Парашути з розрізами: нова технологія точного скидання вантажів

Парашути рідко отримують заслужене визнання за свою роль у порятунку життів під час військових операцій, рятувальних місій та доставки гуманітарної допомоги. Однак у них є серйозний недолік: після розкриття вони повністю залежать від вітру. Ретельно прицілений пакет з ліками може легко відхилитися далеко від цілі.

Тепер дослідники з Політехнічного університету Монреаля в Канаді та Політехнічної школи у Франції запропонували кмітливе рішення: зробити парашути точнішими шляхом розрізання. Натхненні кірігамі — японським мистецтвом вирізання з паперу — вони створили легкі та дешеві парашути, які падають з надзвичайною точністю.

Найраніші свідчення про справжні парашути датуються епохою Відродження. Леонардо да Вінчі зробив важливий внесок у конструкцію парашутів, а до вісімнадцятого століття вже використовувалися парашути сучасного типу. Кірігамі ще давніше — воно документується з сьомого століття нашої ери. Діти використовують його для виготовлення сніжинок з паперу, але останнім часом інженери застосовують цю техніку для створення розтяжних конструкцій, гнучких медичних пристроїв та розгортних космічних структур.

Звичайні парашути працюють, захоплюючи повітря, тому прорізання в них отворів здається саботажем. Але замість зміни купола парашута дослідники почали з простого диска з майлару та експериментували з різними візерунками розрізів.

Їхнім головним завданням було подолати природну нестабільність падаючого диска. Якщо ви коли-небудь кидали фрізбі або аркуш паперу, ви, ймовірно, бачили це: він тріпотить, перекидається та дрейфує непередбачувано. Щоб зрозуміти, як контролювати цей хаос, команда почала з лазерного вирізання трьох різних типів дисків з тонких листів майлару та скидання їх з висоти 1,8 метра, кожен з невеликим вантажем масою 4,5 грама, прикріпленим до центру.

Звичайний диск або диск з густо вирізаними концентричними прорізами перекидався непередбачувано, як фрізбі, кинуте в повітрі. Але інший дизайн з простішим візерунком кірігамі перетворювався на перевернуту форму дзвона під вагою. На відміну від своїх хаотичних побратимів, цей диск миттєво стабілізувався та падав прямо вниз.

«Одна з переваг цього парашута полягає в тому, що він швидко стабілізується і не хитається, незалежно від кута випуску», — каже Меланкон, співавтор статті. І на відміну від звичайних парашутів, він слідує суворій балістичній траєкторії спуску.

Після знаходження перспективного дизайну команда піддала свої парашути кірігамі серії все більш реалістичних випробувань. Вони тестували конструкцію в аеродинамічній трубі, в лабораторії та під час скидання з дрона на відкритому повітрі. У всіх випадках парашут кірігамі поводився надзвичайно добре, порівняно зі звичайним парашутом. Крім того, поведінка не залежала від розміру.

«Поведінка парашута не змінюється навіть при збільшенні розміру пристрою», — каже Фредерік Госселін, один з авторів дослідження. «Це свідчить про те, що його можна масштабувати для більших застосувань».

Справжнім випробуванням, однак, була точність. Вони скидали парашути на основі нестабільного дизайну А, стабільного дизайну Б та невеликого звичайного парашута з висоти 16,6 метра на ціль внизу. Щоб зробити це ще складнішим, вони випускали їх під різними початковими кутами: абсолютно плоско, під нахилом 45 градусів і навіть повністю на боці під 90 градусів.

Стабільні парашути дизайну Б приземлилися в тісному скупченні, майже всі в межах метра від центру мішені, незалежно від кута випуску. Візерунок кірігамі не просто запобігав перекиданню; він забезпечував приземлення безпрецедентної точності.

Для грандіозного фіналу команда масштабувала свою концепцію, щоб довести, що вона може впоратися зі значущим вантажем. Вони виготовили парашут діаметром півметра, прикріпили пляшку води та встановили його на дрон. Дрон піднявся на висоту 60 метрів і випустив свій вантаж. Парашут кірігамі стабілізував пляшку води під час спуску, хоча швидкість все ще була вищою, ніж була б зі звичайним парашутом.

Ця технологія може бути корисною для цілей від доставки посилок до дослідження інших планет. Однак дослідники кажуть, що найімовірнішим застосуванням, на яке вони дивляться, є гуманітарна допомога: доставка води, їжі та ліків. Причина в тому, що парашут надзвичайно дешевий у виготовленні. Замість складного шиття та складання, необхідного для традиційних парашутів, ці можна масово виробляти простим лазерним різанням або штампуванням візерунка на рулоні пластикової плівки.

«Ми виготовили ці парашути лазерним різанням, але простий штампувальний прес також підійде», — пояснює Девід Меланкон, один із співавторів. «Більше того, парашут безшовний і прикріплюється до вантажу однією стропою, що робить його простим у використанні та розгортанні».

Але дослідники кажуть, що це лише початок. Майбутнє цієї технології широко відкрите. Конструкцію можна додатково оптимізувати, покривши прорізи кірігамі м'якою розтяжною мембраною для збільшення опору та ще більшого уповільнення спуску. Досліджуючи більш складні асиметричні візерунки кірігамі, можливо, навіть вдасться запрограмувати всю траєкторію парашута, направляючи його по певному шляху до цілі.

«Ми хочемо змінити візерунки, щоб піти ще далі: парашути могли б спускатися по спіралі, наприклад, або планувати перед падінням», — каже Меланкон. «Ми також хотіли б мати можливість змінювати траєкторію спуску залежно від вантажу, щоб вантаж можна було сортувати під час спуску парашутів на Землю. Це абсолютно новий дизайнерський проект, який відкриває безліч можливостей».

Парашути залишалися практично незмінними протягом століть. Незабаром вони можуть отримати оновлення. Дослідження було опубліковано в журналі Nature.