АЕРОДИНАМИКА НА ПАРАПЛАНЕРА

за начинаещи

от Николай Йотов

   

Въздушен поток около крило и аеродинамична сила

   

Всяко тяло, което се движи през въздуха си взаимодейства с него като създава аеродинамична сила.

Скоростта на движение през въздуха се нарича въздушна скорост (V).

Въздушната скорост и аеродинамичната сила са едни и същи, независимо дали крилото се движи през въздуха или въздухът се движи около неподвижно крило, например в аеродинамичен тунел.  

Всяка сила може да бъде разделена на различни компоненти според различните координатни системи и отправни точки. Аеродинамичната сила (R) зависи от посоката и скоростта на движение (от вектора на въздушната скорост V). Перпендикулярната на скоростта V компонента се нарича подемна сила (R_y), а противоположната на скоростта компонента се нарича сила на съпротивление (R_x).  По нататък ще продължим да използваме тези общоприети имена, но не трябва да забравяме, че те не са независими сили, а само компоненти на една единствена сила – пълната аеродинамична сила.

    

Съпротивлението и подема са удобни за първоначално обяснение на работата на крилото. Едно крило е по-ефективно ако създава повече подем и по-малко съпротивление.  

Подема (подемната сила) може да се създаде от:

• несиметрично поставено тяло във въздушен поток;
• тяло с несиметрична форма във въздушен поток;
• комбинация от горните две – тяло с несиметрична форма поставено несиметрично във въздушен поток.

   

Когато едно симетрично тяло е поставено несиметрично във въздушен поток, то повърхността която среща потока изпитва въздействието му и се създава аеродинамична сила перпендикулярна на повърхността на тялото.

              

Ъгълът между повърхността на тялото и направлението на потока се нарича ъгъл на атака α , който е изключително важен параметър на полета. Той определя големината и посоката на пълната аеродинамична сила и съотношението между компонентите й подем (Ry) и съпротивление (Rx).

   

Типичен пример за асиметрично поставено в поток тяло е, когато си подадем ръката извън прозореца на движеща се кола. Тогава можем да почувстваме пълната аеродинамична сила като променяме наклона на дланта си (ъгълът на атака). Дори малки ъгли на атака създават подем и повдигат ръката ни нагоре. По-големите ъгли на атака създават повече подем, но и повече съпротивление и ръката ни отива назад. 90  ̊ъгъл на атака създава максимално съпротивление без никаква подемна сила. 0  ̊ъгъл на атака създава минимално съпротивление и позволява ръката ни да „реже“ през въздуха по-лесно. Отрицателните ъгли на атака създават насочена надолу подемна сила, която натиска ръката ни надолу. Отрицателните ъгли на атака се използват в дизайна на спортните автомобили, където специални спойлери създават насочена надолу аеродинамична сила, която увеличава натиска и сцеплението на гумите със земята. Това позволява да се правят по-остри завои с по-голяма скорост.

   

Друг начин за създаване на подемна сила е, чрез взаимодействието на тяло с несиметрична форма с въздушния поток.  Използва се законът за съхранение на потока, който се основава на факта, че материята и движението не се появяват от нищото и не изчезват в нищото т.е. входящият поток е същият като изходящият. В резултат на това, там където потокът е ограничен, скоростта му нараства и обратното:

           

Пример за увеличаване скоростта на потока е когато частично запушиш градинския маркуч с пръста си за да пръскаш водата по-далеч.  

Скоростта на течението на река се увеличава там, където бреговете се стесняват и се забавя там, където сечението се увеличава.

Вятърът се ускорява над хълмовете и планинските вериги, защото сечението се намалява от терена отдолу в сравнение със съседния свободен от препятствия поток на същата височина.  

Не можеш да издухаш лекото пинг понг топче поставено в кухненска фуния за преливане, защото сечението й се увеличава в пъти, а това забавя скоростта на потока в пъти.

Едновременно с горните процеси, в зоните където потокът си увеличава скоростта (V) има спадане на налягането (p) и обратно. Промяната на налягането при промяна на скоростта на потока се нарича принцип на Бернули.

           

По същият начин работи пистолетът за боядисване на коли.

Ако духнеш въздух между два успоредни листа хартия, близко един до друг, това ще намали статичното налягане между тях и ще ги приближи, натиснати от сравнително по-високото налягане отвън. Поради този ефект е забранено два кораба да се разминават успоредно прекалено близо, защото това увеличава относителната скорост на потока между тях и намалява налягането, което може до доведе до засмукване и сблъскването им един в друг.

           

Класическите крилни профили имат изпъкнала горна повърхност, която работи като препятствие: намалява сечението на потока отгоре, ускорява го и създава зона на намалено налягане, която засмуква крилото нагоре.

           

Обикновено създаването на подемна сила от несиметричен профил е комбинирано с поставянето му в несиметрична позиция в потока.

             

Аеродинамичната сила и компонентите й подем и съпротивление зависят от:

• формата на профила на крилото
• ъгълът на атака α
• квадратът на въздушната скорост V²
• площта на крилото S
• плътността на въздуха ρ

             

          

Увеличаването на ъгъла на атака директно увеличава създаването на подемна сила, но също така увеличава и пътят, който трябва да измине въздушният поток за да следва горната повърхност на крилото. Над определен критичен ъгъл на атака потокът се откъсва рязко от крилото и то губи подемната си сила. Настъпва срив при който крилото вече не лети, а пада надолу, създавайки само съпротивление.

           

Сривът е опасен защото:

• настъпва внезапно и се развива бързо
• падането надолу е бързо и яростно
• хаотичният поток около крилото го прави трудно за управление

           

НЕ ЛЕТЕТЕ С ПРЕКАЛЕНО ГОЛЯМ ЪГЪЛ НА АТАКА!

           

Тъй ъгълът на атака е труден за измерване и наблюдение в полет, то за избягване на срив е по-лесно да следим въздушната скорост – усещането за вятър в лицето. Всяко дърпане на спирачките увеличава ъгълът на атака и забавя парапланерът.

Ако по време на полет:

• усещаме нехарактерно отслабване на вятъра в лицето
• виждаме че сме дръпнали спирачките прекалено, под карабинерите
• усещаме твърде голямо съпротивление от крилото при дърпането на спирачките

тогава сме близо до срив и трябва да възстановим въздушната скорост незабавно, като отпуснем спирачките – ГОРЕ РЪЦЕТЕ!

           

С натрупването на опит сривът не е проблем, защото сме изградили прецизна обратна връзка с конкретното крило. Ние знаем какво казваме на крилото с управленията и как то ни отговаря, колко се променя силата на опън която усещаме в спирачките. Спирачките не са само за командване на крилото, но също така са прекрасен сензор за това, което става там горе. Не ги дърпай силно и сляпо като диктатор, но едновременно с дърпането чувствай как крилото реагира и бъди готов да отпуснеш веднага щом почувстваш нещо нередно.

           

Сривът не трябва да се бърка с колапс, който се получава при отрицателен ъгъл на атака. Когато въздушният поток дойде отгоре, той деформира и подгъва атакуващият ръб – предната част на крилото. Сривът също деформира крилото, но това се случва около изходящият ръб в задната част на крилото и причината е твърде голям ъгъл на атака. И при срива и при колапса изчезва подемната сила и парапланерът пропада, но динамиката е коренно различна. След срива има мощно изстрелване на крилото напред, което трябва да се спре, докато при челен колапс не се прави нищо.           

           

Движение напред

           

След като разбрахме как въздушният поток около крилото създава подемна сила, която ни държи във въздуха, то може да се запитаме как е създаден този въздушен поток, когато нямаме двигател който да ни бута напред през въздуха?

           

Защо парапланерите летят напред?

           

Защото, специфичният профил на крилото има способността да трансформира движение надолу в сила и движение напред.  

           

Движението надолу е от земната гравитация и масата на парапланера, крилото, сбруята и основно тялото на пилота. Това движение надолу създава въздушен поток идващ отдолу, който си взаимодейства със специфичния профил на крилото за да създаде сила и движение напред.

           

Например, ако поставим тяло със симетричен кръгъл профил в идващ отдолу въздушен поток, то ускорението на потока отстрани на тялото ще създаде две самобалансиращи се странични сили R_y. Ако профилът на тялото е с полукръгла форма, то ще има само една небалансирана сила настрани, което означава, че движението надолу създава сила и движение напред.  Същата аналогия е валидна и при класическия крилен профил, където заоблеността на атакуващият ръб създава засмукване напред.

           

Движението надолу обикновено е създавано от силата на тежестта, което означава, че крило без маса няма да лети напред и също така колкото по натоварено е едно крило, толкова по-голяма сила и движение напред ще създава:

           

Магията е във формата! Крилото може да бъде направено от дърво, хартия, плат, метал, карбон, но специфичната му форма е тази която го кара да лети напред.

Две крила с идентична форма, но с различна маса летят по една и съща траектория, просто по-тежкото се движи по-бързо по нея в хоризонтално и вертикално направление.  

       

В аеродинамиката, силите, скоростите, ускоренията или техните компоненти успоредни на земната повърхност се наричат хоризонтални и се бележат с индекс „х“  (напр. Fx , V_x , a_x). Компонентите, които са перпендикулярни на земната повърхност се наричат вертикални и се бележат с индекс „у“ (напр. F_y , V_y , a_y). Освен гледната точка на Земята, същите сили, скорости или ускорения могат да се разглеждат от гледна точка на крилото.  Успоредните на повърхността на крилото компоненти се наричат тангенциални и се бележат с индекс „_T“ (напр. R_T , a_T). Перпендикулярните на повърхността на крилото компоненти се наричат нормални и се бележат с индекс „_N„.

Използването на крилото като отправна система с неговите нормална  R_N и тангенциална R_T компоненти на аеродинамичната сила е необходимо за обясняване на самозадвижваният планиращ полет. Другите компоненти – подемна сила (R_y) и сила на съпротивление (R_x) идват от аеродинамиката на задвижваните с двигател самолети и не могат да обяснят движението напред и динамиката на парапланерите. Например, спокойно можем да кажем, че планиращите крила нямат съпротивление въпреки, че се движат през въздуха, който би трябвало да се съпротивлява на тяхното движение. Ако планиращите крила изпитваха сила на съпротивление, то те не би трябвало да летят сами напред без да ги бута мотор.

           

Крилото на парапланера има така наречената индуктираща способност да трансформират нормална въздушна скорост (V_N), перпендикулярна на повърхността на крилото, в тангенциална сила (R_T), успоредна и напред по повърхността на крилото. Във физиката индукция означава непряко влияние, защото обектът не се движи в същата посока, както силата която въздейства върху него, а се движи в напълно различна посока. Гравитацията дърпа крилото надолу, но то реагира като се движи напред. Колкото повече го дърпаш надолу, толкова по-бързо то лети напред.

Индуктиращата способност зависи от:

• формата на профила. Тя е по-изразена при крилата с по-дебел профил, с по-голяма кривина на горната повърхност и с по-заоблен нос на атакуващия ръб;
• въздушната скорост. Колкото по-голяма е тя, толкова по-силна е индуктиращата способност. Ето защо по-натоварените и малки крила имат по-агресивно изстрелване напред след пропадане от срив;
• ъгълът на атака. Колкото по-голям е той, толкова по-голям е дела на нормалната компонента на въздушната скорост V_N от общата въздушна скорост V (повече въздух идва отдолу, перпендикулярно на долната повърхност). В зависимост от формата на профила, има един оптимален диапазон на ъгъла на атака, където индуктиращата способност и тангенциалната сила R_T са най-големи.  Твърде големите ъгли на атака не са най-добрите, тъй като обхващат малка част от повърхността на крилото – предимно кривината около носа на атакуващият ръб. Имайте предвид, че силите като R_T имат акумулиращ ефект – колкото по-дълго ги оставиш да работят, толкова по-голямо ускорение a_T и движение напред ще създадат.

           

Ако пуснем парапланера да пада във въздуха, той ще се ускори надолу привличан от земната гравитация. Това създава поток отдолу, който допълнително се ускорява от кривината на носа, създавайки засмукване и сила напред там. Тази тангенциална сила R_T добавя хоризонтално движение към вертикалното движение надолу. При преминаването на вертикално към по-хоризонтално движение, първоначалният 90  ̊ъгъл на атака намалява. Въздушният поток идва от нова посока, обхващайки по-голяма част от кривината на горната повърхност зад носа. Това добавя повече сила и движение напред, което обтича още по-голяма част от кривината на горната повърхност и започва да създава подем до достигане на баланс на силите. Така вертикалното падане се трансформира в планиращ полет напред.

           

Друг пример за индуктираща способност е издигането на крилото при излитане. Той показва, че тангенциална сила и движение напред могат да се създадат и когато крилото не е хоризонтално, без използване на силата на тежестта за задвижване на полета:

           

Индуктиращата способност обяснява много неща в парапланеризма! Какво става когато седнеш преждевременно при излитане, устойчивостта на парапланера и поведението му в термики и турбуленция, ефектът на градиентите на вятъра, акробатиките, спирали, сривове, колапси. Издигането нависоко при дърпане с лебедка, защо острите shark-nose профилите са по-склонни към срив и т.н.т.

           

Планиращ полет

           

Индуктиращата способност не може да ускорява крилото безкрайно. Колкото повече движение напред се добавя, толкова повече намалява ъгъла на атака, който директно намалява двигателят на движението напред – тангенциалната компонента на аеродинамичната сила R_T. Едновременно с това, увеличаването на въздушната скорост експоненциално (V²) увеличава съпротивлението на носените от крилото елементи – върви, тяло на пилота, сбруя. Така, в определен момент настава баланс на силите и се установява планиращ полет – еднородно линейно движение напред с леко снижение.

           

Обикновено парапланерите не си променят теглото по време на полет, но дори и да го направят (например при изпускане на баласт), това не променя съотношението на действащите сили. Единственият начин да се промени траекторията на планиране е като се промени ъгъла на атака.

Ъгълът на атака може да се увеличи, чрез дърпане на спирачките. Това подгъва надолу изходящият ръб, увеличава общата кривина на профила и взаимодействието му с въздушния поток. Профилът с по-голяма кривина създава повече подемна сила, но и повече съпротивление. Парапланерът преминава в нов режим на планиране с по-малка скорост и снижение, но и с по-стръмна траектория на планиране. В определен момент се достига режим на минимално снижение (V_{y min}), който дава максимална продължителност на времето на полета (t). Ако продължим да дърпаме спирачките и увеличаваме ъгъла на атака ще достигнем режим на минимална или сривна скорост. Отвъд него настъпва срив.  

Ъгълът на атака може да се намали, чрез използване на системата за скорост (спийд системата), където натискането на една степенка с крака напред издърпва последователно А, B и C коланите. Крилото преминава в нов режим на полета с по-висока скорост и снижение и с по-стръмна траектория на планиране. При напълно натисната спийд система достигаме минимален ъгъл на атака и режим на максимална скорост (V_{x max} ).

При отпускане на спирачките или спийд системата се възстановява балансировъчният режим на полета (трим скорост), който обикновено е режим на най-добро качество на планиране (V_x/V_y = max). Той дава максимална дистанция на планиране.

           

Независимо от режима на планиране, силата на тежестта и индуктиращата способност си остават двигател на полета, а височината е горивото на полета.

           

Защо ни трябват различни режими на полета?

           

Обикновено парапланерите са балансирани да летят в режим на най-добро качество на планиране (трим скорост), но това е спрямо въздуха или спрямо земята при безветрие.   

Когато духа вятър (въздушната маса се движи спрямо земята), ако е насрещен, то скоростта му (V_{x wind}) се изважда от въздушната скорост (V_x) за да получим скоростта на движение спрямо земята V_{x ground} = V_x – V_{x wind} . Ако вятърът е попътен, то скоростта му се добавя към въздушната скорост за да получим пътната скорост V_{x ground} = V_x + V_{x wind} .

И в двата случая на насрещен и попътен вятър, времетраенето на полета (t) е еднo и същo (V_y=const), но прелитаме различно разстояние (s) спрямо земята s=V_{x ground} .t защото имаме различни пътни скорости.

           

Ако насрещният вятър е по-силен от въздушната скорост на парапланера, то той ще лети назад спрямо земята, но ще продължи да лети напред спрямо въздуха. Въздушната скорост или усещането за вятър в лицето е една и съща независимо дали летим с 20 км/ч попътен вятър, в безветрие или с 300 км/ч насрещен вятър. Индуктиращата способност на крилото го движи през въздушната маса, която си има свое собствено движение спрямо земята.

Когато парапланер лети през низходящ въздух (-V_{y wind}), това увеличава скоростта му на снижение спрямо земята (V_{y ground} = V_y – V_{y wind} )и намалява времетраенето на полета (t) и прелетяната дистанция (s), докато попътната скорост (V_{x ground}) и въздушната скорост (V_x) остават непроменени.  

Когато парапланер лети през издигащ се въздух (+ V_{y wind}), скоростта на издигане се добавя към естествената скорост на снижение при планиране (V_y ) и парапланерът намалява скоростта си на снижение спрямо земята (V_{y ground} = V_y + V_{y wind} ). Това удължава времетраенето на полета и прелетяното разстояние, дори и да няма промяна на пътната и въздушна скорости.

           

Ако въздушната маса се издига по-бързо от собственото снижение на парапланера през въздуха (V_{y wind} > V_y ), то парапланера ще набира височина спрямо земята (V_{y gr} > 0 ).

Без значение дали летим в издигащ се, стабилен или низходящ въздух, ще имаме един и същ ъгъл на атака, аеродинамична сила и въздушна скорост в лицето си, зададени от режима в който летим (колко сме дръпнали спирачките или колко сме натиснали спийд системата).

Обикновено, пилотите се стремят да удължат планиращия полет, чрез промяна на режима на полета (ъгълът на атака), който частично да компенсира или да се възползва от влиянието на вятъра. За да прелетим по-голямо разстояние трябва да летим по-бавно в издигащ се въздух или попътен вятър и да летим по-бързо в низходящ въздух или насрещен вятър.

Начинаещите парапланеристи трябва да помнят, че при насрещен вятър или низходящо ще прелетят по-малко разстояние, а при попътен вятър или възходящо ще прелетят повече. Това означава, че може да се наложи да се кацне някъде другаде, от където първоначално са планували. По-краткото разстояние на прелитане означава и по-ограничен избор от места за приземяване.

           

Управление на парапланера

           

Парапланерът има два вида управление: аеродинамично и балансировъчно.

Аеродинамичното управление се задейства, чрез отклоняване на части от повърхността на крилото, което променя големината и посоката на аеродинамичната сила.

Балансировъчното управление е отклоняване от балансното положение между силата на тежестта G и аеродинамичната сила R, до достигане и поддържане на нов режим на полета. Аеродинамичната сила е приложена в центъра на налягане (ЦН) на крилото, а силата на тежестта е приложена в центъра на тежестта (ЦТ), който се намира малко над пъпа на тялото на пилота. Балансировъчното управление се постига, чрез преместване на центъра на тежестта на пилота.

Спирачките на парапланера работят като аеродинамично управление по следния начин: дърпането на двете спирачки подгъва надолу изходящия ръб, което създава съпротивление и забавя крилото спрямо пилота. Това увеличава ъгъла на атака и забавя целия парапланер. Ако спирачките останат дръпнати в определена позиция, то след кратък преходен период се установява нов режим на полета с повишен ъгъл на атака, понижена въздушна скорост и по-стръмна траектория на планиране.

           

Летенето с намалена въздушна скорост и по-стръмна траектория се използва основно при приземяване, когато искаме да кацнем по-рано за да не надлетим мястото за приземяване. Все пак трябва да се внимава, защото летенето с понижена скорост ни приближава до срива и парапланерът става по-уязвим на турбуленции и ефекти на градиенти на вятъра. Понижената въздушна скорост също води до понижено налягане в купола, което прави крилото по-меко и по-уязвимо на колапси.

           

Освен дълготрайно поддържане на различни режими на полета, спирачките предимно се използват краткотрайно за да спират самоускорения на крилото причинени от външни смущения (термики, пориви, турбуленция) или от неадекватно пилотиране (излитания, сривове, акробатики). Самоускоренията на парапланера са проблемни, защото крилото се изстрелва пред пилота и може да колапсира, когато достигне отрицателни ъгли на атака. Внезапното и агресивно изстрелване на крилото обикновено изисква също така агресивно дърпане на спирачките, понякога отвъд нормалните полетни режими. За да не се срине крилото, силните дърпания на спирачките трябва да са за кратко време (1 сек), а след това спирачките трябва да се отпуснат за да се възстанови жизненоважната въздушна скорост. Упражненията по надлъжен контрол на крилото в SkyNomad курса за Активно Летене учат пилотите на безопасният диапазон на работа със спирачките и на удоволствието от динамиката на парапланера.

Ако се дръпне само една спирачка, то тя подгъва надолу изходящият ръб на съответното полукрило. Това увеличава съпротивлението му и го забавя, докато другото полукрило продължава да лети с нормалната си скорост. Крилото се завърта към забавената си страна и парапланерът завива, докато не се отпусне спирачката. Когато се отпусне спирачката, парапланерът напуска завоя тангенциално и продължава да лети напред, възстановявайки нормалния си режим на полета.

           

Друг начин за завиване на парапланера е, чрез балансировъчно управление с преместване на тежестта. Пилотът си накланя тялото настрани , премествайки центъра на тежестта (ЦТ). Това натоварва едното полукрило повече и разтоварва другото, което се издига и парапланерът се накренява настрани от вертикалата на ъгъл γ. Пълната аеродинамична сила също се накланя. Новосъздадената й странична компонента R.sinγ добавя странично движение към първоначалното движение напред и парапланерът завива. Колкото по-голям е кренът, толкова по-голяма е страничната компонента на аеродинамичната сила и толкова по-интензивен е завоя.

           

Ефективният завой с пренасяне на центъра на тежестта изисква пилотът да се наклони изцяло на една страна. Кръстосването на външния крак върху вътрешния добавя още тежест към завоя. Начинаещите пилоти трябва да се научат да се доверяват на сбруята си, която им държи тялото сигурно, докато са наклонени настрани. Сбруята е направена да ги задържи, дори когато са надолу с главата. Стабилните EN A парапланери за начинаещи са по-трудни за завиване с тяло отколкото чувствителните спортни EN D крила.

Тежестта на пилота се носи от хоризонталната проекция на повърхността на крилото. Всяко накреняване на крилото намалява вертикалната компонента на пълната аеродинамична сила R.cos γ, която се противопоставя на силата на тежестта G и това увеличава снижението на парапланера. Накрененото крило е като претоварено мини крило – снижава по-бързо и лети с по-голяма хоризонтална скорост.

Начинаещите пилоти често не обръщат внимание на увеличената скорост и снижение при завой с крен. Те трябва да са внимателни когато летят близо до терена, защото всеки завой причинява допълнително пропадане. Избягвайте дълбоки завои близо до земята! Колкото по-близо сме до земята, толкова по-плавни трябва да са завоите.

           

Освен с тяло, завой с крен може да се постигне и със силно дърпане на една от спирачките, която забавя съответното полукрило и му намалява аеродинамичната сила. Парапланерът се накренява, защото другото крило лети нормално, с по-голяма въздушна скорост и подемна сила.

Начинаещите трябва да избягват да правят тесни завои с дълбоко дърпане на спирачката, защото това прекалено увеличава ъгъла на атака и може да доведе до откъсване на потока и срив.  Несиметричният срив на половината крило се нарича негативна спирала, при която крилото се завърта бързо около вертикалната си ос като хеликоптер. Негативната спирала е по-опасна от срива и колапса заради агресивното си поведение, което може да доведе до каскада от големи асиметрични колапси, сривове, усукване на коланите и оплитане на крилото във вървите. При завоите с тяло няма такава опасност, така че за завои начинаещите трябва използват максимално тяло и минимално спирачки. В парапланеризма, завоите се правят първо с тяло и после със спирачка. С натрупването на опит пилотите се научават колко да дозират работата с тяло и спирачка за да се получи ефективен координиран завой с минимален радиус и пропадане и далеч от сривни скорости и ъгли на атака.   

           

Освен негативна спирала, продължителното дълбоко дърпане на спирачката може да вкара крилото в класическа спирала – режим на авторотация с голямa скорост и претоварване. Спиралата не е така опасна и трудна за овладяване както негативната спирала, но може да дезориентира пилота и да му ограничи движенията. Претоварвания от 2-3 G могат да доведат до причерняване и загуба на съзнание за неподготвените пилоти. Ако не се излезе от спиралата достатъчно високо, то тя може да убие пилота, удряйки до в земята (V_y = 10-20  m/s , V_x > 80 km/h). Спиралата е често използвана техника за бързо снижение, например при засмукване от гръмотевични облаци. Курсът за Активно Летене на SkyNomad’s  учи пилотите как да правят спирали. Сривовете и негативните спирали се упражняват отделно, на курсове за безопасност над вода (SIV).