Состояние вихревого кольца

Состояние вихревого кольца (VRS) — это опасное аэродинамическое состояние, которое может возникнуть во время полета вертолета , когда система вихревых колец охватывает ротор , вызывая серьезную потерю подъемной силы . Часто термин «согласие с властью» используется как синоним, например, в Австралии, Великобритании и США. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} но не в Канаде, где последний термин используется для обозначения другого явления. ^{[ 5 ]}

Состояние вихревого кольца возникает, когда воздушный поток вокруг несущего винта вертолета принимает вращательно-симметричную форму над законцовками лопастей, поддерживаемый ламинарным потоком над законцовками лопастей и противодействующим восходящим потоком воздуха снаружи и от ротора. В этом состоянии ротор попадает в новое топологическое состояние окружающего поля потока, вызванное собственным нисходящим потоком, и внезапно теряет подъемную силу. Поскольку вихревые кольца представляют собой удивительно стабильное гидродинамическое явление (разновидность топологического солитона ), лучший способ избавиться от них — уклоняться от них в боковом направлении, чтобы восстановить подъемную силу, и разрушить их, используя максимальную мощность двигателя. , чтобы создать турбулентность .

Именно поэтому это состояние часто ошибочно принимают за «стабилизацию при недостаточной мощности»: маневры с большой мощностью могут как вызвать состояние вихревого кольца в свободном воздухе, так и затем на малой высоте, в условиях приземления, возможно, разорвать его. Если недостаточно мощности для поддержания профиля несущего винта в остановленном состоянии при одновременном создании достаточной подъемной силы, самолет не сможет оставаться в воздухе до того, как состояние вихревого кольца рассеется, и разобьется.

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

Описание

Поскольку лопасти вращаются вокруг центральной оси, скорость каждого аэродинамического профиля минимальна в точке, где он соединяется со узлом втулки и рукоятки. Эта фундаментальная физическая реальность означает, что самая внутренняя часть каждой лопасти имеет внутреннюю уязвимость к остановке . ^{[ нужна ссылка ]}

При поступательном полете с поступательной подъемной силой отсутствует восходящий поток ( восходящий поток ) воздуха в зоне втулки . По мере уменьшения скорости полета вперед и увеличения скоростей вертикального снижения начинается восходящий поток просто потому, что в районе втулки, мачты и узла рукоятки лопастей нет поверхностей профиля. ^{[ нужна ссылка ]}

Затем, когда объем восходящего потока увеличивается в центральной области (т.е. между ступицей и самыми внутренними краями аэродинамических профилей), индуцированный поток (воздух, втягиваемый или «индуцируемый» вниз через систему несущего винта) внутренних секций лопастей преодолевается. Это приводит к тому, что самые внутренние части лопастей начинают останавливаться . ^{[ нужна ссылка ]}

Когда внутренние секции лопастей останавливаются, в центре роторной системы и вокруг него начинает формироваться второй набор вихрей, похожих на вихри на кончиках ротора. Это, в сочетании с внешним набором вихрей, приводит к серьезной потере подъемной силы. Неспособность пилота вертолета распознать это состояние и отреагировать на него может привести к высокой скорости снижения и катастрофическому столкновению с землей. ^{[ 1 ]}

возникновение

Вертолет обычно сталкивается с этим условием при попытке зависания вне зоны воздействия земли (OGE) без поддержания точного контроля высоты, а также при выполнении захода на посадку с подветренной стороны или крутого захода на посадку с двигателем, когда воздушная скорость ниже эффективной поступательной подъемной силы (ETL). ^{[ 7 ]}

Обнаружение и коррекция

Признаки ВРС – вибрация в системе несущего винта. ^{[ 8 ]} за которым следует увеличение скорости погружения и, возможно, снижение циклической власти. ^{[ 9 ]}

В одновинтовых вертолетах состояние вихревого кольца традиционно корректируется путем небольшого опускания коллектива для восстановления циклического управления и использования циклического управления для бокового движения, часто наклоняя нос вниз для перехода вперед. В вертолетах с тандемным винтом восстановление осуществляется за счет бокового циклического или педального воздействия, 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 «Техника восстановления Вюшара» после обретения недавней популярности, преподавалась Клодом Вюшаром, инспектором Федерального управления гражданской авиации (FOCA) в Швейцарии. В этом методе используется комбинация всех трех элементов управления, чтобы уменьшить потерю высоты и ускорить восстановление: применять циклическое движение в направлении тяги рулевого винта, увеличивать коллективную мощность для набора высоты и координировать действия 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

Выйти из состояния вихревого кольца можно, но для этого потребуется примерно вдвое больше энергии, чем для зависания. Документально подтверждено, что только один полномасштабный вертолет, Sikorsky S-64 Skycrane , способен делать это в порожнем состоянии. ^{[ 13 ]}

Реакция пилота или оператора

Пилотов вертолетов чаще всего учат избегать VRS, отслеживая скорость снижения на более низких скоростях полета. При столкновении с VRS пилотов учат применять циклическое движение вперед для выхода из состояния и/или снижения общего шага . ^{[ 9 ]} В то время как переход к прямому или боковому полету сам по себе облегчит состояние, понижение коллективного усилия для снижения потребности в мощности уменьшает размер вихрей и сокращает количество времени, необходимое для выхода из этого состояния. Однако, поскольку это состояние часто возникает вблизи земли, снижение коллектива может быть невозможным; потеря высоты будет происходить пропорционально скорости снижения, развивавшейся до начала восстановления. В некоторых случаях встречается состояние вихревого кольца, которое может развиться до такой степени, что пилот может серьезно потерять циклическое управление из-за нарушения воздушного потока. В этих случаях единственным выходом для пилота может быть переход на авторотацию, чтобы вывести роторную систему из состояния вихревого кольца. ^{[ 1 ]}

Вертолеты с тандемными винтами

В вертолете с тандемным винтом циклическое движение вперед не останавливает скорость снижения, вызванную VRS. В таком вертолете, который использует дифференциальный общий шаг для набора воздушной скорости, боковые циклические движения должны сопровождаться нажатиями педалей, чтобы выскользнуть горизонтально из возмущенного воздуха вихревого кольца. ^{[ нужна ссылка ]}

Радиоуправляемые мультироторы

Радиоуправляемые мультикоптеры (распространенные на дронах) подчиняются нормальной аэродинамике винтокрылого аппарата, включая состояние вихревого кольца. Конструкция корпуса, размер и мощность влияют на вероятность входа в состояние и выхода из него. Мультироторы, у которых нет функции удержания высоты, также с большей вероятностью подвержены ошибкам оператора, когда пилот слишком быстро сбрасывает аппарат, что приводит к восходящему потоку на ступицах роторов, что может привести к состоянию вихревого кольца. С другой стороны, те, кто оснащен этой функцией, имеют тенденцию автоматически контролировать спуск и обычно (но не всегда) могут избежать опасного состояния. ^{[ 14 ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Справочник по полетам на вертолете, FAA-H-8083-21A (PDF) . Министерство транспорта США, ФАУ, Служба стандартов полетов. 2012. стр. 11-8–11-12, 11-17–11-20.
^ «Требования к оценке AVIY0029 «Эксплуатация авиационных систем дистанционного управления винтокрылом» (PDF) . Правительство Австралии . Проверено 16 апреля 2023 г. распознавание и предотвращение установления состояния силового/вихревого кольца
^ «Экзамены на лицензию частного пилота - 070 Эксплуатационные процедуры самолета и вертолета» (PDF) . Управление гражданской авиации . Проверено 16 апреля 2023 г. Оседание с силой (вихревое кольцо)
^ «Аварийные ситуации и опасности на вертолетах» (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации (ФАУ) . Проверено 16 апреля 2023 г. Состояние вихревого кольца (ранее называемое стабилизацией с учетом мощности) описывает аэродинамические условия, при которых вертолет может находиться в вертикальном снижении с приложенной мощностью от 20 до 100 процентов и с небольшими или нулевыми характеристиками набора высоты. Используемый ранее термин «стабилизация с учетом мощности» возник из-за того, что вертолет продолжает успокаиваться, даже если используется полная мощность двигателя.
^ « Руководство по летной подготовке вертолетов (TP 9982) – Упражнение 26 – Вихревое кольцо » Transport Canada , 20 мая 2010 г. По состоянию на 13 сентября 2014 г.
^ Капаччо, Тони (5 мая 2011 г.). «Вертолет с морскими котиками сбит вихрем, а не механической неисправностью или обстрелом» . Блумберг ЛП
^ Федеральное управление гражданской авиации (декабрь 2019 г.), «11: Аварийные ситуации и опасности на вертолетах» (PDF) , Справочник по полетам на вертолетах , США, стр. 9, ISBN 978-1-61954-992-0 {{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Джонсон, Уэйн. Теория вертолета, стр. 99 + 106, Courier Dover Publications , 1980. По состоянию на 25 февраля 2012 г. ISBN 0-486-68230-7
^ Jump up to: ^а ^б Консультативный циркуляр (AC) 61-13B, Базовое руководство по вертолетам , Министерство транспорта США, Федеральное управление гражданской авиации. 1978 год
^ Такер, Тим (сентябрь 2015 г.). «Полет сквозь вихрь» . Ротор и крыло . Авиация сегодня. Архивировано из оригинала 10 января 2022 года . Проверено 13 февраля 2016 г.
^ Руководство по летной подготовке Robinson R22/R44, Руководство по маневрированию R22, Состояние стабилизации с помощью мощности/вихревого кольца, страница 29, редакция: октябрь 2013 г.
^ «Клод Вюшар и Тим Такер рассказывают историю техники Вюшара» . Вертикальный маг . 29 апреля 2021 г. Архивировано из оригинала 29 апреля 2021 г.
^ Дзюбинский, Адам; Сталевский, Венчислав (2007). «Моделирование состояния вихревого кольца с использованием приводного диска» (PDF) . Instytut Lotnictwa/Институт авиации – кафедра вычислительной гидродинамики . Архивировано (PDF) из оригинала 18 августа 2021 года . Проверено 14 марта 2022 г.
^ «Квадрокоптер «Колебание смерти»: восстановление и предотвращение VRS» . Ютуб . Август 2014. Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 года . Проверено 21 сентября 2014 г.

Внешние ссылки

Состояние вихревого кольца Справочник ФАУ по полетам на вертолетах
Свободно-вихревой след роторов и наклонно-поворотных винтов вертолетов, работающих и переходящих через состояние вихревого кольца
Развенчание мифа об архиве МВ-22
Вихревое кольцо на SKYbrary
Техника восстановления Вюшара — Как избежать состояния вихревого кольца — Видео, показывающее технику восстановления и визуализацию с использованием распыления воды.

[Helo-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Справочник по полетам на вертолете, FAA-H-8083-21A (PDF) . Министерство транспорта США, ФАУ, Служба стандартов полетов. 2012. стр. 11-8–11-12, 11-17–11-20.

[2] «Требования к оценке AVIY0029 «Эксплуатация авиационных систем дистанционного управления винтокрылом» (PDF) . Правительство Австралии . Проверено 16 апреля 2023 г. распознавание и предотвращение установления состояния силового/вихревого кольца

[3] «Экзамены на лицензию частного пилота - 070 Эксплуатационные процедуры самолета и вертолета» (PDF) . Управление гражданской авиации . Проверено 16 апреля 2023 г. Оседание с силой (вихревое кольцо)

[4] «Аварийные ситуации и опасности на вертолетах» (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации (ФАУ) . Проверено 16 апреля 2023 г. Состояние вихревого кольца (ранее называемое стабилизацией с учетом мощности) описывает аэродинамические условия, при которых вертолет может находиться в вертикальном снижении с приложенной мощностью от 20 до 100 процентов и с небольшими или нулевыми характеристиками набора высоты. Используемый ранее термин «стабилизация с учетом мощности» возник из-за того, что вертолет продолжает успокаиваться, даже если используется полная мощность двигателя.

[5] « Руководство по летной подготовке вертолетов (TP 9982) – Упражнение 26 – Вихревое кольцо » Transport Canada , 20 мая 2010 г. По состоянию на 13 сентября 2014 г.

[6] Капаччо, Тони (5 мая 2011 г.). «Вертолет с морскими котиками сбит вихрем, а не механической неисправностью или обстрелом» . Блумберг ЛП

[7] Федеральное управление гражданской авиации (декабрь 2019 г.), «11: Аварийные ситуации и опасности на вертолетах» (PDF) , Справочник по полетам на вертолетах , США, стр. 9, ISBN 978-1-61954-992-0 {{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[wayne-8] Джонсон, Уэйн. Теория вертолета, стр. 99 + 106, Courier Dover Publications , 1980. По состоянию на 25 февраля 2012 г. ISBN 0-486-68230-7

[AC_61-13B-9] Jump up to: ^а ^б Консультативный циркуляр (AC) 61-13B, Базовое руководство по вертолетам , Министерство транспорта США, Федеральное управление гражданской авиации. 1978 год

[10] Такер, Тим (сентябрь 2015 г.). «Полет сквозь вихрь» . Ротор и крыло . Авиация сегодня. Архивировано из оригинала 10 января 2022 года . Проверено 13 февраля 2016 г.

[11] Руководство по летной подготовке Robinson R22/R44, Руководство по маневрированию R22, Состояние стабилизации с помощью мощности/вихревого кольца, страница 29, редакция: октябрь 2013 г.

[12] «Клод Вюшар и Тим Такер рассказывают историю техники Вюшара» . Вертикальный маг . 29 апреля 2021 г. Архивировано из оригинала 29 апреля 2021 г.

[13] Дзюбинский, Адам; Сталевский, Венчислав (2007). «Моделирование состояния вихревого кольца с использованием приводного диска» (PDF) . Instytut Lotnictwa/Институт авиации – кафедра вычислительной гидродинамики . Архивировано (PDF) из оригинала 18 августа 2021 года . Проверено 14 марта 2022 г.

[14] «Квадрокоптер «Колебание смерти»: восстановление и предотвращение VRS» . Ютуб . Август 2014. Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 года . Проверено 21 сентября 2014 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]