Тікұшақтың қауіпті аэродинамикалық жағдайы: Вертикалды айналу құбылысы
Vortex ring state
Тікұшақтың қауіпті аэродинамикалық жағдайы: Vortex Ring State (VRS). Көтерілу күшінің кенеттен жоғалуы, себебі мен қалай құтылу жолдары туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Вертолет ұшуына қатысты аэродинамикалық жағдай
Aerodynamic condition related to helicopter flight
Вортекстік сақиналық күй (VRS) – вертолет ұшуы кезінде туындауы мүмкін қауіпті аэродинамикалық жағдай, онда вихрелік сақина жүйесі роторды қамтып, көтерудің күрт жоғалуына әкеледі. Көбінесе «қуатпен түсу» термині синоним ретінде қолданылады, мысалы, Австралияда, Ұлыбританияда және АҚШ-та, бірақ Канадада емес, ол соңғы терминді басқа бір құбылыс үшін пайдаланады. Вортекстік сақиналық күйге ұшақтың негізгі роторының айналасындағы ауа ағыны, ротор қанаттарының ұштарында айналмалы симметриялық нысанға ие болғанда, қанат ұштарындағы ламинарлық ағынмен және ротордан сыртқа қарай бағытталған қарсы ауа ағынымен қол жеткізіледі. Осы жағдайда ротор өзінің төмен қарайтын ағынының әсерінен туындаған қоршаған ағын өрісінің жаңа топологиялық күйіне енеді және кенеттен көтеру қабілетін жоғалтады. Вортекстік сақиналар – сұйық динамикасының таңғаларлық тұрақты құбылысы (топологиялық солитонның бір түрі) болғандықтан, олардан құтылудың ең жақсы жолы – оларды көтеру үшін олардың бойынан аулақ болу және турбуленттілік тудыру үшін максималды қозғалтқыш қуатын пайдалану арқылы оларды бұзу. Сондықтан бұл жағдай көбінесе «жеткіліксіз қуатпен түсу» деп қате түсіндіріледі: жоғары қуатты маневрлер ашық ауада вихрелік сақиналық күйді тудыруы мүмкін, ал төмен биіктікте, қону кезінде оны жоюға да болады. Егер ротордың аэродинамикалық профилін тоқтау күйінде ұстап тұруға жеткілікті қуат болмаса, ал ұшаққа жеткілікті көтеру күші болмаса, вихрелік сақиналық күй жойылғанға дейін ұшақ ауада тұра алмайды және апатқа ұшырайды. Бұл жағдай сондай-ақ кейбір ұшақтарда (tiltrotors) да кездеседі және 2000 жылы V-22 Osprey ұшағының апатқа ұшырауына себеп болды. Вортекстік сақиналық күй 2011 жылы Осама бен Ладенді өлтірген «Нептун найзасы» операциясы кезінде ауыр модификацияланған MH-60 тікұшағының жоғалуына себеп болды.
The vortex ring state (VRS) is a dangerous aerodynamic condition that may arise in helicopter flight, when a vortex ring system engulfs the rotor, causing severe loss of lift. Often the term settling with power is used as a synonym, e. g., in Australia, the UK, and the USA, but not in Canada, which uses the latter term for a different phenomenon. A vortex ring state sets in when the airflow around a helicopter's main rotor assumes a rotationally symmetrical form over the tips of the blades, supported by a laminar flow over the blade tips, and a countering upflow of air outside and away from the rotor. In this condition, the rotor falls into a new topological state of the surrounding flow field, induced by its own downwash, and suddenly loses lift. Since vortex rings are surprisingly stable fluid dynamical phenomena (a form of topological soliton), the best way to recover from them is to laterally steer clear of them, in order to re establish lift, and to break them up using maximum engine power, in order to establish turbulence. This is also why the condition is often mistaken for "settling with insufficient power": high powered manoeuvres can both induce a vortex ring state in free air, and then at low altitude, during landing conditions, possibly break it. If sufficient power is not available to maintain the airfoil of the rotor at a stalled condition, while generating sufficient lift, the aircraft will not be able to stay afloat before the vortex ring state dissipates, and will crash. This condition also occurs with tiltrotors, and it was responsible for an accident involving a V 22 Osprey in 2000. Vortex ring state caused the loss of a heavily modified MH 60 helicopter during Operation Neptune Spear, the 2011 raid in which Osama bin Laden was killed.
Сипаттама
Беттер орталық осьтің айналасында айналуына байланысты, әрбір қанаттың жылдамдығы хаб пен ұстағыш құрылымға қосылған жерінде ең төмен болады. Бұл негізгі физикалық факт әрбір қанаттың ішкі бөлігінің тоқтауға бейім екенін көрсетеді. Алға қарай ұшу кезінде, көтерілу ағынымен (трансляциялық көтерілумен) хаб аймағында жоғары қарай ауа ағысы болмайды. Алға жылдамдық төмендегенде және тік түсу жылдамдығы артқанда, хаб, мачта және қанат ұстағыш құрылымының аймағында қанат беттері болмағандықтан жоғары қарай ағыс пайда болады. Содан кейін, орталық аймақта (яғни, хаб пен қанаттардың ішкі жиектері арасында) жоғары қарай ағыстың көлемі артқан сайын, ішкі қанат бөлімдерінің тудырылған ағысы (ротор жүйесі арқылы төмен қарай тартылатын ауа) жеңіліп қояды. Бұл қанаттардың ішкі бөліктерінің тоқтауын тудырады. Ішкі қанат бөлімдері тоқтағанда, ротор ұшындағы айналымдарға ұқсас екінші айналымдар ротор жүйесінің ортасында және айналасында пайда бола бастайды. Бұл сыртқы айналымдармен бірігіп, айтарлықтай көтерілуді жоғалтуға әкеледі. Тікұшақ пилотының бұл жағдайды тани алмауы және тиісінше әрекет етпеуі жоғары түсу жылдамдығына және катастрофалық жерге соғылуға алып келуі мүмкін.
Because the blades are rotating about a central axis, the speed of each airfoil is lowest at the point where it connects to the hub and grip assembly. This fundamental physical reality means that the innermost portion of each blade has an inherent vulnerability to stalling. In forward flight with translational lift, there is no upward flow (upflow) of air in the hub area. As forward airspeed decreases and vertical descent rates increase, an upflow begins simply because there are no airfoil surfaces in the area of the hub, mast and blade grip assembly. Then, as the volume of upflow increases in the central region (i. e. between the hub and the innermost edges of the airfoils), the induced flow (air pulled or "induced" downwards through the rotor system) of the inner blade sections is overcome. This causes the innermost portions of the blades to begin to stall. As the inner blade sections stall, a second set of vortices, similar to the rotor tip vortices, begins to form in and around the center of the rotor system. This, combined with the outer set of vortices, results in severe loss of lift. The failure of a helicopter pilot to recognize and react to the condition can lead to high descent rates and catastrophic ground impact.
Анықтау және түзету
VRS белгілері – негізгі ротор жүйесіндегі дірілдеу, одан кейін тік төмен түсу жылдамдығының артуы және циклдік басқарудың әлсіреуі. Жеке роторлы тікұшақтарда, айналым сақинасының күйі әдетте циклдік басқаруды қайта қалпына келтіру үшін ұжымдық басқаруды сәл төмендету және циклдік басқаруды бүйірлеме қозғалыс үшін пайдалану арқылы түзетіледі, көбінесе алға қарай ұшуды қамтамасыз ету үшін мұрынды төменге иеді. Екі роторлы тікұшақтарда, қалпына келтіру бүйірлеме циклдік басқару немесе педаль арқылы, немесе екеуінің бірдей қолдануымен жүзеге асырылады. Ұшақ айналым сақинасынан "таза ауаға" шығып, қайтадан көтерілуге қабілетті болады.
The signs of VRS are a vibration in the main rotor system followed by an increasing sink rate and possibly a decrease of cyclic authority. In single rotor helicopters, the vortex ring state is traditionally corrected by slightly lowering the collective to regain cyclic authority and using the cyclic control to apply lateral motion, often pitching the nose down to establish forward flight. In tandem rotor helicopters, recovery is accomplished through lateral cyclic or pedal input or both. The aircraft will fly out of the vortex ring into "clean air", and will be able to regain lift.
Вортекстік сақина күйінен шығу
Айналып өтетін шеңбер күйінен шығу мүмкін, бірақ бұл тік тұру үшін қажетті қуаттан шамамен екі есе көп қуатты талап етеді. Тек бір толық көлемді тікұшақ – Sikorsky S 64 Skycrane, жүксіз болғанда мұны істей алатыны расталган.
It is possible to power out of vortex ring state, but this requires having about twice the power it takes to hover. Only one full scale helicopter, the Sikorsky S 64 Skycrane, is documented as being able to do this, when unladen.
Ұшқыш немесе оператордың реакциясы
Вертолет ұшқыштарына ең көп кездесетін VRS-тен қашу жолы – төменгі жылдамдықтарда түсу жылдамдығын қадағалау. Егер VRS пайда болса, ұшқыштарға жағдайдан шығу үшін алдыңғы циклдік басқаруды қолдану және/немесе ұжымдық рульді төмендету үйретіледі.
Helicopter pilots are most commonly taught to avoid VRS by monitoring their rates of descent at lower airspeeds. When encountering VRS, pilots are taught to apply forward cyclic to fly out of the condition and/or lowering collective pitch.