stringtranslate.com

Состояние вихревого кольца

Состояние вихревого кольца, в котором поток воздуха направлен вверх по внутренней секции лопасти, создавая вторичный вихрь в дополнение к обычным вихрям на законцовках крыла. Турбулентный поток воздуха приводит к потере эффективности ротора. Если позволить ему продолжаться, могут возникнуть неконтролируемые колебания тангажа и крена с большой скоростью снижения. [1]

Состояние вихревого кольца (VRS) является опасным аэродинамическим состоянием, которое может возникнуть в полете вертолета , когда система вихревых колец охватывает ротор , вызывая серьезную потерю подъемной силы . Часто термин «усадка с мощностью» используется как синоним, например, в Австралии, Великобритании и США, [2] [3] [4], но не в Канаде, где последний термин используется для другого явления. [5]

Состояние вихревого кольца наступает, когда поток воздуха вокруг основного винта вертолета принимает вращательно-симметричную форму над концами лопастей, поддерживаемую ламинарным потоком над концами лопастей и встречным восходящим потоком воздуха снаружи и от винта. В этом состоянии винт попадает в новое топологическое состояние окружающего поля потока, вызванное его собственным нисходящим потоком, и внезапно теряет подъемную силу. Поскольку вихревые кольца представляют собой удивительно устойчивые явления динамики жидкости (форма топологического солитона ), лучший способ избавиться от них — это боковым образом уйти от них, чтобы восстановить подъемную силу, и разбить их, используя максимальную мощность двигателя, чтобы установить турбулентность .

Вот почему это состояние часто ошибочно принимают за «стабилизацию с недостаточной мощностью»: маневры с высокой мощностью могут как вызвать состояние вихревого кольца в свободном воздухе, так и затем на малой высоте, во время посадки, возможно, разорвать его. Если недостаточно мощности для поддержания аэродинамического профиля ротора в состоянии сваливания, при этом создавая достаточную подъемную силу, самолет не сможет оставаться в воздухе до того, как состояние вихревого кольца рассеется, и разобьется.

Это состояние также встречается у конвертопланов , и оно стало причиной аварии с участием V-22 Osprey в 2000 году. Состояние вихревого кольца стало причиной потери сильно модифицированного вертолета MH-60 во время операции «Копье Нептуна» , рейда 2011 года, в ходе которого был убит Усама бен Ладен . [6]

Описание

Воздушный поток в нормальном полете (A), при быстром снижении (B) и VRS (C)

Поскольку лопасти вращаются вокруг центральной оси, скорость каждого аэродинамического профиля минимальна в точке, где он соединяется с узлом ступицы и рукоятки. Эта фундаментальная физическая реальность означает, что внутренняя часть каждой лопасти имеет врожденную уязвимость к сваливанию . [ необходима цитата ]

В прямом полете с поступательным подъемом в области ступицы нет восходящего потока ( восходящего потока ) воздуха. По мере уменьшения скорости поступательного полета и увеличения вертикальной скорости снижения начинается восходящий поток просто потому, что в области ступицы, мачты и узла захвата лопасти нет аэродинамических поверхностей. [ необходима цитата ]

Затем, по мере увеличения объема восходящего потока в центральной области (т. е. между ступицей и внутренними краями аэродинамических профилей), индуцированный поток (воздух, втянутый или «индуцированный» вниз через роторную систему) внутренних секций лопаток преодолевается. Это приводит к тому, что внутренние части лопаток начинают срываться . [ необходима цитата ]

По мере того, как внутренние секции лопастей застревают, в центре роторной системы и вокруг него начинает формироваться второй набор вихрей, аналогичный вихрям на концах ротора. Это, в сочетании с внешним набором вихрей, приводит к серьезной потере подъемной силы. Неспособность пилота вертолета распознать и отреагировать на это состояние может привести к высоким скоростям снижения и катастрофическому столкновению с землей. [1]

Происшествие

Вертолет обычно сталкивается с этим состоянием при попытке зависнуть вне зоны влияния земли (OGE) без точного контроля высоты, а также при выполнении захода на посадку по ветру или крутых заходах на посадку с двигателем, когда воздушная скорость ниже эффективной поступательной подъемной силы (ETL). [7]

Обнаружение и исправление

Признаками VRS являются вибрация в системе несущего винта [8], сопровождаемая увеличением скорости снижения и возможным уменьшением циклической мощности. [9]

В вертолетах с одним ротором состояние вихревого кольца традиционно корректируется небольшим понижением коллектива для восстановления циклического авторитета и использованием циклического управления для применения бокового движения, часто опуская нос вниз для установления прямого полета. В вертолетах с тандемными роторами восстановление осуществляется посредством бокового циклического или педального ввода или того и другого. Самолет вылетит из вихревого кольца в «чистый воздух» и сможет восстановить подъемную силу. [1]

Другая коррекция, которая теперь широко известна как метод восстановления Вюйшара после недавнего приобретения популярности, была преподана Клодом Вюйшаром, инспектором Федерального управления гражданской авиации (FOCA) в Швейцарии. Этот метод использует комбинацию всех трех элементов управления вместе, чтобы уменьшить потерю высоты и восстановиться быстрее: применить циклический шаг в направлении тяги хвостового винта, увеличить общий шаг для набора мощности и скоординировать с педалью мощности для поддержания курса (перекрестное управление). Восстановление завершается, когда диск ротора достигает наветренной части вихря. [1] [10] [11] [12]

Выход из состояния вихревого кольца

Можно выйти из состояния вихревого кольца, но для этого требуется примерно вдвое больше мощности, чем для зависания. Только один полномасштабный вертолет, Sikorsky S-64 Skycrane , задокументирован как способный сделать это, будучи не загруженным. [13]

Реакция пилота или оператора

Пилотов вертолетов чаще всего учат избегать VRS, контролируя скорость снижения на более низких скоростях полета. При столкновении с VRS пилотов учат применять передний циклический шаг, чтобы выйти из состояния, и/или уменьшать общий шаг . [9] Хотя переход к прямому или боковому полету сам по себе смягчает состояние, уменьшение общего шага для снижения потребности в мощности уменьшает размер вихрей и сокращает время, необходимое для выхода из состояния. Однако, поскольку состояние часто возникает вблизи земли, уменьшение общего шага может быть невозможным; потеря высоты будет происходить пропорционально скорости снижения, достигнутой до начала восстановления. В некоторых случаях встречается состояние вихревого кольца, и ему позволяют развиться до такой степени, что пилот может серьезно потерять циклический контроль из-за нарушенного воздушного потока. В этих случаях единственным выходом пилота может быть переход в режим авторотации , чтобы вывести роторную систему из состояния вихревого кольца. [1]

Вертолеты с тандемными роторами

В вертолете с тандемным ротором , прямой циклический шаг не остановит скорость снижения, вызванную VRS. В таком вертолете, который использует дифференциальный общий шаг для набора скорости, боковые циклические входы должны выполняться вместе с входами педалей, чтобы горизонтально выскользнуть из возмущенного воздуха состояния вихревого кольца. [ необходима цитата ]

Радиоуправляемые мультикоптеры

Радиоуправляемые мультикоптеры (распространенные на дронах) подвержены обычной аэродинамике винтокрылых аппаратов, включая состояние вихревого кольца. Конструкция рамы, размер и мощность влияют на вероятность входа в состояние и выхода из него. Мультикоптеры, не имеющие удержания высоты, также с большей вероятностью подвержены ошибкам оператора, когда пилот слишком быстро опускает аппарат, что приводит к восходящему потоку на ступицах роторов, что может привести к состоянию вихревого кольца. С другой стороны, те, которые оснащены этой функцией, как правило, автоматически контролируют свое снижение и обычно (но не всегда) могут избежать опасного состояния. [14]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcde Helicopter Flying Handbook, FAA-H-8083-21A (PDF) . Департамент транспорта США, FAA, Служба стандартов полетов. 2012. стр. 11-8–11-12, 11-17–11-20.
  2. ^ "Требования к оценке для AVIY0029 Эксплуатация систем дистанционного пилотирования вертолетных самолетов" (PDF) . Правительство Австралии . Получено 16 апреля 2023 г. . распознавание и предотвращение установления состояния мощности/вихревого кольца
  3. ^ "Экзамены на получение лицензии частного пилота – 070 Эксплуатационные процедуры для самолетов и вертолетов" (PDF) . Управление гражданской авиации . Получено 16 апреля 2023 г. . Расчет мощности (вихревое кольцо)
  4. ^ "Helicopter Emergencies and Hazards" (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации (FAA) . Получено 16 апреля 2023 г. Состояние вихревого кольца (ранее упоминавшееся как settling-with-power) описывает аэродинамическое состояние, в котором вертолет может находиться в вертикальном снижении с мощностью от 20 до 100 процентов и с небольшими или нулевыми характеристиками набора высоты. Ранее используемый термин settling-with-power произошел от того факта, что вертолет продолжает оседать, даже если применяется полная мощность двигателя.
  5. ^ «Руководство по летной подготовке на вертолете (TP 9982) – Упражнение 26 – Вихревое кольцо» Министерство транспорта Канады , 20 мая 2010 г. Дата обращения: 13 сентября 2014 г.
  6. ↑ Капаччио, Тони (5 мая 2011 г.). «Вертолет с SEAL был сбит вихрем, а не механическим дефектом или огнестрельным оружием». Bloomberg LP
  7. ^ Федеральное управление гражданской авиации (декабрь 2019 г.), «11: Аварийные ситуации и опасности при полетах на вертолете» (PDF) , Справочник по полетам на вертолете, США, стр. 9, ISBN 978-1-61954-992-0{{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  8. ^ Джонсон, Уэйн. Теория вертолета, стр. 99+106, Courier Dover Publications , 1980. Доступ: 25 февраля 2012 г. ISBN 0-486-68230-7 
  9. ^ ab Консультативный циркуляр (AC) 61-13B, Базовое руководство по вертолету , Министерство транспорта США, Федеральное управление гражданской авиации. 1978
  10. ^ Такер, Тим (сентябрь 2015 г.). «Пролетая сквозь вихрь». Ротор и крыло . Авиация сегодня. Архивировано из оригинала 10 января 2022 г. Получено 13 февраля 2016 г.
  11. ^ Руководство по летной подготовке Robinson R22/R44, Руководство по маневрированию R22, Урегулирование состояния с мощностью/вихревым кольцом, Страница 29, Пересмотрено: октябрь 2013 г.
  12. ^ «Клод Вюйшар и Тим Такер рассказывают историю, стоящую за техникой Вюйшара». Vertical Mag . 29 апреля 2021 г. Архивировано из оригинала 29 апреля 2021 г.
  13. ^ Dziubinski, Adam; Stalewski, Wienczyslaw (2007). "Vortex Ring State Simulation Using Actuator Disc" (PDF) . Instytut Lotnictwa / Institute of Aviation - Computational Fluid Dynamics Department . Архивировано (PDF) из оригинала 18 августа 2021 г. . Получено 14 марта 2022 г. .
  14. ^ "Quadcopter "Wobble of Death": VRS Recovery and Avoidance". YouTube . Август 2014. Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 г. Получено 21 сентября 2014 г.

Внешние ссылки