Исследование защитных свойств протекторов для парапланерных подвесок.

Исследование защитных свойств протекторов для парапланерных подвесок.
(опыты в масштабе 1:1).


 Краткий обзор протекторов.
  Протекторы сейчас делятся на две основные группы-муссбэг и аирбэг. Раньше были еще жесткие усиленные спинки, от которых сейчас осталось только жесткое сиденье. Муссбэги могут быть разными, в зависимости от наполнителя и количества секций в оболочке. Есть еще редко встречающиеся надувные протекторы.
Достоинства муссбэгов: простота и дешевизна конструкции, хорошие защитные свойства при достаточной толщине. Недостатки муссбэгов: большой вес, и большой размер при паковке. Амортизирующие свойства зависят от конструкции, чем толще ткань оболочки и больше секций, тем лучше эти свойства при больших скоростях удара. От плотности наполнителя зависит поглощение удара на маленьких скоростях.
Достоинства аирбэгов: малый вес и размеры в сложенном состоянии, хорошая "встраиваемость" в подвеску и отличные защитные свойства в большинстве случаев. Недостатки аирбэгов: они срабатывают не всегда, причем заранее сказать когда произойдет отказ, невозможно, долго наполняются при старте. При полном запирании клапана вместо гашения возможно удвоение импульса. Аирбэги односекционные, как следствие, имеют некоторый свободный ход до начала работы, и поэтому большее сечение-что увеличивает лобовое сопротивление. Степень защиты аирбэга сильно зависит от характера рельефа, либо нужно предусматривать защитные пластины, увеличивающие вес.
Достоинства надувных протекторов: очень малый вес, и размеры в сдутом виде. Недостатки надувных протекторов-они либо аккумулируют удар как пружина, либо лопаются, и требуют принудительного наполнения.
В спортивных подвесках-коконах используются тонкие (10-12см) муссбэги, для уменьшения миделя и улучшения аэродинамики.
  Что такое защитные свойства протектора.
Потребность защитить пилота от травмы при воздействии ударной перегрузки возникла вместе с катапультными креслами. В итоге подробных исследований было выяснено, что вредность ударной перегрузки зависит не только от её величины, но и от времени действия и скорости нарастания. Были выработаны вполне определенные ограничения по перегрузкам при катапультировании.
  Условия безопасности литературы по катапультным креслам:
Допустимая перегрузка Nyдоп = 18 ед. при времени действия этой перегрузки не более 0,25 с и скорости нарастания не более 250 ед/с. (1). По другим данным, 20G не более 0,1 сек и скорость нарастания до 300 ед/с. (4).
  Условия безопасности по подробным исследованиям предельных перегрузок, выполненным для предотвращения производственного травматизма: Предельные безопасные перегрузки в направлении грудь-спина - 40 G при длительности не выше 0,005 сек, и 16 G при длительности не более 0,05 сек. Источник (2).



Диаграмма предельных безопасных перегрузок для шимпанзе, свиней и людей, в зависимости от длительности ударной перегрузки.



Диаграмма сравнения различных норм с данными исследований предельных перегрузок.

Известно также, что по импортной системе сертификации парапланерных подвесок допускается кратковременная пиковая перегрузка до 50g.
Важный параметр для оценки действия ударной перегрузки-скорость её нарастания. По опытам на добровольцах-испытателях (3), скорость нарастания перегрузки 500 G/сек оценивается как переносимая, а 1400 G/сек-как предельная, даже при меньшей абсолютной перегрузке (45.4 и 38 соотв-но).

  Задача:
выяснить, можно ли придумать легкий и хорошо пакуемый протектор для новой облегченной обтекаемой подвески XCool (от Sky Country), который сохранял бы все защитные свойства обычного муссбэга.
Для этого нужно сравнить хорошо себя показавший муссбэг от стандартной учебной подвески SCool с экспериментальными протекторами, по критериям максимальной перегрузки, времени действия высокой (травмоопасной) перегрузки, и скорости нарастания перегрузки.
  Измерения.
  Использовался сделанный в Харькове беспроводный 2-х осевой калиброванный обнуляемый акселерометр с памятью, установленный в фанерном контейнере по форме «седла» подвески с 4-мя ячейками для груза-мешков с песком. Акселерометр обнулялся в рабочем подвешенном положении, затем все подымалось кевларовым тросом через блок на нужную высоту, и отпускалось на бетонный пол. Показания считывались после каждого удара.  


Контейнер без груза. Акселерометр установлен вблизи центра масс, взаимно перпендикулярными осями в вертикальной (продольной) плоскости. При сравнении считалась только суммарная перегрузка.


Вес 45 кг был выбран исходя из среднего веса «нашего» пилота (70..75 кг) за вычетом веса рук и ног, которые не участвуют гашении удара протектором.
Высота сброса была выбрана во-первых из-за типичной скорости падения на спину (6-8 м/с), во-вторых, из-за наличия подходящего места, куда можно было укрепить блок. В пересчете на «буржуйский» вес 80 кг и высоту сброса 1,62 м, это соответствует «нашему» весу 65 кг. Что-при необходимости пересчета на импортную систему сертификации или для другого расчетного веса-может быть скомпенсировано соответствующим увеличением толщины протектора. В идеальном случае толщина протектора должна соответствовать весу пилота.   Каждый протектор для измерений устанавливался в подвеску SCool или аналогичную.   Графики представлены исходные, в том виде, как они были получены из акселерометра. Перегрузка на графиках отображена по двум взаимно перпендикулярным осям. Суммарная перегрузка-квадратный корень из суммы квадратов осевых перегрузок.


Подвеска, подготовленная к измерениям.




1. Протектор односекционный 17см муссбэг SC. Вес 1400 г.
Условия замера.
Подвес за штатные карабины. Пристежка штатными ремнями. Высота сброса (от нижней точки контейнера до земли) 2,4м, вес контейнера 45 кг. Соответствует скорости при ударе 6,9 м/с.


График перегрузки для обычного муссбэга SC.

  Анализ.
 Наибольшая суммарная перегрузка (по сумме двух осей X,Y) около 32 ед. Время действия большой перегрузки (>20ед.) 0,02 сек. Темп нарастания 1400 ед/сек. Общее время действия перегрузки 0,06 сек. Полка со времени 15,71 сек получается из-за полного обжатия поролона, дальше перегрузка растет слабо, вероятно из-за поглощения энергии удара песком внутри груза.  
Вывод.
Муссбэг работает, прочность материала оболочки достаточная. Относительно длительное дествие большой перегрузки и высокий темп нарастания. Нет данных по допустимому времени перегрузки 32 ед. Хорошо известные недостатки-большой вес и неудобная паковка.

  2. Протектор экспериментальный 17 см секционированый из легкого капрона с набивкой холофайбером. Вес 450 г.
Условия замера.
Подвес за штатные карабины. Пристежка штатными ремнями. Высота сброса (от нижней точки контейнера до земли) 2,4м, вес контейнера 45 кг. Соответствует скорости при ударе 6,9 м/с.


График перегрузки для легкой оболочки с набивкой холофайбером. При передаче данных сбилось нулевое значение шкалы, правильное значение-от горизонтальной части графиков.

  Анализ.
 Протектор лопнул. На графике соответствует очевидно провалу на времени 11,05 сек. И затем быстрому нарастанию перегрузки. Наибольшая суммарная перегрузка по 2-м осям 38 ед. Общее время действия перегрузки 0,055 сек. Темп нарастания 1330 ед/сек. Время действия большой перегрузки (>20ед.) 0,018 сек.  
Вывод.
Нужно использовать более прочную оболочку. Но даже при разрушении оболочки защитные свойства протектора сохраняются, на один раз..



  3. Протектор экспериментальный самонадувной* толщиной 20см, вариант 1. Вес 900 г., толстая непродуваемая ткань оболочки.
Оболочка содержит нескольких изолированных секций из непродуваемой ткани, с дренажными отверстиями. Смысл смягчения удара таким протектором-в передаче энергии от падающего груза к быстро выходящему через отверстия воздуху. Каждая секция способна поглощать удар отдельно, поэтому, в отличие от односекционного, при этом снижается вероятность "пробоя" защиты выступом рельефа и уменьшается "холостой ход" протектора, а значит и его потребная толщина (например, 14см секционированный протектор работает лучше, чем 17см односекционный). Дренажные отверстия позволяют точно настроить степень смягчения удара, по сравнению с пропусканием воздуха сквозь ткань и швы. При ударе скорость выхода воздуха ограничивается скоростью звука, поэтому, задавшись толщиной протектора, объемом секции и зная скорость удара, были посчитаны предварительные диаметры отверстий для каждой секции.


Вар.1 и 2.


Условия замера.
Подвес за штатные карабины. Пристежка штатными ремнями. Высота сброса (от нижней точки контейнера до земли) 2,4м вес контейнера 45 кг. Соответствует скорости при ударе 6,9 м/с.




График перегрузки для экспериментального самонадувного протектора вар.1.

  Анализ.
 Наибольшая суммарная перегрузка (по сумме двух осей X,Y) около 36 ед. Время действия большой перегрузки (>20ед.) 0,015 сек. Темп нарастания 900 ед/сек. (наименьший из всех измерений). Общее время действия перегрузки 0,068 сек (самое большее из всех измерений). Полка со времени 13,996 сек получается из-за полного обжатия протектора.  
Вывод.
Пиковая перегрузка немного больше чем у муссбэга. При этом время действия большой перегрузки ниже и темп нарастания меньше. Субъективно если сесть на пол с размаху на муссбэг, сотрясение очень неприятное. Если то же самое сделать на этот протектор, неприятного сотрясения нет т.к. в начале удара перегрузка нарастает плавно. Вес меньше муссбэга в ~2 раза, паковка меньше в 3-4 раза. Выявлены недостатки конструкции-неудобство пошива, дороговизна оболочки, также при использовании пенопленового наполнителя были трудности с восстановлением формы после смятия.

  4. Протектор экспериментальный самонадувной* толщиной 20см, вариант 2. Вес 900 г., толстая непродуваемая ткань оболочки.
Условия замера.
Для определения наилучшего соотношения диаметров дренажных отверстий к объему секций протектора отверстия в протекторе из предыдущего опыта были увеличены, площадь отверстий увеличилась в ~2,5 раза. Подвес за штатные карабины. Пристежка штатными ремнями. Высота сброса (от нижней точки контейнера до земли) 2,4м вес контейнера 45 кг. Соответствует скорости при ударе 6,9 м/с.




График перегрузки для экспериментального самонадувного протектора, вар.2.

 Анализ.
 Наибольшая суммарная перегрузка (по сумме двух осей X,Y) около 48 ед. Время действия большой перегрузки (>20ед.) 0,014 сек. Темп нарастания 2000 ед/сек. Общее время действия перегрузки 0,04 сек. (самое меньшее из всех измерений) Полка со времени 12,135 сек получается из-за полного обжатия протектора.  
Вывод.
Наибольшая перегрузка стала выше. Общее время действия перегрузки меньше. Это значит, что дренажные отверстия слишком большие.

Измерения, часть 2-я.

  5. Протектор самонадувной* SC толщиной 20см с усиленным каркасом (вар.3). Вес 650 г.


Вар.3 (прототип).


Условия замера.
Подвес за штатные карабины. Пристежка штатными ремнями. Высота сброса (от нижней точки контейнера до земли) 2,4м вес контейнера 45 кг. Соответствует скорости при ударе 6,9 м/с.


График перегрузки для самонадувного протектора SC, для дальнейшего подбора диаметров выпускных отверстий и материалов каркаса.

 Анализ.
 Наибольшая суммарная перегрузка (по сумме двух осей X,Y) около 32 ед. Время действия большой перегрузки (>20ед.) 0,017 сек. Темп нарастания 1380 ед/сек. Общее время действия перегрузки 0,059 сек.  
Вывод.
В целом работа немного лучше чем у обычного муссбэга SC. Темп нарастания перегрузки слишком высокий, что говорит о слишком маленьком диаметре выпускных отверстий.

  6. Протектор секционированный 14 см муссбэг Karpofly с облегченными поролоновыми вставками (вариант 4). Вес 650 г.


Варианты 3(от SC) и 4(снизу,KarpoFly).


Условия замера.
Подвес за штатные карабины. Пристежка штатными ремнями. Высота сброса (от нижней точки контейнера до земли) 2,4м вес контейнера 45 кг. Соответствует скорости при ударе 6,9 м/с.


График перегрузки для доработанного протектора Karpofly, для подбора конструкции и материала наполнителя.

 Анализ.
 Наибольшая суммарная перегрузка (по сумме двух осей X,Y) около 35 ед. Время действия большой перегрузки (>20ед.) 0,022 сек. Темп нарастания 1050 ед/сек. Общее время действия перегрузки 0,059 сек.  
Вывод.
При толщине 14 см скорость нарастания перегрузки ниже, чем у односекционного 20 см муссбэга, что субъективно важнее, чем величина перегрузки. Хорошо пакуется, мало весит. Наилучший вариант наполнителя секций по устойчивости к смятию.

  7. Протектор экспериментальный самонадувной* толщиной 17см, вариант 5. Вес 600г.


Вар. 5(легкий прототип с разрушенной секцией).


Условия замера.
Дренажные отверстия оптимального размера. Изолированные секции без наполнителя. Подвес за штатные карабины. Пристежка штатными ремнями. Высота сброса (от нижней точки контейнера до земли) 2,4м вес контейнера 45 кг. Соответствует скорости при ударе 6,9 м/с.


График перегрузки для экспериментального самонадувного протектора, вар.3, оптимизация диаметров выпускных отверстий, точный подбор материалов по прочности, уменьшение веса и объема паковки.

 Анализ.
 Наибольшая суммарная перегрузка (по сумме двух осей X,Y) около 30 ед. Время действия большой перегрузки (>20ед.) 0,019 сек. Темп нарастания 940 ед/сек. Общее время действия перегрузки 0,06 сек.  
Вывод.
Предварительно был сделан точно такой же протектор из легкой ткани, чтобы сэкономить 150 г веса: это привело к разрушению его при испытаниях. Следующий более прочный прототип весом 650г выдержал. Дальше, двойные перегородки с поролоновым наполнителем плохо восстанавливались после смятия, поэтому они стали однослойными, а наполнитель расположился внутри секций. Общий вес при этом уменьшился до 600г.   Перегрузка и темп нарастания перегрузки достаточно низкие, значит диаметры выпускных отверстий подобраны верно.

 8.Общие выводы.
Всего было испытано 7 протекторов различной конструкции.
  1.Обычный односекционный 20см муссбэг SC
  2.Протектор экспериментальный 17 см из легкого капрона с набивкой холофайбером.
  3.Протектор экспериментальный самонадувной толщиной 20см, "вариант 1".
  4.Протектор экспериментальный самонадувной толщиной 20см, "вариант 2".
  5.Протектор самонадувной SC 20см.
  6.Доработанный протектор секционированный муссбэг 14 см Karpofly.
  7.Протектор экспериментальный самонадувной* толщиной 17см, "вариант 5", 2014г.


  Испытания показали, что самонадувной протектор по наибольшей перегрузке равен муссбэгу, а по скорости нарастания перегрузки существенно (в полтора раза) лучше, то есть такой протектор безопаснее, чем обычный муссбэг.
При этом он по удобству паковки и весу равен аирбэгу, но в отличие от второго, срабатывает в любых условиях, лучше сопротивляется точечному воздействию ("пробою"), и сохраняет аэродинамику подвески за счет меньшей толщины. В контексте подвески с низким аэродинамическим сопротивлением (Sky Country XCool) это важное преимущество.
 Для наполнения протектора были испробованы -холофайбер; -поролон; -полые поролоновые вставки; -поролоновые перегородки; -пенопленовые перегородки.


Наполнитель-пенопленовые трубы.



Секции пустотелые. Перегородки-обшитый пеноплен.



Наполнитель-пенопленовые трубы. Перегородки-обшитый поролон.



Наполнитель-облегченный цельный поролон.



Наполнитель-облегченный наборный листовой поролон.



  В конце концов, сложилось устойчивое впечатление, что наилучшей конструкцией самонадувного протектора является воздухонепроницаемая оболочка, разделенная на изолированные секции, равномерно заполненные легким бесформенным пенистым материалом. Однако нужного по весу и упругости материала найти не удалось (холофайбер слишком тяжелый). Неплохо себя показали обшитые поролоновые перегородки и полые поролоновые секции (наилучшие по способности восстанавливать форму).
 Две попытки сделать протектор легче 600г привели к разрыву оболочки.
 Итогом дальнейших опытов в ноябре 2014г. с разными наполнителями для секций стал самый доступный для изготовления поролоновый наполнитель с вырезами-облегчениями.


Из нескольких вариантов для наполнения секций была выбрана наборная конструкция, с фигурными вставками из листового 40мм поролона.




Окончательный вариант протектора.



 * Конструкция:
 Протектор сделан из воздухонепроницаемой оболочки с молнией для доступа внутрь, разделенной на 5 секций глухими перегородками. Молния изнутри закрыта планкой для герметичности. В каждой секции (кроме самой маленькой) сделаны по 2 отверстия для выпуска-впуска воздуха, диаметром 10...15 мм, в зависимости от объема секции. Наибольшая толщина протектора 17см, вес 600г.


При необходимости протектор легко скручивается в ~16см рулон, после разворачивания форма полностью восстанавливается.


----------------------------------------------------------------------------------------
Этот протектор был разработан для облегченной подвески с улучшенной аэродинамикой (SC XCool).
Подвески, протекторы (п.п.1,2,5), а также акселерометр для испытаний, были предоставлены Sky Country. Протекторы п.п. 3,4,6,7, и все испытания, были сделаны в Краснодаре А.Угнивенко с помощью С.Кривошеи.

Литература:
1.МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЕРЕГРУЗОК «ГОЛОВА-ТАЗ» ПРИ КАТАПУЛЬТИРОВАНИИ НА БОЛЬШИХ СКОРОСТЯХ ПОЛЕТА. Шибанов В.Ю., М., 2011
2. Survivable Impact Forces on Human Body. Constrained by Full Body Harness. Harry Crawford.
3. Stapp J.P. Taylor E.R. Space cabin landing impact vector effects of human physiology. Aerospace Medicine. Dec. 1964.
4. РАЗВИТИЕ АВИАЦИОННЫХ СРЕДСТВ СПАСЕНИЯ, А.Г.Агроник, Л.И.Эгенбург, М.,1990


    ---------------------------------------------------------------------------------------

  • parakub.d-n-t.ru
  • Удачных полетов!
    Вопросы и предложения