Коэффициент сопротивления различных тел

Установившуюся скорость падения тела определяют массовая плотность воздуха, которая изменяется по высоте, сила тяжести, изменяющаяся пропорционально массе тела, мидель и коэффициент лобового сопротивления пара-шютиста.

 

Снижение системы груз–парашют. Снижение груза с куполом парашюта, наполненным воздухом, есть частный случай падения произвольного тела в воздухе.

Как и для изолированного тела, скорость приземления системы зависит от поперечной нагрузки. Изменяя площадь купола парашюта Fп , мы изменяем поперечную нагрузку, а следовательно, скорость приземления. Поэтому необходимая скорость приземления системы обеспечивается площадью купола парашюта, рассчитанной из условий эксплуатационных ограничений системы.

 

Снижение и приземление парашютиста. Установившаяся скорость падения парашютиста, равная критической скорости наполнения купола, гасится при раскрытии парашюта. Резкое снижение скорости падения воспринимается как динамический удар, сила которого зависит в основном от скорости падения парашютиста в момент раскрытия купола парашюта и от времени раскрытия парашюта.

Необходимое время раскрытия парашюта, а также равномерное распределение перегрузки обеспечивается его конструкцией. В парашютах десантных и специального назначения эту функцию в большинстве случаев выполняет камера (чехол), надеваемая на купол.

Иногда при раскрытии парашюта парашютист в течение 1 – 2 с испы-тывает шести – восьмикратную перегрузку. Уменьшению воздействия силы динамического удара на парашютиста-десантника способствует плотная подгонка подвесной системы парашюта, а также правильная группировка тела.

 

При снижении парашютист перемещается, кроме вертикального, в горизонтальном направлении. Горизонтальное перемещение зависит от направ-ления и силы ветра, конструкции парашюта и симметричности купола во вре-мя снижения. На парашюте с круглой формой купола парашютист при отсутствии ветра снижается строго вертикально, так как давление воздушного потока распределяется по всей внутренней поверхности купола равномерно. Неравномерное распределение давления воздуха по поверхности купола возникает при воздействии на его симметричность, которое осуществляется подтягиванием тех или иных строп или свободных концов подвесной системы. Изменение симметричности купола влияет на равномерность его обтекания воздухом. Воздух, выходящий со стороны поднятой части, создает реактивную силу, в результате которой происходит перемещение (скольжение) парашюта со скоростью 1,5 – 2 м/с.

 

Таким образом, в безветрие для горизонтального перемещения парашюта с круглым куполом в каком-либо направлении необходимо создавать скольжение путем подтягивания и удержания в этом положении строп или свободных концов подвесной системы, расположенных в стороне желаемого перемещения.

Среди парашютно-десантных средств специального назначения пара-шюты с круглым куполом, имеющим щели, или куполом в виде крыла обеспечивают горизонтальное перемещение с достаточно большой скоростью, что позволяет парашютисту-десантнику, поворачивая купол, добиваться большой точности и безопасности приземления.

На парашюте с квадратным куполом горизонтальное перемещение в воздухе происходит благодаря так называемому большому килю на куполе. Воздух, выходящий из-под купола со стороны большого киля, создает реактивную силу и вызывает горизонтальное перемещение парашюта со скоростью 2 м/с. Парашютист, развернув парашют в нужном направлении, может использовать это свойство квадратного купола для более точного приземления, для разворота по ветру или для уменьшения скорости приземления.

 

При наличии ветра скорость приземления равна геометрической сумме вертикальной составляющей скорости снижения и горизонтальной составляющей скорости ветра и определяется по формуле

Vпр = V² сн + V²3, (2)

где V3 – скорость ветра у земли.

Необходимо помнить, что вертикальные потоки воздуха существенно изменяют скорость снижения, при этом нисходящие потоки воздуха увеличивают скорость приземления на 2 – 4 м/с. Восходящие потоки, наоборот, уменьшают ее.

Пример:Скорость снижения парашютиста-десантника 5 м/с, скорость ветра у земли 8 м/с. Определить скорость приземления в м/с.

Решение: Vпр = 5² +8² = 89 ≈ 9,4

Завершающим и наиболее сложным этапом прыжка с парашютом является приземление. В момент приземления парашютист испытывает удар о землю, сила которого зависит от скорости снижения и от быстроты потери этой скорости. Практически замедление потери скорости достигается специальной группировкой тела. Приземляясь, парашютист-десантник группируется так, чтобы сначала коснуться земли ногами. Ноги, подгибаясь, смягчают силу удара, и нагрузка распределяется по телу равномерно.

Увеличение скорости приземления парашютиста за счет горизонтальной составляющей скорости ветра увеличивает силу удара о землю (R3). Сила удара о землю находится из равенства кинетической энергии, которой обладает снижающийся парашютист, работе, произведенной этой силой:

m_пv² ₌ R_з l_{ц.т. ,} (3)

2

откуда

R_з = m_пv² = m_п (v²_сн + v²_з) , (4)

2 l_ц.т. 2l_ц.т.

где l_ц.т. – расстояние от центра тяжести парашютиста до земли.

В зависимости от условий приземления и степени натренированности парашютиста величина силы удара может изменяться в широких пределах.

Пример.Определить силу удара в Н парашютиста массой 80 кг, если скорость снижения равна 5 м/с, скорость ветра у земли 6 м/с, расстояние от центра тяжести парашютиста до земли 1 м.

Р е ш е н и е: R_з= 80 ( 5² + 6² ) = 2440 .

2 ^. 1

Сила удара при приземлении может восприниматься и ощущаться парашютистом по-разному. Это зависит в значительной степени от состояния поверхности, на которую он приземляется, и от того, как он изготовится к встрече с землей. Так, при приземлении на глубокий снег или на мягкий грунт удар по сравнению с приземлением на твердый грунт значительно смягчается. В случае раскачивания парашютиста-десантника сила удара при приземлении увеличивается, так как ему трудно принять правильное положение тела для принятия удара. Раскачивание необходимо погасить до подхода к земле.

При правильном приземлении нагрузки, испытываемые парашютистом-десантником, невелики. Рекомендуется для равномерного распределения нагрузки при приземлении на обе ноги держать их вместе, согнутыми настолько, чтобы под действием нагрузки они могли, пружиня, сгибаться и дальше. Напряжение ног и тела необходимо поддерживать равномерным, при этом чем больше скорость приземления, тем больше должно быть напряжение.

2.4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДЕСАНТНЫХ
ПАРАШЮТНЫХ СИСТЕМАХ

Назначение и состав. Парашютной системой называется один или несколько парашютов с комплектом устройств, обеспечивающих их размещение и крепление на самолете или сбрасываемом грузе и введение в действие парашютов.

Качества и достоинства парашютных систем можно оценить, исходя из того, в какой степени они соответствуют следующим требованиям:

- выдерживать любую скорость, возможную после оставления самолета парашютистом-десантником;

- обеспечивать во время раскрытия допустимую нагрузку на парашютиста;

- иметь несложное, безотказное при любых условиях приспособление для раскрытия, обеспечивающее возможность как ручного, так и принудительного раскрытия основного парашюта;

- допускать прыжки с возможно малых высот;

- не стеснять действий парашютиста-десантника своими размерами и расположением частей, обеспечивать возможность присоединения запасной парашютной системы;

- быть устойчивыми и достаточно управляемыми;

- иметь прочную и удобную подвесную систему, пригодную для парашютистов-десантников любого роста в специальном обмундировании;

- позволять быстро освобождаться от подвесной системы в случае необходимости в любых условиях;

- быть возможно простыми по конструкции, требующими на обслуживание и укладку минимальной затраты труда и времени;

- иметь минимально возможную массу;

- гарантировать безопасную скорость приземления в условиях практического применения.

 

Парашют. В основе выполнения требований, предъявляемых к десантным парашютным системам, лежит работа парашюта – купола со стропами, так как он является частью парашютной системы, которая испытывает сопротивление воздуха.

 

Физическая суть функции, выполняемой куполом при снижении, заключается в отклонении (расталкивании) частиц встречного воздуха и трении о него, при этом часть воздуха купол увлекает за собой. Кроме того, раздвинутый воздух смыкается не непосредственно за куполом, а на некотором расстоянии от него, образуя вихри, т.е. вращательное движение струек воздуха. При раздвигании воздуха, трении об него, увлечении воздуха в направлении движения и образовании вихрей выполняется работа, которую совершает сила сопротивления воздуха. Величину этой силы в основном определяют форма и размеры купола парашюта, удельная нагрузка, природа и воздухонепроницаемость ткани купола, скорость снижения, количество и длина строп, способ крепления строп к грузу, удаление купола от груза, конструкция купола, размеры полюсного отверстия или клапанов и другие факторы.

 

Коэффициент сопротивления парашюта обычно близок к коэффициенту сопротивления плоской пластинки. Если же поверхности купола и пластинки одинаковы, то сопротивление будет больше у пластинки, потому что ее мидель равен поверхности, а мидель парашюта значительно меньше его поверхности. Истинный диаметр купола в воздухе и его мидель трудно вычислить или измерить. Сужение купола парашюта, т.е. отношение диаметра наполненного купола к диаметру развернутого купола, зависит от формы раскроя ткани, длины строп и других причин. Поэтому при расчете сопротивления парашюта всегда принимают во внимание не мидель, а поверхность купола – величину, точно известную для каждого парашюта.

Рис. 3. Снижение парашютиста на раскрытом парашюте а– с куполом круглой формы; б – с куполом круглой формы при скольжении; в – с куполом квадратной формы

Зависимость Сп от формы купола. Сопротивление воздуха движущимся телам зависит в значительной степени от формы тела. Чем менее удобообтекаема форма тела, тем большее сопротивление испытывает тело при движении в воздухе. При конструировании купола парашюта изыскивают такую форму купола, которая при наименьшей площади купола обеспечивала бы наибольшую силу сопротивления, т.е. при минимальной площади поверхности купола парашюта (при минимальной затрате материала) форма купола должна обеспечивать грузу заданную скорость приземления.

 

Наименьшим коэффициентом сопротивления и наименьшей нагрузкой при наполнении обладает ленточный купол, для которого С п = 0,3 – 0,6 , для круглого купола он изменяется в пределах от 0,6 до 0,9. Купол квадратной формы имеет более благоприятное соотношение между миделем и поверхностью. Кроме того, более плоская форма такого купола при снижении приводит к усилению вихреобразования. В результате парашют с квадратным куполом имеет Сп = 0,8 – 1,0. Еще большее значение коэффициента сопротивления у парашютов с втянутой вершиной купола или с куполами в форме вытянутого прямоугольника, так при соотношении сторон купола 3:1 Сп = 1,5.

 

Скольжение, обусловливающееся формой купола парашюта, также увеличивает коэффициент сопротивления до 1,1 – 1,3. Это объясняется тем, что при скольжении купол обтекается воздухом не снизу вверх, а снизу сбоку. При таком обтекании купола скорость снижения как равнодействующая рав-на сумме составляющих вертикальной и горизонтальной, т.е. благодаря появлению горизонтального перемещения уменьшается вертикальное (рис.3).

Рис. 4. Схема изменения миделя купола с увеличением количества строп а – купол с 16 стропами; б – купол с 8 стропами Зависимость Сп от количества строп. Стропа парашюта – силовой элемент парашюта, являющийся частью соединения купола парашюта с грузом. С увеличением количества строп коэффициент сопротивления парашюта

 

увеличивается на 10 – 15%, но если количество строп больше, чем необходимо для данного парашюта, то уменьшается, так как при большом количестве строп входное отверстие купола перекрывается. Увеличение количества строп купола сверх 16 не вызывает заметного увеличения миделя; мидель купола с 8 стропами заметно меньше, чем мидель купола с 16 стропами

(рис. 4).

 

Количество строп купола определяется длиной его нижней кромки и расстоянием между стропами, которое у куполов основных парашютов равно 0,6 – 1 м. Исключением являются стабилизирующие и тормозные парашюты, у которых расстояние между двумя соседними стропами 0,05 – 0,2 м, в связи с тем, что длина нижней кромки их куполов относительно мала и невозможно прикрепить большое количество строп, необходимое для повышения прочности.

Рис. 5. Схема уменьшения миделя купола при уменьшении длины строп

Зависимость Сп от длины строп купола. Купол парашюта принимает форму и уравновешивается в том случае, если при определенной длине стропы нижняя кромка стягивается под действием силы Р. При уменьшении длины стропы угол между стропой и осью купола аувеличивается (а₁> а), стягивающая сила также увеличивается (Р₁>Р). Под действием силы Р₁ кромка купола с короткими стропами сжимается, мидель купола становится меньше, чем мидель купола с длинными стропами (рис. 5). Уменьшение миделя приводит к уменьшению коэффициента Сп, и равновесие купола нарушается. При зна-чительном укорочении строп купол принимает удобообтекаемую форму, частично наполненную воздухом, что приводит к уменьшению перепада давления и, следовательно, к до­полнительному уменьшению С_п. Очевидно, можно рассчитать такую длину строп, при которой купол не сможет наполняться воздухом.

 

Увеличение длины строп повышает коэффициент сопротив­ления ку-пола С_п и, следовательно, обеспечивает заданную ско­рость приземления или снижения при минимально возможной площади купола. Однако следует помнить, что увеличение дли­ны строп приводит к увеличению мас-сы парашюта.

Опытным путем установлено, что при увеличении длины строп в 2 раза коэффициент сопротивления купола увеличива­ется только в 1,23 раза. Следовательно, увеличивая длину строп в 2 раза, можно уменьшить площадь купола в 1,23 раза. На практике используют длину строп, равную 0,8 – 1,0 диаметра купола в раскрое, хотя расчеты показывают, что наибольшее значение С_пдостигает при длине строп, равной трем диамет­рам купола в раскрое.

 

Большое сопротивление – главное, но не единственное тре­бование, предъявляемое к парашюту. Форма купола должна обеспечивать быстрое и надежное его раскрытие, устойчивое, без раскачиваний, снижение. Кроме того, купол должен быть прочен и прост в изготовлении и эксплуатации. Все эти требо­вания находятся в противоречии. Например, купола с большим сопротивлением очень неустойчивы, и, наоборот, очень устойчи­вые купола имеют малое сопротивление. При конструировании эти требования учитывают в зависимости от назначения пара­шютных систем.

 

Работа десантной парашютной системы. По­следовательность работы десантной парашютной системы в на­чальный период определяется прежде всего скоростью полета самолета при десантировании.

Как известно, с ростом скорости растет нагрузка на купол парашюта. Это вызывает необходимость увеличивать прочность купола, как следствие, увеличивать массу парашюта и прини­мать защитные меры для уменьшения динамической нагрузки на тело парашютиста-десантника в момент раскрытия купола основного парашюта.

 

Работа десантной парашютной системы имеет следующие этапы:

I – снижение на стабилизирующей парашютной системе смомента отделения от самолета до введения основного парашюта в действие;

II – выход строп из сот и купола из камеры основного парашюта;

III– наполнение купола основного парашюта воздухом;

IV – гашение скорости системы от конца третьего этапа до достижения системой установившейся скорости снижения.

Введение в действие парашютной системы начинается в момент отделения парашютиста от самолета с последовательным включением всех элементов парашютной системы.

 

Для упорядочения раскрытия и удобства укладки основного парашюта его помещают в парашютную камеру, она в свою очередь укладывается в ранец, который прикреплен к подвесной системе. Крепится десантная парашютная система на десантнике с помощью подвесной системы, которая позволяет удобно разместить уложенный парашют и равномерно распределить динамическую нагрузку на тело во время наполнения основного парашюта.

 

Серийные десантные парашютные системы рассчитаны на совершение прыжков из всех типов военно-транспортных самолетов на большой скорости полета. Основной парашют вводится в действие через несколько секунд после отделения десантника от самолета, что обеспечивает минимальную нагрузку, действующую на купол парашюта при его наполнении, и позволяет выйти из возмущенного потока воздуха. Эти требования определяют наличие в десантной системе стабилизирующего парашюта, который обеспечивает устойчивое движение и уменьшает начальную скорость снижения до оптимально необходимой.

 

При достижении заданной высоты или после установленного времени снижения стабилизирующий парашют с помощью специального устройства (звена ручного раскрытия или парашютного прибора) отсоединяется от ранца основного парашюта, увлекает за собой камеру основного парашюта с уложенным в нее основным парашютом и вводит его в действие. В таком положении купол парашюта наполняется без рывков, на допустимой скорости, чем обеспечивается его надежность в работе, а также снижается динамическая нагрузка.

 

Установившаяся скорость вертикального снижения системы постепенно уменьшается из-за увеличения плотности воздуха и в момент приземления достигает безопасной скорости.