Поведение параплана в условиях турбулентности и термической активности

При внезапном входе параплана в восходящий поток (или внезапном восходящем вертикальном порыве ветра), т.е. при резком возрастании угла атаки, в начальный момент времени (еще до того, как произойдет и завершится  перестройка режима обтекания крыла на новый угол атаки, уменьшится зона отрыва и подъемная сила возрастет), резко возрастает сила лобового сопротивления от срывного воздействия внешнего потока и появляется момент кабрирования, стремящийся отбросить крыло назад [1]. 

Затем, по мере перестройки режима течения, восстановления и возрастания циркуляции потока вокруг крыла и ликвидации зоны срыва, возникшей в начальный момент, подъемная сила, восстанавливаясь, возрастает, а сила лобового сопротивления начинает убывать, увеличивая вектор полной аэродинамической силы и его наклон вперед. Появляется плечо этой силы относительно центра масс системы, а, значит, и момент кабрирования, возвращающий крыло к своему балансировочному положению и балансировочному углу атаки.

Рассмотрим подробнее процесс восстановления крылом балансировки после перестройки режима течения вокруг крыла.

 При входе в восходящий поток, к концу вектора скорости набегающего на параплан потока добавляется вертикальный вектор скорости восходящего потока, направленный вверх. Результирующий вектор скорости набегающего потока, полученный путем геометрического сложения составляющих, будет иметь больший наклон, а, следовательно, крыло параплана получит  больший угол атаки.

Теперь вектор силы лобового сопротивления крыла расположится по направлению нового результирующего вектора скорости набегающего потока, а вектор подъемной силы – перпендикулярно к нему. Ясно, что результирующий вектор полной аэродинамической силы крыла, равный геометрической сумме векторов подъемной силы и силы лобового сопротивления, получит наклон вперед. 

Устойчивый параплан, стремясь восстановить свое балансировочное положение, создаст момент пикирования и перейдет на меньший угол, соответствующий его балансировочному углу атаки, т.е. восстановит свой балансировочный угол.

 Здесь возможны два случая. 

1. Если производная подъемной силы по углу атаки больше производной силы лобового сопротивления по углу атаки в точке нового угла атаки (или же производная подъемной силы по силе лобового сопротивления в этой же новой точке угла атаки на поляре крыла больше единицы), то приращение подъемной силы будет больше приращения силы лобового сопротивления, и конец результирующего вектора полной аэродинамической силы крыла получит наклон вперед. 

Возникнет плечо этой силы позади центра масс параплана и появится момент пикирования, стремящийся перевести крыло на меньший угол атаки и восстановить балансировочное положение параплана. Так ведет себя устойчивый параплан.

2. Если производная подъемной силы по углу атаки меньше производной силы лобового сопротивления по углу атаки в точке нового угла атаки (или же производная подъемной силы по силе лобового сопротивления в этой же новой точке угла атаки на поляре крыла меньше единицы), то приращение подъемной силы будет меньше приращения силы лобового сопротивления, и конец результирующего вектора полной аэродинамической силы крыла получит наклон назад. 

Возникнет плечо этой силы впереди центра масс параплана и появится момент кабрирования, стремящийся перевести крыло на еще больший угол атаки и еще дальше уйти от балансировочного положения параплана. Так ведет себя или неустойчивый параплан, или же устойчивый, но если он находится на режимах, близких к критическим.

При внезапном входе параплана в нисходящий поток (или внезапном нисходящем вертикальном порыве ветра), т.е. при резком уменьшении угла атаки, в начальный момент времени (еще до того, как произойдет и завершится  перестройка режима обтекания крыла на новый угол атаки, изменится зона отрыва и подъемная сила уменьшится), резко уменьшается сила лобового сопротивления от снижения воздействия внешнего потока и появляется момент пикирования, стремящийся бросить крыло вперед.

Затем, по мере перестройки режима течения, восстановления и возрастания циркуляции потока вокруг крыла, подъемная сила, восстанавливаясь, убывает, а сила лобового сопротивления начинает возрастать, увеличивая вектор полной аэродинамической силы и его наклон назад. Появляется плечо этой силы относительно центра масс системы, а, значит, и момент кабрирования, возвращающий крыло к своему балансировочному положению и балансировочному углу атаки.

Рассмотрим подробнее процесс восстановления крылом балансировки после перестройки режима течения вокруг крыла.

 При входе в нисходящий поток, к концу вектора скорости набегающего на параплан потока добавляется вертикальный вектор скорости нисходящего потока, направленный вниз. Результирующий вектор скорости набегающего потока, полученный путем геометрического сложения составляющих, будет иметь меньший наклон, а, следовательно, крыло параплана получит меньший угол атаки. 

Теперь вектор силы лобового сопротивления крыла расположится по направлению результирующего вектора скорости набегающего потока, а вектор подъемной силы – перпендикулярно к нему. Ясно, что результирующий вектор полной аэродинамической силы крыла, равный геометрической сумме векторов подъемной силы и силы лобового сопротивления, получит наклон назад. 

Устойчивый параплан, стремясь восстановить свое балансировочное положение, создаст момент кабрирования и перейдет на больший угол, соответствующий его балансировочному углу атаки, т.е. восстановит свой балансировочный угол.

Здесь возможны два случая. 

1. Если производная подъемной силы по углу атаки больше производной силы лобового сопротивления по углу атаки в точке нового угла атаки (или же производная подъемной силы по силе лобового сопротивления в этой же новой точке угла атаки на поляре крыла больше единицы), то снижение (отрицательное приращение) подъемной силы будет больше снижения (отрицательного приращения) силы лобового сопротивления, и конец результирующего вектора полной аэродинамической силы крыла получит наклон назад. 

Возникнет плечо этой силы впереди центра масс параплана и появится момент кабрирования, стремящийся перевести крыло на больший угол атаки и восстановить балансировочное положение параплана. Так ведет себя устойчивый параплан.

2. Если производная подъемной силы по углу атаки меньше производной силы лобового сопротивления по углу атаки в точке нового угла атаки (или же производная подъемной силы по силе лобового сопротивления в этой же новой точке угла атаки на поляре крыла меньше единицы), то снижение (отрицательное приращение) подъемной силы будет меньше снижения (отрицательного приращения) силы лобового сопротивления, и конец результирующего вектора полной аэродинамической силы крыла получит наклон вперед. 

Возникнет плечо этой силы позади центра масс параплана и появится момент пикирования, стремящийся перевести крыло на еще меньший угол атаки и еще дальше уйти от балансировочного положения параплана. Так ведет себя или неустойчивый параплан, или же  устойчивый, но если он находится на режимах, близких к критическим. 

Кроме изменений силового воздействия на крыло, необходимо учитывать также, что при изменении угла атаки может изменяться сила сопротивления стропной системы, а, значит, и момент кабрирования от силы сопротивления стропной системы может изменяться и влиять на суммарный эффект воздействия моментов сил на параплан в целом. 

Нужно иметь также в виду, что стропная система параплана (конструктивная схема– ярусность, распределение, диаметр и суммарная длина строп) могут оказывать существенное демпфирующее влияние на колебания параплана по крену и тангажу. 

 Отметим, что рассмотренные выше случаи поведения параплана соответствуют не очень большим вертикальным возмущениям, что не приводит к выходу крыла из диапазона рабочих углов на закритические углы атаки.

В случае же, если вертикальные порывы ветра имеют тот же порядок, что и скорость движения аппарата, то в случае восходящего порыва будем иметь срыв параплана в режим заднего срыва (режим «свала»), а при нисходящем сильном порыве будем иметь фронтальное сложение передней кромки крыла. 

И то, и другое может происходить как симметрично, так и асимметрично. В случае асимметрии заднего срыва происходит немедленный переход в негативную спираль. В случае асимметрии масштабного фронтального сложения может произойти переход в глубокую спираль, а из него возможен переход в режим авторотации, что весьма опасно [1]. 

Литература

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