На днях в Бразилии завершился супер финал Кубка Мира по парапланерному спорту в дисциплине "кросс-кантри". Сильнейшие пилоты мира несколько дней состязались в скорости прохождения воздушных маршрутов над живописной местностью, неподалёку от Бразильского городка Байшу-Гуанду (Baixo Guandu).
Как это обычно и бывает на супер финале, небо Бразилии раскрасили разноцветные, длинные спортивные крылья разных производителей. А вот подвесные системы пилотов, на этот раз, не отличались богатым разнообразием. Если посмотреть на результаты соревнований, то в графе "Glider" у большинства спортсменов (за редким исключением) значится подвесная система "Ozone Submarine".
Так почему же сильнейшие пилоты-парапланеристы выбрали для самой амбициозной гонки именно этот тип подвесной системы?
Ответ будет совершенно банальный (для авиационного вида спорта) - "Всё дело в аэродинамике". И я хочу немного раскрыть тему и рассказать именно об аэродинамике нового типа подвесных систем. Углубляться в теорию и формулы не буду, постараюсь объяснить своё видение простым языком и примитивными картинками. 🙂
Подвесные системы предыдущего "поколения" выглядели примерно так...
Современные "субмарины" выглядят так...
Или похожая подвесная система от производителя Gin Gliders...
Сразу бросается в глаза вытянутая сигарообразная форма новых подвесных систем. Длина заднего обтекателя ("хвоста") увеличена примерно в 1,5~2 раза, по сравнению с "коконами" предыдущего поколения. Форма передней части "субмарин" имеет более плавные, округлые обводы, в отличии от обычных "коконов", где форма передней части задаётся эластичной тканью, натянутой на внутренние стропы, которые натягиваются ногами пилота. Как на фотографии ниже...
Далее, несмотря на, казалось бы, очевидные различия, набросаю немного формул, табличек, картинок и моего занудства 🙂.
Начну с формулы расчёта силы воздушного сопротивления, взятой из учебника по аэродинамике.
Плотность и скорость газа (в нашем случае воздуха) будем считать одинаковой для всех типов подвесных систем (далее будет ещё много допущений 🙂).
Разной будет "площадь Миделя" и коэффициент Cx. Площадь миделевого сечения определяется по самому "толстому" месту "обтекаемого тела"
😁 И все мы догадываемся, где у "обтекаемого тела" в подвеске самое толстое место...
Попробую нарисовать схему подвесных систем "вид спереди", чтобы было нагляднее о чём речь.
Цилиндрическая форма "субмарины" обусловлена тем, что её форма поддерживается за счёт нагнетания воздуха внутрь подвесной системы. Спереди предусмотрен специальный воздухозаборник.
Несмотря на схематичность изображения видно, что площадь миделевого сечения "субмарины" немного больше чем у обычного кокона, 0.4 m2 против 0.3 m2. Однако, если учитывать плечи пилота, торчащие из подвески в обычном коконе, а так же немного большие размеры обычного кокона в высоту (из-за расположения спасательных парашютов), площадь миделевого сечения можно считать почти одинаковой.
Остаётся только один множитель в формуле определения аэродинамического сопротивления, это Cx. И это самая сложная составляющая этой формулы - коэффициент аэродинамического сопротивления. Проблема в том, что данный коэффициент определяется экспериментально, сильно зависит от формы обтекаемого тела и зависит от угла набегающего потока к оси обтекаемого тела.
Если посмотреть на подвесные системы сверху видно, что "субмарина" имеет форму почти идеального обтекаемого тела. Коэффициент лобового сопротивления (Cx) таких тел колеблется в диапазоне 0,03 ~ 0,06.
Для обычного кокона Cx определить сложно. Визуально и весьма приблизительно, можно сравнить форму кокона с двумя пирамидами, соединёнными друг с другом прямоугольными основаниями.
Коэффициент лобового сопротивления для такой фигуры составляет примерно (очень примерно) Cx = 0,1
Если считать, что все остальные элементы формулы расчёта лобового сопротивления идентичны, то сила сопротивления подвесной системы типа "субмарина" может быть примерно в два раза меньше силы сопротивления обычного кокона. Попробуем подставить в формулу типичные значения параметров полёта параплана и рассчитать силу сопротивления.
Возьмём для примера плотность воздуха p = 1,1117 kg/m3 (плотность "стандартной атмосферы" на высоте 1000m).
Скорость полёта параплана V = 60 км/ч = 16,67 m/s (скорость полёта среднего спортивного параплана на акселераторном режиме).
Площадь миделевого сечения обоих подвесных систем S = 0,4 m2 (это примерная оценка, о которой говорилось выше)
Коэффициент лобового сопротивления для подвесной системы типа "субмарина" примем Cx = 0,05 , а для обычного кокона возьмём Cx = 0,1
Получим для "субмарины" силу сопротивления F = 3.089N = 0.315кгс, а для обычного кокона F = 6,179N = 0.630кгс соответственно.
Общее воздушное сопротивление спортивного параплана, со взлётным весом 115 кг, на скорости 60 км/ч, и аэродинамическим качеством 7 ед. (что "слегка" оптимистично), примерно равно F = 16,5кгс. И разницей в сопротивлении разных подвесных систем в 0,3кгс, казалось бы, можно было пренебречь, но помимо лобового сопротивления, подвесная система испытывает ещё и сопротивление трения. Разные неровности на поверхности обычных коконов и торчащие плечи пилота за пределами обводов подвесной системы могут увеличить разрыв общей силы воздушного сопротивления, между "субмаринами" и "коконами" в два раза и более. К сожалению, точно определить разницу можно только продув полноразмерные подвесные системы в аэродинамической трубе.
Кроме полёта на акселераторе, почти половина времени прохождения маршрута тратится на набор высоты. Воздушная скорость параплана не велика и (казалось бы) вклад воздушного сопротивления подвесной системы снижается. Однако, это справедливо для идеального обтекания подвесной системы воздушным потоком вдоль её продольной оси. А при полётах в турбулентных воздушных потоках это не так. То и дело, при маневрировании, возникает раскачка подвесной системы по курсу и тангажу.
При возникновении неоптимального обтекания подвесной системы параплана, возникает ещё несколько преимуществ у "субмарины". Большая площадь заднего обтекателя лучше стабилизирует подвесную систему по потоку, уменьшает амплитуду и время раскачки. При отклонении оси подвесной системы от направления потока, при косом обтекании, воздушное сопротивление "субмарины" должно быть меньше обычного кокона.
Если рассмотреть "косое" сечение "субмарины", в носовой её части, то для воздушного потока, сечение будет эллиптическим. А вот для обычного кокона почти прямоугольным.
Косое обтекание воздушным потоком носовой части кокона будет значительно турбулентным и будет создавать большее воздушное сопротивление в отличии от "субмарины". Эти нюансы будут давать преимущества пилотам - парапланеристам в "субмаринах" не только в полёте на прямой дистанции, но и в скорости набора высоты в восходящих потоках.
Подводя итоги, смею выразить свои мысли о причинах массового "пересаживания" спортсменов на подвесные системы нового типа, несмотря на некоторые их неудобства. Для соревнований регионального уровня, где уровень пилотов невысок, гораздо большее влияние на результат будет играть не подвесная система, а способность пилота минимизировать тактические ошибки при прохождении соревновательной задачи. А на соревнованиях топового мирового уровня, где все пилоты примерно равны, всё снаряжение "вылизано" почти до идеала, даже 0,3кгс может дать ощутимое преимущество над соперником. Топовые спортсмены готовы терпеть некоторые особенности новых подвесных систем такие как, необходимость тщательной настройки "субмарин", застёгивания герметизирующих внутренний объём молний при взлёте, и расстёгивание их перед посадкой, некоторые ограничения при использовании панели приборов у отдельных моделей "субмарин".
Спасибо, что дочитали до конца 😁. Критика в комментариях приветствуется.
P.S. В комментариях, Илья дал ссылку на видео (спасибо 😊), где японский пилот-парапланерист Hiroaki провел математический анализ аэродинамики различных подвесных систем в программе OpenFоам, в том числе и новой "субмарины".
Это немного другой способ определения аэродинамического сопротивления, и скорее всего более точный. Но в одном я точно не ошиблась, сила сопротивления обычного кокона в два раза больше силы сопротивления "субмарины" 🙂.