Авторотация — это состояние полета , при котором система основного ротора вертолета или другого винтокрылого летательного аппарата поворачивается под действием воздуха, движущегося вверх через ротор, как в случае с автожиром , а не за счет мощности двигателя, приводящей ротор в движение. [1] [2] [3] Термин «авторотация» относится к периоду раннего развития вертолетов между 1915 и 1920 годами и относится к роторам, вращающимся без двигателя. [4] Он аналогичен планирующему полету самолета с фиксированным крылом. Некоторые деревья (например, клены ) имеют семена, которые имеют крыловидные структуры, которые позволяют семенам вращаться к земле в режиме авторотации, что помогает семенам распространяться на более широкую область.
Наиболее распространенное применение авторотации в вертолетах — безопасная посадка самолета в случае отказа двигателя или хвостового винта. Это обычная аварийная процедура, которой обучают пилотов вертолетов в рамках их обучения.
В нормальном полете вертолета с двигателем воздух втягивается в систему основного ротора сверху и принудительно направляется вниз, но во время авторотации воздух движется в систему ротора снизу по мере снижения вертолета. Авторотация разрешена механически из-за как свободного хода , который позволяет основному ротору продолжать вращаться, даже если двигатель не работает, так и аэродинамических сил относительного ветра, поддерживающих скорость ротора. Это средство, с помощью которого вертолет может безопасно приземлиться в случае полного отказа двигателя. Следовательно, все одномоторные вертолеты должны продемонстрировать эту возможность для получения сертификата типа . [5]
Самый продолжительный полет на авторотации вертолета в истории был выполнен Жаном Буле в 1972 году, когда он достиг рекордной высоты 12 440 м (40 814 футов) на Aérospatiale SA 315B Lama . Из-за температуры −63 °C (−81,4 °F) на этой высоте, как только он снизил мощность, двигатель загорелся и не мог быть перезапущен. Используя авторотацию, он смог безопасно посадить самолет. [6] Авторотация является нормальным рабочим режимом автожиров ; рекорд расстояния составляет 1653 км. [ необходима цитата ]
Для вертолета «авторотация» означает нисходящий маневр, при котором двигатель отсоединяется от системы несущего винта, а лопасти винта приводятся в движение исключительно восходящим потоком воздуха через винт. Узел свободного хода представляет собой специальный механизм сцепления, который отсоединяется всякий раз, когда скорость вращения двигателя становится меньше скорости вращения винта. Если двигатель выходит из строя, узел свободного хода автоматически отсоединяет двигатель от несущего винта, позволяя несущему винту свободно вращаться.
Наиболее распространенной причиной авторотации является неисправность или отказ двигателя, но авторотация может также выполняться в случае полного отказа хвостового винта или после потери эффективности хвостового винта , [7] поскольку при авторотации практически не создается крутящий момент . Если позволяет высота, авторотация может также использоваться для выхода из состояния вихревого кольца , также известного как урегулирование с мощностью . [2] Во всех случаях успешная посадка зависит от высоты и скорости вертолета в начале авторотации (см. диаграмму высота-скорость ).
В момент отказа двигателя лопасти несущего винта создают подъемную силу и тягу за счет угла атаки и скорости . Немедленно уменьшая общий шаг , что необходимо сделать в случае отказа двигателя, пилот уменьшает подъемную силу и сопротивление , и вертолет начинает немедленное снижение, создавая восходящий поток воздуха через систему несущего винта. Этот восходящий поток воздуха через несущее винт обеспечивает достаточную тягу для поддержания скорости вращения несущего винта на протяжении всего снижения. Поскольку хвостовой винт приводится в движение трансмиссией несущего винта во время авторотации, управление курсом сохраняется как в обычном полете.
На скорость снижения в режиме авторотации влияют несколько факторов: плотность высоты , общий вес , скорость вращения ротора и поступательная воздушная скорость . Основным контролем пилота над скоростью снижения является воздушная скорость. Более высокие или более низкие воздушная скорость достигаются с помощью циклического управления шагом, как и в обычном полете. Скорость снижения высока при нулевой воздушной скорости и уменьшается до минимума примерно при 50-90 узлах, в зависимости от конкретного вертолета и ранее упомянутых факторов. По мере того, как воздушная скорость увеличивается сверх скорости, которая дает минимальную скорость снижения, скорость снижения снова увеличивается. Даже при нулевой воздушной скорости ротор довольно эффективен, так как имеет почти такой же коэффициент сопротивления , как парашют [8] [9], несмотря на то, что состоит из лопастей.
При посадке с авторотации кинетическая энергия, накопленная во вращающихся лопастях, и поступательное движение самолета используются для уменьшения скорости снижения и совершения мягкой посадки. Для остановки вертолета с высокой скоростью снижения требуется большее количество энергии ротора, чем для остановки вертолета, снижающегося медленнее. Поэтому авторотационные спуски на очень низких или очень высоких скоростях полета более критичны, чем те, которые выполняются на минимальной скорости снижения. Оптимальный маневр посадки останавливает все вертикальное движение, горизонтальное движение и вращательное движение внутри судна до идеальной остановки. На практике идеальная посадка редко достижима. [ требуется цитата ]
Каждый тип вертолета имеет определенную воздушную скорость, при которой планирование с выключенным двигателем наиболее эффективно. Лучшая воздушная скорость — это та, которая сочетает в себе наибольшую дальность планирования с наименьшей скоростью снижения. Конкретная воздушная скорость различна для каждого типа вертолета, однако определенные факторы (высота плотности, ветер) влияют на все конфигурации одинаково. Конкретная воздушная скорость для авторотации устанавливается для каждого типа вертолета на основе средних погодных и ветровых условий и нормальной загрузки. [ необходима цитата ]
Вертолет, работающий с тяжелыми грузами на большой высоте или в условиях порывистого ветра, может достичь наилучших характеристик при небольшом увеличении скорости полета при снижении. При малой высоте и малой загрузке наилучшие характеристики достигаются при небольшом снижении нормальной скорости полета. Следуя этой общей процедуре подгонки скорости полета к существующим условиям, пилот может достичь приблизительно того же угла планирования при любых обстоятельствах и оценить точку приземления. Этот оптимальный угол планирования обычно составляет 17–20 градусов. [10]
Во время вертикального авторотационного вращения диск ротора делится на три области — ведомую область, ведущую область и область сваливания. Размеры этих областей изменяются в зависимости от шага лопасти, скорости снижения и скорости вращения ротора. При изменении скорости авторотационного вращения, шага лопасти или скорости снижения размеры областей изменяются по отношению друг к другу.
Ведомая область, также называемая пропеллерной областью, — это область на конце лопастей. Обычно она составляет около 30 процентов радиуса. Именно ведомая область создает наибольшее сопротивление. Общим результатом является замедление вращения лопасти.
Область движения, или область авторотации, обычно лежит между 25 и 70 процентами радиуса лопасти, что создает силы, необходимые для поворота лопастей во время авторотации. Общая аэродинамическая сила в области движения слегка наклонена вперед от оси вращения, создавая постоянную силу ускорения. Этот наклон обеспечивает тягу, которая имеет тенденцию ускорять вращение лопасти. Размер области движения зависит от настройки шага лопасти, скорости снижения и скорости вращения ротора.
Внутренние 25 процентов лопасти ротора называются зоной сваливания и работают выше своего максимального угла атаки (угла сваливания), вызывая сопротивление, которое замедляет вращение лопасти. Постоянная скорость вращения ротора достигается путем регулировки общего шага, так что силы ускорения лопасти из ведущей области уравновешиваются силами замедления из ведомой и зависающей областей.
Управляя размером области управления, пилот может регулировать скорость вращения авторотации. Например, если общий шаг увеличивается, угол тангажа увеличивается во всех областях. Это заставляет точку равновесия смещаться внутрь вдоль размаха лопасти, тем самым увеличивая размер области управления. Область сваливания также становится больше, в то время как область управления становится меньше. Уменьшение размера области управления приводит к уменьшению силы ускорения области управления и скорости вращения. [ оригинальное исследование? ]
Награда «Сломанное крыло» — награда армии США за успешное выполнение авторотации в чрезвычайных условиях. Требования к награде, изложенные в армейском уставе 672-74, следующие: «Член летного экипажа должен посредством выдающегося летного мастерства минимизировать или предотвратить повреждение самолета или травмы персонала во время чрезвычайной ситуации. Член летного экипажа должен продемонстрировать исключительное мастерство при восстановлении самолета из чрезвычайной ситуации в полете». [11]
система ротора автожира работает в режиме авторотации