PL233479B1 - Sposób zmniejszania prędkości opadania obiektu zrzucanego na spadochronie i urządzenie do zmniejszania prędkości obiektu zrzucanego na spadochronie - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zmniejszania prędkości opadania obiektu zrzucanego na spadochronie i urządzenie do zmniejszania prędkości opadania obiektu zrzucanego na spadochronie.

Ważnym problemem w technice spadochronowej jest poprawa bezpieczeństwa lądowania zrzucanych obiektów. Bezpieczeństwo lądowania zależy w przeważającym stopniu od końcowej prędkości opadania. Spadochrony opadają w powietrzu ze stałą prędkością wtedy gdy następuje zrównanie sił grawitacji z siłami oporu aerodynamicznego. Ładunki o większej masie wymagają spadochronu o większym oporze aerodynamicznym. Powiększanie oporu aerodynamicznego wiąże się ze wzrostem powierzchni czaszy spadochronu. Powiększenie czaszy spadochronu ma jednak ograniczenia techniczne.

Z opisu patentowego PL 221 179 znane jest urządzenie do miękkiego lądowania na spadochronie składające się z uprzęży skoczka spadochronowego zbudowanej z taśmy wykonanej z mocnej tkaniny i wyposażonej w pary uchwytów uprzęży oraz pary uchwytów uprzęży, przy czym obie pary uchwytów uprzęży są połączone z zapięciami skupiającymi linki czaszy spadochronu. Po obu bokach taśmy uprzęży są umieszczone walcowe siłownikowe głowice, przy czym każda siłownikowa głowica jest zbudowana z dolnego zewnętrznego cylindra i górnego wewnętrznego cylindra osadzonego suwliwie we wnętrzu dolnego zewnętrznego cylindra, który zawiera chwytową talerzową zaślepkę zaopatrzoną w półkolisty dolny uchwyt. Górny wewnętrzny cylinder ma talerzową zaślepkę zaopatrzoną w półkolisty górny uchwyt, podczas gdy w wewnętrznej przestrzeni walcowej siłownikowej głowicy, między talerzowymi zaślepkami są rozpięte, korzystnie po wewnętrznym obwodzie, doświadczalnie dobrane co do ilości i średnicy, gumowe cięgna, które są zamocowane obustronnie w talerzowych zaślepkach. W wewnętrznej części środkowej siłownikowej głowicy jest swobodnie rozwieszona ograniczająca lina o wysokiej wytrzymałości, zaś z boku zewnętrznego cylindra jest usytuowana obudowa mechanizmu spustowego. Energia powstająca na skutek otwierania się czaszy spadochronu jest kumulowana w siłownikowych głowicach wywołując rozciąganie gumowych cięgien. Jest to faza zmagazynowania energii, która następnie zostaje oddana tuż nad ziemią po wciśnięcie przez skoczka spustowej dźwigni i nagłe wsunięcie się cylindra wewnętrznego do środka cylindra zewnętrznego.

Celem wynalazku jest poprawa bezpieczeństwa obiektów zrzucanych na spadochronach oraz wprowadzenie możliwości zmniejszania czaszy spadochronu potrzebnej do zrzucania obiektu o tej samej masie z zapewnieniem tego samego poziomu bezpieczeństwa.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że przy zbliżaniu się zrzucanego obiektu do ziemi wytwarza się dwie przeciwnie skierowane siły - na linki spadochronu siłę skierowaną w dół, natomiast na zrzucany obiekt - siłę skierowaną do góry, tak by uzyskać chwilową prędkość opadania spadochronu bliską zeru a chwilową prędkość zrzucanego obiektu równą zeru lub skierowaną przeciwnie do kierunku opadania, przy czym przebieg czasowy generowanych sił jest zbliżony do skokowego a wartości generowanych sił są proporcjonalne do masy zrzucanego obiektu.

Poprzez wywołanie siły hamującej działającej na zrzucany obiekt można nadać mu przyspieszenie i prędkość zgodną z kierunkiem działania tej siły czyli do góry.

Istota urządzenia według wynalazku polega na tym, że układ hamowania zawiera komorę ograniczoną tłokami, w której następuje pirotechniczny wybuch ładunku lub rozprężenie gazu, przy czym komora usytuowana jest pomiędzy dwoma przeciwbieżnymi tłokami, umieszczonymi przesuwnie w korpusie, wyposażonymi na swoich końcach w przemieszczające się wraz z nimi pośrednie cięgnowe kółka prowadzące cięgno przez wyjściowe cięgnowe kółko do połączenia z linkami spadochronu.

Komora jest zaopatrzona w wybuchowy ładunek a urządzenie zawiera wyzwalacz, który stanowi zapalnik materiału wybuchowego.

Opcjonalnie urządzenie może być zaopatrzone w zbiornik z gazem pod wysokim ciśnieniem, który w momencie uruchomienia urządzenia przepływa do komory i rozprężając się wywiera siły na tłoki.

W położeniu przygotowania do pracy urządzenie może mieć oś symetrii usytuowaną poziomo lub pionowo.

Przedstawiane urządzenie hamujące umożliwia chwilowe zmniejszenie do zera prędkości opadania obiektu zrzucanego na spadochronie a nawet nadanie mu chwilowo prędkości ku górze to znaczy w kierunku przeciwnym do kierunku opadania.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość zabezpieczenia przed uszkodzeniem obiektów zrzucanych na spadochronach poprzez obniżanie ich prędkości w czasie opadania, a w szczególności obniżanie tej prędkości bezpośrednio przed zetknięciem się z podłożem na które opadają.

PL 233 479 B1

Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest na rysunkach, na których poszczególne figury przedstawiają:

Fig. 1 - urządzenie do zmniejszania prędkości opadania pokazane w przekroju wzdłuż osi w położeniu przygotowanym do zadziałania,

Fig. 2 - urządzenie do zmniejszania prędkości opadania pokazane w przekroju wzdłuż osi w położeniu po zadziałaniu,

Fig. 3 - układ sił podczas opadania spadochronu ze zrzucanym obiektem przed zadziałaniem urządzenia hamującego,

Fig. 4 - układ sił podczas opadania spadochronu ze zrzucanym obiektem po zadziałaniu urządzenia hamującego.

Urządzenie hamujące UH według niniejszego wynalazku jest połączone mechanicznie ze zrzucanym obiektem ZO i ze spadochronem SP.

Konstrukcję urządzenia według wynalazku pokazano schematycznie na fig. 1. Przedstawiono t am przekrój urządzenia wykonany płaszczyzną przechodzącą przez jego oś. W cylindrycznym korpusie 1 urządzenia usytuowane są przesuwnie wzdłuż jego osi dwa cylindryczne symetrycznie rozmieszczone tłoczyska 2. Cylindryczne tłoczyska 2 z jednej strony zakończone są tłokami 3 ograniczającymi komorę

4. Z drugiej swojej strony cylindryczne tłoczyska 2 zaopatrzone są w kołnierze z zamocowanymi do nich uchwytami 5.

W uchwytach 5 osadzone są osie pośrednich cięgnowych kółek 6 przemieszczających się liniowo wraz z tłoczyskami 2 i prowadzących cięgno 7. Cięgno może mieć postać linki. Do korpusu 1 zamocowany jest wspornik 8, w którym znajduje się oś wyjściowego cięgnowego kółka 9. Cięgno 7 zamocowane jest jednym końcem do korpusu 1 za pomocą zacisku 10. Drugim końcem cięgno 7, po przejściu przez cięgnowe kółka 6 i 9, połączone jest z linkami 11 spadochronu SP.

W przedstawionej na fig. 1 wersji urządzenia w komorze 4 pomiędzy tłokami 3 usytuowany jest pirotechniczny wybuchowy ładunek 12. W korpusie 1 w pobliżu komory 4 umieszczony jest zdalnie sterowany zapalnik 13 do uruchamiania wybuchowego ładunku 12. Urządzenie wyposażone jest ponadto w czujnik 14 określający odległość od podłoża obiektu opadającego na spadochronie. Do mocowania urządzenia hamującego UH do zrzucanego obiektu ZO służą zaczepy 15.

Układ elementów urządzenia hamującego UH przygotowanego do pracy pokazany jest na fig. 1. Oś symetrii pokrywająca się z osiami cylindrycznych tłoczysk 2 przygotowanego do pracy urządzenia usytuowana jest poziomo, to znaczy prostopadle do kierunku siły grawitacji i tym samym do kierunku opadania spadochronu SP. Pośrednim zadaniem urządzenia hamującego jest wytworzenie dwóch przeciwnie skierowanych sił o zwrocie od geometrycznego środka tego urządzenia. Siły muszą mieć przebieg czasowy maksymalnie zbliżony kształtem do skokowego. Wywołanie sił następuje pod wpływem odpalenia wybuchowego ładunku 12 umieszczonego w komorze 4 w przestrzeni pomiędzy tłokami 3. Pod wpływem wybuchu w komorze 4 następuje przeciwbieżne przemieszczenie w korpusie 1 tłoków 3 a wraz z nimi cięgnowych kółek 6. Na skutek gwałtownego przesunięcia tłoków 3, na cięgno 7 działa siła o przebiegu zbliżonym do skokowego w kierunku opadania spadochronu. Natomiast na zrzucany obiekt ZO działa siła o tej samej wartości lecz przeciwnie skierowana. Układ elementów konstrukcyjnych urządzenia po wykonaniu pracy pokazany jest na fig. 2.

Urządzenie będzie analogicznie działać w przypadku zastąpienia energii od materiału wybuchowego energią ciśnienia gazu sprężonego w odpowiednim pojemniku i uwalnianą do komory roboczej 4 w momencie uruchomienia urządzenia hamującego.

Schemat ideowy układu wszystkich elementów: spadochron SP - urządzenie hamujące UH - zrzucany obiekt ZO - pokazany jest na fig. 3. Zaznaczono tam kierunki działania sił przy opadaniu spadochronu przed zadziałaniem urządzenia hamującego oraz kinematyczne następstwa działania tych sił na zrzucany obiekt i na spadochron.

Zasada działania urządzenia hamującego jest następująca. W stanie ustalonym procesu opadania spadochronu wraz z umocowanym do niego obiektem prędkość opadania obydwóch tych elementów jest jednakowa i stała. Siła oporu aerodynamicznego czaszy spadochronu jest zrównoważona przez siłę grawitacji G działającą na masę m zrzucanego obiektu i masę samego spadochronu. Siła pochodząca od oporu aerodynamicznego każdego poruszającego się w powietrzu obiektu, analogicznie jak przy poruszaniu się w każdym płynie, zależy od kształtu i wielkości obiektu a dokładniej od powierzchni rzutu tego obiektu na płaszczyznę prostopadłą do kierunku ruchu obiektu. Z tego powodu czasza spadochronu musi mieć odpowiedni kształt a powierzchnia spadochronu, określona w sposób powyżej opisany, musi być o wiele większa od spadającego na spadochronie obiektu.

PL 233 479 B1

Wielkość siły oporu aerodynamicznego każdego obiektu fizycznego można w szerokim zakresie kształtować zmieniając prędkość poruszania się obiektu w powietrzu oraz zmieniając jego kształt. Im gwałtowniejsze ruchy wykonuje obiekt w powietrzu tym większe siły oporu aerodynamicznego musi on pokonywać. Przy skokowym, możliwym tylko teoretycznie, ruchu obiektu w powietrzu, siły oporu aerodynamicznego rosną do nieskończoności a ośrodek płynny, w tym przypadku powietrze, przyjmuje właściwości mechaniczne ciała stałego.

Urządzenie hamujące w momencie zadziałania powoduje wygenerowanie dwóch równych sobie przeciwnie skierowanych sił F w układzie pokazanym na fig. 4. Jedna z tych sił F1 działa na spadochron. Siła ta skierowana jest w dół w kierunku ruchu spadochronu. Natomiast na przyłączony do spadochronu za pośrednictwem urządzenia hamującego obiekt zrzucany o masie m - działa siła F2 równa co do wielkości sile F1 skierowanej na spadochron ale przeciwnie skierowana do kierunku opadania zrzucanego obiektu.

Pomiędzy siłą oporu aerodynamicznego spadochronu a siłą oporu aerodynamicznego zrzucanego obiektu występuje różnica kilku rzędów wielkości (za wynoszącą jeden rząd wielkości przyjmuje się różnicę dziesięciokrotną). Jeżeli siły wytworzone przez urządzenie hamujące mają przebieg zbliżony do skokowego, siła hamująca R działająca na obiekt zrzucany nada mu przyspieszenie i prędkość zgodną z kierunkiem działania tej siły czyli do góry. Pozwala na to mała siła oporu aerodynamicznego zrzucanego obiektu wynikająca z jego małej powierzchni, w pewnym stopniu również z kształtu, który nie jest dobierany tak by miał duży opór aerodynamiczny.

Taka sama co do wartości siła jak ta która nadała przyspieszenie do góry spadającemu obiektowi, zmieniająca się skokowo, działając na spadochron spowoduje gwałtowny i ogromny wzrost i tak dużej siły oporu aerodynamicznego spadochronu. W następstwie działania na spadochron tej skokowo pojawiającej się siły pochodzącej od urządzenia hamującego praktycznie nie uzyska on znaczącej wartości przyspieszenia ani prędkości skierowanej zgodnie z kierunkiem działania tej siły. Przeciwdziała temu gwałtowny wzrost siły oporu aerodynamicznego. Spadochron zatrzyma się na chwilę w powietrzu prawie nieruchomo. Uniesiony do góry spadający na spadochronie obiekt siłą R pochodzącą od urządzenia hamującego przestaje chwilowo naciągać linki spadochronu. Spadochron zawiśnie w powietrzu tak jakby nie był obciążony zrzucanym za jego pośrednictwem obiektem. Linki spadochronu stracą w tym momencie naprężenie a powierzchnia spadochronu na chwilę pofałduje się i zafaluje w powietrzu.

Dwie identyczne co do wartości ale przeciwnie skierowane siły wygenerowane przez urządzenie hamujące powodują bardzo odmienną kinematykę ruchu dwóch elementów układu na które zadziałały to znaczy spadochronu i zrzucanego na spadochronie obiektu.

Należy podkreślić, że czas trwania opisanego zjawiska jest rzędu milisekund. Gdy urządzenie hamujące przestaje działać proces opadania zrzucanego obiektu powraca do stanu jaki był przed zadziałaniem urządzenia hamującego. Wynika z tego, że gdy zakłada się obniżenie prędkości opadania zrzucanego obiektu bezpośrednio przed zetknięciem się z podłożem, moment uruchomienia urządzenia hamującego musi być bardzo precyzyjnie dobrany pod względem odległości od podłoża na które obiekt spada.

Oprócz ostrych wymagań dotyczących charakterystyki czasowej przebiegu sił generowanych przez urządzenie hamujące (przebieg skokowy), istnieją również wymagania dotyczące wartości tych sił. Siła przyłożona do zrzucanego obiektu musi mu nadać przyspieszenie umożliwiające pokonanie na czas działania urządzenia hamującego siły grawitacji G działającej na zrzucany obiekt. Tym samym ta siła musi być proporcjonalna do masy m zrzucanego obiektu. Równocześnie, taka sama co do wartości siła działająca na spadochron musi mieć na tyle dużą wartość by zapewnić indukowanie przez spadochron tak dużego oporu aerodynamicznego by spadochron mógł na czas pracy urządzenia hamującego prawie zatrzymać się w powietrzu. W przypadku zrzucania na spadochronie obiektów o bardzo dużej masie istnieje możliwość zastosowania kilku tego typu urządzeń pracujących równolegle.

Warto zwrócić uwagę że współdziałanie układu trzech elementów układu: spadochron - urządzenie hamujące - zrzucany ładunek - nie narusza zasady mechaniki według której siły wewnętrzne układu nie mogą zmieniać ruchu środka masy. W tym przypadku do sił wewnętrznych generowanych przez urządzenie hamujące dołączają się siły zewnętrzne oporów aerodynamicznych i ten zespół sił kształtuje ruch wszystkich elementów układu.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób zmniejszania prędkości opadania obiektu zrzucanego na spadochronie polegający generowaniu dwóch przeciwnie skierowanych sił kształtujących sposób poruszania się spadochronu i zrzucanego obiektu na torze opadania, znamienny tym, że przy zbliżaniu się zrzucanego obiektu (ZO) do ziemi wytwarza się dwie przeciwnie skierowane siły (F) - na linki spadochronu (SP) siłę (F1) skierowaną w dół, natomiast na zrzucany obiekt - siłę (F2) skierowaną do góry, tak by uzyskać chwilową prędkość opadania spadochronu bliską zeru a chwilową prędkość zrzucanego obiektu równą zeru lub skierowaną przeciwnie do kierunku opadania, przy czym przebieg czasowy generowanych sił jest zbliżony do skokowego a wartości generowanych sił są proporcjonalne do masy (m) zrzucanego obiektu.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że poprzez wywołanie siły hamującej (R) działającej na zrzucany obiekt (ZO) nadaje się mu przyspieszenie i prędkość zgodną z kierunkiem działania tej siły czyli do góry.
3. 3. Urządzenie do zmniejszania prędkości opadania obiektu zrzucanego na spadochronie, zawierające układ do wytwarzania dwóch przeciwnie skierowanych sił, znamienne tym, że układ hamowania (UH) zawiera komorę (4) ograniczoną tłokami (3), w której następuje pirotechniczny wybuch ładunku lub rozprężenie gazu, przy czym komora (4) usytuowana jest pomiędzy dwoma przeciwbieżnymi tłokami (3), umieszczonymi przesuwnie w korpusie (1), wyposażonymi na swoich końcach w przemieszczające się wraz z nimi pośrednie cięgnowe kółka (5) prowadzące cięgno (7) przez wyjściowe cięgnowe kółko (9) do połączenia z linkami spadochronu (11).
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że komora (4) jest zaopatrzona w wybuchowy ładunek (12) a urządzenie zawiera wyzwalacz (13), który stanowi zapalnik materiału wybuchowego.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że urządzenie jest zaopatrzone w zbiornik z gazem pod wysokim ciśnieniem, który w momencie uruchomienia urządzenia przepływa do komory (4) i rozprężając się wywiera siły na tłoki (3).
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w położeniu przygotowania do pracy ma oś symetrii usytuowaną poziomo.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w położeniu przygotowania do pracy ma oś symetrii usytuowaną pionowo.