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).

 

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, тменения скорости горизонтального и вертикально­го перемещения. К таким приспособлениям относят­ся, например, стропы управления, щели и клапаны и 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

 

 

Рис. 27. Схема обтекания крыла

 

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 фор ма 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;

· некоторые геометрические ограничения, влияю­щие на стабильное и ровное раскрытие. Например, парашют-«крыло», имеющий удлинение больше тройки, не всегда может наполниться воздухом без каких-либо перехлестов.

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); «— 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.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАШЮТОВ

Все существующие парашюты можно классифици­ровать несколькими способами:

1) По назначению:

• грузовые (однокупольные и многокупольные);

• тормозные;

• вспомогательные (вытяжные, стабилизирующие, поддерживающие);

• пристрелочные;

• людские.

2) Людские парашюты можно классифицировать по области применения:

• десантные;

• учебно-тренировочные, спортивно-тренировочные;

• спортивные;

• спасательные;

• специального назначения.

3) По конструкции:

• однооболочковые;

• двухоболочковые («крылья»).

4) По характеристикам («крылья»):

• классические (точностные);

• скоростные;

• переходные;

• студенческие;

• тандемы;

• купольне

5) По форме купола («крылья»):

• прямоугольные;

• слабоэллиптические;

• полуэллиптические;

• эллиптические;

• с косыми нервюрами.