Статья «Аэродинамика однооболочковых парашютов»

АЭРОДИНАМИКА ОДНООБОЛОЧКОВЫХ ПАРАШЮТОВ

26 июля 2023-го, в России отмечается День парашютиста — праздник как любителей этого спорта, так и профессионалов.

г. Москва, Восточный округ.АНО ОО "Русская Международная Школа" . (Ловцова Анжелика Фёдоровна-учитель физики и астрономии).

Парашюты, родившиеся как аттракцион, со временем стали средством спасения летчиков и сегодня получили достаточно широкое распространение. Это и спасательное средство, и, если так можно выразиться, вид военной техники; парашютом увлекаются любители пощекотать свои нервы, парашютный спорт весьма популярен и имеет множество направлений. Некоторые черты объединяют парашюты всех поколений, хотя многие образцы современной парашютной техники совершенно не похожи на их прародителей. Совершенствование парашюта послужило причиной возникновения новых самостоятельных занятий. Так, работы по улучшению аэродинамики планирующих парашютов привели к появлению парапланеризма, а благодаря «скрещиванию» современного парашюта-«крыло» с воздушным змеем (и отчасти — парусом) возник кайтинг. Сейчас парашютные прыжки — очень доступное занятие. По всему миру расположено множество аэроклубов, где практически любой желающий может совершить ознакомительные прыжки — как с небольшой высоты (самостоятельно, с десантным или тренировочным парашютом), так и со значительной (в сопровождении инструкторов), испытав ни с чем не сравнимые ощущения свободного падения.

История Дня парашютиста России, да и всего этого спорта в нашей стране, началась 93 года назад под Воронежем. 26 июля 1930 года там пять советских лётчиков и механиков под руководством комбрига ВВС РККА Леонида Минова впервые в СССР совершили серию тренировочных прыжков с самолёта. Применялись американские парашюты компании "Ирвин".Тот первый опыт дал толчок для развития парашютизма в России. Чуть более чем год спустя в Советском Союзе было совершено уже около 600 прыжков с парашютом. Сейчас же в России парашютные прыжки с самолётов, аэростатов и других летательных аппаратов исчисляются десятками тысяч. Также парашюты применяют военные, спортсмены, МЧС при тушении лесных пожаров. Проводятся соревнования по этому виду спорта.

Впервые идея создания устройства, позволяющего безопасно спуститься с любой высоты, не подвергая себя опасности, была озвучена Леонардо да Винчи. Будучи человеком, опередившим свое время, он предположил, что если использовать палатку размерами 12*12 локтей, то можно безопасно спуститься с любой высоты. К сожалению почитателей трудов великого ученого, да Винчи не завершил этот проект, но заложил основу и сформулировал принцип работы парашюта, который используется и сегодня.

В дальнейшем множество изобретателей предлагали на суд общественности всевозможные вариации парашютов, однако все они были далеки от совершенства и ни один из них не получил развития.

Официальным днем рождения парашюта принято считать 9 ноября 1911 года, когда актер, в прошлом военный, Глеб Котельников, получил охранное свидетельство на свое изобретение. Толчком к созданию парашюта стала гибель одного из лучших летчиков того времени – Льва Мациевича, когда во время одного из полетов 24 сентября 1910 года его самолет буквально развалился в воздухе.

Это событие впечатлило Котельникова, и все свое дальнейшее время он посвятил созданию устройства, которое помогло бы избежать подобных смертей.

Стоит отметить, что парашюты к тому времени уже существовали и представляли собой зонт, к которому летчик должен был прикрепиться, чтобы безопасно спуститься с высоты. Но такие манипуляции занимали слишком много времени и не могли обеспечить безопасность и сохранить жизнь пилоту воздушного судна.

Глеб Котельников решил, что спасительный парашют должен быть закреплен на теле летчика, чтобы тот в любой момент мог спрыгнуть хоть из кабины, хоть с крыла самолета, экономя время на процессе крепления и раскрытия зонта. Кроме того, парашют должен быть легким и раскрываться автоматически.

Прототипы первых парашютов Котельников испытывал на куклах, и крепились они к шлему испытуемого, однако идея встроить парашют в шлем не прошла тестовых испытаний. Второй и используемой до сегодняшнего дня итерацией стал ранцевый парашют. Котельников изготовил свой парашют из шелка и упаковал его в алюминиевый ранец, сконструировал два вида строп для маневренности, а также внедрил в конструкцию пружину, которая автоматически выбрасывала купол из ранца и раскрывала парашют.

Изобретение сразу заинтересовало военную публику и иностранцев. Парашют получил название РК-1, что расшифровывалось как «Русский. Котельников. Первый».

Глеб Котельников стал не только пионером парашютостроения, но и вписал во всемирную историю факт принадлежности изобретения парашюта России.

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.