Введение

Аэродинамическое состояние, связанное с полетом вертолета

Вихревое кольцо (VRS) – это опасное аэродинамическое состояние, которое может возникнуть в полете вертолета, когда система вихревых колец захватывает ротор, вызывая резкую потерю подъемной силы. Часто термин "потеря подъемной силы при сохранении мощности" используется как синоним, например, в Австралии, Великобритании и США, но не в Канаде, где этот термин применяется к другому явлению. Вихревое кольцо возникает, когда воздушный поток вокруг главного ротора вертолета приобретает осесимметричную форму над концами лопастей, поддерживаемую ламинарным потоком над концами лопастей и встречным восходящим потоком воздуха снаружи и вдали от ротора. В этом состоянии ротор переходит в новое топологическое состояние окружающего поля потока, вызванное собственным нисходящим потоком, и внезапно теряет подъемную силу. Поскольку вихревые кольца – удивительно стабильные явления гидродинамики (форма топологического солитона), лучший способ выйти из этого состояния – это боковое маневрирование для уклонения от них, чтобы восстановить подъемную силу, и разрушить их, используя максимальную мощность двигателя для создания турбулентности. Именно поэтому это состояние часто ошибочно принимают за "потерю подъемной силы при недостаточной мощности": маневры с высокой мощностью могут как спровоцировать вихревое кольцо в свободном полете, так и, на малой высоте во время посадки, разрушить его. Если мощности недостаточно для поддержания профиля ротора в свалившемся состоянии, одновременно создавая достаточную подъемную силу, воздушное судно не сможет оставаться в воздухе до тех пор, пока вихревое кольцо не рассеется, и потерпит крушение. Это состояние также возникает у конвертопланов, и оно стало причиной аварии с участием V-22 Osprey в 2000 году. Вихревое кольцо привело к потере сильно модифицированного вертолета MH-60 во время операции "Копье Нептуна", рейда 2011 года, в ходе которого был убит Усама бен Ладен.

Описание

Поскольку лопасти вращаются вокруг центральной оси, скорость каждого профиля наименьшая в точке соединения с втулкой и системой крепления. Эта фундаментальная физическая реальность означает, что внутренняя часть каждой лопасти обладает естественной склонностью к сваливанию. При поступательном полете с использованием трансляционной подъемной силы в области втулки отсутствует восходящий поток воздуха. По мере уменьшения скорости полета и увеличения вертикальной скорости снижения восходящий поток начинает формироваться, поскольку в области втулки, мачты и системы крепления лопастей отсутствуют аэродинамические поверхности. Затем, с увеличением объема восходящего потока в центральной области (то есть между втулкой и внутренними кромками профилей), индуцированный поток (воздух, притягиваемый или "индуцируемый" вниз через систему несущего винта) внутренних секций лопастей преодолевается. Это приводит к началу сваливания внутренних частей лопастей. По мере сваливания внутренних секций лопастей, в центре и вокруг системы несущего винта начинает формироваться второй набор вихрей, аналогичный вихрям от концов лопастей. Это, в сочетании с внешним набором вихрей, вызывает значительную потерю подъемной силы. Неспособность пилота вертолета распознать и отреагировать на это состояние может привести к высокой скорости снижения и катастрофическому столкновению с землей.

Выявление и коррекция

Признаками ВРК являются вибрация в системе несущего ротора, сопровождаемая увеличением скорости снижения и, возможно, потерей управляемости по циклу. В однороторных вертолетах из вихревого кольца традиционно выводят незначительным уменьшением шага несущего винта для восстановления управляемости по циклу и использованием циклического управления для создания бокового движения, часто с опусканием носа для перехода в полет вперед. В вертолетах с двумя несущими винтами восстановление осуществляется за счет отклонения циклической управления вбок или педалей, или комбинированным способом. Вертолет выйдет из вихревого кольца в "чистый поток" и сможет восстановить подъемную силу.

Выход из состояния вихревого кольца

Можно выйти из состояния вихревого кольца, но для этого требуется примерно вдвое больше мощности, чем для зависания. Задокументировано, что это может сделать только один полноразмерный вертолет – Sikorsky S 64 Skycrane – в негруженом состоянии.

Реакция пилота или оператора

Пилотам вертолетов чаще всего преподают методы избежания Vortex Ring State (VRS) путем контроля скорости снижения на малых скоростях полета. При возникновении VRS пилотам рекомендуется использовать крен вперед для выхода из этого состояния и/или уменьшать шаг несущего винта.