| |
In 1999 schreef ik een artikel over openingsschokken. Toendertijd was er nog geen goed openbaar onderzoek bekend naar de grootte van de openingsschokken. De schets was toen afkomstig van een Franse fabrikant van militair materiaal. 4 jaar later is er inmiddels wel een goed en openbaar onderzoek gedaan. Tijd voor een nadere analyse dus.
Tijdens het PIA symposium 2001 presenteerden onderzoekers van de Parks College Parachute Research Group hun bevindingen. Wellicht belangrijk om in het achterhoofd te houden is het feit dat het onderzoek voor het grootste deel is gefinancierd door Performance Designs en de Amerikaanse regering. Hierdoor blijven de testresultaten bijvoorbeeld beperkt tot uitspraken over PD producten. Met deze PD producten zijn dan wel ruim 300 testsprongen gemaakt.
Er werd gesprongen met koepels van F-111 en zero-porosity variërend in grootte van 120 ft² tot 360ft² die op een na allemaal rechthoekig, dus non-elliptisch waren. Omdat het openen van parachutes een nogal chaotisch proces is werden per chute 20 tot 30 sprongen gemaakt om de normale variaties tussen openingen er uit te filteren.
De aërodynamica van parachuteopeningen is zeer complex en regelmatig moet er een compromis gemaakt worden in het ontwerp tussen vliegkarakteristieken en openingskarakteristieken.
Openingsstadia van een parachute
Het openen van een parachute bestaat uit 3 stadia:
1. Line stretch
2. Early pressurization
3. Canopy spreading / slider decent
Een harde openingen worden omschreven als "het bijna direct en volledige spreiden van de koepel" (stadium 3) waardoor bij hoge snelheid een enorme hoeveelheid drag ontstaat en daardoor een hoge riserkracht. De algemene strategie om parachutes langzamer te laten openen is daarom om het spreiden van de koepel zo langzaam mogelijk te laten verlopen.
Line stretch
Line stretch of "line snatch" of "snatch force" is de fase waarin de koepel uit de bag wordt getrokken en weer begint te accelereren naar de valsnelheid van de springer.
De grootte van de pilotchute en het materiaal (zeroporosity of F-111) bepalen de grootte van de snatchforce. Door een te grote snatchforce kunnen extra vouwplooien etc. vroegtijdig vrij komen, waardoor hun werking verloren gaat (vb. inrollen van neus en staart). Een te grote snatchforce is dus niet altijd beter. Door goed stowen van de lijnen wordt de snatchforce wat langer uitgesteld, doordat er meer kracht en dus tijd nodig is om de chute uit de bag te trekken.
Early pressurization
Dit is het snivellen van de koepel voordat de slider omlaag komt. Tijdens dit stadium beginnen de cellen zich van binnen naar buiten te vullen tot hun volume voldoende is om de slider omlaag te drukken. De duur van de early pressurization hangt sterk af van de inlaat (hoe makkelijk kan de lucht in de cellen komen), de breedte van de slider en de hoek die de koepel maakt ten opzichte van de horizontaal. Ook bepalend zijn de interconnection holes in de koepel (die bepalen hoe makkelijk lucht van de ene cel naar de andere kan stromen) en bepaalde vouwmethoden.
Over het algemeen zullen de buitenste cellen als laatste openen. Lange tijd is namelijk de winddruk van onder groter dan de druk vanuit de interconnection holes door de naar binnen gelegen cellen, waardoor de buitenste cellen worden dicht gedrukt. De early pressurization is geen mooi continue proces, maar laat zich het best typeren als een chaotisch proces met sterk wisselende celdrukken in alle cellen, dit leidt tot het schudden en "ademen" van de koepel. Deze chaos ontstaat onder andere door turbulentie die gecreëerd wordt door naburige cellen en het zog van de springer.
Een belangrijk gevolg van de early pressurization is dat de drag die wordt gecreëerd door de gedeeltelijk geopende koepel al een behoorlijke bijdrage levert aan het vertragen van de springer en dus tot een afname leidt van de krachten tijdens de koepelspreiding.
Canopy spreading / slider decent
Tijdens dit stadium zijn de cellen zodanig gevuld, dat de slider langs de suspension lines omlaag gedrukt wordt tegen de wind in. Dit vereist ook een zekere kracht (de luchtweerstand van de slider) waardoor de piekkracht van de opening vermindert. Over het algemeen mag gesteld worden dat des te groter de slider, des te lager de piekkrachten tijdens dit stadium. Hierbij dient wel te worden opgemerkt dat een te grote slider weer kan leiden tot hogere krachten tijdens de early pressurization omdat de luchtweerstand van de slider dan in dit stadium al een dominante rol heeft. |
Early pressurization
Canopy spreading
Slider decent |
Factoren die van invloed zijn op de openingskrachten
 De mate waarin de lijnen rek kunnen vertonen bepaalt mede de openingskrachten. Dacron lijnen (deze lijnen hebben wel rek) verdelen de krachten gelijkmatiger door de tijd, waardoor de piekkrachten lager zijn. Spectra lijnen doen dit niet. De prijs die hiervoor betaald wordt is een grotere drag tijdens het vliegen onder de koepel, waardoor de performance van een koepel met Dacron lijnen minder is ten opzichte van een koepel met Spectra lijnen.
Een andere factor zijn veranderingen in de lijntrim door krimp van de lijnen. Dit gebeurt als gevolg van warmte tijdens de openingsschok en de slider die langs de lijnen glijdt. Hierdoor kan een parachute harder en off-heading gaan openen. De enige remedie hiertegen is je chute laten relinen.
De brakesetting speelt ook een rol bij het openen van de parachute. Door de brakestows kleiner te maken staat de chute minder op de rem, "cupt" de chute minder en heeft dus minder luchtweerstand wat leidt tot een lagere openingsschok. Nadeel hiervan is dat de chute kort na opening harder vliegt, waardoor de effecten van een twist of off-heading opening lastiger zijn op te lossen.
Als de slider onvoldoende tegen de sliderstops is aangedrukt kan dit leiden tot een vroegtijdige afdaling van de slider en opening van de koepel. Hierdoor vindt canopy spreading plaats tijdens de pressurization fase.
De grootte van de parachute speelt ook een rol. Dit komt o.a. doordat de grotere oppervlakte tot een grotere drag leidt en daardoor tot een grotere piekkracht. De kracht wordt minder gelijkmatig verdeeld. Grotere parachutes openen dus harder. Anderzijds wordt een deel van dit effect teniet gedaan doordat het openen en spreiden van de koepel door de grootte hiervan ook meer tijd kost.
 |
 |
Figuur 2, hierboven, laat de krachten zien tijdens openingen van een 120 sqft, een 150 sqft en een 230 sqft Sabre koepel. De parachutes werden geopend op 4000ft AGL bij een snelheid van 120 mph. Bij alle sprongen werd een 27'' pilotchute gebruikt en een springer met een gewicht van 205 lbs.
Behalve de totale riserkracht laten de grafiekjes ook een horizontaal lijntje zien onder de figuren. Deze komt overeen met het moment waarop de slider omlaag komt en werd bepaald door een schakelaar in de hand van de springer. De piekkracht vindt bij de verschillende parachutes dus op verschillende momenten tijdens de opening plaats!
Let er op dat de grotere Sabre harder opent dan de kleinere. Dit komt o.a. doordat de grotere oppervlakte tot een grotere drag leidt en daardoor tot een grotere piekkracht. De kracht wordt minder gelijkmatig verdeeld. |
|
Figuur 4, hierboven, laat het verschil zien tussen de computersimulatie en de werkelijk gemeten krachten tijdens het experiment. Let op het feit dat tijdens de computersimulatie een meer geleidelijke figuur ontstaat en dat de kortdurende piekkrachten in werkelijkheid hoger zijn en sterk variabel.
Dit fenomeen wordt ook vaak over het hoofd gezien bij herhaalde metingen. Enerzijds zijn deze nodig om betrouwbare testresultaten te krijgen, anderzijds vlakken gemiddelde extremen van grafieken af, zelfs als deze bij het gangbare patroon horen.
De snelle variaties in krachten zijn van groot belang voor eventuele fysiologische schade. |
|
Comfortabele openingen
De comfortabelste openingen zijn openingen die 2 tot 3 seconden duren een "lang interval".
Uit het onderzoek blijkt dat de meeste sportparachutes bij een opening op terminal snelheid een openingsschok hebben van 3 tot 6 G. Harde en pijnlijke openingen zitten in de range van 9 tot 12 G. Ter vergelijking: in een auto die optrekt van 0 naar 100 km/u in 0.23 seconde zouden we 12 G ervaren!
Dilemma voor parachuteontwerpers
Bij het ontwerpen van parachutes staan de ontwerpers voor een dilemma. Enerzijds willen ze de parachutes zo langzaam en geleidelijk mogelijk open laten gaan, anderzijds moet dit wel zo snel gebeuren dat een springer zich er comfortabel bij voelt. Bij een parachute die te langzaam opent kan het gebeuren dat de springer te lang blijft kijken naar een serieus probleem in de verwachting dat het zo hoort.
In onderstaande grafiek zou de oppervlakte onder de grafiek vergeleken kunnen worden met de kracht / energie die nodig is om een vallend object te vertragen. De beste opening zou dus een geleidelijke opbouw en afname van kracht zijn, uitgesmeerd over een zo lang mogelijke tijd, waardoor de piekkracht het laagst is.
Een vallend object (lees springer) heeft een bewegingsenergie (kinetische energie genoemd) van Uk=½mv² waarbij m de massa van het geheel is (exit gewicht) en v de valsnelheid in meter per seconde. Uit deze grafiek blijkt dat het gewicht van de springer minder belangrijk is dan de snelheid, omdat deze laatste meetelt in het kwadraat. Een lichte freeflyer (70kg exitgewicht) die met 250km/u opent heeft daardoor net zo'n hoge kinetische energie als een springer van 109kg exitgewicht die opent met 200km/u. Het is dus vooral de openingssnelheid die telt! Hierbij moet natuurlijk wel worden aangetekend dat de massa van de springer niet geheel los staat van zijn valsnelheid. Zware springers zullen in dezelfde lichaamshouding sneller vallen dan lichte springers en daardoor hebben zware springers grotere kansen op harde openingen.
|
|
| In bovenstaande grafiek zijn de diverse fasen van de opening van de parachute aan gegeven. Let op het fluctueren van de krachten tijdens de sniffelfase en het snelle afwisselen van de krachten tussen de verschillende risers. Uiteindelijk lopen de krachten tijdens de vlucht onder de koepel terug tot 1G, de zwaartekracht zoals we die ook op de grond ervaren. |
|
Fysiologische aspecten
Net als in het vorige artikel moet hier benadrukt worden dat het dus gaat om gemeten krachten aan de risers. Niet de fysiologische krachten die op het lichaam werken. Deze kunnen nog steeds sterk verschillen van de mechanische krachten zoals gemeten.
Schade aan het lichaam ontstaat in verschillende fasen: als het spier/peesweefsel voldoende sterk is zal deze alle krachten absorberen en ontstaat er weinig tot geen schade aan kapsels en gewrichten. Als spieren onvoldoende sterk zijn worden ook kapsels en banden opgerekt en ontstaan krachten op de betrokken gewrichtsdelen / botten. Hierdoor kunnen kapsels oprekken, waardoor nog grotere krachten op de gewrichtsdelen (lees botten) vrij kunnen komen. Op termijn kan hierdoor schade aan botten optreden. Het bovenstaande is ook mogelijk door zeer hoge piekkrachten, waarbij spieren, pezen, banden en kapsels direct maximaal belast worden en er dus ook grote krachten vrij komen op het gewricht. Er is dus sprake van een langzame en een snelle variant van fysiologische schade als gevolg van openingsschokken.
De eerste schakel is dus het spier/peesweefsel. Deze is ook als enige echt te trainen, kapsels en botten in veel mindere mate.
Hoe ontstaat spierschade?
Spierschade bij parachuteopeningen ontstaat met name door excentrische contracties. Dit betekent dat een spier wordt opgerekt (excentrisch) terwijl hij is geactiveerd en dus eigenlijk wil samentrekken (contractie). Als we in een holle houding liggen zijn de rugspieren aangespannen (extra je best doen om hol te trekken!), tijdens de linestretch en early pressurization wordt het lichaam afgeremd bij de schouders (waar de risers vastzitten aan het harnas) en maken de benen een klepelbeweging. Tijdens deze klepelbeweging gaat de rug van een holle houding over in een bolle en weer terug naar een licht holle houding. Met name in dit eerste stuk, van hol naar bol ontstaat spierschade als gevolg van excentrische contractie. Met name in de onderrug en de nek. Hetzelfde geldt voor de nekspieren. Het hoofd wil eigenlijk doorvallen omlaag, maar wordt ter hoogte van de nek afgeremd, terwijl de rest van het lichaam ook wil doorvallen. Hierdoor ontstaat er een knik in de nek: excentrische contractie van de nekspieren. Dit effect is sterker naarmate de hefboom groter is, denk hierbij aan een camerahelm. Het is dus zaak om camera's zo dicht mogelijk bij de nekwervels te houden zodat de krachten op de nekspieren minimaal is. Volgens een onderzoek door het US Army Aeromedical Research Laboratory was een verschil in helmgewicht van 1.6kg naar 2.0kg al duidelijk verantwoordelijk voor een toename van het aantal beschadigingen aan de nek. De gemiddelde camerahelm met fototoestel zit boven dit gewicht (!).
Het bovenstaande verhaal met betrekking tot de klepelbeweging van het lichaam is te zien in de serie plaatjes hiernaast, die een opening van een tandem laten zien.
Parachutefabrikanten zouden de spierschade sterk kunnen beperken door de krachten in de snivelfase laag te houden en deze fase relatief lang te laten duren. Hierdoor zal het lichaam rustig rechtop komen in het harnas, zodat de excentrische spierkrachten op de rug- en nekspieren niet zo hoog zijn. Bovendien kan het lichaam in de vertikale houding de piekkrachten tijdens canopy spreading beter verdragen.
Verwachting van een opening
Een aspect wat in bovengenoemde een grote rol speelt is de verwachting die iemand heeft van een opening. Een ervaren springer zal tijdens de opening ontspannen, waardoor de spierschade die optreedt minder is. Hierdoor zal de flexie van de ruggegraat wel toenemen, waardoor de kans op kapsel- en gewrichtsbeschadigingen weer groter is. Ook zal een ervaren springer zijn rug al enigzins bollen (zittende houding), waardoor de zwiep die de benen maken minder groot is en dit leidt ook weer tot minder grote piekkrachten, doordat de benen een minder grote bewegingshoek hebben om snelheid te maken. Dit staat in schril contrast tot een tandempassagier die a. geen verwachting heeft van het moment van openen, b. geen verwachting heeft over de kracht van een opening, c. onbekend is met het aannemen van een "zittende" houding om de krachten te beperken. Rugschade bij tandempassagiers als gevolg van openingen is dus een veel groter risico dan voor individuele springers. |
|
 |
De tandempassagier heeft geen verwachting van de opening die hem/haar te wachten staat. |
 |
Er is nog geen verschil in houding tussen tandemmaster en passagier. |
 |
De tandemmaster anticipeert op de opening: hij heeft een verwachting hiervan. |
 |
De bewegingsuitslag van de benen van de tandemmaster is al minder dan die van de passagier. |
 |
En dit is dus het verschil. Vergelijk dit plaatje eens met het eerste plaatje uit de serie. |
 |
Na de sterke flexie van het heupgewricht en de daaruit resulterende oprekking van de rugspieren worden de benen weer omlaag getrokken door de verder openende parachute. |
|
vragen: thinairskydiving@hotmail.com
Bronnen:
www.pcprg.com/pia01.htm
http://www.asc2002.com/summaries/d/DP-12.pdf (US Army Research)
Naar boven 
|
|
