Полюсное отверстие купола осесимметричного парашюта

Полюсное отверстие (ПО) может повышать динамику процесса раскрытия парашюта и в некоторой степени аэродинамическую (максимальную) нагрузку, а также коэффициент сопротивления полностью наполненного парашюта.

Объясняется это следующим.

При отсутствии ПО и осесимметричном наполнении купола парашюта точка торможения потока находится в полюсе купола. Это создает локальный перепад давления, интегрируя который по поверхности выполненной части купола, получим приближенно мгновенное значение нагрузки на парашют. 

Предположим теперь, что мы ввели полюсное отверстие в конструкцию купола парашюта. Тогда точка торможения потока (которая была у купола без ПО) перейдет в окружность торможения, расположенную концентрично окружности ПО. Осесимметричный поток в зоне полюсного отверстия под куполом разделится на две части: внутренний под куполом, центральный – будет протекать через ПО, а внешний под куполом – растекаться под куполом, формируя выполненную часть купола. Разделительной поверхностью будет осесимметричная поверхность, опирающаяся на окружность торможения.

Очевидно, что часть площади купола, непосредственно прилегающая к окружности торможения, будет больше площади, прилегающей к точке торможения. Следовательно, перепад давления торможения уже будет не локальным (в точке), а распределенным (по окружности), а значит, и интеграл по  поверхности выполненной части купола (приближенно мгновенное значение нагрузки на парашют) будет больше, чем в случае купола без ПО.

С увеличением размера ПО увеличивается радиус и длина окружности торможения, а следовательно, и нагрузка на парашют и его коэффициент сопротивления. 

Однако увеличение нагрузки на парашют с увеличением ПО не беспредельно. Увеличение ПО одновременно увеличивает  и поток импульса (количество движения) потока, покидающего купол, что уменьшает аэродинамическую нагрузку на парашют.

Таким образом, результирующая аэродинамическая нагрузка на парашют является результатом взаимодействия двух противоположно направленных процессов, один из которых увеличивает нагрузку, а второй – уменьшает. 

При небольших размерах ПО (особенно если еще ПО перекрыто лентами радиального каркаса купола), результирующая аэродинамическая нагрузка на парашют будет возрастать, а при больших размерах, наоборот, существенно снижаться, существенно снижаться будет и коэффициент сопротивления парашюта.

Факт повышения нагрузки на парашют при начальных увеличениях размеров ПО (до определенного предела) был подтвержден в летном эксперименте с куполами больших площадей (500-1000м²), после чего дальнейшее увеличение площади ПО приводило к резкому снижению аэродинамической нагрузки на купол, а еще большее увеличение – к отказам в наполнении купола. 

Дальнейшее увеличение размеров ПО резко уменьшает величину критической скорости наполнения парашюта, что может приводить к его ненаполнению. Снижение критической скорости связано с тем, что большая часть кинетической энергии потока раскрывающей купол, уносится с внутренним потоком через ПО, а энергии внешнего под куполом потока, растекающегося под куполом и формирующего  выполненную часть купола, уже явно не хватает для его раскрытия.

Полюсное отверстие увеличивает маятниковую устойчивость парашюта, причем, чем больше его площадь, тем выше маятниковая устойчивость. Это связано с тем, что парашют устойчиво удерживается на траектории, определяемой ему осевой трубкой тока, проходящей через полюсное отверстие. 

Рассмотрим теперь детальнее процесс повышения нагрузки и коэффициента сопротивления парашюта от ПО.

В основу картины течения под куполом парашюта в его полюсной части  положим картину растекания жидкости при ударе струи о преграду.  

Попытаемся качественно объяснить явление повышения максимальной (аэродинамической) нагрузки для малых площадей КВП, концентрированно сосредоточенных в полюсной части купола (например, для полюсного отверстия).

Нагрузку, действующую на выполненную часть поверхности куполав процессе его раскрытия в направлении оси парашюта, можно свести к поверхностному интегралу

                                                                                                           (1)

зависящему от величины перепада давления на поверхности выполненной части купола. Таким образом, величина нагрузки, действующей на купол в любой момент времени в процессе его раскрытия, зависит от закона распределения (эпюры) перепада давления по поверхности купола. 

На рис.1 приведены возможные картины линий тока под куполом (в зоне его полюсной части) для случаев:

а) купол без полюсного отверстия;

б) купол с полюсным отверстием.

В случае купола без полюсного отверстия осевая линия тока, притекая к полюсу, оканчивается критической точкой О (точкой торможения потока), характеризующейся максимумом полного давления в ней. В соответствии с этим в окрестности полюса можно ожидать максимума эпюры давления к моменту реализации фазы максимальной нагрузки, рис.1а. 

В случае купола с полюсным отверстием, осевая линия тока вырождается в пространственную осесимметричную поверхность раздела с образующей О₁А₁ , а критическая точка торможения – в критическую линию торможения, представляющую собой кольцо, охватывающее полюсное отверстие, рис.1б. 

Следовательно, теперь максимум эпюры давления будет размещен уже не в окрестности одной точки О, а вдоль кольцевой линии О₁О₁. Т.е. полюсное отверстие как бы несколько увеличивает нагрузку на купол в окрестности, прилежащей к нему, рис.1б.

Учитывая, что при малых площадях полюсного отверстия (относительно площади купола парашюта: (0,001–0,005)) поток импульса (поток массы) через полюсное отверстие еще сравнительно невелик, а следовательно, незначительным будет уменьшение внутреннего давления, можно предположить, что уменьшения максимальной величины пика давления, распределенного по кольцу в окрестности полюсного отверстия, существенно не произойдет, т.е. он останется практически тем же, что и у купола без полюсного отверстия в точке О.

Таким образом, учитывая повышение суммарной величины давления на поверхности выполненной части купола За счет образования кольца торможения вокруг полюсного отверстия, в соответствии с выражением (1) можно ожидать повышения аэродинамической нагрузки на купол (при малых площадях полюсного отверстия).

Дальнейшее увеличение площади полюсного отверстия начинает существенно увеличивать поток импульса (массы) из-под купола. За счет потери части импульса уменьшается внутреннее давление под куполом, а большой выброс массы в зону за куполом уменьшает разрежение в ней. Это приводит к уменьшению перепада давления по выполненной части купола и резкому снижению величины аэродинамической (максимальной) нагрузки на парашют.  То же относится и к коэффициенту сопротивления парашюта.

Раньше,  десятки лет назад, повышение величины аэродинамической нагрузки при наличии ПО (в пределах десятка процентов от величины аэродинамической нагрузки на парашют и коэффициента его сопротивления) не находило своего объяснения, поскольку, как казалось, это противоречило физике явления потери импульса, и поэтому никак не воспринималось специалистами. Считалось, что это не закономерность, а просто случайность, обусловленная ошибками эксперимента. И хотя эта случайность проявлялась систематически для некоторых классов  парашютов, на нее просто закрывали глаза.