Авторотация — это состояние полета , при котором система несущего винта вертолета или другого винтокрылого самолета вращается под действием воздуха, движущегося вверх через ротор, как в автожире , а не за счет мощности двигателя, приводящего в движение ротор. [1] [2] [3] Термин «авторотация» возник в период ранней разработки вертолетов между 1915 и 1920 годами и относится к роторам, вращающимся без двигателя. [4] Это аналогично планирующему полету самолета. У некоторых деревьев (например, клена ) есть семена, у которых развилась крыловидная структура, которая позволяет семени вращаться до земли в режиме авторотации, что помогает семенам распространяться на более широкую территорию.
Наиболее распространенное использование авторотации в вертолетах - безопасная посадка самолета в случае отказа двигателя или хвостового винта. Это обычная процедура экстренной помощи, которой обучают пилотов вертолетов в рамках их обучения.
При обычном полете вертолета с двигателем воздух всасывается в систему несущего винта сверху и направляется вниз, но во время авторотации воздух поступает в систему несущего винта снизу по мере снижения вертолета. Авторотация разрешена механически благодаря как механизму свободного хода , который позволяет несущему винту продолжать вращаться даже при неработающем двигателе, так и аэродинамическим силам относительного ветра, поддерживающим скорость несущего винта. Это средство, с помощью которого вертолет может безопасно приземлиться в случае полного отказа двигателя. Следовательно, все одномоторные вертолеты должны продемонстрировать эту способность для получения сертификата типа . [5]
Самая длинная авторотация вертолета в истории была выполнена 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 его нельзя было запустить повторно. Используя авторотацию, ему удалось благополучно посадить самолет. [6] Авторотация – нормальный режим работы автожиров ; рекорд дальности - 1653 км.
Для вертолета «авторотация» относится к маневру снижения, при котором двигатель отключается от системы несущего винта, а лопасти несущего винта приводятся исключительно за счет восходящего потока воздуха через ротор. Узел свободного хода представляет собой специальный механизм сцепления, который отключается каждый раз, когда скорость вращения двигателя становится меньше скорости вращения ротора. В случае отказа двигателя блок свободного хода автоматически отсоединяет двигатель от несущего винта, позволяя несущему винту свободно вращаться.
Наиболее распространенной причиной авторотации является неисправность или отказ двигателя, но авторотация также может выполняться в случае полного отказа рулевого винта или после потери эффективности рулевого винта , [7] поскольку крутящий момент практически не создается. Автоматический поворот. Если позволяет высота, авторотация также может использоваться для выхода из состояния вихревого кольца , также известного как стабилизация с мощностью . [2] Во всех случаях успешная посадка зависит от высоты и скорости вертолета в начале авторотации (см. диаграмму высоты-скорости ).
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 несущую систему. Этот восходящий поток воздуха через ротор обеспечивает достаточную тягу для поддержания скорости вращения ротора на протяжении всего спуска. Поскольку во время авторотации рулевой винт приводится в движение от трансмиссии несущего винта, управление курсом сохраняется, как и в обычном полете.
На скорость снижения при авторотации влияют несколько факторов: высота по плотности , полная масса , скорость вращения несущего винта и скорость полета вперед . Основным регулятором скорости снижения для пилота является воздушная скорость. Более высокие или более низкие скорости полета достигаются с помощью циклического управления шагом , как и в обычном полете. Скорость снижения высока при нулевой скорости полета и снижается до минимума примерно при 50–90 узлах, в зависимости от конкретного вертолета и ранее упомянутых факторов. Когда скорость полета превышает скорость, обеспечивающую минимальную скорость снижения, скорость снижения снова увеличивается. Даже при нулевой скорости полета ротор весьма эффективен, поскольку имеет коэффициент сопротивления, близкий к парашюту [8] [9] , несмотря на то, что состоит из лопастей.
При приземлении с авторотации кинетическая энергия, запасенная во вращающихся лопастях, и движение самолета вперед используются для уменьшения скорости снижения и осуществления мягкой посадки. Для остановки вертолета с высокой скоростью снижения требуется большее количество энергии ротора, чем для остановки вертолета, спускающегося с меньшей скоростью. Таким образом, авторотационное снижение на очень низких или очень высоких скоростях более критично, чем снижение на минимальной скорости снижения. Оптимальный маневр приземления останавливает все вертикальные, горизонтальные и вращательные движения внутри корабля до полной остановки. На практике идеальная посадка редко достижима. [ нужна цитата ]
Каждый тип вертолета имеет определенную скорость полета, при которой планирование с выключенным двигателем наиболее эффективно. Наилучшая воздушная скорость — это та, которая сочетает в себе наибольшую дальность планирования с наименьшей скоростью снижения. Конкретная скорость полета различна для каждого типа вертолета, однако определенные факторы (высота по плотности, ветер) влияют на все конфигурации одинаково. Конкретная скорость полета на авторотации устанавливается для каждого типа вертолета исходя из средних погодных и ветровых условий и нормальной загрузки. [ нужна цитата ]
Вертолет, эксплуатируемый с тяжелыми грузами на высоте с большой плотностью полетов или в условиях порывистого ветра, может достичь наилучших характеристик за счет слегка увеличенной скорости полета при снижении. На высоте с низкой плотностью полета и небольшой нагрузкой наилучшие характеристики достигаются за счет небольшого снижения нормальной воздушной скорости. Следуя этой общей процедуре подбора воздушной скорости к существующим условиям, пилот может достичь примерно одного и того же угла планирования в любых обстоятельствах и оценить точку приземления. Оптимальный угол скольжения обычно составляет 17–20 градусов. [10]
При вертикальном авторотации диск несущего винта разделен на три области — ведомую, ведущую и зону сваливания. Размеры этих областей варьируются в зависимости от шага лопастей, скорости снижения и скорости вращения ротора. При изменении скорости вращения авторотации, шага лопастей или скорости спуска размеры областей изменяются по отношению друг к другу.
Ведомая область, также называемая областью пропеллера, представляет собой область на конце лопастей. В норме он составляет около 30 процентов радиуса. Именно рабочая область создает наибольшее сопротивление. Общий результат – замедление вращения лопасти.
Зона движения, или зона авторотации, обычно составляет от 25 до 70 процентов радиуса лопасти, что создает силы, необходимые для поворота лопастей во время авторотации. Общая аэродинамическая сила в зоне движения слегка наклонена вперед от оси вращения, создавая постоянную силу ускорения. Этот наклон создает тягу, которая ускоряет вращение лопасти. Размер зоны привода зависит от настройки шага лопастей, скорости снижения и скорости вращения ротора.
Внутренние 25 процентов лопасти несущего винта называются областью сваливания и работают выше максимального угла атаки (угла сваливания), вызывая сопротивление, которое замедляет вращение лопасти. Постоянная скорость вращения ротора достигается за счет регулирования общего шага таким образом, чтобы силы ускорения лопастей со стороны ведущей области уравновешивались силами замедления со стороны ведомой области и области сваливания.
Контролируя размер зоны движения, пилот может регулировать скорость авторотационного вращения. Например, если общий шаг увеличивается, угол шага увеличивается во всех регионах. Это заставляет точку равновесия перемещаться внутрь по размаху лопасти, тем самым увеличивая размер рабочей области. Область срыва также становится больше, а область движения становится меньше. Уменьшение размера приводной зоны приводит к уменьшению силы ускорения приводной зоны и скорости вращения. [ оригинальное исследование? ]
Премия Broken Wing Award — награда армии США за успешное выполнение авторотации в чрезвычайных условиях. Требования к награде, как указано в Армейском правиле 672-74, таковы: «Член летного экипажа должен, благодаря выдающемуся летному мастерству, минимизировать или предотвратить повреждение самолета или ранение персонала во время чрезвычайной ситуации. Член летного экипажа должен продемонстрировать исключительные навыки при выполнении полетов. восстановление самолета из аварийной ситуации в полете». [11]
Несущая система автожира работает в режиме авторотации