Авторотация вертолета что это
Авторотация.
Вот оно проявление эффекта авторотации :-).
Сегодня поговорим о таком интересном и, несомненно, важном режиме работы воздушного винта, как авторотация. Слово это произошло от греческого «сам» и латинского «вращение». То есть означает оно самовращение. На этом режиме винт не приводится во вращение от двигателя, а вращается сам от набегающего потока воздуха. Говоря умными словами, в работу его вращения превращается энергия этого потока.
Упрощенную, но достаточно наглядную иллюстрацию к этому, я думаю, видел каждый еще в детстве. Я так достаточно хорошо помню, как мы с мальчишками носились по двору с самодельными пропеллерами из бумаги, укрепленными на палочках, и те довольно бойко вращались, раскручиваемые встречным ветром. Ветряные мельницы тоже сродни этим маленьким пропеллерам, и даже серфингисты, оседлавшие крутые океанские волны, имеют определенное отношение к явлению авторотации :-).
Скоростной напор воздуха давит на расположенные под углом к нему лопасти винта и заставляет их как бы съезжать по нему :-). Лопасти двигаются, а так как один их конец закреплен на оси вращения винта, то движение переходит в обычное вращение. Ну, а дальше с винтом происходит то же самое, что и с крылом при его движении в воздушной среде. Все, кто читал статьи рубрики «Аэродинамика. Элементарно» это уже знает :-). На каждую лопасть (а они все имеют аэродинамический профиль) действуют аэродинамические силы, далее они действуют на винт и, в конечном итоге, на летательный аппарат, в соответствии с его предназначением.
Авторотация возможна для любого винта, и самолетного, и вертолетного. Но только для одного летательного аппарата этот режим полета является штатным. Название у этого аппарата несколько необычно для русского уха – автожир :-). О нем я вам расскажу в одной из следующих статей. А сейчас вернемся к нашим…(нет, не баранам :-)) традиционным летательным аппаратам.
Пример флюгирования винта.
Турбовинтовой двигатель с зафлюгированными лопастями винта.
Авторотация актуальна и для турбореактивного двигателя. Ведь его газовоздушный тракт «открыт всем ветрам», а турбина как раз и приспособлена для раскрутки от набегающего потока. Поэтому ротор ТРД в случае выключения в полете продолжает вращаться в результате авторотации и может быть запущен в воздухе, с использованием этого вращения. Разворот лопаток турбины и компрессора, как лопастей у винтового двигателя, у ТРД невозможен (да и нецелесообразен :-)), но двигатель, чей ротор вращается на авторотации, создает значительно меньшее аэродинамическое сопротивление, чем если бы ротор был неподвижен.
Вертолет. Здесь ситуация несколько иная. Дело в том, что хотя режим авторотации и является аварийным, но с его помощью вертолет может произвести мягкую посадку с неработающим двигателем. Правда при соблюдении некоторых условий. При работе двигателя в штатном режиме плоскость вращения винта обычно наклонена вперед и воздушный поток поступает на винт сверху. При отказе двигателя (или его выключении) вертолет начинает снижаться, и поток попадает на винт уже снизу. Появляется авторотация, но принципы обтекания лопастей воздушным потоком от этого не меняются.
Направление воздушного потока на разных режимах полета.
Выше я уже говорил, что воздушный поток, оказывая сильное давление на лопасти винта, заставляет его вращаться в ту же сторону, что и при работающем двигателе, и одновременно на лопастях (по аналогии с крылом) возникают аэродинамические силы ( в том числе и подъемная сила), которые сильно замедляют вертикальное снижение вертолета. При этом для правильной организации процесса снижения необходимо контролировать угол атаки лопастей (или же шаг винта, что в данной ситуации то же самое). Я не ошибся, употребив слово «организация». Процесс аварийного снижения (хоть и с выключенным двигателем) можно в определенной степени контролировать путем изменения углов атаки лопастей (шага винта) с помощью автомата перекоса точно также, как и в обычном полете.
В начале процесса снижения шаг винта должен быть уменьшен до минимума для обеспечения раскрутки винта. При большом шаге винт замедляет вращение и может даже начать вращаться в обратную сторону, что абсолютно нежелательно :-). Далее летчик контролирует скорость набегающего потока и, соответственно, вертикальную скорость снижения путем изменения шага винта.
Силы действующие на профиль лопасти винта вертолета при авторотации.
Снижение вертолета на авторотации происходит обычно «по самолетному». То есть аппарат снижается и двигается вперед одновременно. Перед самой землей летчик резко увеличивает шаг винта, подъемная сила ощутимо возрастает ( за счет кинетической энергии раскрученного винта), и вертикальная скорость становится практически равной нулю. Вертолет мягко садится с небольшой горизонтальной скоростью «по самолетному». Существует также возможность чисто вертикального снижения. Однако оно практически не используется, потому что его скорость в два-три раза выше вертикальной скорости снижения «по самолетному», которая обычно равна 25-30 м/с. Такую скорость погасить полностью перед приземлением невозможно. И это уже мягкой посадкой не назовешь :-).
То есть авторотация делает возможность благополучной посадки вертолета вполне реальной. Но вертолеты тем не менее падают… В чем же дело? Выше я уже упомянул об определенных условиях, необходимых для мягкой посадки. Их всего-то два, но без них удачи не видать :-).
Первое условие объективное и от экипажа вертолета не зависит, к сожалению. Для того, чтобы успеть использовать эффект авторотации для осуществления мягкой посадки нужно, чтобы вертолет в момент перехода на аварийный режим имел достаточный запас высоты, либо обладал достаточной горизонтальной скоростью. Либо то, либо другое (а лучше, когда и то, и другое вместе :-)) нужно для того, чтобы винт успел раскрутиться и аэродинамические силы достигли величин, достаточных для спасения. Иначе полет скорей всего закончится трагично. Последнее предложение больше относится к военным вертолетам, потому что они очень часто выполняют свои задачи на малых высотах.
Ну, а второе – это обучение пилотов и конструктивные возможности вертолетов. Каждый вертолет при своем создании проверяется на возможность использования режима авторотации, и каждый летчик обучается управлять вертолетом на этом режиме. Управление это не совсем простое и необходимы навыки для осуществления безопасной посадки.
Вертолет Aerospatiale SA.315B Lama.
Звучит это, конечно, впечатляюще… Но лучше, я вам скажу, чтобы необходимости осуществлять аварийные посадки не возникало. Хватит с нас и тренировок :-).
В заключении предлагаю вам посмотреть три ролика. Первый — компьютерное воспроизведение посадки вертолета КА-50 на авторотации. Второй и третий — это вид посадки со стороны. Хорошо видно как перед посадкой пилот увеличивает шаг лопастей и вертолет «задирает нос».
Что такое авторотация, или Как посадить вертолет при отказе двигателей
Если во время полета у самолета отказывают двигатели, пилот имеет шанс спланировать и спасти машину и пассажиров. Бытует мнение, что раз у вертолета нет крыльев, то он не может планировать. Неужели отказ двигателя означает гибель винтокрылой машины? Нет, вертолет может совершить посадку в режиме авторотации винта.
В случае неполадок с двигателем вертолет можно посадить в режиме авторотации
Авторотация – вращение несущего винта вертолета с помощью набегающего потока воздуха. Во время авторотации создается подъемная сила, достаточная для планирования, маневрирования и мягкой посадки судна.
Режим авторотации чаще всего используется для аварийной посадки вертолета при отказе двигателя. Также она применяется, когда выходит из строя рулевой винт (или нарушается управление по рысканью), в результате чего продолжать нормальный полет невозможно.
Авторотация – это аварийный режим, который тем не менее необходимо освоить любому пилоту, но только под руководством опытного инструктора. От умения управлять вертолетом в режиме авторотации зависит жизнь экипажа и пассажиров.
Как работает авторотация
Когда несущий винт вертолета раскручивается за счет энергии двигателя, он создает нисходящий воздушный поток и функционирует по принципу пропеллера, который ориентирован в пространстве горизонтально.
Если во время полета перестает работать двигатель, скорость вращения винта начнет падать, а машина ‒ терять скорость и снижаться. В этот момент на лопасти начинает действовать набегающий снизу поток воздуха. Это воздействие, при соблюдении определенных условий, раскручивает несущий винт, который снова создает подъемную силу. В режиме авторотации винт работает как горизонтально ориентированная ветряная мельница.
Чтобы при авторотации кинетическая энергия не тратилась на вращение двигателя, в вертолетах используется обгонная муфта. Это элемент трансмиссии, который блокирует передачу крутящего момента с ведомого вала на ведущий. Обгонные муфты также используются в велосипедах. Благодаря этим устройствам педали не вращаются, когда велосипедист едет с горы по инерции.
Кстати, у гиропланов (автожиров) несущий винт вращается и создает подъемную силу только за счет авторотации. Воздушные суда этого типа похожи на вертолеты внешне, но летают они скорее по принципу самолетов.
Несущий винт гиропланов всегда работает в режиме авторотации
Как посадить вертолет в режиме авторотации
Аварийная посадка в режиме авторотации входит в курс подготовки пилотов гражданских вертолетов. Алгоритм действия летчика зависит от типа воздушного судна, высоты и скорости полета, места посадки и других факторов. Схематически его можно описать так:
Легкие вертолеты, например, Robinson R44, в режиме авторотации под управлением опытного пилота могут ненадолго зависать в воздухе. Благодаря этому посадка получается мягкой. Управлять тяжелыми воздушными судами при отказе двигателя сложнее. Поэтому посадить их с помощью авторотации без повреждений удается не всегда, но такие вертолеты всегда снабжены двумя двигателями, что значительно повышает уровень безопасности.
Видео посадки вертолета в режиме авторотации
Двойной рекорд Жана Буле
Французский пилот Жан Буле в 1972 году установил за один полет сразу два рекорда, которые не побиты до настоящего времени. Летчик рассчитывал достичь рекордной высоты на своем Aérospatiale SA.315B Lama. Это ему удалось: машина поднялась на фантастическую высоту ‒ 12 442 метра над уровнем моря.
А вот второй рекорд получился спонтанным. У Жана Буле не оставалось выбора, так как на огромной высоте из-за перегрузок вышел из строя двигатель. Пилот перешел в режим авторотации и посадил машину. Летчик и его машина даже не получили повреждений.
Жан Буле в кабине вертолета
После необычного полета Жан Буле остался в авиации. До выхода на пенсию он работал летчиком-испытателем ВВС Франции.
Авторотация – «штатный внештатный режим»
Режим авторотации позволяет мягко посадить вертолет в случае отказа двигателя. Выход из строя силовой установки – это, без сомнения, крайне опасная аварийная ситуация. В таких условиях у летчиков остается единственный шанс избежать катастрофы, но действовать необходимо быстро. Именно поэтому в программу подготовки пилотов вертолетов входит тренировка посадки в режиме авторотации. Конечно, для гарантированно мягкой посадки в тренировочных полетах за несколько метров до земли двигатель вновь запускают, но навык закрепляется и совершенствуется без малейшего вреда для воздушного судна и его экипажа.
Пилотов готовят к посадке со свободно вращающимся винтом в расчете на то, что они будут действовать в аварийной ситуации так же уверенно и спокойно, как и во время штатного полета. А это повышает безопасность пассажиров и вероятность мягкой посадки.
Что такое авторотация, или Как посадить вертолет при отказе двигателей
Если во время полета у самолета отказывают двигатели, пилот имеет шанс спланировать и спасти машину и пассажиров. Бытует мнение, что раз у вертолета нет крыльев, то он не может планировать. Неужели отказ двигателя означает гибель винтокрылой машины? Нет, вертолет может совершить посадку в режиме авторотации винта.
Авторотация – вращение несущего винта вертолета с помощью набегающего потока воздуха. Во время авторотации создается подъемная сила, достаточная для планирования, маневрирования и мягкой посадки судна.
Режим авторотации чаще всего используется для аварийной посадки вертолета при отказе двигателя. Также она применяется, когда выходит из строя рулевой винт (или нарушается управление по рысканью), в результате чего продолжать нормальный полет невозможно.
Авторотация – это аварийный режим, который тем не менее необходимо освоить любому пилоту, но только под руководством опытного инструктора. От умения управлять вертолетом в режиме авторотации зависит жизнь экипажа и пассажиров.
Как работает авторотация
Когда несущий винт вертолета раскручивается за счет энергии двигателя, он создает нисходящий воздушный поток и функционирует по принципу пропеллера, который ориентирован в пространстве горизонтально.
Если во время полета перестает работать двигатель, скорость вращения винта начнет падать, а машина ‒ терять скорость и снижаться. В этот момент на лопасти начинает действовать набегающий снизу поток воздуха. Это воздействие, при соблюдении определенных условий, раскручивает несущий винт, который снова создает подъемную силу. В режиме авторотации винт работает как горизонтально ориентированная ветряная мельница.
Чтобы при авторотации кинетическая энергия не тратилась на вращение двигателя, в вертолетах используется обгонная муфта. Это элемент трансмиссии, который блокирует передачу крутящего момента с ведомого вала на ведущий. Обгонные муфты также используются в велосипедах. Благодаря этим устройствам педали не вращаются, когда велосипедист едет с горы по инерции.
Кстати, у гиропланов (автожиров) несущий винт вращается и создает подъемную силу только за счет авторотации. Воздушные суда этого типа похожи на вертолеты внешне, но летают они скорее по принципу самолетов.
Как посадить вертолет в режиме авторотации
Аварийная посадка в режиме авторотации входит в курс подготовки пилотов гражданских вертолетов. Алгоритм действия летчика зависит от типа воздушного судна, высоты и скорости полета, места посадки и других факторов. Схематически его можно описать так:
Легкие вертолеты, например, Robinson R44, в режиме авторотации под управлением опытного пилота могут ненадолго зависать в воздухе. Благодаря этому посадка получается мягкой. Управлять тяжелыми воздушными судами при отказе двигателя сложнее. Поэтому посадить их с помощью авторотации без повреждений удается не всегда, но такие вертолеты всегда снабжены двумя двигателями, что значительно повышает уровень безопасности.
Видео посадки вертолета в режиме авторотации
Двойной рекорд Жана Буле
Французский пилот Жан Буле в 1972 году установил за один полет сразу два рекорда, которые не побиты до настоящего времени. Летчик рассчитывал достичь рекордной высоты на своем Aérospatiale SA.315B Lama. Это ему удалось: машина поднялась на фантастическую высоту ‒ 12 442 метра над уровнем моря.
А вот второй рекорд получился спонтанным. У Жана Буле не оставалось выбора, так как на огромной высоте из-за перегрузок вышел из строя двигатель. Пилот перешел в режим авторотации и посадил машину. Летчик и его машина даже не получили повреждений.
После необычного полета Жан Буле остался в авиации. До выхода на пенсию он работал летчиком-испытателем ВВС Франции.
Авторотация – «штатный внештатный режим»
Режим авторотации позволяет мягко посадить вертолет в случае отказа двигателя. Выход из строя силовой установки – это, без сомнения, крайне опасная аварийная ситуация. В таких условиях у летчиков остается единственный шанс избежать катастрофы, но действовать необходимо быстро. Именно поэтому в программу подготовки пилотов вертолетов входит тренировка посадки в режиме авторотации. Конечно, для гарантированно мягкой посадки в тренировочных полетах за несколько метров до земли двигатель вновь запускают, но навык закрепляется и совершенствуется без малейшего вреда для воздушного судна и его экипажа.
Пилотов готовят к посадке со свободно вращающимся винтом в расчете на то, что они будут действовать в аварийной ситуации так же уверенно и спокойно, как и во время штатного полета. А это повышает безопасность пассажиров и вероятность мягкой посадки.
Aarc blog
6 ноября 2010 г.
Теория авторотации.
Первое, что надо понять, изучая авторотацию, что лопасти это вращающиеся крылья. Несложно представить себе самолет, летящий без мотора (планер), но несколько сложнее представить, что вертолет может делать то же самое. Если осознать, что каждая лопасть вертолета работает как крыло планера, то авторотация становится более понятной. Окончательно разобраться в этом вопросе поможет диаграмма сил, действующих на лопасть во время авторотации.
Лопасть. Полет под тягой.
 |
| 1. Набегающий поток воздуха (rotational flow), 2. Нисходящий поток воздуха (downward induced flow), 3. Результирующий поток (relative wind), 4. Угол атаки (angle of attack), 5. Шаг лопасти (Pitch angle), 6. Подъемная сила (Lift). 7. Вертикальная составляющая подъемной силы, 8. Аэродинамическое сопротивление (Induced drag), 9. Сопротивление профиля (Profile drag). |
 |
| 1. Набегающий поток воздуха (rotational flow), 2. Восходящий поток (up flow), 3. Результирующий поток (relative wind), 4. Угол атаки (angle of attack), 5. Шаг лопасти (Pitch angle), 6. Подъемная сила (Lift). 7. Вертикальная составляющая подъемной силы, 8. Приводящая сила (Pro-autorotative force), 9. Сопротивление профиля (Profile drag). |
Относительно высокая скорость движения внешней части лопасти складывается с восходящим потоком и приводит к тому, что результирующий поток приближается к горизонтальной линии. В этом случае подъемная сила направлена больше вверх, чем вперед и в результате создает меньше приводящей силы. В этой зоне сопротивление профиля наибольшее и создает наибольшую силу сопротивления, которая противодействует приводящей силе. Эта зона увеличивается с уменьшением шага лопастей и увеличением скорости вращения лопастей, поэтому уменьшает зону авторотации и увеличивает скорость спуска.
 |
| 1. Набегающий поток воздуха (rotational flow), 2. Восходящий поток (up flow), 3. Результирующий поток (relative wind), 4. Угол атаки (angle of attack), 5. Шаг лопасти (Pitch angle), 6. Подъемная сила (Lift). 7. Вертикальная составляющая подъемной силы, 8. Приводящая сила (Pro-autorotative force), 9. Сопротивление профиля (Profile drag). |
Вместе с изменением шага лопастей и оборотов ротора, три зоны перемещаются и изменяются по все длине лопасти. Во время авторотации важно так управлять шагом и оборотами, чтобы наиболее рационально использовать эти зоны.
Заход на авторотацию.
Если мотор глохнет во время полета при положительных шагах, то в этот момент вектор подъемной силы отклонен назад и обороты быстро снижаются из-за высокой силы аэродинамического сопротивления. Пилоту нужно быстро убавить шаги ротора, что бы остановить рост зоны сваливания.
Торможение (Flare).
Приближаясь к земле, пилот начинает торможение, за счет чего переводит горизонтальную скорость модели в энергию вращения ротора. Во время торможения увеличивается поток восходящего через ротор воздуха, за счет этого вектор подъемной силы сильнее наклоняется вперед и сильнее раскручивает ротор.
 |
| 1. Набегающий поток воздуха (rotational flow), 2. Восходящий поток (up flow), 3. Результирующий поток (relative wind), 4. Угол атаки (angle of attack), 5. Шаг лопасти (Pitch angle), 6. Подъемная сила (Lift). 7. Вертикальная составляющая подъемной силы, 8. Приводящая сила (Pro-autorotative force), 9. Сопротивление профиля (Profile drag). |
Посадка.После того, как горизонтальная скорость погашена, вертолет переходит в висение и здесь энергия ротора начинает интенсивно расходоваться, поддерживая висение модели. Важно не израсходовать всю энергию, а мягко посадить модель до того, как зона срыва покроет всю лопасть.
Заключение.
Надеюсь, это описание поможет лучше понять принцип авторотации. С помощью шага лопастей вы меняете направление и силу результирующего потока, подъемной силы и приводящей силы. Правильная работа шагом во время спуска, торможения и посадки избавит от необходимости покупать новые шасси и позволит выполнить красивую авторотацию, которую непременно оценят ваши зрители.
Оригинальный текст: Art Koral, http://www.rchelimag.com/pages/howto.php?howto=13
Книга INTRODUCTION TO HELICOPTER AERODYNAMICS WORKBOOK
Перевод: Oleg
14 комментариев:
Олег, спасибо большое за столь кропотливый и полезный труд!
Stall можно перевести еще как «сваливание», если идет речь о самолетах 😉
С самолетами согласен, но в случае с вертолетом часть лопасти всегда находится в состоянии срава потока, в то время, как остальная часть лопасти создает подъемную силу. К такой ситуации, на мой взгляд, термин «сваливание» не подходит, поскольку модель нормально управляется. С другой стороны, когда с падением оборотов вся поверхность лопасти перестает держать вертолет, то здесь термин «сваливание» вполне применим.
Не удержался. «С помощью шага лопастей вы меняете направление и силу результирующего потока, подъемной силы и приводящей силы. Правильная работа шагом во время спуска, торможения и посадки избавит от необходимости покупать новые шасси и позволит выполнить красивую авторотацию, которую непременно оценят ваши зрители.» Есть шаг общий и циклический. Общий шаг меняет углы установки всех лопастей, а циклический (ручка управления) меняет углы установки циклически. Так вот работа шагом приводит только к изменению тяги несущего винта (изменение вертикальной скорости снижения), направление тяги меняет ручка управления. Всем этим управляет автомат перекоса. На реальном вертолете при полете на режиме самовращения несущего винта (РСНВ) шаг всегда на полу до момента подготовки к посадке. Поступательная скорость поддерживается ручкой управления.
«Важно не израсходовать всю энергию, а мягко посадить модель до того, как зона срыва покроет всю лопасть.» Да никаких зон срыва на РСНВ не бывает.Просто из-за большого шага (12 град) возникает большое сопротивлене вращению и обороты энергично падают. Это есть причина уменьшения тяги, увеличения вертикальной скорости и естественно грубой посадке.
На втором рисунке нужно изображение лопасти мысленно повернуть по часовой стрелке так, чтобы вектор 7 совпал с основным валом вертолета, тогда все встнет на свои места и подъемная сила начнет тормозить вертолет. Единственное, почему я не повернул изображение, чтобы было проще сравнивать силы между первой и второй картинкой.
Вы абсолютно правильно говорите про векторы, профили и подъемную силу, но в статье все именно так и описано. Не вижу противоречия.
Вы все немного заблуждаетесь.
На натуральных пилотируемых вертолётах шаг не перекидывается на обратный.Шаг меняется от 0 до 12 и выше гр. Кому интересно почетайте спец руководство(теория полёта вертолёта, и теория НВ) В подобных руководствах подробно описаны разложение векторов. Вертолёты на авторотации идут на небольшом положительном шаге(здесь скорее потдержание оборотов, а не автовращение) у земли вертолётчик произвот подрыв НВ(увиличевает шаг), но на деле это мало помогает ибо большая масса ЛА, на отрицательном же шаге натуральный вертолёт наберёт большую вертекальную скорость и наврятли погасит её по этому на вертолётах реальных только положительные шаги, не надо путать модель и реальный вертолёт, у них и автомат перекоса немного отличается. А у автожира обратный принцип ротор крутется в обратную сторону на положительных шагах и создаёт подёмную силу. Модель вертолёта, я согласен с небольшой массой и относительно большой массой ротора можно посадить на авторотации на отрецательном шаге с пробегом без подрыва НВ, и почти вертикально с подрывом НВ.