Глава 1. Основы аэродинамики

Предисловие

Я предлагаю парашютной публике эти материалы в надежде, что они станут источником новых знаний и позволят повысить уровень мастерства. Каждый вправе копировать эти материалы. Я, однако, взываю к вашей чести и прошу не использовать материал без моего ведома и не редактировать его. Если вы хотите использовать его для обучения — пожалуйста. Я только прошу, чтобы вы указывали меня как автора материала, и также упоминали о роли Skydive Arizona, так как эти материалы были частично созданы при поддержке и для программ обучения Skydive Arizona. Я прошу вас не изменять текст. Если вы считаете необходимым что-то добавить, убрать или с чем-то не согласиться — пожалуйста, делайте это в сносках. Я буду рад услышать любые комментарии, предложения и критику — но право изменять текст я оставляю за собой.

В настоящее время это руководство состоит из пяти глав. Я планирую добавить шестую главу о точностном приземлении современных парашютов к осени 1997 года (планы автора так и остались планами — прим. пер.). В конце есть дополнительный материал, рассчитанный на людей, которые хотели бы проводить курсы пилотирования на своих дроп-зонах (в русском переводе эта часть опущена — прим. пер.). Там есть несколько предложений по их организации. Я буду рад услышать отклики от людей, которые проводят такие курсы — может быть, это поможет сделать обучение более плодотворным.

Многие материалы, предложенные здесь, являются плодом длительных наблюдений, опыта и размышлений. Информационных источников по нашей теме не так уж много, к тому же некоторые из них — неполные или даже содержат ошибки. Но есть и неплохие. На меня оказали наибольшее влияние следующие работы:

"Парашютное руководство" (The Parachute Manual), том II, автор Dan Poynter. Эта удивительная книга должна быть в библиотеке каждого профессионального парашютиста, и тем более риггера. Для обыкновенного парашютиста книга за $49.95 — это слишком дорого (тем более что две трети книги посвящены специальным риггерским вопросам, которые для остальных представляют не очень большой интерес). Третья часть книги, однако, содержит интересные размышления на тему конструкции парашютов, их открытию, укладке, отказам и т.д. Часть материала слегка устарела, поскольку крайнее дополненное издание вышло, насколько я знаю, в 1991. Эта книга наверняка имеется в большинстве научных библиотек, так что, прежде чем отдавать 50 долларов, сначала посмотрите в университетской библиотеке или у местного риггера. Ее также можно заказать через любой большой парашютный каталог или напрямую от компании Para Publishing, PO Box 4232, Santa Barbara, CA 93140-4232, USA.

"Аэродинамика и пилотирование высокоскоростных парашютов" (The Aerodynamics and Piloting of High Performance Ram-Air Parachutes), автор Jerry Sobieski. Это очень интересная научная работа на тему современных парашютов. Хотя она и написана в форме диссертации, даже человек, который (как и я) не в ладах с математикой, может понять ее содержание. Первые сорок страниц — подробный технический анализ полета парашюта, остальные тридцать посвящены тому, как их нужно пилотировать. Адрес автора, если он не изменился — [email protected]. Диссертацию можно найти в архивах http://www.afn.org/skydive. Там вообще много всего интересного — поищите в разделе safety and training информацию по пилотированию.

Руководства, которые производители поставляют вместе с куполами, обычно содержат полезную информацию. Компания Performance Designs также опубликовала две серии семинаров Джона ЛаБланка (John LeBlanc). Джон очень интересный в общении человек, и он проводит семинары по пилотированию куполов на многих бугах и других парашютных тусовках. Вы можете обратиться в PD и получить эти материалы. Они также есть в интернет-архивах, указанных выше.

Если у вас будет возможность — общайтесь с производителями. Многие из них серьезно думают о летных характеристиках куполов. К сожалению, они становятся слишком осторожны, когда речь заходит о тонкостях конструкции — они считают эту информацию закрытой и часто не имеют права ее разглашать. Несмотря на это, у многих из них есть очень интересные взгляды на предмет нашего изучения. Многие из них обычно также очень занятые люди, так что имейте ввиду — у них может не быть времени для болтовни.

Самое главное — держите глаза открытыми. За время своей парашютной карьеры вы увидите намного больше приземлений, чем когда-либо совершите сами. Каждое из этих приземлений — шанс чему-то научиться.

Blue skies, soft landings

Bryan Burke
Safety and Training Advisor at Skydive Arizona
USPA National Director, 1997-98

Примечание переводчиков
По просьбе автора мы постарались сохранить переводной текст максимально близким к оригиналу, хотя некоторые места вызывают у нас сомнения, а некоторые — даже несогласие. Руководство написано в 1997 году, и некоторые его части слегка устарели. Мы также сохранили терминологию автора, хотя она несколько противоречит "канонической" аэродинамике. Там, где мы нашли нужным, мы снабдили текст комментариями к скобках.

Осенью 2002 года автор планирует дополнить книгу материалами о действиях в особых случаях при прыжках с высокозагруженными скоростными куполами.

BS.

Кирилл Брюшков < [email protected] >
Петр Лизяев < [email protected] >
Федор Мозговой < [email protected] >

Глава 1. Основы аэродинамики

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 "цепляет" столько воздуха, сколько может, и тормозит только за счет сопротивления. Парашют-крыло создает еще и подъемную силу. 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.

Подъемная сила
Купол создает подъемную силу двумя способами. Во-первых, подъемную силу создает сама форма крыла. Воздух движется по верхней кромке крыла быстрее, чем по нижней. Чем больше скорость воздуха, тем меньше его давление. Таким образом, над верхней кромкой образуется область пониженного давления, а под нижней — соответствующая ей область повышенного давления. В результате крыло "подтягивается" вверх — к области пониженного давления.

Отклонение воздуха — 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 и вообще совершать любые маневры в свободном падении.

Соотношение подъемных сил за счет отклонения воздуха и за счет формы профиля достаточно сложное. Если бы отклонение было основной составляющей подъемной силы, то при вводе правой клеванты (задавлен правый край купола) воздух, отклоненный вниз, встречал бы противодействие и поднимал правую часть купола — купол бы заваливался влево и, соответственно, у нас получался бы левый поворот. На самом деле ввод правой клеванты уменьшает подъемную силу, потому что увеличивает сопротивление потоку с правой стороны. Правая кромка начинает двигаться медленнее, создает меньше подъемной силы — и купол поворачивает вправо.

В парашютном спорте основное применение подъемной силы, возникающей вследствие отклонения потока воздуха, приходится на момент выполнения подушки при приземлении. Когда вы делаете подушку, вы отклоняете воздух 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) замедлится не так быстро, и сместится вперед. Это изменит угол атаки купола и резко увеличит силу отклонения воздуха — до тех пор, пока сохраняется горизонтальная составляющая скорости. Мы более подробно рассмотрим это использование силы отклонения воздуха, когда будем говорить об угле атаки, а также в главах о практике пилотирования.

Лобовое сопротивление
Другая основная сила, которая воздействует на купол — сопротивление воздуха. Эта сила имеет две составляющих — "профильное сопротивление" и "паразитное сопротивление" (сохранена терминология автора — прим. пер.). Первое, упрощенно говоря — результат трения воздуха о поверхность крыла. От этого страдают — в той или иной степени — крылья любой формы и конструкции (можно представить эту силу в форме подъемной силы, только направленной против движения крыла). Паразитное сопротивление — результат завихрений потока различными элементами крыла. Сопла создают турбуленцию. Швы, стропы, соединения строп, медуза, слайдер — даже вы, пилот! — все это добавляет сопротивление, но не создает подъемной силы. Парашюты никогда не были очень эффективными крыльями по сравнению с самолетами именно потому, что сама их конструкция подразумевает большое количество паразитного сопротивления.

Таким образом, и подъемная сила, и сопротивление — результат движения потока воздуха через профиль крыла. 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 в четыре раза. То же касается и сопротивления. Это означает, что скорость имеет критическое значение для поведения купола. Увеличение скорости означает — до определенного момента — увеличение подъемной силы и более острую реакцию на вводы. Это также означает увеличение сопротивления — именно поэтому в конструкции быстрых куполов применяются коллапсируемые медузы и слайдеры и более тонкие стропы.

Срыв потока
Обтекание воздушным потоком профиля крыла имеет еще одну интересную черту. Ее можно легко заметить, если посмотреть, как вода в ручье течет через камень. Жидкость стремится огибать объект по самой возможно плавной кривой. 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 слишком быстро изменить либо направление потока, либо форму крыла — мы получим так называемый "срыв потока". Вместо того чтобы плавно огибать профиль, поток разбивается на завихрения и волны. Это очень важно знать пилоту купола — для него это означает, что любой резкий или радикальный маневр критически уменьшает потенциал подъемной силы купола. Самый распространенный и драматичный пример срыва потока в парашютном спорте — вход в режим свала на малой скорости. В следующих главах мы выясним, что этот феномен имеет множество других проявлений — к нему могут привести излишнее усилие на передних концах, резкое прокачивание клевант и радикальные вводы клевантами.

Тяга и вес
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 — тягу обеспечивает работа двигателя. В случае с парашютом тяговую силу обеспечивает гравитация. На парашюте-крыле стропы каскада А (передняя кромка) короче, чем стропы каскада Д (задняя кромка) — за счет этого купол наклонен вперед. Воздух отклоняется в направлении задней кромки, придавая крылу горизонтальную скорость. Общая масса (ваш вес плюс вес системы) тянет крыло вниз. Крыло скользит как санки по склону. Насколько крутой этот "склон" — зависит от разницы каскадов строп.

Чем сильнее вес тянет вас вниз, тем больше тяга. Сумма масс, которая воздействует на парашют, называется "загрузкой купола" — важнейший термин для пилотирования парашюта. В Америке загрузка купола определяется по "десантному" ("полному") весу — сумме веса парашютиста и его снаряжения — и выражается в фунтах на квадратный фут площади купола (в метрической системе для расчета загрузки нужно свой полный вес в кг разделить на 0,45 и результат разделить на площадь вашего купола — прим. пер.). Может показаться, что загрузка купола всегда постоянна. Для ровного горизонтального полета по прямой это так и есть.

Однако загрузка может измениться радикальным образом — во время выполнения поворота. Для примера представьте, что вы раскручиваете грузик на веревке. Чем быстрее крутится грузик, тем тяжелее он кажется. То же самое происходит с вами, когда вы тянете клеванту. 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" парашютиста из-под купола. Когда поворот окончен, подвешенная под куполом масса вернется на место. 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. Его можно рассматривать как "явный" или "индуцированный" вес, который больше начального веса пилота и снаряжения.

Стоит обратить внимание, что некоторые маневры позволяют — хоть и на очень короткое время — уменьшить загрузку. На многих куполах пилот может заложить поворот таким образом, чтобы "выбросить" тело вверх в то время, как купол начнет нырять вниз. В этом случае на какой-то момент натяжение на стропы исчезнет — т.е. на это мгновение загрузка будет близка к нулю.

До определенного предела увеличение веса (а значит — увеличение тяги) улучшают летные характеристики парашюта. Еще раз вспомним о примере с санками. Чем больше мы нагружаем санки, тем быстрее они будут катиться вниз — до тех пор, пока под слишком большим весом санки не начнут тонуть в снегу, или вовсе не развалятся. Без эффективной загрузки парашют становится вялым, в то время как увеличение загрузки добавляет скорости. Поскольку подъемная сила увеличивается в квадрате от скорости, крыло, летящее со скоростью 30 миль в час, имеет подъемную силу в четыре раза большую, чем крыло, летящее со скоростью 15 миль в час. Вот почему реактивные самолеты могут иметь такие же небольшие крылья, как маленькая "Сессна", и вот почему люди с определенным опытом могут прыгать на относительно малых куполах с загрузкой 1,4 и выше (некоторые эксперементируют с загрузками 2 и больше!). (сейчас уже загрузка 2 для современных куполов и опытных парашютистов даже не кажется чем-то сверхестественным — прим. пер.) Улучшение летных характеристик, связанные с увеличением загрузки, выражаются не только в более высокой горизонтальной скорости, но и в скорости поворотов, мощности подушки и чувствительности купола. Но за все надо платить. Цена высокой загрузки будет рассмотрена позднее, когда от теории полета мы перейдет к парашютной реальности.

Центр массы, центр приложения подъемной силы
Центр приложения подъемной силы — это точка крыла, в которой в нашем воображении может быть сконцентрирована подъемная сила. Центр массы — точка, в которой сконцентрирован вес системы. Очевидно, что в спортивных парашютах центр массы (в виде пилота) находится намного ниже самого крыла. За счет смещения центра массы по отношению к центру приложения подъемной силы можно изменить тангаж (угол планирования — угол между продольной осью парашюта и плоскостью горизонта — прим. пер.) и угол атаки купола.

Угол атаки
Многие парашютисты считают, что угол атаки — это угол плоскости купола по отношению к земле. Совсем нет! Угол атаки — это угол между хордой крыла и направлением "вымпельного ветра" (см. ниже — прим. пер.). Самолет может изменять угол атаки при помощи рулей высоты хвостового оперения. Но у парашютиста их нет. Поэтому подушка — единственный способ изменить угол атаки. Когда вы задавливаете клеванты на подушке, вес под куполом (т.е. вы, пилот) "вылетает" вперед — потому что легкий парашют с увеличившимся сопротивлением замедлится быстрее, чем тяжелый пилот с меньшим сопротивлением. В результате угол атаки на время увеличивается и создает больше подъемной силы за счет большего отклонения воздуха.

Надо заметить, что изменение угла атаки происходит за счет изменения скорости "вымпельного ветра" в момент, когда вес под куполом смещается вперед. Вводы клевантами, изменяющие форму купола, конечно также играют роль. Но если вес при этом не смещается вперед, то и угол атаки изменяется незначительно — за счет искривления купола только слегка увеличивается подъемная сила. Заход в режиме глубокого торможения во время прыжков на точность — типичный пример, когда для приземления используется только торможение клевантами без подушки.

При хорошей подушке плавное втягивание клевант заставляет купол лететь все медленее и медленее; пилот под куполом остается в положении, слегка смещенном вперед, поддерживая тем самым больший угол атаки и более значительное отклонение воздуха. Когда горизонтальная скорость купола придет к нулю, пилот вернется назад в нормальное положение. В этот момент не останется горизонтальной скорости, чтобы создать ни одну из составляющих подъемной силы, и начнет увеличиваться скорость вертикальная — до тех пор, пока купол снова не наберет горизонтальную скорость (или пока он не окажется на земле).

Как вы заметили, я употребляю выражение "вымпельный ветер" вместо привычного "относительный ветер" или "относительный поток". "Вымпельный ветер" — термин из парусного спорта. Он обозначает скорость ветра, которую физически ощущает парус во время движения (представляет собой сочетание ветра как такового (истинного ветра) и ветра, "индуцированного" собственным движением паруса — или, в нашем случае, парашюта — прим. пер.). Управляющий парусом часто забывает про вымпельный ветер и использует более привычные, но совершенно бесполезные ориентиры — например, изменения по горизонту. Но для аэродинамического профиля — будь то парус или купол — горизонта не существует, а есть только вымпельный ветер. Для того, чтобы яснее это понять, представьте себе "колокол" у купольщиков. Люди, которые видят эту фигуру впервые, часто удивляются, почему нижний купол остается наполненным. Но вымпельный ветер, который "чувствует" этот купол — такой-же, как и в полете в нормальном положении. То, что купол повернут верхней кромкой в земле, не означает, что он не будет наполняться или не будет иметь подъемной силы — просто при этом вектор подъемной силы направлен вниз.

Угол планирования
Теперь взглянем на угол планирования, который часто путают с углом атаки. Угол планирования — это угол, задаваемый регулировкой переднего и заднего рядов строп (нос выше или нос ниже). Он конструктивно заложен в парашют и зависит от длины строп. Его можно изменить за счет использования передних или задних свободных концов. Ввод передних концов изменяет угол планирования, а не угол атаки. При более остром угле купол будет снижаться быстрее, но вымпельный ветер останется постоянным (хотя на какой-то момент — в начале и по окончании ввода — его скорость измененится). Длина строп большинства куполов расчитаны на такой угол планирования, чтобы купол каждые три метра по горизонтали терял один метр высоты: соотношение горизонтали к вертикали (т.н. "аэродинамическое качество крыла" — прим. пер.) — 3/1. Меньший угол планирования позволит парашюту лететь дальше, но за это придется расплачиваться уменьшением давления в секциях по сравнению с более "остронаклоненными" куполами, и в результате купол будет более подвержен турбулентности. Больший угол увеличивает скорость снижения и наполненность, но теряет в горизонте, а также приводит к потери части мощности подушки.

Изгиб (кривизна профиля)
Когда вы втягиваете клеванты, вы изменяете не только угол атаки, но и саму форму крыла. Изгиб определяется величиной искривления крыла по его верхней кромке. Сильно выгнутые крылья имеют больше подъемной силы на низких скоростях — но одновременно они создают большое профильное сопротивление. Если вы втяните клеванты и оставите их внизу, такое изменение изгиба начнет влиять на летные характеристики парашюта. Скорость снижения снизится — равно как и горизонтальная скорость. Современные купола обычно берут большую часть энергии для подушки от изменения угла атаки — поэтому лучшая подушка будет получаться из режима полного планирования с отпущенными клевантами. Во время подушки высокая скорость снижения трансформируется в подъемную силу. Но в ситуации, когда вам нужно замедлить скорость снижения на продолжительное время, увеличение изгиба крыла за счет клевант является очень эффективным.

Заключение
Найдите минуту-другую и понаблюдайте за камнями на дне быстрого ручье. Вода плавно течет поверх гладких округлых камней — турбулентность возникает, только когда поток уже перетечет через камень. Плавная вода — это как разряженный воздух над верхней кромкой, который создает подъемную силу куполу. Бурная вода за камнем — это профильное сопротивление: след, который ваш купол оставляет в воздухе. Видно, как плоская, грубая передняя сторона камня создает паразитное сопротивление. А теперь взглянем на острый неровный камень. Он разрезает течение, вода бурлит — никакого плавного потока. Нет плавного потока — нет подъемной силы. Нет подъемной силы — нет контроля.

Высуньте ладонь в окно машины во время движения. Поставьте ее ребром к потоку ветра, найдите нейтральное положение. Теперь повертите ладонью, меняя ее угол — больше, меньше... Это — отклонение воздуха.

Как эти абстрактные понятия о потоке и профиле применить в реальной прыжковой практике? Мы скоро увидим. Но сначала давайте посмотрим на разные конструкции парашютов на нашей дропзоне — чтобы понять, почему они сделаны именно так, и чего мы можем от них ожидать.