Тема 6. Летная подготовка. (К вопросу о выборе места старта и посадки). По программе теоретической подготовки спортсменов парапланеристов.

Всем, более-менее летающим людям известен тот факт, что обтекание ветром препятствий порождает турбулентность разного масштаба (рис. 1). Попадание в турбулентный вихрь небольшой интенсивности может стать причиной резкого изменения траектории и сваливания СЛА, или привести к схлопыванию параплана.

Особенно следует быть осторожным, выбирая место для старта в горах и в незнакомом месте при наличии ветра. Направление и скорость ветра в точке, выбранной для старта, иногда может не совпадать с предполагаемыми, изгибаясь под действием динамических потоков, и нести в себе хорошую долю турбулентной энергии. Я отнюдь не призываю бегать по горе с анемометром и линейкой (хотя этим может заниматься РП), но знание о развитии и умение прогнозировать развитие зон турбулентности и роторов, может сослужить неплохую службу как начинающим, так и опытным пилотам. Поток воздуха будем представлять себе состоящим из совокупности струек, по которым течет воздух. Такие струйки должны обладать физическими свойствами, присущими жидкостям и газам, это – скорость, масса, и вязкость («липкость» струек между собой и окружающими предметами). Характеристики течения могут значительно изменяться в зависимости от «удобо-обтекаемости» объектов, масштаба этих объектов, наличия мест срыва потока – острых кромок. На местности это могут быть скалы, камни, деревья, овраги, поросли кустарника и др. Внимание ! К таким объектам относятся все искуственные постройки. Масштаб течения тоже будет играть существенную роль, например при одной о той же скорости ветра обтекание котловины длиной 2 км, и домов, стоящих на удалении 300м друг от друга будут в результате приводить к существенно разным спектрам обтекания-

безвихревого в первом случае (рис. 2) и состоящего из совокупности вихрей во втором (рис. 3).

Дело в том, что спектры обтекания тел во многом зависят от безразмерных параметров течения, в которых одним из основных является число Рейнольдса (рис. 4). Число Рейнольдса показывает соотношение в потоке инерционных и вязкостных сил. Инерционные силы действуют по закону сохранения импульса и направлены на сохранение направления скорости в струйке, а силы вязкости стремятся приклеить струйки тока друг к другу и обтекаемому объекту. Как только равновесие этих сил нарушается - происходит возникновение вихревой зоны.

Число Рейнольдса выражается формулой: Re=VL/v, где V- скорость потока, L-характерный размер течения, v- кинематический коэффициент вязкости. Когда мы рассматриваем течение в потоке аэродинамической трубы, масштаб течения легко определяется стенками и размахом изучаемого крыла, для потока, который ограничен только поверхностью земли, масштаб течения будет определяться характерным размером препятствия и зоной в которую оно вносит возмущение. Рассмотрим влияние числа Re, на примере плоского обтекания отдельно- стоящего объекта - типа дерева (на самом деле аналог этого течения можно часто встретить, рассматривая обтекание изолированной лесополосы). Будем считать условия задачи постоянными, т.е. рассматривать дерево одной и той же высоты при постепенном наращивании скорости ветра. При малых скоростях потока, допустим от 0 до 3м/c (Re~10-100), влияние инерционно-массовых сил в потоке ничтожно, и струйки тока хорошо удерживаются на поверхности обтекаемого препятствия, создавая мелкомасштабную турбулентность (рис.5, а), наличие которой в потоке не чувствуется пилотом СЛА. Вихревая зона в этом случае мала и не превышает размера объекта-генератора, течение способно полностью восстановиться после внесенного возмущения.

При скорости 3-7 м/c (Re~100-1000), система вихрей за деревом будет состоять из группы стационарных вихрей довольно большой интенсивности, размер вихревой зоны (рис.5, б) увеличиться при этом до 2-3 характерных размеров объекта (в данном случае высоты дерева). При дальнейшем увеличении скорости потока до 8-14 м/с (Re более 10000) происходит дальнейшее накопление энергии потока в вихрях. Когда энергия вихрей становиться достаточной, чтобы оторвавшись от дерева, существовать в потоке длительное время, происходит формирование вихревой дорожки за деревом, длина которой будет определяться условиями распада вихря и длина которой будет измеряться уже десятками высот дерева (рис.5, в). В случае крупномасштабного течения, например при обтекании гор и формировании динамических потоков, вихрегенераторы более мелкого масштаба могут сыграть решающую роль, - сорвать поток и изменить течение в более крупном масштабе. Например, обтекание горы, имеющей плавный профиль, будет происходить без отрывов на всем диапазоне скоростей ветра (рис. 6, а). При наличии неровностей на наветренном склоне горы (поросли леса, уступов, оврагов), при малых числах Рейнольдса будут возникать небольшие зоны отрыва потока (рис. 6, б), которые будут представлять собой вихрь или пару стационарных вихрей.

При больших числах (в нашем случае более высокой скорости), когда происходит возникновение вихревой дорожки за препятствием, возможен срыв потока с поверхности горы. Вихревая зона (ротор) состоящая из нескольких вихрей, может при этом расширяться, взаимодействуя с внешним потоком (рис. 6, в), значительно превосходя размеры вихрегенератора по длине и высоте. В дельтаклубе ХАИ в свое время оперировали такой эмпирической зависимостью - на каждый метр в секунду усиления ветра увеличивать зону интенсивной турбулентности за препятствием на одну высоту препятствия. Т.е. при ветре 5 м/c зона турбулентности равна пяти высотам дерева, при 10 м/c - десяти высотам. Как видно из рис. 5, такая приблизительная прикидка недалека от истины. Стоит обратить внимание, что «препятствием», могут являться не только выступающие объекты, но и мелкие впадины, овраги, резкие изломы местности (рис. 7).

Мы рассматривали характерное обтекание, в рамках плоской задачи, которая получается, если мы разбиваем наше течение вертикальной плоскостью. Не следует забывать, что генерируемые вихри бывают как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения. Лесопосадка обычно генерирует вихри с горизонтальной осью, поэтому при попадании в такую зону крыло как будто прихлопывает сверху кувалдой.

Край лесополосы, при сильном ветре может генерировать вертикальный вихрь, который в состоянии развернуть крыло на 90-180 градусов практически мгновенно. Лесополоса, как препятстивие, упоминается не спроста - большинство несчастных случаев с МДП на химработах, происходят от неверного представления о вихревых зонах при разной силе ветра. На рисунке 8 изображен такой вихрь, пунктиром обозначена опасная зона, а штрих- пунктиром приблизительная ось вихря. Из вышеприведенных примеров следует, что необходимо опасаться не высоких гор, пусть даже километровой высоты, а «мелких» препятствий с резко очерчеными краями, зданий оврагов, скал.

В заключение хотелось бы сделать замечание: следите за направлением и скоростью ветра, а также с чего он дует, и ваши полеты будут безопасными и предсказуемыми.