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.
