что такое авторотация у вертолета
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 у вертолета
Суровый технарь запись закреплена
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:
Сразу после отказа двигателя пилот должен перейти на режим авторотации. Благодаря наличию муфты холостого хода несущий винт будет вращаться под воздействием набегающего снизу потока воздуха без сцепления с валом двигателя.
Если после отказа двигателя скорость вращения винта резко снизилась, его необходимо раскрутить. Пилот должен уменьшить общий шаг до минимального. Это раскручивает винт, но уменьшает создаваемую им подъемную силу. Одновременно летчик должен оценить высоту и скорость снижения судна и установить стабилизированный режим снижения с помощью органов управления.
Если после отказа двигателя винт вращается с высокой скоростью, машина будет снижаться довольно быстро. Это компенсируется увеличением шага, что повышает, однако, сопротивление несущего винта и уменьшает его обороты.
За несколько метров до земли пилоту необходимо достаточно резко увеличить шаг и компенсировать увеличение угла тангажа вертолета отдачей ручки управления «от себя». Это практически останавливает горизонтальное движение машины, однако и обороты несущего винта при этом резко снижаются. Вертолет относительно плавно опускается на землю. В идеале, спуск получается почти вертикальным или с коротким пробегом.
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.
Что такое авторотация у вертолета
Когда в полете шум двигателя вертолета неожиданно затихает, и остается только звук ветра, его экипаж не надевает судорожно парашют и не дергает за стартовый рычаг катапульты. В вертолете это не поможет, да и высота часто мала для прыжков. Пилот, не теряя самообладания, переводит вертолет в режим авторотации и пытается спасти машину от катастрофы. Коптеры не самолеты, они не умеют планировать, и аэродинамика вертолета без работающего двигателя ничем не отличается от утюга. Что же такое авторотация?
Всем наверное известен эффект флюгера, помните такую детскую игрушку? Полоска бумаги, надорванная пополам вдоль до середины с отогнутыми половинками в форме Y. Бумажный такой вертолетик. Кидаешь его с высоты, он крутится и медленно опускается вниз. За счет этого же эффекта и происходит авторотация.
У вертолета соотношение массы и размеров лопастей совершенно отличается от бумажного аналога. И если оставить процесс падения на самотек, то установившаяся скорость падения будет сильно велика, так что при ударе об землю смертей не избежать. Чтобы замедлить падение, приходится делать так:
1) Первым делом войдем в режим авторотации. Ни к чему ротору зря ворочать двигатель, с толкача не заведется, по этому отпустим ось ГР, убрав, если можно так выразиться, сцепление. В разных вертолетах это выполнено конструктивно по-разному.
2) Раскрутка. Раскручиваем ротор, увеличивая шаг, тогда винт будет больше «загребать» воздух и раскручиваться. На стадии раскрутки два важных фактора, определить установившуюся скорость падения и запас высоты для торможения. Скорость падения должна быть такой, чтобы при «затяжелении» винта при посадке, он конструктивно выдержал и не разрушился. Раскрутка нужна, чтобы при посадке, за счет инерции ГР, скомпенсировать массу вертолета.
3) Посадка. Резко уменьшаем шаг винта, «затяжеляем» его. На таких углах атаки лопастей главный ротор превращается в псевдо-крыло и работает как парашют. Так как он накопил кинетическую энергию при раскрутке, он замедлится не сразу, и будет создавать подъемную силу, пока не затормозится. Вследствие этого вертолет значительно уменьшит скорость падения, не совсем конечно, чтоб зависнуть, закон сохранения энергии не перехитрить, но достаточно, чтобы совершить вынужденную посадку и не разбиться. Иногда стадия раскрутки не нужна, особенно если вертолет легкий.
А теперь обломы нашего городка. Вы, наверное, потираете ручки в предвкушении посадок на авторотации в MSFS 98, ан нет, программисты из Мелкософта не предусмотрели такой режим. Двигатель в нем выключается лишь при сбросе газа и шага до нуля, а отключение его из меню не предусмотрено, будем надеяться, что в следующей версии симулятора будет предусмотрена авторотация или может какой-нибудь патч выйдет. Следующий облом. Мы забыли, что хвостовой ротор тоже не работает в нормальном режиме, так как он через вал соединен с двигателем. По этому при падении нужно учитывать вращение вертолета, чтобы не завалиться в штопор, из которого выхода уже не будет. Этого можно попытаться избежать, наклонив ГР так, чтобы он компенсировал отсутствие ХР. Иногда валы ГР и ХР сопрягают так, чтобы в режиме авторотации ХР брал часть вращательной кинетической энергии от ГР.
Замечу, кстати, что в военных вертолетах в настоящее время устанавливают катапультируемые кресла, и механизмы отстрела лопастей, так как они работают на малой высоте и не могут успеть сесть на авторотации, либо могут повредить лопасти, что тоже исключает возможность благополучной посадки.
Во многих странах лицензии на полеты в городах получают лишь вертолеты с двумя двигателями, причем требуется, чтобы при одном двигателе он мог реализовывать зависание при полной предусмотренной загрузке.
Авторотация
Авторотация (др.-греч. αὐτός — сам; лат. rotatio — вращение) — режим вращения воздушного винта летательного аппарата или турбины двигателя, при котором энергия, необходимая для вращения, отбирается от набегающего на винт потока. Термин появился между 1915 и 1920 годами в период начала разработок вертолётов и автожиров и означает вращение несущего винта без участия двигателя.
На самолётах, использующих в качестве движителя воздушные винты без изменяемого шага, авторотация винта (вращение от набегающего потока) возникает при отказе или выключении двигателя в полёте. При этом возникает сильное сопротивление потоку и, в случае отказа одного двигателя на консоли крыла, сильный разворачивающий и кренящий момент, что существенно усложняет управление летательным аппаратом и может привести к его падению. Для предотвращения этого неприятного явления все современные турбовинтовые двигатели имеют системы автоматического и ручного флюгирования, в случае остановки двигателя в полёте устанавливающие (поворачивающие) лопасти воздушного винта «по потоку». Винт при этом имеет минимальное лобовое сопротивление и не вращается. Для запуска турбовинтового двигателя в полёте винт выводится из флюгерного положения и начинает раскручивать двигатель. При достижении определённой частоты вращения включается система зажигания и подача топлива — «запуск на авторотации».
Ротор турбореактивных двигателей в случае их выключения в полёте также может вращаться от набегающего потока в режиме авторотации.
Для вертолётов в отечественной практике для обозначения авторотации несущего винта установился термин «самовращение несущего винта» (СНВ). При штатном полёте вертолёта, с включённым двигателем, воздушный поток поступает сверху и выходит снизу — несущий винт работает в режиме «пропеллер». В режиме СНВ несущий винт вертолёта раскручивается от встречного набегающего потока, одновременно создавая подъёмную силу. Авторотация возможна потому, что несущий винт оказывается при таком обтекании в режиме «ветряка». Для снижения механических потерь в режиме СНВ между двигателем и несущим винтом установлена обгонная муфта (существуют несколько её конструктивных решений).
Например, на вертолете Ми-8 обгонные муфты установлены между свободной турбиной и главным редуктором. Поэтому в режиме СНВ от несущего винта приводятся во вращение главный редуктор, который раздает крутящий момент на хвостовой винт, насосы гидросистем и генератор переменного тока (и некоторые другие агрегаты вертолета). Вертолет сохраняет управляемость и питание пилотажных приборов кабины.
Используя авторотацию, вертолёт может произвести безопасную посадку при отказе одного или двух двигателей, поэтому возможность безопасной посадки на авторотации является обязательной для прохождения сертификации производителями вертолётов.
Режим авторотации является рабочим для автожира. Поляра вращающегося несущего винта автожира очень похожа на поляру крыла, поэтому полет на автожире по технике пилотирования больше напоминает полет на самолете, чем на вертолете.
Содержание
Использование
На вертолётах наиболее частая причина использования авторотации — это неисправность двигателя, но авторотация также может использоваться и в случае полного отказа рулевого винта, поскольку при авторотации отсутствует реактивный момент, создаваемый несущим винтом. В некоторых экстремальных ситуациях авторотация может использоваться для выхода из вихревого кольца, если позволяет высота.
На одновинтовых вертолётах при отказе двигателя несущий винт, продолжая двигаться по инерции, какое-то время будет по прежнему создавать подъёмную силу. Действия пилота при отказе одного или обоих двигателей в первую очередь зависят от направления вращения несущего винта. Например, при правом вращении несущего винта, в момент отказа двигателей, тангаж вертолета самопроизвольно увеличивается, с разворотом по рысканию влево. Пилот парирует угол рыскания отклонением педалей (изменением шага хвостового винта), а тангаж — плавной отдачей ручки от себя. Одновременно пилот должен уменьшить шаг винта до минимально возможного, чтобы не дать винту потерять угловую скорость. Из-за уменьшения шага винта вертолет начинает быстро снижаться, обеспечивая сильный набегающий снизу поток воздуха. Набегающий поток воздуха оказывает сильное воздействие на винт, раскручивая его в том же направлении, в котором он вращался. Направление вращения остается тем же по законам аэродинамики, для понимания процесса можно провести аналогию между лопастью винта и планированием самолёта с выключенным двигателем.
Несколько факторов влияют на скорость снижения в режиме авторотации: плотность воздуха, вес вертолёта, частота вращения винта, скорость набегающего потока воздуха. Для контроля скорости снижения пилот в первую очередь контролирует скорость набегающего потока воздуха. Уменьшение или увеличение скорости регулируется шагом винта, как и при нормальном полете. Установившаяся скорость вертикального снижения составляет приблизительно 25-30 м/с и зависит от модели вертолёта и факторов, описанных выше. Такая скорость не может быть погашена только за счет инерции несущего винта и при отсутствии достаточной для набора горизонтальной скорости высоты посадка невозможна. Военные вертолёты работают на малой высоте, поэтому для спасения экипажа иногда устанавливают катапультируемые кресла и предусматривают отстрел лопастей несущего винта перед катапультированием.
За время снижения несущий винт накапливает большую кинетическую энергию за счёт своей массы и скорости вращения. За несколько метров до земли пилот с определенным темпом увеличивает шаг несущего винта (устоялся жаргонизм «подрыв винта»). За счет кинетической энергии вращения несущий винт при «подрыве» создает дополнительную подъёмную силу, при этом частота вращения винта уменьшается. Вертикальная скорость снижается до приемлемых величин (примерно 5-6 м/с), и вертолёт производит посадку. Вид посадки зависит от полетной массы вертолета. Пустой вертолет может сесть с вертикальным снижением. При наличии груза на борту приходится садиться с пробегом, «по самолётному».
Для более безопасного приземления вертолёт должен иметь или достаточную высоту или достаточную горизонтальную скорость. Высота необходима для раскрутки несущего винта во время снижения. Горизонтальная скорость используется для быстрого перевода кинетической энергии движения вертолёта в энергию вращения винта. При отказе двигателя на малой высоте с большой долей вероятности приземление может закончиться катастрофой.
Зоны лопасти винта при авторотации
Во время вертикальной авторотации, диск, образуемый вращающимися лопастями, можно разделить на три области: ведущую, ведомую и зону отрывного обтекания. Размер этих областей изменяется в зависимости от наклона лопастей, скорости снижения и частоты вращения винта. Когда эти параметры изменяются, изменяется и процентное отношение этих трёх областей.
Ведомая зона располагается на концах лопастей. Обычно составляет около 30 % радиуса. Ведомая зона обеспечивает торможение лопастей и как следствие, снижение частоты вращения винта.
Ведущая зона, или зона авторотации, обычно составляет от 25 до 70 % радиуса винта и является источником движущей силы вращения лопасти при авторотации. Суммарная аэродинамическая сила в этой области направлена немного вперёд относительно оси вращения и вызывает ускорение вращения винта.
Внутренние 25 % лопасти работают на угле атаки больше критического, вызывая замедление вращения винта.
Постоянная скорость вращения винта достигается тогда, когда сила, образуемая ведущей зоной, уравновешивается силами торможения ведомой зоной и зоной отрывного обтекания. Пилот регулирует наклон лопастей, например, увеличивая площадь ведущей зоны, это вызывает ускорение вращения винта и, в свою очередь, увеличение ведомой и закритической зон, поэтому вращение стабилизируется на более высокой частоте. Уменьшение ведущей зоны уменьшает скорость вращения.