Силы, воздействующие на парашют

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).

Загрузка может изменяться во время выполнения фигур пилотажа и в частности разворота. Это как груз, который пытаются раскрутить на веревке. Чем быстрее крутится груз, тем тяжелее он кажется. То же самое происходит с пилотом, когда он тянете клевант. Когда купол начинает поворачивать, тело пилота продолжает двигаться по прямой — пока натяжение строп не остановит его и не задаст ему новое направление. Пока поворот продолжается, центробежная сила будет продолжать "выбрасывать" пилота за внешние воображаемые границы вращения. В момент, когда "вылетевшая" масса возвращается обратно под купол, парашют достигает максимальной скорости — как за счет увеличения загрузки, так и за счет перехода увеличившейся вертикальной скорости в горизонтальную.

Чем быстрее поворот, тем больше вес пилота под куполом, который больше начального веса пилота и снаряжения. Это и есть частичное объяснение понятия - перегрузка, которая в авиации имеет свои значения, выражающиеся в виде 1 G,2G,3 G и т.д. Т.е. пользуясь понятием веса, можно любую силу измерить или выразить количеством килограммов, содержащихся в этой силе. Если не углубляться в математические расчеты, то примерно это выглядит так: ваш вес умножается на указанные величины при положительных перегрузках и делится при отрицательных. Перегрузки близкие к 12 G со знаком «+» или «-« могут привести к смерти. В парашютном спорте в отличие от самолетного, перегрузки не достигают таких значений, а если и достигают, например в момент раскрытия парашюта после продолжительного свободного падения, то они кратковременны и не такие длящиеся как при выполнении фигур высшего пилотажа на самолете. Поэтому парашютный спорт более доступен для общей массы населения.

Стоит обратить внимание, что некоторые маневры позволяют на очень короткое время уменьшить загрузку. На многих куполах пилот может заложить поворот таким образом, чтобы "выбросить" тело в верх в то время, как купол начнет нырять вниз. В этом случае на какой-то момент натяжение на стропы исчезнет и на мгновение загрузка будет близка к нулю. Получается фигура пилотажа похожая на «петлю Нестерова», но выполняемую в более горизонтальной плоскости.

Без эффективной загрузки купола, сам парашют становится вялым, в то время как увеличение загрузки добавляет скорости. Поскольку подъемная сила увеличивается в квадрате от скорости, крыло самолета, летящее со скоростью 300 км/ч, имеет подъемную силу больше, чем крыло, летящее со скоростью 150 км/ч, поэтому реактивные самолеты могут иметь небольшие крылья, в отличие от самолетов с винтовой тягой. Улучшение летных характеристик, связанных с увеличением загрузки, выражаются не только в более высокой горизонтальной скорости, но и в скорости поворотов, эффективности воздушной подушки и чувствительности купола. Однако цена высокой или даже чрезмерной загрузки может иметь летальный исход для парашютиста.