Kvant. Мосты и парашюты

Вышинский В. Мосты и парашюты // Квант. — 2007.— № 1. — С. 28-29.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Казалось бы, что общего между парашютом и ... мостом?

Рис.1. Монтаж моста через реку Томь в городе Томске

Мосты строили тысячи лет, причем это дело считалось настолько важным, что понтификами (pontifices), буквально - строителями мостов, в Древнем Риме называли жрецов, а в настоящее время так называют римских пап. А парашют изобретен всего около ста лет назад (Г.Е.Котельников, 1911 г.). Кроме того, приличный мост весит сотни и тысячи тонн (рис. 1), а парашют помещается в ранце. И все же, с точки зрения аэродинамики, в них есть нечто общее: и мост и парашют - плохообтекаемые тела. А что значит - плохо или хорошо? Если при обтекании тела струйки воздуха разделяются в его носовой области и затем вновь соединяются в кормовой точке - это хорошо для самолета или дирижабля, потому что при этом сила сопротивления минимальна. Но парашют в принципе должен иметь как можно большее сопротивление, т.е. быть плохообтекаемым. Встречные струйки тока воздуха, разделившись перед плохообтекаемым телом, уже не соединяются за ним, а образуют вихри. Как говорят аэродинамики, образуется отрыв потока. На рисунке 2 это явление изображено для случая обтекания стержней прямоугольного сечения, например элементов конструкции моста. Таким образом, можно сказать, что общей чертой, объединяющей мосты и парашюты, является отрывное обтекание их воздухом.

Рис. 2. Раскачка многобалочной конструкции при отрывном обтекании

Рассмотрим систему двух тел: спускаемый аппарат (СА) + парашют (П) и мост на этапе строительства методом продольной надвижки, когда многобалочная система, пока что облегченная от плит перекрытия, выдвигается от одного быка моста к другому (см. рис. 1). И там и здесь мы имеем систему нескольких плохообтекаемых тел и существенно нестационарный (т.е. изменяющийся со временем) отрывной характер течения воздуха. При исследовании таких течений можно считать, что обтекание всех угловых кромок происходит с отрывом потока, а характер обтекания всей системы тел зависит от расстояния между телами - будь то СА+П или выдвинутые балки моста (аванбеки) при их поперечном обтекании.

Рис.3. Изменение схемы обтекания системы двух тел при увеличении расстояния между ними

Обсудим процесс спуска груза на парашюте. Изменением расстояния между СА и П можно менять величину силы сопротивления. При расстоянии L между ними, меньшем некоторого критического значения L^*, имеет место обтекание с «открытым следом» (нестационарное обтекание; рис. 3,а), а при L > L^* - с «закрытым следом» (рис. 3,б). Этим пользуются с целью уменьшения динамических нагрузок, максимум которых приходится на момент раскрытия парашюта (рис. 4).

Рис.4. Изменение расстояния между спускаемым аппаратом и парашютом для управления величиной аэродинамического сопротивления (ф. — фал, который в момент раскрытия парашюта выбран, т.э. — тормозной экран, использованный на начальном этапе торможения)

Резко тормозиться нельзя и по другой причине - спутный след может догнать быстро тормозящийся парашют и смять его. Поэтому применяют несколько парашютов - сначала маленький, а потом большой - или используют специальные ленты, которые стягивают «юбку» парашюта и по мере надобности разрываются, чтобы парашют постепенно распустился во всей своей прелести. Этот прием называется «рифовкой» парашюта - подобно тому, как на парусных судах во время штормового ветра «берут рифы» на парусах, или, по-простому, уменьшают их площадь, подвязывая специальными веревками.

А что же мост? Знание параметров его конструкции позволяет определить скорости ветра, при которых возможно возникновение аэроупругих колебаний балок, не связанных между собой плитами перекрытия. Возникновение таких колебаний очень опасно, так как может привести к разрушению строящегося моста. Но что такое аэроупругие колебания? Какова природа их возникновения?

Давно известно, что, перед тем как ступить на мост, подразделение солдат, идущих в ногу, получает команду «сбить шаг», чтобы избежать явления резонанса - совпадения собственных частот колебаний моста с частотой внешнего воздействия. Точно так же отрыв потока является тем внешним воздействием, которое при совпадении частот схода вихрей и собственных частот упругой конструкции моста может привести к его раскачке. Казалось бы, команду «сбить ногу» здесь уже не подашь. Однако не все так безнадежно.

Для борьбы с ветровым резонансом можно либо изменить конструкцию - например, еще на этапе проектирования изменив расстояние между балками, либо применить специальные системы демпфирования - например, аэродинамические системы. Если заставить вихри срываться с острых кромок нерегулярно, идти с разным шагом (не «в ногу»), то это и будет выполнение команды «сбить шаг» по-аэродинамически. На рисунке 1 видны такие гасители колебаний, имеющие вид петушиных гребней. Отрыв потока с острых кромок будет происходить по-прежнему, но масштаб вихрей и фазы схода по длине балки будут различными, так что возмущения потока, созданные предыдущей по потоку балкой, будут достигать другой балки для разных ее участков неодновременно.

Но связь мостов с парашютами оказывается еще теснее: есть парашютисты-экстремалы, которые прыгают с мостов. К сожалению, бывают неудачные прыжки, когда в результате воздействия отрывных ветровых структур, возникающих при обтекании элементов моста, происходит деформация купола парашюта, парашют «складывается», теряет свои тормозящие свойства, т.е. - увы! - становится хорошообтекаемым телом.