2004), Lecture 8: Environmental Factors

הקשר לכדור הארץ: מטוס ההדגמה X-plane של NASA בוחן תכן אווירודינמי יעיל במיוחד. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

מעבדה C: חוקר היעילות ההנעתית

שבוע 5

מטרה: חשבו יעילות הנעתית וכוללת עבור מהירויות פליטה שונות.

ηp=2/(1+Ve/V0)\eta_p=2/(1+V_e/V_0)
נצילות הנעה

מהלך הניסוי

  1. הזינו V₀ = 230 m/s ו־η_th = 0.5.
  2. חשבו η_p עבור V_e = 400,‏ 350 ו־300 m/s.
  3. חשבו את היעילות הכוללת.
  4. קשרו ליחס העקיפה.

טבלת נתונים

V_e (m/s)η_pη_o
4000.7300.365
3500.7930.397
3000.8680.434

ערכי דוגמה מחושבים.

חישוב לדוגמה

  1. 2/(1 + 350/230) = 0.793.
  2. 0.5 × 0.793 = 0.397.

בטיחות

  • מחשב בלבד.

חלופה ביתית או וירטואלית

  • כל גיליון אלקטרוני מתאים.

MIT OpenCourseWare 16.885J Aircraft Systems Engineering (Fall 2004), Lecture 8: Environmental Factors

הקשר לכדור הארץ: NASA: ‏Hybrid Thermally Efficient Core מפתח ליבות טורבינה בצפיפות הספק גבוהה. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

מעבדה D: מחשבון תערובות SAF

שבוע 7

מטרה: חשבו חיסכון במחזור החיים עבור תערובות והפחתות SAF שונות.

s=b×rs=b\times r
חיסכון התערובת

מהלך הניסוי

  1. הזינו תערובות של 10%,‏ 30% ו־50%.
  2. הזינו הפחתת SAF במחזור החיים של 50%, ואחר כך 80%.
  3. חשבו את החיסכון ואת ה־CO₂ שנחסך לכל 1000 גלונים.
  4. השוו ליעדי ה־Grand Challenge.

טבלת נתונים

תערובתחיסכון ב־r = 50%kg CO₂ שנחסכו לכל 1000 gal
10%5%487.5
30%15%1462.5
50%25%2437.5

ערכי דוגמה מחושבים.

חישוב לדוגמה

  1. 0.3 × 0.5 = 15%.
  2. 9750 × 0.25 = 2437.5 kg.

בטיחות

  • מחשב בלבד.

חלופה ביתית או וירטואלית

  • כל גיליון אלקטרוני מתאים.

U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

הקשר לכדור הארץ: DOE: ניתן לערבב SAF בשיעור של 10% עד 50% לפי המסלול. U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

מעבדה E: טווח מטוס חשמלי

שבוע 10

מטרה: חשבו טווח חשמלי בסוללות עבור כמה צפיפויות אנרגיה.

R=(eη/g)(L/D)(mb/m)R=(e\eta/g)(L/D)(m_b/m)
טווח חשמלי

מהלך הניסוי

  1. הזינו η = 0.8,‏ L/D = 15, שבר סוללה 0.3.
  2. חשבו טווח עבור 250,‏ 400 ו־500 Wh/kg.
  3. השוו לקו אזורי של 300 km.
  4. שנו את שבר הסוללה.

טבלת נתונים

e (Wh/kg)טווח (km)
250330
400529
500661

ערכי דוגמה מחושבים.

חישוב לדוגמה

  1. 400 × 3600 × 0.8/9.80665 × 15 × 0.3 = 529 km.
  2. 500 Wh/kg מכפילים את הטווח של 250 Wh/kg.

בטיחות

  • מחשב בלבד.

חלופה ביתית או וירטואלית

  • כל גיליון אלקטרוני מתאים.

MIT OpenCourseWare 16.885J Aircraft Systems Engineering (Fall 2004), Lecture 8: Environmental Factors

הקשר לכדור הארץ: NASA: הנעה מחושמלת יכולה להפחית צריכת דלק ואנרגיה. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

מעבדה F: מודל טריזים לאפס נטו

שבוע 14

מטרה: חקרו התחממות ב־PhET Greenhouse Effect, ואז בנו תרחיש תעופה ל־2026–2050.

E=(1+g)n(1−a)(1−b)E=(1+g)^n(1-a)(1-b)
פליטות התרחיש

מהלך הניסוי

  1. ב־PhET Greenhouse Effect, הוסיפו גזי חממה וצפו בתגובת הטמפרטורה.
  2. הזינו צמיחת תנועה של 3% במשך 24 שנים.
  3. החילו שיפור יעילות של 25% וחיסכון SAF של 50%.
  4. מצאו את שיעור הצמיחה שבו שני הצעדים שומרים על פליטות יציבות.

טבלת נתונים

מקרהפליטות ביחס להיום
צמיחה בלבד2.03
+ יעילות1.52
+ SAF0.762

ערכי דוגמה מחושבים.

חישוב לדוגמה

  1. 1.03²⁴ = 2.033.
  2. 2.033 × 0.75 × 0.5 = 0.762.

בטיחות

  • מחשב בלבד.

חלופה ביתית או וירטואלית

  • כל גיליון אלקטרוני מתאים.

PhET: Greenhouse Effect

הקשר לכדור הארץ: NASA: יעד ענף התעופה הוא פליטות פחמן אפס נטו עד 2050. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

חזרה למעלה

מערכי תרגול למבחן

מדדו זמן: כ־10 דקות לבעיה. אחר כך השוו לפתרונות המלאים.

סט תרגול לבחינת אמצע (יחידות 1–5)

  1. CO₂ מ־2000 גלונים של דלק סילוני?

    הצג פתרון מלא
    1. 2000 × 9.75.

    תשובה: 19,500 kg.

  2. g CO₂ לנוסע־ק״מ עבור 19500 kg,‏ 150 נוסעים, 1000 km?

    הצג פתרון מלא
    1. 19,500,000/150,000.

    תשובה: 130 g.

  3. שבר דלק ל־3000 km ב־L/D = 15 (ערכי יחידה 3)?

    הצג פתרון מלא
    1. 1 − e^(−0.1449).

    תשובה: 0.135.

  4. η_p עבור V₀ = 250,‏ V_e = 350 m/s?

    הצג פתרון מלא
    1. 2/(1 + 1.4).

    תשובה: 0.833.

  5. חיסכון מתערובת של 40% עם הפחתה של 70% במחזור החיים?

    הצג פתרון מלא
    1. 0.4 × 0.7.

    תשובה: 28%.

סדרת תרגול מסכמת (יחידות 1–10)

  1. גבישי קרח אחרי קיצוץ של 60% מ־10¹⁵ לק״ג?

    הצג פתרון מלא
    1. 10¹⁵ × 0.4.

    תשובה: 4 × 10¹⁴ לק״ג.

  2. טווח חשמלי עם 300 Wh/kg (ערכי יחידה 7)?

    הצג פתרון מלא
    1. 330.4 × 1.2.

    תשובה: כ־396 km.

  3. נפח מימן נוזלי עבור 1000 MJ?

    הצג פתרון מלא
    1. 1000/8.50.

    תשובה: 118 L.

  4. שלושה מקורות שווים של 75 dB?

    הצג פתרון מלא
    1. 75 + 10 log₁₀ 3.

    תשובה: 79.8 dB.

  5. מקדם צמיחה ב־2% במשך 24 שנים?

    הצג פתרון מלא
    1. 1.02²⁴.

    תשובה: 1.61.

  6. פליטות ביחס להיום עם צמיחה של 2%, יעילות של 25% ו־SAF של 50%?

    הצג פתרון מלא
    1. 1.608 × 0.75 × 0.5.

    תשובה: 0.603.

חזרה למעלה

דף נוסחאות

mCO2=9.75Vgal, mCO2=3.16mfm_{CO_2}=9.75V_{gal},\ m_{CO_2}=3.16m_f
CO2/pkm=mCO2/(npaxd)\text{CO}_2/\text{pkm}=m_{CO_2}/(n_{pax}d)
Wf/Wi=1−e−Rc/(V L/D), CDi=CL2/(πeAR)W_f/W_i=1-e^{-Rc/(V\,L/D)},\ C_{D_i}=C_L^2/(\pi eAR)
ηp=2/(1+Ve/V0), ηo=ηthηp\eta_p=2/(1+V_e/V_0),\ \eta_o=\eta_{th}\eta_p
s=b rs=b\,r
N=EI mf, N′=N(1−r)N=EI\,m_f,\ N^\prime=N(1-r)
R=(eη/g)(L/D)(mb/m)R=(e\eta/g)(L/D)(m_b/m)
ev=ρem, mH2O=8.94mH2e_v=\rho e_m,\ m_{H_2O}=8.94m_{H_2}
L=10log⁡10∑10Li/10, ΔL=20log⁡10(r2/r1)L=10\log_{10}\sum10^{L_i/10},\ \Delta L=20\log_{10}(r_2/r_1)
E=(1+g)n(1−a)(1−b)E=(1+g)^n(1-a)(1-b)

קבועים

קבועערך
כבידה תקניתg = 9.80665 m/s²
CO₂ של דלק סילוני (EIA)9.75 kg CO₂ לגלון (21.50 lb)
ערך החום של דלק סילוני (ערך ספר לימוד)43 MJ/kg
ערך החום של מימן (ערך ספר לימוד)120 MJ/kg
צפיפות מימן נוזלי (ערך ספר לימוד)70.8 kg/m³
גלון3.785411784 L

מקור: NIST: CODATA value, standard acceleration of gravity

חזרה למעלה

טקסטים ומקורות חינמיים

השתמשו בהרצאות, בדפי הנתונים ובסימולציות החינמיים האלה לצד הקורס.

חזרה למעלה

מילון מונחים

יחס ממדים
ריבוע המוטה חלקי שטח הכנף.
Avgas
בנזין תעופה למנועי בוכנה.
מגבלת ערבוב
החלק המרבי של SAF בדלק סילוני.
CORSIA
מנגנון קיזוז הפחמן של ICAO.
שובל עיבוי
שובל עיבוי של גבישי קרח.
דציבל
מדד לוגריתמי לקול.
הנעה מחושמלת
הספק חשמלי או היברידי למטוסים.
מקדם פליטה
CO₂ ליחידת דלק.
עצימות אנרגטית
אנרגיה לנוסע־ק״מ.
גרר מושרה
גרר שנגרם מעילוי.
פליטות במחזור החיים
CO₂ מהבאר ועד השובל.
מימן נוזלי
דלק מימן קריוגני.
מקדם עומס
נוסעים חלקי מושבים.
אפס נטו
פליטות המאוזנות בסילוק.
השפעות שאינן CO₂
התחממות משובלים, NOx וחלקיקים.
נוסע־ק״מ
נוסע אחד שהובל ק״מ אחד.
נצילות הנעה
החלק מהספק הסילון שמייצר דחף.
SAF
דלק תעופה בר־קיימא.
פיח
חלקיקי פחמן בפליטה.
אנרגיה סגולית
אנרגיה ליחידת מסה.

חזרה למעלה

מחוון להערכה עצמית

לא ניתנים ציון או נקודות זכות. השתמשו בזה כדי להעריך בכנות איפה אתם עומדים בכל יחידה.

רמהאיך זה נראה
4 · שליטה מלאהמביא בחשבון השפעות CO₂ ושאינן CO₂ ביחידות ובקווי בסיס נכונים, משלב הפחתות נכון ומסביר במילים פשוטות את שקלולי התמורות בין האפשרויות.
3 · מיומןפותר את סדרות התרגול והמבחן עם טעויות קלות ובודק יחידות.
2 · מתפתחעוקב אחר הדוגמאות הפתורות, אך מבלבל בין CO₂ מבעירה ל־CO₂ במחזור החיים, או מחבר הפחתות במקום להכפיל אותן.
1 · מתחילמציג חיסכון ללא קווי בסיס או יחידות; צריך לחזור על היחידות.

שקלול מוצע אם רוצים ציון

חלקמשקל
תרגילים20%
מעבדות25%
מערך תרגול לאמצע הקורס25%
מערך תרגול מסכם30%

שאפו לרמה 3 ומעלה בכל יחידה לפני שעוברים לקורס הבא.

חזרה למעלה