Как работает парашют

Парашют никого не поднимает и не удерживает в воздухе. Он делает ровно одну вещь: увеличивает площадь, которой падающее тело упирается в набегающий поток, примерно в сотню раз. Сопротивление воздуха растёт вместе с этой площадью, падение перестаёт разгоняться и устанавливается на скорости, с которой человек спрыгивает с полутораметровой стенки. Всё остальное в конструкции - способ развернуть эту площадь вовремя, ровно и так, чтобы рывок при раскрытии не покалечил того, кто под куполом.

Почему падение не разгоняется бесконечно

Вниз тело тянет постоянная сила - вес. Навстречу действует сопротивление воздуха, и вот оно постоянным не бывает: чем быстрее движется тело, тем больше воздуха оно расталкивает за секунду и тем резче каждая порция в него упирается. Сопротивление растёт примерно как квадрат скорости: вдвое быстрее означает вчетверо сильнее.

Отсюда у свободного падения есть потолок. Скорость нарастает ровно до значения, при котором сопротивление сравняется с весом; дальше ускорения нет, и тело падает равномерно. Для человека, лежащего в потоке лицом вниз с разведёнными руками и ногами, это около 190-200 км/ч, и набирается такая скорость за первые десять-двенадцать секунд. Если сгруппироваться и развернуться головой вниз, площадь уменьшается в несколько раз, а установившаяся скорость уходит за 300 км/ч.

Воздух, таким образом, тормозит и без всякого парашюта. Беда в том, что равновесие наступает слишком поздно и на слишком большой скорости. Купол не создаёт нового явления - он сдвигает точку равновесия туда, где приземление уже переносимо.

Что именно делает купол

В сопротивление входят три величины, с которыми можно что-то сделать: плотность воздуха, площадь поперёк потока и форма. Плотность нам не подчиняется, поэтому работают с двумя оставшимися.

Площадь человека в потоке - меньше квадратного метра. Площадь круглого десантного купола - несколько десятков квадратных метров, обычно от пятидесяти до восьмидесяти. Это уже разница в сотню раз, и одной её хватило бы, чтобы уронить установившуюся скорость примерно в десять раз: сопротивление зависит от квадрата скорости, поэтому стократный рост площади компенсируется десятикратным падением скорости.

Форма добавляет к этому свой множитель. Полусфера, обращённая вогнутой стороной навстречу потоку, тормозит заметно лучше плоского диска той же площади: воздух не обтекает её гладко, за куполом остаётся вихревой след и область пониженного давления, которая тянет купол назад дополнительно. Именно поэтому классический купол сшит мешком, а не натянут плоско.

Итог: вертикальная скорость снижения выходит порядка пяти метров в секунду. Ровно столько набирает тело, спрыгнувшее с высоты около полутора метров. Отсюда и техника приземления с перекатом на бок: она растягивает удар по времени и по нескольким точкам тела.

Круглый купол и купол-крыло

Круглый купол работает чистым сопротивлением. Он снижается почти вертикально, управляется слабо, зато прост, надёжно наполняется и прощает ошибки. У него есть неприятная особенность: воздух, скопившийся под куполом, ищет выход и вырывается то с одного края, то с другого, раскачивая систему маятником. Лечится это отверстием в вершине, через которое часть потока уходит вверх непрерывно и предсказуемо.

Спортивный купол устроен принципиально иначе. Это не мешок, а мягкое крыло из двух полотнищ, сшитых нервюрами в отдельные секции. Спереди секции открыты, набегающий поток надувает их изнутри и держит давление выше наружного - ткань сама принимает профиль крыла и держит его без единого жёсткого элемента. Дальше работает уже не сопротивление, а подъёмная сила: купол летит вперёд со скоростью порядка десяти-пятнадцати метров в секунду и снижается примерно втрое медленнее, чем движется горизонтально.

Из этого вырастает главный приём приземления. Перед самой землёй парашютист тянет обе управляющие стропы вниз, крыло резко увеличивает угол атаки и на пару секунд превращает горизонтальную скорость в подъёмную силу. Вертикальная скорость в этот момент падает почти до нуля, и человек не приземляется, а сходит на ноги.

Как купол выходит из ранца

Купол нельзя просто вытряхнуть: он должен наполниться в строгом порядке, иначе стропы захлестнут ткань. Поэтому вытягивают его ступенчато.

Сначала в поток уходит маленький вытяжной парашют. Сам он ничего не тормозит, его задача - создать натяжение и выдернуть из ранца камеру, чехол-мешок, в котором сложен основной купол. Стропы уложены в резиновые соты снаружи камеры и распускаются по очереди, звено за звеном, пока камера удаляется от парашютиста. Только когда все стропы вытянулись в струну, камера сходит с купола и открывает ткань потоку.

Порядок здесь и есть весь смысл: сначала полностью натянутые стропы, потом наполнение. Обратная последовательность даёт перехлёст - самую типичную причину отказа.

Почему раскрытие не разрывает ни ткань, ни человека

Скорость гасится с двухсот километров в час до примерно двадцати. Импульс, который надо погасить, задан массой и этой разностью скоростей, и уменьшить его нельзя. Зато можно растянуть его во времени: сила равна импульсу, делённому на время, поэтому раскрытие, растянутое на три секунды вместо трети секунды, даёт в десять раз меньшую нагрузку.

Растягивают его тканевым замедлителем - прямоугольником с кольцами, надетым на стропы. При выходе купола он прижат потоком к его нижней кромке и не даёт ткани раскрыться разом. По мере наполнения замедлитель ползёт вниз по стропам, купол раскрывается всё шире, и весь процесс занимает несколько секунд вместо мгновения. У круглых куполов ту же роль играет затяжка нижней кромки шнуром, который расходится постепенно.

Из чего это сшито

До Второй мировой войны купола шили из шёлка. Когда шёлк стал недоступен, его заменили синтетикой, и обратно уже не вернулись: полиамидная ткань прочнее, дешевле и держит форму лучше.

Ткань ткут в клетку, вплетая через каждые несколько миллиметров более толстую нить. Такое переплетение не даёт случайному разрыву поползти дальше - он упирается в ближайшую границу клетки и останавливается. Для круглых куполов ткань берут воздухопроницаемую: часть потока просачивается сквозь неё и гасит раскачку. Для крыла, наоборот, нужна ткань, не пропускающая воздух вовсе, иначе секции не удержат внутреннее давление.

Стропы давно делают не из полиамида, а из арамидных и сверхвысокомодульных полиэтиленовых волокон: они почти не тянутся, а значит, купол сохраняет расчётную форму под нагрузкой.

Запасной купол и прибор

Штатная система - это два независимых купола в одном ранце. Основной укладывает сам прыгающий, запасной - только допущенный к этому укладчик, и уложенный запасной подлежит переукладке через установленный срок, даже если его ни разу не открывали.

Если основной купол наполнился неправильно, его сначала отцепляют: замки освобождают свободные концы, отказавший купол уходит в сторону и не мешает наполниться запасному. Прыгать с двумя куполами одновременно опасно, они могут переплестись.

Сверху за всем этим следит автоматический прибор. Он меряет атмосферное давление, пересчитывает его в высоту и по скорости изменения понимает, продолжается ли свободное падение. Если на заданной высоте скорость снижения всё ещё велика, прибор срабатывает и перерезает петлю, удерживающую ранец запасного. Он не заменяет человека, а страхует случай, когда человек уже ничего не решает.

Откуда парашют взялся

Идея старше авиации. Набросок пирамидального полотняного купола есть в бумагах Леонардо да Винчи конца XV века, и он там ничем не заканчивается: прыгать было неоткуда.

Слово появилось в 1783 году, его собрал француз Луи-Себастьян Ленорман из приставки против и слова падение, испытав конструкцию прыжком с башни. Первый прыжок с высоты в современном понимании сделал Андре-Жак Гарнерен в 1797 году: он отделился от воздушного шара над Парижем примерно с километра и приземлился невредимым, но купол по дороге отчаянно раскачивало. Именно этот случай привёл к отверстию в вершине.

Ранцевый парашют, который надет на человеке и раскрывается по его команде, появился в 1911 году: до того купола хранили в корзине шара или в конструкции самолёта. Массовым снаряжением парашют стал в 1930-40-е годы - сначала как спасательное средство для лётчиков, потом как способ высадки войск.

Где ещё тормозят куполом

Принцип не привязан к человеку. Тормозной парашют выпускают самолёты при посадке на короткую полосу и скоростные автомобили на прямых заездах. Купола сбрасывают грузы там, где нельзя приземлиться. Спускаемые аппараты входят в атмосферу с орбитальной скорости, гасят её сопротивлением корпуса, а последние километры проходят на каскаде куполов: сначала маленький вытяжной, потом тормозной, потом основной.

Тот же расчёт применяют и там, где атмосфера разрежена. На планете с тонкой атмосферой площадь купола приходится увеличивать в разы, потому что тормозит не купол, а масса воздуха, которую он успевает оттолкнуть. Это же объясняет, почему купол бесполезен там, где атмосферы нет вовсе, и почему в такой обстановке садятся на двигателях.

Ближайший родственник парашюта по смыслу - несущий винт в режиме, когда двигатель молчит, и поток снизу сам раскручивает лопасти. Об этом мы подробнее пишем в разборе, как работает вертолёт.