ПАРАШЮТНЫЙ ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ПРЫЖКАМ НА ВОДУ
PARACHUTE SIMULATOR TO PREPARE FOR WATER JUMPS

Изобретение относится к учебно-тренировочным средствам (УТС) по подготовке экипажей самолетов и вертолетов к использованию спасательных парашютов при особых (аварийных и катастрофических) ситуациях, которые в силу различных причин могут возникнуть при полетах над поверхностью различных акваторий, в том числе, над штормовым морем. В ресурсах Internet данные УТС принято называть Lifting System Clients (LSC).
Известна парашютная вышка, применяемая в учебных подразделениях ВДВ для отработки всех элементов прыжка с парашютом, начиная с отделения десантника-парашютиста от летательного аппарата и кончая приземлением (см. Ситников И.В., Газин В.Н. Воздушно-десантная подготовка. Часть 1. Парашютно-десантные средства, их подготовка и десантирование личного состава. Учебник. М.: Издательство «Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище имени генерала армии В.Ф. Маргелова», 2005. - 528 с.)
Парашютная вышка состоит из башни высотой 25,0 м, рабочей площадки, купола парашюта с металлическим кругом, подвесной системы и несущего троса. На рабочей площадке имеются несколько дверей для отделения при различном направлении ветра, конус для определения направления ветра. Консоль парашютной вышки имеет возможность поворачиваться на 360°. Через блоки консоли пропускается несущий трос, закрепленный одним концом за вершину купола парашюта, а другим за противовес. Перед выполнением прыжка с вышки десантник надевает подвесную систему парашюта. Отделившись по команде руководителя занятия от рабочей площадки, парашютист спускается на землю со скоростью 4,0-5,0 м/с.
В случае установки парашютной вышки в зоне досягаемости поворотной консоли к водоему (озеро, открытый бассейн и т.п.), она может быть использована, помимо отработки прыжков на грунт, и для подготовки к прыжкам на воду. Основными недостатками данного технического решения являются большие габариты парашютной вышки, исключающие возможность ее использования в закрытых помещениях (то есть, независимо от времени года и погодных условий), а также необходимость (для ограничения скорости спуска на воду) использования полноразмерного купола парашюта, затрудняющего эксплуатацию тренажера (парашютной вышки) в помещениях с бассейном небольших размеров.
Также известен тренажер парашютиста, созданный компанией «Центр научно-технических услуг «Динамика» в кооперации с ООО «Константа-Дизайн» (см. Web-публикацию: «Тренажер парашютиста», http://www.dinamika-avia.ru/product/classifier/detail.php?id=546), состоящий из рабочего места обучаемого, который включает несущий каркас с подвесной системой парашюта управляемого типа; пульта инструктора; комплекса программно-технических средств виртуальной реальности, генерирующего изображение внешней визуальной обстановки и сопровождающие акустические шумы соответственно в очках и наушниках шлема виртуальной реальности на обучаемом. Тренажер обеспечивает предпрыжковую подготовку, а также предоставляет обучаемому возможность в полной мере «насладиться» ощущением управляемого свободного падения под куполом парашюта.
Известна система моделирования для приобретения навыков парашютирования (Европейская патентная публикация № TW 201504112 от 01.02.2015 SIMULATION SYSTEM FOR PARACHUTE EXPERIENCE, Int. Cl: A63G 31/00, B64D 23/00, Applicant: UNIV SOUTHERN TAIWAN SCI & TEC [TW]), включающая стартовую площадку, подвесную систему парашюта управляемого типа, два видеопроектора и два отражательных экрана, в зоне видимости которых обучаемый выполняет виртуальный «спуск» на парашюте.
Общим недостатком технических решений, используемых в «Тренажере парашютиста» компании «Центр научно-технических услуг «Динамика» и ООО «Константа-Дизайн» и в патентном документе TW 201504112 фирмы «UNIV SOUTHERN TAIWAN SCI & ТЕС», является отсутствие возможности: получения обучаемым тактильный ощущений для ног (при необходимости, и для других частей тела) при приземлении на синтезированном участке земной поверхности, а также предоставления обучаемым комплекса внешних воздействий и ощущений реальной водной стихии.
Известен способ и посадочная система для парашютной подготовки, основанная на физическом моделирования местности (Международная патентная публикация № CN 106218900 от 14.12.2016 KIND OF BASED ON REAL TERRAIN SIMULATION OF PARACHUTE LANDING TRAINING SYSTEM AND METHOD, Int. Cl: B64D 23/00, Заявитель: Академия ВДВ Национальной Освободительной Армии Китая [CN]), состоящая из платформы с вентилятором, который создает воздушный поток, направленный вертикально вверх; несущих колон с горизонтальными направляющими, по которым перемещается механизм с подвесной системой парашюта управляемого типа, обеспечивающий как поворот вокруг вертикальной оси, так и снижение (приземление) подвесной системы парашюта с обучаемым; комплекс программно-технических средств виртуальной реальности, реализующий функционирование шлема виртуальной реальности на обучаемом, а также физический участок земной поверхностью с изменяемым рельефом, на который (в конечном итоге) приземляется обучаемый.
Основным недостатком данного способа и посадочной системы для парашютной подготовки является отсутствие возможности после «полета» над виртуальной подстилающей поверхностью (в качестве которой, в общем случае, может быть использована не только земная, но и водная поверхность) реального приводнения обучаемого со шлемом виртуальной реальности, например, на воду в бассейне, что не обеспечивает получение полного набора необходимых практических навыков (на конечном этапе тренировки) как при подготовке к приводнению с парашютом, так и к непосредственным действиям в воде.
Известен водный парашют и оборудование, обеспечивающее его функционирование (Патент США № 3987746 от 26.10.1976 PARASAIL LAUNCHING AND RETRIEVING APPARATUS, Int. Cl: B64D 23/00, B63B 21/56, Applicant: Sun Sports Corporation of America [US]), состоящие из реального парашюта; быстроходного катера, который при разгоне по водной акватории, поднимает на тросе из воды в воздух парашют с обучаемым, закрепленным в его подвесной системе.
Данное техническое решение нашло широкое применение в водноспортивных аттракционах и позволяет (при использовании в качестве тренажера) приобрести большинство необходимых практических навыков по подготовке обучаемых к приводнению с парашютом, например, по отработке до автоматизма операций по освобождению от подвесной системы парашюта уже при касании воды ногами (а не после погашения купола парашюта, как предусмотрено при приземлении) и по непосредственным действиям в воде (выныривание на поверхность воды, использование спасательной лодки и т.п.). Однако, патент США № 3987746 обладает рядом недостатков, к которым следует отнести: высокую стоимость эксплуатации катера, а также ограничения, накладываемые на возможность тренировок в холодное время года и при плохой погоде.
Известен тренажер свободного падения (Патент Великобритании № 2319232 от 20.05.1998 FREE FALL SIMULATOR, Int. Cl: B64D 23/00, Applicant: Bendall Gordon Warwick [GB]), включающий прыжковую вышку с трапом, сочлененную с Г-образной несущей конструкцией, сваренной из металлических труб, у которой в горизонтальной консоли встроены два блока; трос, средняя часть которого пропущена через эти оба блока, причем, один конец прикреплен к подвесной системе парашюта, а другой - к противовесу, свободно перемещающему внутри направляющей трубы-вертикальной стойки Г-образной несущей конструкции.
Основным недостатком данного технического решения является возможность произвольного вращения обучаемого в подвесной системе парашюта на одиночном тросе (несколько снижающая безопасность тренировок) в процессе приземления.
Наиболее близким по исполнению аналогом (по совокупности существенных признаков и связей между ними), принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является парашютный тренажер, представленный на двух Web-страницах сайта «FISHKI.NET» (http://fishki.net/), а именно, первая страница: Комментарий автора под ником «doc» к посту: «Сказ о том, как я прыгала с парашютом», автор: Наталья Базинова 29 января 2016 года в 21:04, http://fishki.net/1830872-skaz-o-tom-kak-ja-prygala-s-parashjutom.html) и вторая страница: Изображение парашютного тренажера, http://s.fishki.net/upload/users/2016/01/29/687061/b26cb4cff940534d649cel7730e60563.jpg (см. Фиг. 1 заявляемого изобретения), включающий первую трехуровневую прыжковую вышку, оснащенную трапом, с тремя ямами, заполненными (для повышения безопасности при приземлении обучаемых) песком; вторую трехуровневую прыжковую вышку, оснащенную трапом, с общей грунтовой площадкой для приземления обучаемых; П-образную несущую конструкцию с тремя идентичными блочно-тросовыми механизмами, в каждом из которых средняя часть первого троса пропущена через правую пару блоков, а средняя часть второго троса пропущена через левую пару блоков, закрепленных под горизонтальной перекладиной П-образной несущей конструкции, причем, один конец первого троса прикреплен к пряжкам-полукольцам правой пары свободных концов подвесной системы парашюта, а другой - к первому противовесу, свободно перемещающему внутри первой направляющей трубы, закрепленной на правой вертикальной стойке П-образной несущей конструкции; один конец второго троса прикреплен к пряжкам-полукольцам левой пары свободных концов этой же подвесной системы парашюта, а другой - ко второму противовесу, свободно перемещающему внутри второй направляющей трубы, закрепленной на левой вертикальной стойке П-образной несущей конструкции.
К недостаткам данного парашютного тренажера можно отнести отсутствие возможности:
- приобретения обучаемыми практических навыков при подготовке к приводнению с парашютом и к непосредственным действиям в воде;
- создания условий тренировок, максимально приближенных к реальным (например, морское волнение и сопутствующий ветер).
Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей парашютного тренажера и повышение безопасности тренировок.
Поставленная цель достигается тем, что в парашютный тренажер для подготовки к прыжкам на воду, содержащий прыжковую вышку, оснащенную трапом; блочно-тросовый механизм, в котором средняя часть первого троса пропущена через правую пару блоков, а средняя часть второго троса пропущена через левую пару блоков; причем, один конец первого троса прикреплен к пряжкам-полукольцам правой пары свободных концов подвесной системы парашюта, а другой - к первому противовесу, свободно перемещающемуся внутри первой направляющей трубы; один конец второго троса прикреплен к пряжкам-полукольцам левой пары свободных концов этой же подвесной системы парашюта, а другой - ко второму противовесу, свободно перемещающемуся внутри второй направляющей трубы, введены бассейн с волногенератором и спасательной лодкой, ветрогенераторы на бортике бассейна, правая и левая идентичные Г-образные несущие конструкции, состоящие из вертикальных стоек с горизонтальными консолями; при этом, правая и левая пара блоков блочно-тросового механизма закреплены под горизонтальными консолями соответственно правой и левой Г-образной несущей конструкции, а первая и вторая направляющие трубы - на вертикальных стойках соответственно правой и левой Г-образных несущих конструкций; в нижней части первой и второй направляющих труб установлены демпфирующие устройства.
Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом парашютном тренажере для максимального приближения условий тренировок к реальным, в его состав введены бассейн с волногенератором, имитирующим морское волнение, и спасательной лодкой, а на бортике бассейна установлены ветрогенераторы, создающий сопутствующий ветер необходимой силы.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
На Фиг. 1 представлено изображение прототипа.
На Фиг. 2 представлено изображение предлагаемого парашютного тренажера для подготовки к прыжкам на воду.
На Фиг. 3 представлено изображение фрагмента блочно-тросовой системы с подвесной системой парашюта (с обучаемым) предлагаемого парашютного тренажера.
На Фиг. 4 приведен рисунок, поясняющий аналитический метод расчета.
В Приложении к описанию изобретения приведены Рисунки 1 и 2.
На Рисунке 1 представлено фото волногенератора в бассейне.
На Рисунке 2 представлено фото ветрогенераторов на бортике бассейна.
Согласно Фиг. 2 и 3 парашютный тренажер для подготовки к прыжкам на воду содержит прыжковую вышку с трапом 1; правую и левую идентичные Г-образные несущие конструкции, состоящие из правой 2 и левой 3 вертикальных стоек с правой 4 и левой 5 горизонтальными консолями; подвесную систему парашюта (с обучаемым) 6; блочно-тросовый механизм, состоящий из первого 7 и второго 8 троса, правой 9 и левой 10 пары блоков, которые закреплены под правой 4 и левой 5 горизонтальными консолями Г-образной несущей конструкции; первый 11 и второй 12 противовесы, свободно перемещающиеся внутри первой 13 и второй 14 направляющих труб, которые закреплены соответственно на правой 2 и левой 3 вертикальных стойках Г-образных несущих конструкций; первое 15 и второе 16 демпфирующие устройства, установленные в нижней части первой 13 и второй 14 направляющих труб; ветрогенераторы 17 на бортике бассейна 18; бассейн 19 с волногенератором 20 и спасательной лодкой 21.
Средние части первого 7 и второго 8 тросов пропущены через правую 9 и левую 10 пару блоков, причем, один из концов первого 7 и второго 8 троса прикреплен соответственно к пряжкам-полукольцам правой и левой пары свободных концов подвесной системы парашюта (с обучаемым) 6, а другой - к первому 11 и второму 12 противовесу.
В тренажере используется подвесная система от спасательного парашюта (например, от спасательных парашютов типа С-3-3, С-4, С-4У, С-5К, ПН-58 серия 3 и т.п.), которую, при необходимости подготовки экипажей различных летательных аппаратов, можно будет оперативно заменять.
В качестве первого 11 и второго 12 противовесов используются идентичные металлические цилиндры, значение масс которых может быть определено расчетно-экспериментальным методом. Причем, минимальная сила, создаваемая суммарной массой двух противовесов 11 и 12 должна обеспечивать уверенное извлечение из воды намокшей подвесной системы парашюта (естественно, после того, как от нее освободится обучаемый), а максимальная сила - не должна превышать силу тяжести, соответствующую массе обучаемого в штатной экипировке и с подвесной системой парашюта. Для удобства эксплуатации конструкция противовесов выполнена сборно-разборной и позволяет изменять их массу в определенных пределах.
Для гашения энергии удара противовесов о пол помещения (бортик бассейна) на конечной точке подъема из воды подвесной системы парашюта, в нижней части направляющих труб установлены демпфирующие устройства 15 и 16 (например, пакет круглых пластин из пористой резины, гидравлический амортизатор, стальная пружина с поршнем и т.п.).
В качестве волногенератора 20 в тренажере используется, например, устройство генерации волнения водной поверхности типа «Волновой шар» компания «WAVEIT WOW COMPANY» (Бельгия) - см. Рисунок 1 в Приложении к описанию изобретения. Роль спасательной лодки 21 выполняет, например, одноместная малая авиационная спасательная лодка типа МЛАС-1 или одноместный надувной спасательный плот типа ПСН-1.
В качестве ветрогенераторов 17 в тренажере используются мощные вентиляторы с аэродинамическими направляющими - см. Рисунок 2 в Приложении к описанию изобретения.
Предлагаемый парашютный тренажер используется по прямому назначению следующим образом.
К тренировкам на тренажере допускаются лица, умеющие плавать, прошедшие теоретическую подготовку по порядку приводнения на парашюте и изучившие правила использования, применяемых при прыжках с парашютом на воду, спасательных средств. Кроме этого, прыжкам на воду в парашютном тренажере должна предшествовать тренировка в плавании в той штатной экипировке (включая спасательные жилеты, например, типа АСЖ-58), в которой будет совершаться прыжки, а также тренировка по залезанию в спасательную лодку через ее борт.
Перед началом тренировки в исходном положении, подвесная система парашюта вывешена ориентировочно на высоте 0,5-0,7 м над площадкой прыжковой вышки. Инструктор тренажера, находящийся на прыжковой вышке, дает команду обучаемому подняться на нее по трапу и помогает ему зафиксироваться в подвесной системе парашюта. После команды инструктора «Пошел», обучаемый, отталкиваясь одной ногой от края площадки прыжковой вышки, прыгает в бассейн с водой (Фиг. 2).
Далее, в полете обучаемый должен заправить глубже под бедра круговую лямку подвесной системы парашюта и удобнее сесть на нее, раскрыть замки и освободить ножные обхваты и грудную перемычку, схватиться руками за свободные концы подвесной системы (Фиг. 3) и сделать глубокий вдох, а перед приводнением (при касании воды ногами) - выпрямить туловище, отпустить свободные концы подвесной системы и «выскользнуть» из подвесной системы. Как только обучаемый вынырнет на поверхность воды, он должен подплыть к спасательной лодке и залезть в нее.
После того, как обучаемый «выскользнет» в воздухе из подвесной системы (или, «несколько запоздав», освободится от нее уже в воде), подвесная система парашюта, под действием суммарной силы, создаваемой двумя противовесами, возвращается в исходное положение и тренажер - снова готов к применению.
На зачетных тренировках, возможна отработка прыжков со спасательной лодкой в транспортном положении с последующим приведением ее в действие обучаемым на поверхности воды.
Для усложнения условий тренировки инструктор имеет возможность включить в работу волногенератор в бассейне (см. Рисунок 1 в Приложении к описанию изобретения) и ветрогенераторы на бортике бассейна (см. Рисунок 2 в Приложении к описанию изобретения), которые обеспечивают создание в бассейне необходимых уровней волнения воды и силы ветра.
Особенности эксплуатации парашютного тренажера.
2
1) Пренебрегая сопротивлением воздуха и противодействием блочно-тросового механизма (силы трения и противовесы), обучаемый с подвесной системой парашюта снижается с ускорением свободного падения g=9,8 м/с.
Когда физическое тело падает вниз без начальной скорости, его движение описывается следующими классическими формулами механики (см. Web-страницу: «Свободное падение», http://sverh-zadacha.ucoz.ru/lessons/Contents/mech/kin/g.html):
2) Тогда, при свободном падении обучаемого с площадки прыжковой вышки, находящейся, например, на высоте h=8,0 м над поверхностью воды в бассейне, скорость снижения в момент касания ногами поверхности воды составляет:
сп
Так как при прыжках со спасательным парашютом скорость снижения человека v составляет ориентировочно 6,0 м/с, в тренажере имеем превышение скорости снижения обучаемого в:
При этом, «падая» с высоты h=8,0 м, обучаемый коснется ногами поверхности воды в бассейне уже через:
Если превышение скорости снижения обучаемого в 2,08 раз при приводнении - достаточно безопасно (особенно, в случае принудительного вертикального положения туловища обучаемого), то интервала времени, равного 1,3 с, очевидно, несколько недостаточно для выполнения всего объема подготовительных операций перед приводнением (заправка под бедра круговой лямки подвесной системы парашюта, раскрытие замков и освобождение ножных обхватов и грудной перемычки, захват руками свободных концов подвесной системы, глубокий вдох и «выскальзывание» из подвесной системы).
3) Однако, очевидно, что противодействие блочно-тросового механизма с противовесами будет оказывать существенное влияние на «падение» обучаемого с прыжковой вышки, уменьшая как скорость снижения, так и соответственно, увеличивая время приводнения.
Аналитическим методом оценим влияние противовеса блочно-тросового механизма (пренебрегая силами трения в механизме и сопротивлением воздуха) на ускорение «падения» обучаемого с помощью рисунка (см. Фиг. 4), в котором использованы следующие обозначения:
M, m - массы соответственно обучаемого и противовеса в системе грузов блочно-тросового механизма;
g - ускорение свободного падения;
M
m
х - обобщенная координата перемещение грузов по вертикали (причем, взаимное перемещение грузов характеризуется зависимостью: х=-х);
- скорости грузов, отличающиеся по знаку.
Вначале, выясним зависимость ускорения системы грузов от соотношения значений этих грузов в блочно-тросовом механизме, то есть: , воспользовавшись для этого уравнением Лагранжа второго рода в случае потенциальных сил (см. Добронравов В.В и др. Курс теоретической механики, Изд. 3-е перераб., Учебник для вузов, М.: «Высшая школа», 1974. - стр. 367):
где  - функция Лагранжа.
Причем, здесь:
- кинетическая энергия системы грузов;
U(х)=Mgx-mgx - силовая функция системы грузов (причем, силовая функция U равна потенциальной энергии П, но с противоположным знаком, то есть: U=-П).
Подставляя указанные значения  в уравнение (1), получаем:
А после дифференцирования выражения (4), имеем:
Таким образом, значение ускорения системы грузов блочно-тросового механизма может быть определено по формуле:
Следовательно, мы имеем равноускоренное движение со значением ускорения равным:
a
То есть, ускорение системы грузов блочно-тросового механизма  меньше ускорения свободного падения g на коэффициент, определяемый, как частное от деления разности массы обучаемого с подвесной системой парашюта и массы противовеса на сумму этих же масс.
Например, приняв значение противовеса, равного 75% от массы обучаемого с подвесной системой парашюта, с помощью формулы (7) получаем ускорение «падения» обучаемого в бассейн:
Тогда, при «падении» обучаемого с площадки прыжковой вышки, находящейся, например, на высоте h=8,0 м над поверхностью воды в бассейне, скорость снижения в момент касания ногами поверхности воды составляет:
При этом, «падая» с высоты h=8,0 м, обучаемый коснется ногами поверхности воды в бассейне через:
При реализации данного тренажера, в котором используется прыжковая вышка с конкретной высотой (а в большинстве помещений с бассейнами высота вышки ограничена диапазоном от 3,0 до 10,0 м), целесообразно результаты, полученные аналитическим методом, уточнить (в частности, для учета влияния сил трения в блочно-тросовом механизме) с помощью экспериментальных методов подбора массы противовеса.
4) Кроме этого, реализация в тренажере времени «полета» обучаемого необходимой (желательной) длительности (и получение значения скорости входа в воду, которое характерно для спасательных парашютов, то есть, ближе к 6,0 м/с), может быть (помимо подбора массы противовесов) также достигнуто с помощью дополнительных устройств (на Фиг. 2 и 3 - не показаны), осуществляющих «притормаживание» вращения блоков и/или движения тросов блочно-тросового механизма.
Таким образом, в парашютном тренажере может осуществляться подготовка членов экипажей разнообразных воздушных судов, которые после аварий над поверхностью различных акваторий, в том числе, над штормовым морем, вынуждены воспользоваться спасательным парашютом.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый парашютный тренажер для подготовки к прыжкам на воду может быть изготовлен на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.
Предлагаемый тренажер предназначен для осуществления эффективной практической подготовки:
- экипажей воздушных судов морской авиации Военно-Морского Флота РФ;
- экипажей воздушных судов армейской авиации Воздушно-космических сил РФ;
- экипажей воздушных судов МЧС РФ;
- воздушных десантников и морских пехотинцев;
- курсантов военных и гражданских авиационных учебных заведений.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый парашютный тренажер для подготовки к прыжкам на воду отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и «Промышленная применимость» и может быть защищен патентом РФ на изобретение.