Аэродинамика однооболочковых парашютов

Аэродинамика круглого парашюта

Тело, движущееся в воздухе, естественно испытывает сопротивление воздуха. При этом обтекание тела воздухом можно быть плавным или вихревым (турбулентным). Наименьшее сопротивление достигается при плавном обтекании при относительно небольших скоростях и при форме тела, отличающейся плавными обводами. Вихревое обтекание возникает на больших скоростях и при форме с резкими очертаниями. Сила сопротивления также будет зависеть от размеров тела.

Первые парашюты создавались с тем условием, чтобы добиться максимального сопротивления движению при минимальной площади купола (чем меньше площадь, тем меньше масса парашюта). Так был создан купол полусферической формы.

При снижении с парашютом воздух заходит во внутренний объем купола, при этом часть воздуха просачивается через ткань, а остальной воздух выходит из-под кромки, тем самым раскачивая купол. Подобное раскачивание может привести к приземлению на увеличенной скорости снижения, поэтому для устранения подобной раскачки не вершине купола создается отверстие, через которое выходит воздух (обычный нейтральный купол, не имеющий горизонтальной скорости). На некоторых моделях делаются дополнительные вырезы, которые дают возможность горизонтального перемещения парашюта и разворотов (в зависимости от силы и направления ветра).

Аэродинамика парашюта «крыла». Подобный парашют имеет те же аэродинамические свойства, что и крыло самолета. Профиль крыла создает подъемную силу, благодаря чему парашют "крыло" снижается медленнее, чем круглый. Крыло разделяет встречный воздух на два потока, один из которых обтекает крыло снизу (кратчайшая траектория), а второй - сверху (более длинная траектория), после чего потоки снова объединяются. Потоки проходят различное расстояние за одинаковое время, это значит, что воздух под крылом двигается с большей скоростью. По закону Бернулли, чем больше скорость движущегося газа, тем меньше его давление. Следовательно, давление воздуха над крылом ниже, чем под ним. Именно эта разность давлений создает подъемную силу (и чем выше скорость, тем сильнее подъемная сила).

Аэродинамические характеристики крыла зависят от формы нервюры, формы крыла и удлинения. Самое лучшее аэродинамическое качество у крыла эллиптической формы с большим удлинением и тонким профилем. Аэродинамическое качество характеризует отношение горизонтального перемещения объекта к его вертикальному перемещению. Аэродинамическое качество стандартного «крыла» около 2,5 (снижение на 1 м дает перемещение вперед на 2,5 м).

Современные купола высшего класса, которые способны планировать с высокими горизонтальными скоростями требует специальной подготовки для их управления, в то время как прямоугольные купола с толстым профилем и небольшим удлинением отличаются, наоборот, высокой устойчивостью и стабильностью в управлении (в том числе на низких скоростях). Именно поэтому все запасные парашюты типа «крыло» имеют именно такие характеристики.

АЭРОДИНАМИКА ОДНООБОЛОЧКОВЫХ ПАРАШЮТОВ

Тело, движущееся в жидкой или газообразной среде, испытывает сопротивление этой среды. В зависимости от скорости обтекание тела средой может быть ламинарным (плавным) или турбулентным (вихревым). Наименьшее сопротивление тело испытывает при ламинарном обтекании, которое возможно на от­носительно небольших скоростях и при форме тела, имеющей плавные обводы. Турбулентное поведение среды свойственно большим скоростям, причем оно возникает быстрее, если форма тела имеет резкие очертания. Сила сопротивления зависит также и от размеров тела, но при равной площади сопротивле­ния (мидель) сила сопротивления будет зависеть от формы тела и характера обтекания — ламинарного или турбулентного.

Перед разработчиками первых парашютов стояла задача добиться максимального сопротивления движению при минимальной площади купола (чем меньше площадь, тем меньше масса самого парашюта). Экспе­риментальным путем было установлено, что при рав­ном миделе максимальное сопротивление движению создает тело полусферической формы, внутренней сто­роной обращенное к набегающему потоку (рис. 24). Та­кая форма и была взята за основу конструкции купола парашюта Рис. 24. Схема обтекания средой тел разной формы: а — шар; б — капля; в — полушарие (сферическая поверхность к потоку); г— диск; д — полушарие (плоская поверхность к потоку);

е — полусфера
Мидель — максимальное сечение объекта, перпен­дикулярное направлению его движения (вектору скорости). В процессе снижения во внутренний объем купола заходит воздух, создается избыточное давление. Далее этот воздух должен куда-то деваться. Незначительная его часть просачивается сквозь ткань купола. Осталь­ной воздух выходит из-под кромки, поочередно с разных сторон, раскачивая купол. Раскачивание купола — нежелательное побочное проявление, которое может привести к приземлению парашютиста на увеличен­ной скорости снижения.

Для устранения раскачки на вершине купола делается полюсное отверстие, через которое выходит значительная часть воздуха
Рис. 25. Схема обтекания воздухом купола:

а — без полюсного отверстия; б — с полюсным отверстием

Кроме того, на некоторых типах куполов для выхода воздуха делаются дополнительные щели и вырезы, проходя через которые воздух создает реактивную силу, и у парашюта появляется возможность горизонтального перемещения и разворотов. То есть такой парашют уже не является нейтральным.

Нейтральный купол — купол, не имеющий собственной горизонтальной скорости и в штиль снижающийся вертикально. При наличии ветра горизонтальное перемещение нейтрального купола полностью определяется силой и направлением ветра.

Парашюты подразделяются на управляемые и неуправляемые. Управляемые парашюты имеют конструктивные приспособления для разворотов купола, изменения скорости горизонтального и вертикального перемещения. К таким приспособлениям относятся, например, стропы управления, щели и клапаны на куполе (рис. 26).

Рис. 26. Спортивно-тренировочный парашют УТ-15, имеющий аэродинамическое качество около единицы

^ АЭРОДИНАМИКА КРЫЛА

Парашют типа «крыло» (планирующая оболочка) на­зывается так из-за своей формы. Он действительно имеет такой же профиль и аэродинамические свойства, как крыло самолета. Такие парашюты чем-то сродни планеру. Профиль крыла создает подъемную силу, благодаря которой парашют снижается медленнее, чем обычный круглый парашют той же площади. К примеру, самые маленькие круглые спортивные парашюты имеют площадь 50 м², а самые большие «крылья»-тандемы для прыжков сразу двух парашютистов с одним парашютом — 40 м². Площадь достаточно безопасных и простых в управлении классических куполов-«крыльев» составляет 22—27 м², опытные спортсмены прыгают с куполами площадью 70—80 кв. футов (около 7 м²).

Самый маленький на сегодняшний день парашют-«крыло», на котором прыгает и безопасно приземляется парашютист, — это Icarus Extreme VX-39, имеющий площадь 39 квадратных футов (3,5 м²)! С ним прыгает американский парашютист-эксперт Луиджи Кани (Luigi Cani), член команды Team Extreme. Из-за маленькой площади скорость планирования на данном куполе настолько высока, что он может некоторое время лететь рядом со спортсменом в вингсьюте (см. раздел «Спортивные прыжки»), который еще не раскрывал па­рашюта. Используя такую возможность, парашютист Джеб Корлис (Jeb Corliss) производит полеты на вингсьюте совместно с пилотом VX-39 и готовится к попытке приземления в этом крылатом костюме без раскрытого парашюта.

Как же возникает подъемная сила? Смотрим схему обтекания крыла (рис. 27). Простейшее крыло имеет плоскую нижнюю и выпуклую верхнюю поверхности. Крыло, двигаясь поступательно, разделяет встречный воздух на два потока. Поток, обтекающий крыло снизу, проходит путь АВ практически по прямой, то есть по кратчайшей траектории. Поток, обтекающий крыло сверху, идет по кривой траектории, более длинной. За задней кромкой крыла потоки снова объединяются. Следовательно, за одинаковое время воздух над крылом проходит большее расстояние, чем под ним, а значит, двигается с большей скоростью. Тут вступает в силу закон Бернулли, гласящий, что чем больше скорость движущегося газа (или жидкости), тем меньше его давление. Таким образом, давление воздуха над крылом ниже, чем под ним. Разность давлений создает подъемную силу. Напомним, что эффект проявляется только при поступательном движении крыла. Чем выше ско­рость, тем сильнее подъемная сила.

Аэродинамические характеристики крыла зависят от профиля крыла (формы нервюры), формы крыла (рис. 28), удлинения. Наилучшее аэродинамическое качество обеспечивает крыло эллиптической формы с большим удлинением и тонким профилем. Удлинение — это отношение квадрата размаха к площади кры­ла. Для прямоугольных куполов эта величина равна отношению размаха к длине хорды. Зарубежные производители в характеристиках куполов приводят именно что соотношение, называемое aspect ratio (соотношение геометрических размеров). На рисунке показана форма нижних оболочек парашютов-«крыло». Черным цветом изображены «уши» (stabilizers), которые вообще-то являются вертикальными поверхностями, но некоторые производители куполов учитывают их при определении площади купола и значения aspect ratio.

^ Аэродинамическое качество. Любой не нейтральный парашют (имеющий собственную горизонтальную скорость) имеет такой параметр, как аэродинамическое качество, которое характеризует отношение горизонтального перемещения объекта к его вертикальному перемещению. Например, у большинства современных парашютов-«крыло» аэродинамическое качество около 2,5. Это означает, что парашют, потеряв 1 м высоты, переместится вперед на два с половиной метра. Или что то же самое, при вертикальной скорости 5 м/с такой парашют будет иметь горизонтальную скорость 5 х 2,5 = 12,5 м/с. Это, конечно, не сравнимо с качеством парапланов (до 8 единиц) и тем более планеров (до 40). Совершенствование аэродинамики парашютов имеет некоторые ограничения. Например, по сравнению с парашютом у параплана гораздо большее удлинение, намного меньшая относительная высота профиля, большее количество строп, обеспечивающих правильную форму купола. Все это существенно увеличивает аэродинамическое качество параплана. Однако для парашюта большее значение имеет соответствие следующим требованиям:
купол, стропы, подвесная система должны выдерживать достаточно большие нагрузки (перегрузка при раскрытии может составлять 16 g, параплан на такие нагрузки не рассчитан);

компактность в уложенном виде, чтобы не создавать помех при работе в свободном падении, и как
следствие — ограничения по максимальной площади купола, количеству, толщине и длине строп; устойчивая работа в широком диапазоне режимов управления для обеспечения безопасного приземления в различных погодных условиях и на различных площадках; относительная простота конструкции, обеспечивающая достаточно высокую надежность раскрытия;

Оборотной стороной улучшения аэродинамического качества являются усложнение управления, пониженная устойчивость, менее стабильное раскрытие.

Рис. 28. Формы крыла, применяемые в парашютостроении

(в скобках указывается значение aspect ratio):

а — классический прямоугольный купол (1,8); б — скоростной прямоугольный купол (2,5); в-скоростной эллиптический купол (2,7)
Современные высококлассные купола планируют с высокими горизонтальными скоростями, призе­мляются «по-самолетному», но для управления ими требуется серьезная практическая подготовка. В то же время прямоугольные купола, сшитые из F-111, с толстым профилем и небольшим удлинением демонстрируют высокую устойчивость, в том числе в низкоскоростных режимах, простоту управления и наиболее предсказуемые раскрытия. По этой причине почти все запасные парашюты-«крыло» имеют именно такие характеристики.

аэродинамике купола парашюта.Силы, воздействующие на парашют, нельзя увидеть — но это не значит, что их нельзя постичь. Поняв, что позволяет куполу летать хорошо, мы также поймем, что заставляет его летать плохо. Существуют две силы, благодаря которым парашюты замедляют наше снижение — подъемная сила и сила сопротивления воздуха. Круглый парашют просто набирает в себя столько воздуха, сколько может, и тормозит только за счет сопротивления. Парашют - крыло создает еще и подъемную силу, благодаря своему необычному профилю. Эта сила воздействует на крыло в определенном направлении, которое зависит от параметров профиля и его положения по отношению к набегающему воздушному потоку. Искусство пилотирования купола состоит в том, чтобы контролировать поток на профиле крыла. Поэтому непременным условием грамотного пилотирования является отчетливое представление о природе физических сил действующих на парашют, понимание механики движения.

Купол создает подъемную силу двумя способами. Во-первых, подъемную силу создает сама форма крыла. Воздух движется по верхней кромке крыла быстрее, чем по нижней, тем самым создавая над крылом разряжение, а под крылом избыточное давление. В результате крыло "подтягивается" вверх, так как стремится к области пониженного давления. Важно понять, что поток воздуха огибающий профиль у передней кромки крыла в один момент времени, сходится в прежнюю неразрывную струю у задней кромки крыла также в один и тот же промежуток времени, что и образует разность давления в зависимости от скорости (См. схему № 1). Отклонение направления воздуха, это второй способ создания подъемной силы. Если отклонить воздух в каком-либо направлении, обязательно возникнет сила реакции, направленная в противоположную сторону. Этот принцип позволяет нам поворачивать, двигаться по горизонту или совершать любые другие маневры.

Соотношение подъемных сил за счет отклонения воздуха и за счет формы профиля достаточно сложное, которое имеет физическое и математическое объяснение в науке - аэродинамике. Если бы отклонение было основной составляющей подъемной силы, то при вводе правой клеванты и отклонении вниз правого края купола, воздух, отклоненный вниз, встречал бы противодействие и поднимал правую часть и у нас получался бы левый поворот. На самом деле ввод правой стропы управления уменьшает подъемную силу, потому что увеличивает сопротивление потоку с правой стороны. Правая кромка начинает двигаться медленнее, создает меньше подъемной силы и купол поворачивает вправо. Этот поворот так же напрямую связан и с силой инерции, возникающей благодаря имеющейся массе парашютиста.

В парашютном спорте основное применение подъемной силы, возникающей вследствие отклонения потока воздуха, в отличие от аэродинамики крыла самолета где величина подъемной силы в момент взлета, полета и посадки может увеличиваться за счет дополнительной механизации крыла, приходится на момент выполнения подушки при приземлении. Когда выполняется воздушная подушка за счет одновременного опускания строп управления, воздух отклоняется вниз, а противодействие заставляет купол двигаться вверх. Однако одновременно с этим увеличивается сопротивление воздуха, что замедляет горизонтальную скорость купола. Пилот под куполом (масса которого больше, чем у купола, а сопротивление — меньше) замедляется не так быстро, и смещается соответственно вперед. Это изменяет угол атаки купола на положительный и резко увеличивает силу отклонения воздуха до тех пор, пока сохраняется горизонтальная составляющая скорости.

Другая основная сила, которая воздействует на купол — лобовое сопротивление воздуха. Подъемная сила прямо пропорциональна сопротивлению, которое в свою очередь прямо пропорциональна скорости. Кроме сопротивления положительно действующего на летные характеристики купола, существует еще и отрицательное сопротивление, образующее турбулентные потоки. На возбужденность такого потока влияет воздухопроницаемость купола, швы, стропы, соединения строп, медуза, слайдер и сам пилот. Парашюты никогда не были очень эффективными крыльями по сравнению с самолетами именно потому, что сама их конструкция подразумевает большое количество отрицательного сопротивления.

Таким образом, подъемная сила и сопротивление - это результат движения потока воздуха через профиль крыла. Профиль крыла задается соплами, расположенными на передней кромке купола и формой нервюр, что и является их основным предназначением. Поскольку эти аэродинамические силы вызваны взаимодействием между потоком воздуха и крылом, увеличение скорости потока означает увеличение этих сил. Подъемная сила и сопротивление увеличиваются в геометрической прогрессии к скорости: увеличение скорости вдвое увеличивает подъемную силу. То же касается и сопротивления. Толстый профиль создает больше сопротивления, чем тонкий. Высота профиля парашютов для прыжков на точность приземления составляет от 15 до 18 % от хорды (ширины), в то время как у высокоскоростных куполов этот показатель может быть всего 10%.

Хотя более тонкий профиль летит быстрее, у него меньше потенциал подъемной силы на низких скоростях, резче свал и острее повороты. Не менее важно искривление профиля крыла. Если центр приложения подъемной силы смещен вперед, купол будет иметь большую скорость снижения и очень стабильное наполнение. Смещение центра подъемной силы назад улучшает планирование, но ухудшает наполняемость. Сочетание такого смещения с большим удлинением будет приводить к тому, что углы передней кромки будут складываться на поворотах. Эллиптические купола призваны решить эту проблему: закругление передней кромки и уменьшение длины внешних секций увеличивает наполняемость крайних секций. Как дополнительное преимущество, эллиптические купола более отзывчивы (так как на ввод клеванты реагирует большая часть внешней кромки), что делает их очень резвыми.

Плавность обтекания воздушным потоком профиля крыла имеет существенное значение в практической аэродинамике. Поток воздуха над крылом и под ним может быть двух видов – ламинарный (плавный) и турбулентный (возмущенный). Можно до определенной степени изменить форму профиля, не нарушив при этом плавности течения потока. Точно также можно слегка изменить направление потока, не нарушая его плавности. Но если резко изменить либо направление потока, либо форму крыла — мы получим так называемый "срыв потока". То есть вместо того чтобы плавно огибать профиль, поток разбивается на завихрения и волны. Этим же при выполнении на самолете фигур сложного и обратного (высшего) пилотажа и объясняется понятие «за критические углы атаки», при которых ввиду срыва потока и резко возникающего сопротивления скорость самолета и подъемная сила крыла приближается к «0», что может привести к срыву в штопор.

Турбулентный поток можно создать и без резкого изменения формы крыла, лишь за счет неправильной геометрии профиля крыла. Это присутствовало на ранних стадиях развития авиации, когда точка срыва – точка перехода ламинарного потока в турбулентный, находилась в центре хорды крыла, ввиду неправильной кривизны профиля, что приводило к множеству неудачных полетов. Поэтому основная задача практической аэродинамики и конструкторской мысли – это отодвинуть точку срыва как можно дальше к задней кромке крыла, тем самым обеспечив плавное обтекание поверхности крыла. Того же самого добиваются и конструкторы куполов в парашютном спорте. Также между плоскостью крыла и обтекающим потоком существует прослойка толщиной в несколько миллиметров, которая в аэродинамике называется «пограничным слоем». «Пограничный слой» живет как бы своей жизнью, поскольку в момент полета самолета, скорость воздуха в указанном слое может меняться от «0» до скорости обтекания крыла. Эта разница скоростей приводит к такому явлению, как «скачки уплотнения». Последствия таких «скачков» - это вибрация плоскости в полете, поскольку это выглядит как микро удары по плоскости крыла. При обтекании потоком купола парашюта такие «скачки» незначительны или их вообще может не быть, поскольку мы имеем дело с небольшими скоростями. Существуют также понятия как «срыв пограничного слоя» и в аэродинамике описаны способы как борьбы с этим, так и умышленного их срыва на плоскостях или механизации крыла, а именно: установка дефлекторов, системы СПС - сдув пограничного слоя и т.д. Углубляться в эти понятия нет смысла, поскольку это все применительно для летательных аппаратов. ( См. схему 2)

Эти знания необходимы пилоту купола, так как для него это означает, что любой резкий или радикальный маневр критически уменьшает потенциал подъемной силы купола, особенно на малых высотах, а используемое в авиации понятие «дефицит высоты» может привести к гибели. Самый распространенный пример срыва потока в парашютном спорте — вход в режим свала на малой скорости. Парашютист пилотирующий свой купол, а тем более совершая прыжок с другой системой, обязан знать точку и моменты свала купола, которую он может найти находясь на высоте. Отсутствие знаний пределов свала купола на котором парашютист совершает прыжок, может сыграть с ним злую шутку на приземлении.

Для того чтобы крыло двигалось в воздухе и создавало подъемную силу, необходима некая сила, обеспечивающая это движение. Обычно эта сила называется "тягой". В случае с самолетом все просто, поскольку тягу обеспечивает постоянная работа двигателя. При этом сила тяжести, постоянно присутствующая при отрыве самолета от земли, раскладывается на несколько составляющих направленных в сторону движения самолета. Эти составляющие постоянны, но не являются препятствующими для возможности полета именно за счет наличия крыла, и постоянного приложения силы тяги.

В случае с парашютом, тяговую силу обеспечивает гравитация (земное притяжение). На парашюте-крыле стропы передней кромки короче, чем стропы задней кромки, что наклоняет купол вперед. Воздух отклоняется в направлении задней кромки, придавая крылу горизонтальную скорость, а масса парашютиста и снаряжения тянет крыло вниз, что позволяет ему скользить по воздуху. Чем сильнее вес тянет вниз, тем больше тяга. Сумма масс, которая воздействует на парашют, называется "загрузкой купола", что является основополагающим для возможности пилотирования парашюта (См. схему 3).