Сокращенный фрагмент статьи из работы [1]

Надежность и безопасность парапланерных систем

У начинающих пилотов может создаться впечатление, что параплан так же безопасен, как и парашют. 

Разница состоит в том, что сертифицированный людской парашют ­– это автоматическое устройство с вероятностью безотказной работы (ВБР), содержащей, как минимум, четыре девятки после запятой. Например, ВБР Р=0,99997 с односторонней доверительной вероятностью большей или равной 0,95. На инженерном языке это означает, что если вы проведете 100 серий по 100000 испытаний, то в 95 сериях будет не более трех отказов. В остальных пяти сериях с этим же числом испытаний число отказов может быть больше трех. 

Для парапланов точными оценками ВБР и односторонними оценками доверительной вероятности, насколько известно автору, никто не занимался, по той простой причине, что эта надежность является не постоянной величиной, а функцией, зависящей от атмосферных условий, мастерства пилота и ряда других факторов. Параплан можно считать нежестким планером-парителем с ВБР, содержащей значительно меньшее число девяток после запятой по сравнению с парашютом. Это объясняется тем, что у параплана существует значительно большее число критических режимов, для выхода из которых необходимо вмешательство пилота, причем с ростом атмосфер­ной турбулентности ВБР у параплана снижается значительно сильнее, чем у планирующего парашюта.

Из-за своих конструктивных особенностей параплан подвержен трем основным факторам риска: возможному воздействию сильного ветра, грозовых облаков, атмосферной турбулентности.

В работе [1] приведена формула полной вероятности для расчета ВБР. 

Ее можно раскрыть следующим образом.

Вероятность отказа в процессе функционирования равна вероятности воздействия сильного порыва ветра (на старте или в полете), умноженной на условную вероятность того, что пилот не справится успешно с этой ситуацией, плюс вероятность попадания и затягивания в грозовое облако, умноженной на условную вероятность того, что пилот не справится успешно с этой ситуацией, плюс вероятность попадания в сильную атмосферную турбулентность умноженной на условную вероятность того, что пилот не справится успешно и с этой ситуацией. Знаки плюс в правой части формулы в алгебре событий аналогичны логическому союзу «или» и показывают, что вероятность отказа накапливается от каждого из указанных выше трех основных факторов. 

Согласно проведенной оценке, 96 полетов на параплане из 100 в одной серии в среднем обходится без травм. Сравнение с парашютом явно не в пользу параплана. С ростом мастерства пилота условные вероятности в правой части формулы для вероятности отказа уменьшаются, а вероятность безотказной работы возрастает и становится больше 0,99. 

Итак, параплан имеет более низкую ВБР, чем парашют, которая сильно зависит как от условий внешней среды, так и от мастерства пилота.  

Кроме перечисленных выше трех факторов: воздействие сильного ветра, затягивание в грозовое облако на большую высоту, атмосферной турбулентности, к опасным для жизни пилота ситуациям можно отнести также попадание в шквальный ветер, роторы (вихри) ветра в сильную жару, снос сильным ветром в море, снос на высоковольтную ЛЭП и т.д. Таким образом, число слагаемых в правой части формулы полной вероятности в результате детализации может быть увеличено, что сделает расчет вероятности отказа более точным. 

Расчет надежности функционирования системы может быть выполнен и с другой стороны – путем анализа летных происшествий.

Основными причинами летных происшествий являются:

– складывание крыльев на малой высоте (<30м) из-за сильной приземной атмосферной турбулентности; попадание в вихри и смерчи;

– ошибки в прогнозировании метеоусловий;

– столкновение пилотов в воздухе;

– ошибки на старте и посадке.

Эти причины могут быть использованы при построении другой вероятностной модели расчета надежности, основанной на анализе летных происшествий. 

Например, используя формулу Байеса, можно оценить условную вероятность того, что именно данное летное происшествие может стать причиной травматизма пилота. 

Этот анализ весьма важен при статистическом моделировании условий безопасности полетов на каждом пародроме с учетом его специфики.

Кроме указанных выше, надежность функционирования системы зависит и от ряда других факторов, таких, как конструктивные особенности аппарата и степень его тестирования. 

На сегодня необходимым (хотя и не всегда достаточным) является наличие сертификата летной годности аппарата.

Из не сертифицированной техники могут быть очень опасны крылья большого удлинения больше 5,5 с тонким профилем (с относительной толщиной <15-16%). 

Ряд тонких профилей имеют достаточно острую вершину кривой аэродинамического коэффициента подъемной силы, что может в ряде случаев привести к асимметричным срывам, внезапному переходу в негативную спираль, затягивающим виндговерам, особенно опасным у склона с возможным входом в склон, резким колебаниям по крену и тангажу, опасным в непосредственной близости от поверхности земли.   

Приближенную оценку относительной толщины профиля центрального сечения крыла можно выполнить по методике, предложенной в работе [1].

Если относительная толщина профиля центрального сечения (ЦС) меньше 15-16%, крыло может быть опасным, например, очень плохо выходить из негативной спирали. Современные аппараты имеют относительные толщины~17-20%.

Крылья аппаратов с большим удлинением и тонкими профилями в турбулентной атмосфере могут часто складываться и не всегда достаточно быстро повторно раскрываться. Потому существует критерий оценки устойчивости параплана к повторному раскрытию по времени восстановления нормальной геометрии крыла.

Однако оно может обладать большой степенью рассеивания, так как повторное наполнение зависит не только от геометрических параметров крыла (например, размер воздухозаборника и удлинение крыла), но также от положений крыла в пространстве по отношению к потоку и элементам конструкции, в которых раскрытие затруднено. 

Динамика повторного восстановления крыла может быть различной– от резкого хлопка до медленного, плавного восстановления. Резкое, динамичное восстановление крыла в виде хлопка (хлыста) чревато возможным обрывом ряда строп и повреждением крыла у старых аппаратов. В этом случае часто появляются моменты сил, бросающие пилота в стороны, и, что самое страшное, часто теряется контроль пилота над аппаратом и ситуацией, и, кроме того, возрастает опасность для находящихся рядом аппаратов. При этом снова возможно создание идеальных условий для повторного складывания.

Аппараты с большими воздухозаборниками и малой относительной толщиной профиля могут не только быстро наполнять свои ячейки воздухом при повторном раскрытии, но и также быстро освобождаться от него, что чревато попаданием консоли в стропы и образованием галстука.

Важно, чтобы размеры высоты и ширины воздухозаборника не слишком сильно различались. Тем не менее, расширение отсека между нервюрами приводит к уменьшению общего количества строп, что ведет к уменьшению сопротивления, а применение косых нервюр компенсирует выдувание верхней оболочки и также способствует уменьшению сопротивления.

Важным, с точки зрения надежности функционирования крыла по складыванию, является положение воздухозаборника на профиле.

Существует мнение, что чем выше и ближе к передней кромке расположен воздухозаборник, тем большее избыточное давление создается в секции скоростным напором на малых углах атаки, и тем меньше вероятность потери устойчивости конструкции крыла на этих режимах полета.

Размеры воздухозаборника должны быть оптимизированы для данного крыла, так как слишком малый по площади увеличивает вероятность потери устойчивости конструкции крыла (хотя в некоторой степени и снижается его сопротивление), а слишком большой может ухудшить восстановление частично сложенного крыла при прокачке, когда поток воздуха через нервюры конструктивно не согласован с потоком через воздухозаборник.

Геометрия воздухозаборника должна быть такой, чтобы иметь минимальные гидравлические потери на входе (т.е. без острых углов). Идеальной геометрией является круг, однако технологически лучше подходит квадрат или прямоугольник, близкий к квадрату.

Пропускная способность нервюр также имеет значение.

С одной стороны, чем большая площадь отверстий конструктивной проницаемости сделана в нервюрах, тем больше их пропускная способность, что способствует быстрому повторному восстановлению крыла после его подскладывания. С другой, слишком большое количество отверстий снижает жесткость и искажает форму профиля вследствие деформации силовой нервюры нагрузками от перепада давления и строп. Так, например, отверстия конструктивной воздухопроницаемости нельзя размещать в зонах криволинейных треугольников силовых нервюр с вершинами в точках подхода строп к нижней образующей и криволинейными основаниями – частью длины верхней образующей профиля, через которые нагрузка снимается с верхней оболочки крыла и передается на стропы. Поэтому конструктор здесь вынужден искать компромиссное решение, оптимизируя площадь и геометрию отверстий конструктивной воздухопроницаемости, иногда даже повышая жесткость нервюры с помощью легких лент усиления и жестких вставок в местах наибольшей концентрации напряжений.  

Форма крыла в плане в специфических условиях полета может оказывать существенное влияние на надежность и безопасность.

Наилучшей формой крыла параплана в плане, обладающей минимальным значением индуктивного сопротивления, является эллиптическая, или форма, составленная комбинацией двух полуэллипсов с разными малыми полуосями. Однако она и самая нетехнологичная. Более технологичной является трапециевидная с оптимальным сужением и прямоугольным центропланом. Прямоугольная форма с большим удлинением, хотя и технологична, зато является самой опасной с точки зрения функционирования. Применяется только для парашютных систем с относительно небольшим удлинением.

Применение стреловидности по передней кромке дает два существенных эффекта – в ряде случаев улучшает путевую устойчивость и управляемость параплана и при складывании консолей выводит их из зоны строп, уменьшая вероятность образования «галстука». Нужно отметить, что чем выше к крылу подняты узловые точки схождения строп первого и второго ярусов консольных частей крыла, тем меньше вероятность образования «галстука». 

Удлинение крыла увеличивает аэродинамическое качество системы, однако снижает его изгибную жесткость вдоль размаха и сопротивляемость складыванию консолей. Эти характеристики можно улучшить оптимальным сочетанием формы крыла в плане, крутки и арочности.

Правильно спроектированные крылья с большим удлинением (>6) обладают большим аэродинамическим качеством и позволяют набирать высоту даже в слабых термиках, однако становятся опасными в условиях интенсивной атмосферной турбулентности. 

Причиной иногда невысокой надежности по складыванию является частая потеря устойчивости крыла.

На величину потери устойчивости геометрии консоли крыла параплана при отклонении СУ влияет:

– величина максимального отклонения СУ;

– величина максимальной скорости хода СУ.

Крыло в устойчивом состоянии удерживается растягивающими усилиями:

определяемыми через проекции сил натяжения, лежащих в вертикальной плоскости ЛВС, создаваемых каждой ячейкой между силовыми нервюрами. В работе [1] подробно расписана структура этих сил.

Учитывая, что вклад вертикальной составляющей силы лобового сопротивления в формирование силы натяжения строп весьма незначителен по сравнению с вкладом подъемной силы, значительно проще в качестве растягивающего усилия рассматривать проекцию подъемной силы на горизонталь. Чем больше величина растягивающего усилия, тем устойчивее ведет себя крыло при полетах в турбулентной атмосфере и тем выше его надежность по складыванию.

 Кроме конструктивных особенностей аппарата, на надежность функционирования системы пилот-параплан влияют также ряд некоторых физических параметров и характеристик.

Важным с точки зрения безопасности является правильный подбор пилотом удельной массовой нагрузки на крыло своего аппарата.

Примерные, рекомендуемые диапазоны весов пилотов для полетов в условиях умеренной атмосферной турбулентности (над равнинами, плоскогорьями).

 В условиях сильной атмосферной турбулентности при полетах в горах нужно увеличивать удельную массовую нагрузку на крыло. Лучше использовать крылья несколько меньшей площади, чем те, что указаны в таблице (это значительно безопаснее, чем использовать балласт с крылом большой площади и удлинения). 

Справедливо предупреждение о том, что если ваш полетный вес не входит в допустимый диапазон весов, то это равносильно тому, что Вы летаете на несертифицированном параплане.

Рассмотрим влияние веса крыла. Легкое крыло, изготовленное из легких импортных тканей, значительно легче поднимается в слабый ветер, что делает старт безопасным, легким и приятным. Чтобы поднять тяжелое крыло, изготовленное из отечественных тканей типа «лаке» в слабый ветер, необходимо как следует пробежаться, что далеко не всегда делает старт приятным и безопасным, особенно для физически слабо подготовленных пилотов. Консоли тяжелых крыльев с большим удлинением обладают большими инерционными ускорениями, и при полете в турбулентной атмосфере концы крыла могут совершать незначительные колебания в горизонтальной плоскости, что не всегда позволяет пилоту чувствовать себя комфортно в полете, иногда оказывая психологическое воздействие. Масса крыла современного параплана составляет от 3 до 4кг, а всего параплана (крыло-СС-ССК) – 5-6кг.

Можно перечислить ряд основных аэродинамических и конструктивных факторов, влияющих на безопасность полетов.

1.     Величина рабочего диапазона углов атаки профиля крыла.

2.     Характер поведения аппарата на малых углах атаки.

3.     Характер поведения крыла на больших углах атаки.

4.     Жесткость крыла на все возможные виды деформации (изгиб, кручение, сжатие).

В соответствии с принципом минимизации энергозатрат, каждый правильно спроектированный, устойчивый аппарат автоматически находит свое балансировочное положение. Он устанавливается на свой балансировочный угол атаки, при котором сопротивление системы пилот-параплан становится минимально возможным при данной системе наложенных на него связей (сил и моментов).

Каждый аппарат имеет свой рабочий диапазон углов атаки, в котором он остается устойчив, а после прекращения умеренных возмущающих воздействий возникают умеренные демпфирующие моменты, восстанавливающие его полетное балансировочное положение.

Балансировочное значение угла атаки находится внутри своего рабочего диапазона; для некоторых аппаратов оно ближе к минимальному, для других – ближе к максимальному значению, что формирует их предрасположенность к тем или иным эффектам и явлениям.

Чем шире рабочий диапазон углов атаки и чем ближе балансировочный угол к биссектрисе этого диапазона, тем надежнее параплан по функционированию. Предпочтительнее иметь профили, имеющие расширенный диапазон работы по углам атаки, т.е. противостоящие складыванию на малых углах и срыву на малой скорости полета.

Рассмотрим поведение параплана в турбулентности при попадании в вертикальные потоки умеренной интенсивности, при которых не происходит выхода нового угла атаки за допустимый диапазон рабочих углов атаки.

При входе в восходящий поток увеличивается угол атаки крыла до некоторого значения, и крыло, стремясь восстановить свой балансировочный угол атаки (на котором сопротивление параплана минимально), пойдет вперед – вниз на уменьшение появившегося угла атаки до величины балансировочного угла. При входе в нисходящий поток уменьшается угол атаки крыла до некоторого значения, и крыло, стремясь восстановить свой балансировочный угол, пойдет назад на увеличение появившегося угла атаки до величины балансировочного угла.

В балансировочном положении уравновешены силы и моменты, действующие на систему, а при разбалансировке, т.е. при отклонении от угла балансировки, это равновесие нарушается. 

 При попадании в интенсивную турбулентность возможны выходы за допустимый диапазон углов атаки.

При выходе за предельно малый, допустимый угол атаки, точка торможения потока, которая обычно размещается в центре воздухозаборника, уходит вверх за носик профиля, и скоростной напор начинает деформировать переднюю верхнюю часть профиля. К тому же воздухозаборник оказывается в зоне аэродинамической тени. Скоростной напор уже не противодействует покиданию потока через воздухозаборник, воздух сбрасывается из напряженной секции, крыло сминается, передняя кромка уходит вниз. Возникает фронтальный срыв.

При выходе за предельно большой, допустимый угол атаки, точка торможения потока уходит вниз, за крылом начинает развиваться зона отрыва потока, крыло выходит на закритические углы и попадает в режим симметричного или асимметричного сваливания. Нужно отметить, что, если зависимость коэффициента аэродинамической подъемной силы островершинна, режим сваливания наступает внезапно, что чревато непредсказуемыми для пилота последствиями. Если же зависимость коэффициента аэродинамической подъемной силы имеет плавную, протяженную вершину, то вход в режим сваливания происходит постепенно и у пилота остается время для принятия правильного решения по выходу из него.

Как при фронтальном срыве, так и на режиме сваливания нарушается равновесие сил и моментов, параплан теряет свою несущую способность.

Дальнейшее поведение аппарата зависит от его конструктивных особенностей, возникшего режима и положения элементов крыла относительно вектора скорости набегающего потока, способности крыла в данном состоянии к повторному наполнению.

Чем из большего набора различных нештатных комбинаций и условий (ситуаций) способно выбраться крыло, тем выше его надежность. У парапланов класса Standard рабочий диапазон углов атаки, как правило, должен быть шире, чем у классов Performance и Competition.

Жесткость крыла на все возможные виды деформации (изгиб, кручение, сжатие) определяется как величиной диапазона рабочих углов атаки, так и относительной толщиной профиля крыла (строительной высотой профиля), относительной координатой ее размещения, удлинением крыла и рядом других факторов.

При выборе профиля и оценке подъемной силы крыла, с целью сохранения высокого уровня надежности крыла по функционированию, следует отдавать предпочтение относительно толстым профилям (относительная толщина: 16-20%) с зависимостью коэффициента аэродинамической подъемной силы, имеющей плавный, протяженный пик максимума. Будем характеризовать термином стабильность профиля именно это его свойство. 

Хотя тонкие профиля и дают меньшее сопротивление крылу и, как следствие, большую скорость, добиться хорошей горизонтальной скорости в ряде случаев удается и с толстым профилем, установив его на меньшие углы атаки с меньшим коэффициентом сопротивления (конечно, не выходя по условиям безопасности за допустимый диапазон рабочих углов атаки).

При выборе профиля из атласа важно, предварительно рассчитав число Рейнольдса, выбрать профиль с максимально близким к вашему числу Рейнольдса и числом Маха < 0,05. Тогда можно ожидать близости положения относительных координат точек отрыва потока модели и натуры и пользоваться в расчетах аэродинамическими характеристиками этих профилей, правда, с некоторой погрешностью, учитывающей масштабный фактор (несоответствие размеров модели и натуры).

Рассмотрим влияние воздухопроницаемости ткани крыла на летные характеристики и характеристики надежности функционирования параплана.

В процессе эксплуатации параплана происходит старение ткани– растяжение и остаточные деформации, что увеличивает размер ячейки ткани. Разрушается и осыпается пленочное покрытие.

Все это неизбежно приводит к возрастанию воздухопроницаемости ткани верхней и нижней образующих крыла.

В свою очередь, возрастание воздухопроницаемости ткани верхней и нижней образующих крыла приводит к:

– ухудшению ЛТХ крыла параплана;

– снижению уровня безопасности полетов.

Истечение воздуха из внутренней полости крыла через ткань снижает давление в оболочке, сопротивляемость к складыванию и повышает вероятность складывания крыла в турбулентности.

Перетекание воздуха через ткань из внутренней полости крыла на внешнюю поверхность крыла приводит к существенному увеличению толщины пограничного слоя, к его набуханию. Эффективная толщина профиля увеличивается, существенно искажается его геометрия, за счет чего резко ухудшаются его аэродинамические характеристики. Это приводит, с одной стороны, к уменьшению коэффициента аэродинамической подъемной силы и критического угла атаки профиля и крыла в целом, а с другой –  к увеличению силы лобового сопротивления, искаженного толстым пограничным слоем профиля, за счет увеличения сил трения и давления.

Увеличение силы лобового сопротивления и уменьшение подъемной силы приводит к уменьшению аэродинамического качества системы, т.е. к увеличению угла наклона траектории. Это происходит за счет уменьшения горизонтальной и увеличения вертикальной составляющих скоростей параплана.

Увеличение силы сопротивления крыла и уменьшение подъемной силы приводит к увеличению момента кабрирования, уменьшению установочного угла крыла и увеличению балансировочного угла атаки, равного разности между траекторным и установочным, что приближает систему к точке критического угла атаки, увеличивает вероятность срыва потока с крыла и перевода системы в режим сваливания.

Уменьшение критического угла атаки профиля увеличивает минимально допустимую (безопасную) скорость, поскольку срыв потока с крыла смещается к меньшим углам атаки, а значит, к большим скоростям полета. С другой стороны, увеличение сопротивления крыла неизбежно приводит к уменьшению крейсерской и максимальной скорости полета. Таким образом, наблюдается значительное сокращение интервала (диапазона) допустимых скоростей полета параплана, что приводит к снижению уровня безопасности полетов. 

Сокращение интервала (диапазона) допустимых скоростей полета может привести к полному исчезновению ряда важных скоростных режимов [1].

Увеличение воздухопроницаемости ткани на нижней поверхности крыла несколько увеличивает толщину погранслоя и эффективную толщину профиля, что увеличивает сопротивление крыла. За счет снижения внутреннего давления увеличивается вероятность складывания крыла при полетах в турбулентности. 

Мероприятия по сохранению долговечности, а, следовательно, и надежности крыла по воздухопроницаемости заключаются в следующем: 

– избегать лишних смятий, стартов крыла с каменистого, грязного грунта, полетов в интенсивной атмосферной турбулентности, в дождь. Не оставлять крыло на солнце, своевременно очищать от пыли и грязи мягкой губкой, слабым нейтральным мыльным раствором удалять сильные загрязнения, хорошо прополаскивать проточной водой, сушить в защищенном от прямых солнечных лучей проветриваемом помещении.

В заключение данного раздела отметим, что в отличие от парашюта, характеристики надежности и безопасности системы пилот-параплан зависят как от конструктивных параметров и физических свойств параплана, так от мастерства и опыта самого пилота.

С увеличением мастерства пилота вероятность безотказной работы и надежность системы пилот-параплан возрастает.

 Литература
1. Иванов П.И. Проектирование, изготовление и испытания парапланов (монография, ISBN 966-95903-0-2),- вып.4, Феодосия, 2007.– 280 с.