כרית אוויר

כרית אוויר בטיחותית היא מערכת בטיחות פאסיבית בכלי רכב אשר נועדה לחצוץ בין נהג או נוסע בכלי רכב, או רוכב על דו-גלגלי, לבין חלקים או עצמים שעלולים לפגוע בו במהלך תאונת דרכים, וזאת במטרה לספוג חלק מעוצמת הפגיעה בבני אדם. כרית האוויר יוצרת תווך סופג אנרגיה בין יושבי הרכב לבין גלגל הגה, לוח מחוונים, קורות הרכב, השמשה הקדמית, דלתות וכיוצא באלה. כרית אוויר נחשבת למערכת בטיחות פסיבית מכיוון שהן מופעלות באופן אוטומטי לאחר שהרכב מעורב בתאונה, הפעלתן אינה תלוייה בביצוע פעולה כלשהיא מצד מי מהנוסעים או הנהג.

כאשר כלי רכב מעורב בתאונת דרכים מוטח גופם של יושביו לכיוון שבו נבלמת תאוצת הרכב. כתוצאה מכך הגוף עלול להיפגע בעת מגע עם חלקים ברכב עצמו, או כתוצאה מחדירה של עצמים אחרים אל תא הנוסעים. כרית אוויר עשויה לצמצם את הפגיעה בגוף בשני אופנים: על-ידי הצמדת האדם למושב באופן שמשפר את יעילות הריסון של חגורת הבטיחות, ועל-ידי יצירת חייץ סופג אנרגיה בין גוף האדם לבין חלקים או עצמים שאיתם הוא עלול לבוא במגע. רוב כריות האוויר בכלי רכב ארבעה גלגליים מתוכננות לפעול בתיאום עם מותחנים פירוטכניים שמהדקים את חגורות הבטיחות ומצמידים את גוף היושב ברכב למושב שלו.

כרית אוויר בטיחותית מתוכננת להתנפח ממצב מקופל למצב מנופח תוך מספר אלפיות שניה, ולצורך זה נדרשת עוצמת ניפוח גבוהה מאוד. לעוצמת הניפוח, ולתקלות במנגנוני הניפוח, מיוחסים מקרים רבים של גרימת מוות ופציעות של נהגים ונוסעים.

קיימות תצורות שונות של כריות אוויר שנבדלות זו מזו בהתאם למיקום שלהן ברכב או בציוד. כריות אוויר נפוצות ממוקמות בגלגל ההגה - להגנה על הנהג, ובתוך הדשבורד, להגנה על הנוסע לצידו, בחלק פנימי של שתי קורות הדלתות ("קורות B", בקצה האחורי של הדלתות הקדמיות) או בצידי מושבים - להגנה על נהג ונוסעים בעת פגיעת צד, וכן משני צידי תקרת הרכב ("כריות וילון") להגנה על ראשי כל יושבי הרכב.

כריות אוויר בתצורות אחרות ממוקמות בין המושבים הקדמיים (למניעת פגיעה בין הנהג לנוסע לצידו), מעל ברכי הנהג ומתחת למוט ההגה (להגנה על רגלי הנהג), מאחורי דיפוני הדלתות האחוריות, וכן באפודים שמיועדים לרוכבי דו-גלגלי. מספר חברות מנסות לפתח כריות אוויר חיצוניות על גבי מכוניות ואופנועים ואלה נועדו לצמצם פגיעה בהולכי רגל במקרה הראשון או ברוכב במקרה השני.

ברוב המדינות המפותחות, ובכל המדינות שבהן קיימת תקינת רכב אירופאית, אמריקנית, יפנית ואוסטרלית נדרשות לפחות ארבע כרית אוויר בטיחותית כדרישת חובה. חלק מדגמי הרכב מוצעים עם 9 כריות אוויר ואף יותר.

כרית האוויר בנויה משק שעשוי מאריג סינטטי חזק במיוחד ובו פתח מובנה, מנגנון ניפוח שמכיל חומר נפץ או אוויר דחוס, יחידת בקרה אלקטרונית (ECU), ומערכת חיישנים שממוקמים במקומות שונים.

יחידת הבקרה האלקטרונית מקבלת מן החיישנים מידע שלפיו היא מחשבת את מהירות הנסיעה, כיוון ההתנגשות ומיקום הפגיעה, עוצמה וחומרת פגיעה משוערת וכיוצא באלה. אלגוריתם מחשב באמצעות מידע זה אם ובאיזו אופן להפעיל את הרכיבים השונים של מערכות הריסון ברכב - ובכלל זה את אופן הפתיחה של כרית האוויר ואת הפעלת מותחני חגורות הבטיחות. יחידת הבקרה יכולה להפעיל כרית מסוימת או מספר כריות אוויר.

יש שיטות שונות ומספר סוגי חומרי נפץ שבהם נעשה שימוש לצורך ניפוח מהיר של כרית אוויר, והמטרה של כולם זהה: לייצר כמות גדולה מאוד של גז בתוך חלקיקי שנייה כדי להביא לניפוח מהיר של הכרית.

כרית האוויר מתוכננת כך שהיא תגיע למלוא הנפח שלה בעיתוי אופטימלי לקליטת הגוף שמוטח כלפיה, ומיד לאחר מכן תתרוקן במהירות כדי שלא לכלוא את האדם או לחנוק אותו. לצורך זה בנוי בה פתח לריקון הגז.

חלק ממנגנוני הניפוח עשויים להיות מבוססים על חומר נפץ שפולט גז חנקן (N₂) באמצעות סדרת תגובות כימיות.

פירוט השלבים

המצת החשמלי מופעל ומביא לחימום מיידי של תרכובת נתרן אזיד (NaN₃), שעוברת פירוק כימי (דה-קומפוזיציה) לקבלת גז חנקן (N₂) ונתרן (Na), על פי המשוואה הבאה:

2NaN₃ → 2 Na + 3 N₂ 

הנתרן (Na) מגיב עם אשלגן חנקתי (KNO₃) תוך יצירה של אשלגן חמצני (K₂O), נתרן חמצני (Na₂O), וגז חנקן (N₂) נוסף:

10Na + 2 KNO₃ → K₂O + 5 Na₂O + N₂

תחמוצות הנתרן והאשלגן (שהם בסיסים) מנוטרלים על ידי צורן דו-חמצני (SiO₂) לקבלת מינרלי סיליקה (K₂SiO₃, Na₂SiO₃):

K₂O + Na₂O + 2 SiO₂ → K₂SiO₃ + Na₂SiO₃

לעיתים קרובות לאחר ההתפוצצות של כרית האוויר, מתקבל ענן גדול של אבקה לבנה. מדובר באבקת טלק (ולא אבקה של הכימיקלים מתגובת הפיצוץ). אבקת הטלק, נועדה למנוע הידבקות של חלקי הניילון, ולאפשר פתיחה מהירה של הכרית בעת ההפעלה.

מחשבה אינטואיטיבית לפיה הצבת משטחים וחומרים סופגי אנרגיה יכולה לצמצם נזק ליושבי רכב בעת תאונה קיימת כמעט מאז המצאת המכונית בסוף המאה ה-19, אבל התקנה מסחרית נרחבת של כריות אוויר החלה רק בשנות ה-90 של המאה ה-20.

בשנת 1919 נרשם בארצות הברית פטנט אמריקני של שני רופאי שיניים מן העיר בירמינגהם - ארתור פארוט והרולד ראונד - "לכיסוי מטוסים וחלקי רכב אחרים". עד לשנת 1951 הותקנו "שלפוחיות אוויר" במספר לא מבוטל של דגמי רכב.

בקשת פטנט ראשונה למערכת כרית אוויר מתנפחת הוגשה באוקטובר 1951 על ידי המהנדס הגרמני וולטר לינדרר, אולם הפטנט עצמו נרשם בגרמניה רק בנובמבר 1953, כשלושה חודשים לאחר שבארצות הברית אושרה בקשת הפטנט של ג'ון הטריק, אשר הגיש אותה באוגוסט 1952. הטריק פיתח את הפטנט שלו לאחר תאונה שעבר שנה קודם לכן עם אשתו וביתו הצעירה.^[1] בשני המקרים הוצעה שיטה די דומה שמבוססת על שחרור מהיר של אוויר דחוס על ידי קפיץ ברגע שבו נגרמים פגיעה ועיוות של הפגוש הקדמי של רכב. מחקרים שבוצעו בשנות ה-60 של המאה ה-20 הוכיחו שאוויר דחוס לא יכול לנפח כריות האוויר מהר מספיק כדי לשפר את הבטיחות, וזה הוביל לפיתוח מנגנוני ניפוח כימיים.

מהנדס הרכב היפני יאסוזובורו קובורי (Yasuzaburou Kobori) המציא בשנת 1964 כרית אוויר עם מנגנון ניפוח שבו נעשה שימוש בחומר נפץ^[2] ואף רשם פטנט על המצאה זו ב-14 מדינות. קובורי הלך לעולמו בשנת 1975, כשני עשורים לפני שכריות אוויר נכנסו לשימוש נפוץ בכלי רכב.

אחד הרכיבים החשובים ביותר לפעולת כרית-אוויר - מערכת החיישנים מאפשרים לקבוע מתי להפעיל אותה - פותח ונרשם כפטנט בשנת 1967 על-ידי אלן ק. בריד שהמציא חיישן אלקטרומכני שכולל כדור פלדה שממוגנט באמצעות מגנט לצינור. חיישן זה אפשר להפעיל את הכרית תוך פחות מ-30 אלפיות השנייה. מנגנון הניפוח התבסס על פיצוץ של נתרן אזיד במקום אוויר דחוס.

הקונגרס האמריקני חוקק חוק שחייב שילוב כריות אוויר בכלי רכב משנת 1972 אך יצרני המכוניות דחו את מועד היישום שוב ושוב לאחר ששכנעו את הקונגרס שאין אפשרות מעשית לייצר מוצר כזה^[3]. באותן שנים לא חלה חובת חגירה של חגורות בטיחות ויצרני רכב ראו במערכת כזאת תחליף אפשרי ופאסיבי שיתקבל בברכה על-יחדי נהגים. באמצע שנות ה-70 הוחלט בארצות הברית להמיר את החובה להתקין כריות אוויר במכוניות לחובה להציע כריות אוויר למעוניינים בו בתוספת מחיר^[4].

התקנה של כריות אוויר בכלי רכב מייצור סדרתי החלה בתחילת שנות ה-70 של המאה ה-20 כאשר ג'נרל מוטורס התקינה כרית אוויר לנהג בשברולט אימפלה שנמכרו לצי הרכב הממשלתי בשנת 1973. שתיים מבין המכוניות האלה עברו מבחני ריסוק כעבור 20 שנים וכריות האוויר שלהן נפרסו בצורה מושלמת.

דגם ראשון שבו הותקנה כרית אוויר בטיחותית לנוסע הוא אולדסמוביל טורונדו בשנת 1973. ג'נרל מוטורס ניסתה לשווק את כריות האוויר תחת השם המסחרי "Air Cushion Restraint System", או ACRS אבל הסירה את האפשרות הזאת כעבור 4 שנים בנימוק של חוסר עניין צרכני. הצי המוקדם של רכבי ג'נרל מוטורס ניסיוניים שצוידו בכריות אוויר חווה שבעה הרוגים, ולגבי אחד מהם עלה חשד סביר שהמוות נגרם כתוצאה מכרית האוויר.

בשנת 1974 הפכה ג'נרל מוטורס את מערכת ACRS שלה לזמינה כאופצייה בתוספת תשלום בדגמי קאדילק, ביואיק ואולדסמוביל. מכוניות אלה היו בעלות כרית אוויר בגלגל ההגה ולברכי הנהג. כריות לנוסע לצד הנהג שילבו כרית ברך ופלג גוף עליון שנופחו בשני שלבים כדי לשפר את רמת ההגנה בעת תאונה. עם זאת - במכוניות שצוידו ב-ACRS לא היו חגורות בטיחות מסוג "שלוש נקודות" שכוללות גם חגורת כתף אלא רק חגורות בטן, וזאת על אף שהתקינה האמריקנית באותה עת כבר דרשה חגורות כתפיים. למעשה - כריות האוויר לנוסע שימשו כתחליף לחגורות כתפיים.

בשנת 1981 הציגה מרצדס בנץ את כרית האוויר במערב גרמניה כאופציה בתוספת תשלום במכונית הדגל שלה - S-Class (W126), וכך הייתה בפועל לחברה הראשונה שהתקינה כריות אוויר במכוניות מייצור סדרתי^[3].

בשנת 1987 הייתה פורשה 944 טורבו המכונית הראשונה שבה הותקנו כריות אוויר לנהג ולנוסע כציוד סטנדרטי. באותה שנה הוצעה כרית אוויר ראשונה במכונית יפנית - הונדה לג'נד. שנה לאחר מכן, ב-1988, קרייזלר הייתה יצרנית הרכב הראשונה בארצות הברית שהציעה כרית אוויר בצד הנהג כציוד סטנדרטי, וזה היה בשישה דגמים שונים. בשנת 1989 היא התקינה כריות אוויר בצד הנהג כסטנדרט בכל דגמי מכוניות הנוסעים שלה^[5].

ההתנגשות המתועדת הראשונה בין שתי מכוניות שבהן הותקנו כריות אוויר התרחשה ב-12 במרץ 1990 בווירג'יניה, ארצות הברית בין שתי מכוניות מדגם קרייזלר לברון משנת הייצור 1989. במהלך התנגשות חזיתית בין שתי המכוניות התנפחו בשתיהן כריות האוויר ולמרות נזק רב לשתי המכוניות הנהגים נפצעו באורח קל בלבד.

כרית האוויר נדרשה כציוד חובה בארצות הברית החל משנת 1989, למעט כלי רכב בהם הותקנו חגורות בטיחות אוטומטיות (שחוגרות אוטומטית את הנהג והנוסע). החל מדגמי 1990 התקינה קרייזלר כריות אוויר רד התקינה באותה עת כריות אוויר בחלק מדגמי היוקרה שלה והבטיחה לשלב כריות אוויר בכל מכוניותיה, בצד הנהג ובצד הנוסע הקדמי, באמצע שנות ה-90^[6]. באוקטובר 1990 הודיעה גם ג'נרל מוטורס על כוונתה לשלב כריות אוויר בכל רכביה^[7].

אנשי מינהל הבטיחות בדרכים הפדרלי האמריקני - NHTSA העריכו בשעתו שכריות אוויר הצילו את חייהם של יותר מ-4,600 בני אדם עד ל-1 בספטמבר 1999; עם זאת, המחקר מצא גם שכריות אוויר בשנות ה-90 גרמו בעצמן לחלק מן ההרוגים ולפציעות קשות, ובשנת 1998 יזם מינהל הבטיחות רגולציה חדשה לכריות אוויר מתקדמות יותר.

בשנת 1991 הוצעו כריות אוויר באירופה על-ידי ארבעה יצרנים: ב.מ.וו, וולוו, הונדה ומרצדס-בנץ, ורק בדגמים היקרים שלהם. תוך שנים אחדות הפכו כריות האוויר לציוד סטנדרטי ברוב המכוניות החדשות שנמכרו באירופה ובסוף שנות ה-90 כמעט שלא נמכרו דגמים חדשים בלי כריות כאלה כציוד סטנדרטי או אופציונלי.

בשנת 2014 נחשפה בארצות הברית פרשת הונאה של יצרנית ציוד הבטיחות לרכב טקאטה, אשר ייצרה מנגנוני ניפוח מסוכנים שגרמו לעשרות הרוגים ומאות פצועים. "פרשת טקאטה" הובילה במהלך השנים הבאות לקריאה לתיקון ("ריקול") הגדולה ביותר בהיסטוריה של תעשיית הרכב ולפשיטת רגל של החברה היפנית. נכון לסוף שנת 2024 עדיין לא הוחלפו בעולם ובישראל כל מנגנוני הניפוח המסוכנים שיוצרו על-ידי חברה זאת.

במטרה לחסוך כסף החלו מהנדסי חברת טקאטה היפנית לבצע כבר בסוף שנות ה-90 של המאה ה-20 ניסויים בשימוש באמוניום חנקתי כחומר הנפץ של מנגנוני ניפוח של כריות אוויר. כבר בשלבי הפיתוח הראשונים התברר לאנשי הפיתוח שמדובר בחומר שמאוד קשה לבקר את עוצמת הפיצוץ שלו, ושההרכב שלו משתנה לאורך זמן וככל שהוא נחשף לחום וללחות. במהלך כעשור רשמו אנשי טקאטה מספר פטנטים שקשורים בשליטה בעוצמת הפיצוץ ולבסוף הכניסו אותו לייצור סדרתי וייצרו מאות מיליוני מנגנוני ניפוח עם חנקת אמוניום.

בשנת 2014 חשף מינהל הבטיחות בדרכים האמריקני חקירה שנוהלה בעקבות מספר תאונות קטלניות שבהן נפגעו ונהרגו נהגים ונוסעים כתוצאה מפיצוץ אלים של חנקת האמוניום, והסתבר שהחשיפה שלו לחום וללחות גורמת לפיצוץ הרבה יותר אלים מכפי שתוכנן. פיצוץ זה מרסק את גליל הפלדה שבתוכו מאוחסן חומר הנפץ וחלקי המתכת נורים לתוך חלל הרכב ופוגעים ביושביו.

במהלך החקירה הסתבר שגם בחברת טקאטה, וגם אצל יצרנית הרכב הונדה שהייתה בעלת מניות גדולה בחברה ולקוחה גדולה שלה - ידעו על תאונות ונפגעים כתוצאה משימוש במנגנוני ניפוח מן הסוג הזה אך הסתירו נתונים, לא יידעו את הרגולטורים בעולם ולא פעלו כדי לבצע קריאות לתיקון להחלפת מנגנונים מסוכנים. גם טקאטה וגם הונדה נקנסו על-ידי מינהל הבטיחות בהיקף של עשרות מיליוני דולרים.

חברת טקאטה פשטה רגל בעקבות הפרשה ועשרות יצרניות רכב שרכשו ממנה כריות אוויר נאלצו, ועדיין נאלצות, להחליף כריות מסוכנות על חשבונן.

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: כרית אוויר
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: כרית אוויר

• ארז גרטי, כיצד פועלת כרית אוויר ברכב?, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 28 ביוני 2011
• מאיר ברק, באיזו עוצמת פגיעה יופעלו כריות אוויר ברכב?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, מאי 2010