Тема 1. Основы аэродинамики.

Основные свойства газов.

Атмосфера представляет собой смесь газов, водяного пара и аэрозолей, то есть твердых и жидких примесей (пыли, продуктов горения и конденсации, соли и т.д.). Объем основных газов составляет: азота 79%, кислорода 21%, аргона 0,93%, углекислого газа 0,03% на долю других газов (неона, гелия, криптона, ксенона, озона) приходится менее 0,01%.

Пары воды - сильно меняющийся по количеству компонент воздуха. Их может быть от 0 (сухой) до 4...5% веса (насыщенный воздух). Все пары, которые находятся в атмосфере, концентрируются в тропосфере.

К свойствам воздуха относят давление, плотность и состав. Плотность определяется температурой, давлением и наличием водяных паров (влажность).

Аэродинамические спектры обтекания тел потоком газа.

рис.5

На рисунке представлены спектры обтекания различных тел.

Крыло в потоке несжимаемой жидкости.

При малых скоростях полета сжимаемостью воздуха можно пренебречь. И за счет этого рассматривать обтекание воздухом, как несжимаемой жидкостью.

Закон Бернули.

Закон Бернули для жидкости гласит, что чем больше скорость течения жидкости в трубе, тем меньшее давление она создает. Закон действителен и для газа, но на малых скоростях, когда не сказывается сжимаемость газа.

Угол атаки крыла.

Рис. 6

Распределение давлений по профилю крыла.

Распределение давления по профилю крыла показано на рис. 7. Распределение зависит от угла атаки крыла.     Рис. 7

Точка торможения потока.

Точкой торможения потока называют точку на профиле в том месте, где происходит разделение потока воздуха на поток по верхней и нижней поверхностям. В этой точке максимальное положительное давление. Давление в этой точке равно : P=рV2/2 , где Р- избыточное давление, р - плотность воздуха, V – скорость потока. Выражение рV2/2 называют также скоростным напором.

Рис. 8

Полная аэродинамическая сила.

На профиль крыла бесконечного удлинения в потоке воздуха действует аэродинамическая сила. Она состоит из сил давления, действующих по нормали к поверхности и сил трения, действующих по касательной к поверхности.

Рис. 9

Разложение полной аэродинамической силы.

Подъемная сила.

Y -подъемная сила (Н), Су - коэф. подъемной силы (безразмерная величина), р - плотность воздуха (кг/м³), V - скорость невозмущенного потока (м/с), S - площадь крыла (м²).

Фокус.

Фокус - точка на хорде крыла в которую не зависимо от угла атаки можно перевести Y и в этой точке Мz=Mzo=const Для скоростей меньше чем скорость звука фокус составляет 25% от хорды. Мz - момент аэродинамических сил.

Сила сопротивления.

X - сила сопротивления (Н), Сх - коэф. силы сопротивления.

Образование индуктивного сопротивления.

Рис. 11

Аэродинамическое качество крыла.

Аэродинамическое качество крыла это отношение подъемной силы к силе сопротивления: K=Y/X=Cy/Cx, где К - аэродинамическое качество крыла. Другими словами К это расстояние на которое улетит параплан с единицы высоты при условии неподвижной атмосферы.

Рис.12

Зависимость Су от угла атаки.

График показывающий зависимость Су от угла атаки ALPHA.

Рис. 13

Поляра крыла.

Геометрические характеристики крыла.

К геометрическим характеристикам крыла относятся: S - площадь крыла L - размах крыла, Вкорн - корневая хорда крыла, Вконц - концевая хорда крыла, Всах - средняя аэродинамическая хорда крыла, Всгх - средняя геометрическая хорда, Lambda - удлинение. Lambda=L2/S

Рис. 15

Эволюция параплана.

Эволюция параплана идет как и эволюция самолета, дельтаплана, от простого к сложному, с переходами от количества к качеству.

Изначально параплан не сильно отличался от парашюта, как внешне, так и по летным характеристикам. Количество секций на парашюте обычно 7х2 или 9х2, удлинение около 2. Качество около 2. Параплан очень быстро перерос своего родоначальника по всем параметрам. Удлинение современных крыльев достигает 6,7. Качество до 9. Количество секций до 100. Это количественные показатели.

Качественно изменились следующие вещи: появилась разветвленная cтропная система. Поменялся профиль - он стал двояковыпуклый. В профиле появились отверстия перетекания. На некоторых парапланах появились сеточки на воздухозаборниках, появились диагональные нервюры.

Сравнительные характеристики учебного и спортивного параплана.

Тема 2. Теория планирующего и маневренного полета

Установившийся полет (планирование).

В установившемся полете на параплан действуют следующие силы и моменты: сила тяжести, полная аэродинамическая сила

Рис. 16

Разложение сил.

Разложим полную аэродинамическую силу на составляющие   Рис 17

Поляра скоростей планирования.

Рис. 18

Влияние удельной нагрузки, силы и направления ветра на характеристики планирования.

Рис. 19

Характерные скорости параплана.

Криволинейное движение параплана.

К криволинейному движению параплана относят: развороты, перекладки и спирали.

Рис. 21

Разложение сил в развороте.

Рис. 22

Координированный разворот.

Координированным разворотом называется разворот в горизонтальной плоскости без скольжения параплана.

Скольжение.

Рис. 23

Перегрузка.

В некоторых случаях полета аэродинамическая сила превышает вес пилота. В этих случаях на пилота действует перегрузка.

n = Y / mg ,

где n - перегрузка, Y - подъемная сила крыла, m - масса пилота и параплана, g - ускорение свободного падения.

Влияние близости земли. Экранный эффект.

Рис. 24

Тема 3. Устойчивость и управляемость параплана.

Понятие устойчивости и управляемости.

Понятие устойчивости раскрывается в школьном курсе физики на примере шаров.

Рис. 25

Устойчивостью в аэродинамике называется самостоятельное возвращение к исходным параметрам после прекращения внешнего воздействия. К этим параметрам относится скорость и направление полета, угол атаки и тангаж.

Управляемостью называется реакция параплана на управляющие воздействия органов управления.

В динамике полета существует правило. Чем более устойчив параплан, тем хуже он управляется и наоборот, чем лучше управляется, тем менее устойчив.

Виды устойчивости.

Устойчивость принято делить на статическую и динамическую.

Статическая устойчивость - способность системы при появлении внешних возмущений создавать стабилизирующие моменты, восстанавливающие нарушенное состояние равновесия.

Динамическая устойчивость - способность системы возвращаться к равновесному состоянию через некоторое время после прекращения возмущающих воздействий с определенными затухающими законами изменения параметров движения.

Связанная система координат.

Для разложения сил и моментов действующих на параплан вводится система координат связанная с землей. Ее называют связанной системой координат.

Продольная, поперечная и путевая устойчивость.

Статическая устойчивость делится на продольную, поперечную и путевую устойчивость. Продольная это устойчивость в плоскости хоу, поперечная уоz, путевая в zox.

Продольная статическая устойчивость по перегрузке - стремление системы создавать стабилизирующий момент, уменьшающий угол атаки при превышении подъемной силы нормальной перегрузки (попадание в вертикальный восходящий поток) или увеличивающий угол атаки при попадании в нисходящий поток. Продольная статическая устойчивость по перегрузке обеспечивается расположением центра тяжести системы впереди продольного фокуса.

Продольная статическая устойчивость по скорости - стремление системы создавать кабрирующий (при разгоне) или пикирующий (при торможении) моменты при прямолинейном полете с постоянной перегрузкой.

Поперечная статическая устойчивость - стремление системы кренится в сторону обратную созданному скольжению. Обеспечивается расположением ц.т. ниже бокового фокуса.

Путевая статическая устойчивость - стремление системы устранить созданное скольжение. Обеспечивается расположением ц.т. впереди бокового фокуса.

Поперечная и путевая устойчивость взаимосвязаны.

Динамическая устойчивость делится на продольную и путевую. Необходимым условием динамической устойчивости является статическая устойчивость. Система пилот-параплан считается динамически устойчивой, если возвращение к равновесному состоянию после прекращения возмущающего воздействия происходит:

n с небольшими отклонениями параметров движения от равновесных

n с большим декрементом затухания колебаний в процессе восстановления

n с приемлемыми частотами колебаний

Динамическая устойчивость зависит от соотношения величин демпфирующих моментов, возникающих у статически устойчивой системы.

Балансировка параплана.

Балансировочное положение - устойчивое положение.

Балансировочной скоростью параплана называется скорость при полностью отпущенном управлении. Балансировочная скорость задается центровкой параплана. Средняя балансировочная скорость у большинства парапланов 30...35 км/ч.

Параметры влияющие на управляемость параплана.

Существуют различные способы управления движением системы параплан-пилот.

n с помощью строп управления (СУ)

n акселератором или триммером

n перемещением центра тяжести пилота в подвесной системе

1. С помощью СУ

Затягивая СУ пилот отклоняет заднюю кромку, увеличивая подъемную силу и сопротивление полукрыла. Это приводит к торможения полукрыла и возникновение крена. В параметры влияющие на управляемость входит картина натяжения задней кромки и арочность параплана.

Рис. 26

2. Акселератор или триммер.

3. Перемещение центра тяжести пилота в подвесной системе.

Рис. 27

Складывания.

Т.к. параплан состоит из элементов работающих только на растяжение существуют случаи когда в результате турбулентности атмосферы или неправильного управления возникают силы нарушающие геометрию крыла.

Рассмотрим наиболее частые случаи.

При турбулентности возможно уменьшение угла атаки крыла до отрицательных значений. Это приводит к складыванию части или всего крыла.

При складывании части крыла происходит перебалансировка. Пилот пытается занять место под ц.д. работающей части крыла. При этом сложенная часть не создает подъемной силы, но создает сопротивление, которое создает момент рысканья. Из-за скольжения возникает момент крена. В результате система входит в вращение с увеличивающимся креном и скоростью.

Рис.28

При симметричном складывании не происходит перебалансировки по размаху, значит нет вращения. После потери высоты происходит увеличение угла атаки и крыло снова принимает нормальную форму.

Срывы.

При превышении угла атаки критического значения происходит процесс нарастания и отрыва пограничного слоя, что ведет к резкому увеличению Сх и уменьшению Су. Срыв наступает при чрезмерном натяжении строп управления за границу статического срыва (рис. 29) или при незначительно затянутых клевантах, но при больших углах атаки за счет раскачки по тангажу (динамический срыв). Стоит заметить, чем резче затягивать клеванты, тем меньше ход управления до срыва потока. Это объясняется индуцированным вихрем, перемещающимся от задней кромки вперед против потока. (рис. 30)

Рис 29 Рис 30

Раскачка по тангажу и крену.

Раскачка по крену и тангажу может появляться в случае отсутствия динамической устойчивости. Так в случае если путевая статическая устойчивость существенно больше поперечной устойчивости, то прежде чем восстанавливающий поперечный момент крена вернет систему в балансировочное положение, превышающий его момент рысканья повернет систему в режим скольжения.

При малом сопротивлении параплана (присуще парапланам с диагональными нервюрами) при клевке вперед демпфирующий момент по тангажу может быть недостаточным. В результате длиннопериодическая фаза колебаний по тангажу может быть слабозатухающей. Устраняется активным управлением. В самом начале клевка крыла вперед следует кратковременно притормозить его натяжением клевант. Степень затягивания клевант должна зависеть от интенсивности клевка (иногда клеванты приходится затягивать дальше точки срыва соответствующей нормальному полету). Надо иметь в виду, что демпфировать клевок нужно в самой начальной стадии. Если крыло движется назад - отпускайте клеванты. Таким способом опытный пилот может избежать складываний даже в очень турбулентном воздухе и на большой скорости.

Сертификационные испытания .

До сегодняшнего момента существовали две системы сертификационных испытаний: AFNOR и DHV. Сейчас родилась новая система, собравшая в себя и AFNOR и DHV.

Они различаются по количествам тестов, методикой исполнения, количеством оцениваемых параметров. Программа DHV более полно оценивает параплан с точки зрения безопасности.