Глобальные изменения: появилось новое поколение крыльев спортивного и серийного ряда
На протяжении пяти лет, с 1998 по 2003 гг., характеристики парапланов класса Competition сводились к следующим величинам: удлинение крыла – 6-6,5 (в плоскости), нагрузка на крыло – 4-4,5 кг/м2 (в плоскости), максимальная скорость – 60-65 км/ч, максимальное аэродинамическое качество – 9-10. При незначительных различиях в летных качествах наиболее популярных моделей крыльев, таких как Gin Boomerang или Gradient Avax, конструкторы уделяли особое внимание удобству эксплуатации, и соревнования проводились на кратковременных заданиях, с акцентом на стабильности полета в высокоскоростной гонке.
В 2004 г. ситуация радикально изменилась. Компания UP создала свой радикальный Gambit (показавший отличные летные характеристики с пилотом Питером Бринкебай) и усилила его структурой внутреннего давления, выполненной исключительно из прямых элементов, упростила расположение строп, увеличила нагрузку на крыло и создала, таким образом, победитель чемпионата мира Targa. Компания Advance взяла за образец прототип параплана Omega и довела удлинение его крыла почти до 7 (с крылом большой арочности, навеянном, по-видимому, конструкцией кайтсерфов Роберта Грэхэма), создав, таким образом, победителей чемпионата Шригеля Морера и европейских чемпионатов, а также прототипы победителей мирового чемпионата Стива Кокса. Компания Airwave, взяв за основу свой Magic FR, отказалась от свободных концов D-ряда и соответствующих строп, создав тем самым прототип Брюса Голдсмита, занявший второе место на европейском чемпионате в Греции, и придя к моделям Magic 4 и Magic FR2 с удлинением 7,2. Тем временем, малоизвестная французская компания Aircross выпустила модель U3 с удлинением крыла 7,5, тремя рядами строп, нагрузкой на крыло более 5 кг/м2, длинными стропами и плоским крылом. Затем Роберт Грэхэм перешел в Gin, и Gin выпустил высокоарочный Boomerang 4, на котором Кристиан Тамегер практически выиграл чемпионат мира 2005 г. (он лидировал до последнего этапа). Boomer 4, в его последней модификации, - это также трехрядный параплан.
С лета 2004 г. по лето 2005 г. среднее значение удлинения крыла для наилучших куполов класса Competition возросло примерно с шести до семи, а кажущуюся оптимальной единственную конфигурацию заменил целый ряд радикально различающихся по конструкции парапланов: высокоарочные слабонагруженные Omega и Boomer 4; сильнонагруженные трехрядные U3 и Magic FR2; традиционные, но очень сильно нагруженные Mac Magus и UP Targa.
Эти изменения внесли существенные отличия в летные характеристики парапланов. Наилучшее аэродинамическое качество выросло с 9-10 (в 2004 г.) примерно до 11 (в 2006 г.). Возросла и устойчивость, в результате чего максимальная полетная скорость увеличилась с 65 км/ч до немногим более 70 км/ч. Более того, при обычной скорости полета современное поколение парапланов класса Competition гораздо более дружелюбно по отношению к пилоту и более устойчиво против складывания в полете по сравнению с аналогичными крыльями двухлетней давности.
Появились сертифицированные парапланы нового поколения с большим удлинением крыла DHV2-3 – Nova Tycoon, Gin Boomerang Sport и Airwave Magic 4.
Вопрос в том, чем все это закончится? Очевидно, что на данный момент конструкции парапланов далеки от совершенства: разработчики не могут прийти к единому мнению даже относительно наиболее простых вещей, таких, например, как оптимальная нагрузка на крыло: при среднем полетном весе 100 кг разница в предлагаемой производителями площади крыла может доходить до 25 % (U3 22 м2, Magic FR2 21,5 м2, Boomerang 4 26,2 м2). Еще через несколько лет соревнования покажут новый ориентир, к которому станут стремиться проектировщики парапланов. А что ждет нас лет через 10? Супернадежный спортивный параплан, разгоняющийся до скорости 100 км/ч с летным качеством 20:1 или параплан формата DHV1 с качеством 10:1, максимальной скоростью 65 км/ч и относительным удлинением крыла 6:1..? Возможно ли это? Давайте проверим…
Какие еще резервы по характеристикам и стабильности параплана у нас есть?
Так как мы имеем дело с летательным аппаратом, состоящим из материи и строп, помещающимся в рюкзаке, который человеку под силу затащить в гору, то неизбежно возникает ряд факторов, накладывающих абсолютные ограничения на характеристики параплана. Всегда останутся ограничения, связанные с пилотом, и ограничения, связанные со стропами. Крыло всегда будет иметь некоторое сопротивление профиля (поверхностное трение), и это будет ограничивать его максимальное относительное удлинение. Что же это за пределы? И насколько близко мы к ним уже подошли?
Стропы – ограничивающий фактор
Безопасность определяет абсолютный минимально приемлемый уровень прочности строп. На данный момент этот уровень по классификации DHV или CEN устанавливается следующим образом: крыло должно выдерживать длительные и кратковременные нагрузки, равные 6 G (т.е. шестикратно увеличенный вес пилота). На практике же это означает, что конструкторы закладывают прочность каждого каскада строп в 20 G в целях обеспечения безопасности с учетом потери прочности на свободных концах, в местах крепления строп, в результате истирания и иного износа, а также с учетом особенностей тестирования под нагрузкой по методике DHV (раскрытый купол привязывается к машине, и машина едет по дороге, на пути которой возможны и ухабы, и порывы ветра).
Таким образом, мы имеем ограничение по прочности для строп в 20 G (для спортивных крыльев, стропы которых рассчитаны только на один сезон, - возможно, 15 G). Прочность стропы зависит от ее поперечного сечения, а сопротивление стропы – от ее диаметра, поэтому одна толстая стропа всегда будет иметь меньшее сопротивление по сравнению с двумя более тонкими стропами той же суммарной прочности. Этим объясняется, почему все парапланы имеют сложный многокаскадный рисунок строп, а также то, что трехрядные парапланы имеют меньшее сопротивление строп по сравнению с четырехрядными.
На трехрядных спортивных парапланах обычно имеются стропы рядов 3А, В и С, а также тонкие стропы, ведущие к законцовкам с каждой стороны, и стропы клевант.
Поскольку стропы клевант принимают нагрузку только от рук пилота, рабочая нагрузка всего каскада строп управления составляет лишь около 50 кг. Двадцать основных строп должны в среднем выдерживать 20 полетных весов пилота или 2000 кг. Таким образом, каждая из строп должна в среднем выдерживать по 100 кг для того, чтобы пройти тест под нагрузкой. Нагрузки при полете, конечно, намного меньше. При современной технологии производства строп толщина основной стропы составляет 1 мм, промежуточной – 0,6 мм, верхней – 0,5 мм. Общая длина строп трехрядного параплана составляет 400 м, что при диаметре стропы 0,8 мм соответствует 0,3 м2 площади плоской поверхности.
В будущем существует вероятность сокращения длины строп, возможно (по самым обнадеживающим подсчетам) до 300 м (уже сегодня у некоторых парапланов она снизилась до 350), а компания Aircross даже предложила переход на двухрядную систему, что в дальнейшем может привести к сокращению длины строп на 25%; таким образом, благодаря новейшим технологиям общая длина строп может снизиться до эквивалента площади плоской поверхности, равной 0,225 м2.
Каково же будущее технологий производства строп? В настоящее время для производства строп в большинстве случаев используется кевлар – материал с предельным сопротивлением растяжению 3-4 ГПa. Углеродное волокно уже используется для производства струн теннисных ракеток и в аэрокосмической промышленности благодаря высокому сопротивлению растяжению и низкой степени эластичности. Углеродное волокно обеспечивает предельное сопротивление растяжению до 6 ГПa, что почти в два раза превышает степень сопротивления кевлара; следовательно, переход на углеродное волокно может снизить площадь строп до 0,2 м2, т.е. в два раза по сравнению с нынешней площадью. Недостатки – хрупкость, высокая стоимость и неустойчивость к ультрафиолетовым лучам.
В перспективе имеются также и более экзотические материалы – углеродные нанотрубки с предельным сопротивлением растяжению 60 ГПa и более, в десять раз превышающим сопротивление углеродного волокна и в 20 – сопротивление используемых в настоящее время строп из кевлара. Правда, сортировка таких строп может быть затруднена: в недавнем докладе Жанга и его коллег (Наука, 19 августа 2005 г.) было отмечено, что поверхность нанотрубок прозрачная… Тем не менее, ведется подготовка к их масштабному производству, и, возможно, в ближайшем времени у нас действительно будут стропы из нанотрубок.
● В настоящий момент общая площадь строп равна площади плоской поверхности 0,3 м2.
● Минимум, которого можно достичь при помощи существующих технологий (стропы из кевлара): 0,225 м2.
● Минимум при использовании новейших технологий – углеродное волокно: 0,2 м2.
● Минимум при использовании новейших технологий – углеродные нанотрубки: 0,015 м2.
● Потенциальное сокращение – до 50% (увеличение аэродинамического качества с 11 до 13), возможно до (со стропами из углеродных нанотрубок) 5% от общей площади, (что позволит увеличить А/К до 15 и более).
Влияние пилота
Теперь уже практически не встретить на ответственных соревнованиях пилота, летающего без обтекаемой подвески или ножных обтекателей: эти аксессуары становятся нормой даже для клубных полетов. Подвеска с расположением пилота лежа имеет некоторые преимущества в плане снижения лобового сопротивления: фронтальное сопротивление сидячего пилота – примерно 0,2-0,3 м2, а испытания в аэродинамической трубе показали, что наилучшая на данный момент спортивная подвеска имеет эквивалентную площадь лобового сопротивления (площадь плоской пластины, оказывающей такое же суммарное сопротивление потоку воздуха), равную примерно 0,125 м2, что приблизительно соответствует фронтальной площади поверхности лежащего человека. И это еще не предел для сопротивления движению пилота. В истории создания транспортных средств, управляемых человеком, немало усилий было потрачено на разработку «обтекаемого» байка: благодаря полностью обтекаемой форме велосипеда, предназначенного для управления в положении лежа, и его великолепному каплевидному обтекателю сопротивление можно снизить до 0,03 м2 (эквивалент площади плоской поверхности), и вы уже не захотите вернуться к обычному велосипеду.
● На сегодняшний день сопротивление пилота соответствует площади плоской поверхности, равной 0,125 м2.
● Возможный минимум при применении технологии создания обтекаемых транспортных средств, управляемых человеком, - 0,03 м2.
● Потенциально возможное снижение – 4% от сопротивления пилота на настоящий момент. Следовательно, максимальное увеличение А/К составит от 11 до 12,5 и более.
Сопротивление крыла – увеличение количества секций или изменение конструкции?
Испытания моделей парапланов в аэродинамической трубе дают основания предполагать, что сопротивление давления воздуха и поверхностного трения купола может достигать 30% от общего сопротивления. Именно поэтому у парапланов, участвующих в соревнованиях, больше секций, и по этой же причине их дизайнеры ломают головы над их очертанием, стараясь учесть влияние каждой складки. Складки вызывают турбулентность, глубокие складки вызывают разделение потока. Иногда даже можно почувствовать, как вибрирует крыло. По нашим подсчетам, устранение неровностей поверхности обеспечит возможность сравнительно легко поддерживать ламинарный поток над куполом, сократив при этом сопротивление приблизительно на 50%, однако пограничный ламинарный слой более подвержен разделению потока, нежели турбулентный, таким образом, основной потенциал принадлежит нижним секциям. Поверхность крыльев, сконструированных для ламинарного обтекания, радикальным образом отличается от поверхности парапланов, используемых в настоящее время, при этом вновь возникает вопрос устойчивости в полете. А аэродинамическое качество лучших аппаратов с ламинарным обтеканием в два раза превосходит качество крыльев, используемых в настоящее время, что является немаловажным достижением. Качество самой поверхности можно усовершенствовать путем увеличения количества секций, однако, при этом увеличатся и вес купола, и цена аппарата, и количество строп (в случае, если вы хотите закрепить секции). Производители проводили массу экспериментов с количеством секций и с самой конструкцией и сошлись во мнении, что стандартный спортивный купол должен состоять в среднем из 75 секций. Возможно, необходимо принципиальное изменение конструкции.
Производители парусов совершили радикальный шаг, перейдя к использованию комбинированной конструкции паруса, где нагрузка прикладывается к прослойке из углеродных волокон между слоями пленки, устойчивой к ультрафиолетовым лучам. Возможно, подобный подход применим и к парапланам, где верхняя и нижняя поверхности представляют собой цельную конструкцию. Использование подобного решения при конструировании позволило сократить поверхностное трение над куполом до 30%.
● В настоящий момент сопротивление трения всего крыла соответствует эквивалентному сопротивлению плоской поверхности площадью 0,1 м2.
● Минимально возможное сопротивление трения при конструкции трехмерной формы и комбинированной ткани (сэндвич): 0,07 м2.
● Потенциальное сокращение: 70% от поверхностного трения и сопротивления давления крыла в настоящий момент. Следовательно, увеличение А/К составит от 11 до 11,5 и более.
Относительное удлинение крыла и индуктивное сопротивление – крылья без законцовок?
В последнее время наиболее значительным и очевидным изменением в конструкции крыла стало резкое увеличение его удлинения. Удлинение крыла (УК) напрямую влияет на индуктивное сопротивление (плата за создание подъемной силы), где коэффициент индуктивного сопротивления определяется через соотношение кКП2/pi.УК (где к – коэффициент эффективности, КП – коэффициент подъемной силы). Это соотношение означает, что при увеличении удлинения крыла в два раза индуктивное сопротивление уменьшается вдвое. Коэффициент подъемной силы показывает, что индуктивное сопротивление обратно пропорционально скорости, и потому увеличение удлинения крыла компенсирует низкую скорость, особенно при высоком коэффициенте подъемной силы, например, при парении в термических условиях.
Это предполагает ряд забавных компромиссов, которые можно обыграть: увеличение удлинения крыла уменьшает скорость снижения, скорость подъема и максимальное аэродинамическое качество, при сохранении неизменной нагрузки на крыло. Альтернатива состоит в том, чтобы вместо использования преимущества в скорости снижения и скорости подъема, увеличить нагрузку на крыло, получив, в конечном итоге, ту же скорость снижения и скорость подъема, что и раньше, но с более высоким значением А/К, большей устойчивостью, большей триммерной и большей максимальной скоростью. Именно этот момент обыгрывают современные производители: Advance и Gin стремятся увеличить скорость подъема, в то время как Airwave, Gradient и Aircross борются за устойчивость и скорость. Кто из них прав? Время покажет.
Увеличение удлинения крыла имеет и другое преимущество, состоящее в его непосредственном влиянии на наклон поляры, связанный с углом атаки и коэффициентом подъемной силы. При большем удлинении крыла даже незначительное изменение угла атаки ведет к гораздо более значительному изменению коэффициента подъемной силы, по сравнению с крылом с меньшим удлинением. Практические последствия этого заключаются в том, что на крыле с большим удлинением вам не столь часто приходится пользоваться акселератором для получения равного ускорения.
Единственная проблема, связанная с удлинением крыла, - это раскачивание. Крыло удерживается стропами в вертикальном положении и натягивается вдоль размаха за счет растягивающего усилия законцовок. В конечном итоге, жесткость поверхности крыла зависит исключительно от его внутреннего давления и от натяжения передней и задней кромки. Фактически, крыло работает как балка уголкового сечения. Чем длиннее хорда, тем больше расстояние между передней и задней кромками и тем жестче балка уголкового сечения. Поэтому, при увеличении удлинения крыла оно становится более неустойчивым и более подвижным, при прочих равных. Задает ли это абсолютные границы удлинению крыла? Возможно, но мы пока о них не знаем.
Влияние уменьшения сопротивления на летные качества
Сохранив неизменными параметры размаха, площади и относительного удлинения крыла, но максимально уменьшив суммарное лобовое сопротивление (сопротивление крыла – до 70%, сопротивление пилота – до 4% и сопротивление строп – до 5% от текущего значения данных параметров), мы получим крыло с максимальным аэродинамическим качеством более 25:1 при 60 км/ч, максимальной скоростью 76 км/ч и минимальной скоростью снижения 0,6 м/с при 50 км/ч. Использование более традиционного варианта (углеродного волокна), дающее уменьшение сопротивления строп лишь на 50%, тем не менее, ведет к максимальным аэродинамическим качествам более 17 и минимальной скорости снижения 0,75 м/с (почти как у новейших жестких крыльев).
Технический прогресс в разработке строп не поддается контролю со стороны конструкторов парапланов. В данной области ведется колоссальное количество разработок, а потому, вполне вероятно, что рано или поздно все это придет и к нам. Сопротивление пилота стремительно уменьшается, но стал бы кто-то сейчас летать в полностью обтекаемой жесткой парапланерной подвеске? Вполне возможно подобные вещи производятся уже сейчас для дельтапланов, что, несомненно, весьма значимо и необходимо. Дизайнеры постоянно работают над конструкцией крыла с целью уменьшения его профильного сопротивления и достижения большего относительного удлинения.
Кажется, нет причины, по которой нельзя было бы увеличить удлинение крыльев всех типов, но, до тех пор пока новые парапланы с высоким удлинением класса DHV 2-3 не отлетают хотя бы один сезон, мы не узнаем, действительно ли они столь хороши и столь безопасны, как кажется; эти изменения не коснутся парапланов класса DHV 2 или 1-2, пока они убедительно не зарекомендуют себя как безопасные для этого уровня пилотов. Что же касается спортивных крыльев, резкий скачок относительного удлинения с 6 до 7 и общее улучшение удобства эксплуатации и летных качеств, кажется, вовсе не думает замедляться. И это еще далеко не предел!