Vortex ring tilstand

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Som en hvirvelringstilstand eller hvirvelringstilstand ( engelsk hvirvelringstilstand) defineres som en farlig tilstand for en helikopter i svævende eller lav vandret hastighed, hvor sidstnævnte sænkes i sin egen genereret af hovedrotorens nedskylning (nedskylning).

Generelle forklaringer på forståelse

Fremkaldt hastighed

Hovedrotoren på en helikopter, der er sat i rotation af en motor eller en turbine , genererer et undertryk direkte over rotorplanet (antaget overflade, hvor rotorbladene roterer) og et overtryk under det. Luftmassen suges gennem rotorplanet og accelereres nedad af hovedrotoren afhængigt af rotorbladernes angrebsvinkel . Denne tekniske nedtur er også kendt som downwash.

Luftmassens hastighed accelereret nedad af hovedrotoren kaldes den inducerede hastighed (afledt af den latinske inductio "(Her- / Hin) introduktion"). Det forkortes med v i og i meter pr. Sekund ( ) specificeret. [1] : XXI og 48 Det er normalt omkring 6 for helikoptere i svæver (v i0 ) (= ca. 21,5 ). [2] : 62

Luftgennemstrømning i svæver

Luftgennemstrømningen, når den svæver, er ikke jævnt fordelt over rotorbladet. I midten er den højere end ved bladspidsen og enden, der vender mod rotorhovedet . [3] : 201 Man taler her om den ikke-ensartede inducerede hastighed . [1] : 64 Fordelingen af ​​den inducerede hastighed over rotorbladet er givet ved v ir , hvor r er den aktuelle rotorradius i meter. [1] : XX f., 64

Lodret (lodret) lufthastighed

Lodret defineres her som vinkelret på jordoverfladen eller rettet mod jordens centrum.

Den lodrette eller lodrette lufthastighed (også kendt som nedstigningshastigheden eller nedstigningshastigheden) er den hastighed, hvormed en helikopter sænker sig mod jorden. Det forkortes med v z [1] : XXI og angives i meter pr. Sekund. For helikoptere er det normalt 2,5 . [1] : 53

Luftgennemstrømning i nedstigning

På grund af den lodrette lufthastighed genereres en luftstrøm i svæveren, som modvirker nedskylningen. Da luftgennemstrømningen er lavere i rotorhovedets område end i midten af ​​rotorbladet, kompenseres accelerationen af ​​luftmassen afhængigt af helikopterens nedstigningshastighed delvist af den modvirkende luftstrøm eller endda omvendt. [3] : 203

Vandret (vandret) lufthastighed

Den vandrette eller vandrette lufthastighed er den lufthastighed, der nås parallelt med jorden. Det angives blandt andet som ægte lufthastighed eller faktisk kørehastighed i knob (kn).

Flowadfærd på helikopteren

Vortexdannelse på hovedrotorbladet

Lamineret flow omkring en rotorprofil

I væskedynamik omtales cirkulære strømme af en væske (gas eller væske) som hvirvler eller hvirvler . Virvelstrømme dannes, når der er en tilstrækkelig stor forskel i hastighed i en væske, så en del af gassen eller væsken flyder betydeligt hurtigere end resten.

Et laminært flow skabes på roterende rotorblade, så luften strømmer i lag langs overfladen af ​​rotorbladene, der ikke blandes med hinanden. Afhængigt af deres angrebsvinkel har rotorbladene imidlertid også en friktionsmodstand, der forårsager hvirveldannelse på rotorbladene. En større angrebsvinkel resulterer i større friktionsmodstand og dermed også i større hvirvler.

Afhængig af deres størrelse trækker hvirvlerne energi tilbage fra strømmen. B. konvertere det til termisk energi. Ved svæveflyvning er ydelsestab på grund af hvirvler ved rotorbladets spidser i størrelsesordenen 2 til 4%. [1] : 51

Dannelse af hvirvelringstrinnet på hovedrotoren

Tredimensionel repræsentation af hvirvelringen

Hvirvler dannes også ved rotorbladets spidser, især når de svæver. Ved høje nedstigninger (lodrette lufthastigheder) - når man svæver i området mellem så længe den inducerede hastighed - hvis en del af de luftmasser, der allerede er accelereret ned, flyder forbi hovedrotoren, suges den ind igen fra toppen og accelereres nedad, så dens inducerede hastighed øges yderligere. Denne proces kaldes også recirkulation . [1] : 53

Hvirvlerne ved rotorbladets spidser interagerer med hinanden, når nedstigningshastigheden (lodret lufthastighed) er omkring den inducerede hastighed er nået. Den lodrette lufthastighed stiger den inducerede hastighed er interaktionerne mellem hvirvlerne så store, at der dannes en lukket hvirvelring omkring rotorbladets spidser på rotorplanet. [2] : 63 Dette vokser langs rotorbladet udefra og indad og har form som en torus .

Skematisk fremstilling af hvirvelringstadiet

Dette reducerer løftet fra hovedrotoren og øger den lodrette lufthastighed. Helikopteren kommer ind i en ond cirkel med reduceret løft, hvilket resulterer i øget lodret lufthastighed og den deraf følgende stigning i recirkulation i forbindelse med udvidelsen af ​​hvirvelringen. Dette kan føre til et næsten fuldstændigt tab af lift og dermed til, at helikopteren går ned.

Virvelringen har ingen effekt på rotorens inderside, altså omkring rotorhovedet. På grund af den større lodrette flyvehastighed øges imidlertid rotorbladenes strømningshastighed nedenfra, hvilket kan føre til en strømningsseparation i rotorbladenes indre og dermed til en yderligere reduktion i løft. Dette område med strømningsadskillelse vokser, når hvirvelringen øges langs rotorbladet fra indersiden til ydersiden, indtil begge områder strækker sig over hele rotorbladet. [4] : 70

Årsager, konsekvenser og modforanstaltninger

Farlige rammebetingelser

Udviklingen af ​​hvirvelringstadiet favoriseres af visse rammebetingelser. Disse er:

  • Den vandrette relative hastighed til luften er lav (flyvehastighed mindre end 10 knob [5] : 59 , dvs. ca. 18,5 eller helikopteren har en stærk medvind, når den falder hurtigt ned)
og
nedstigningshastigheden er større end den inducerede hastighed (ca. 300 fod / minut = ca. 1,5 ) [5] : 59 [4] : 70

eller

  • Nedstigningshastigheden (v z ) er mellem og den inducerede hastighed (v i0 ); gælder følgende:
[1] : 53 Ligning 4.26
og
den nuværende motor / turbineeffekt er større end 20% af den maksimale ydelse. [5] : 59

Virkninger af hvirvelringstadiet

Når en helikopter flyver i hvirvelringstadiet, kan stærke vibrationer detekteres , især i området omkring rotorhovedet. På grund af den urene strømning til rotoren ovenfra og uregelmæssige excentriske udstrømninger under rotoren udfører helikopteren desuden bevægelser, der er vanskelige at kontrollere på grund af recirkulationen.

Helikopterens motor eller turbineeffekt omdannes næsten fuldstændigt til en stadig stærkere acceleration af luftmasserne i hvirvelringen uden at generere nogen væsentlig løft. Den lodrette hastighed kan være over 10 (= 36 ), dvs. fire gange den normale nedstigningshastighed. [4] : 70

Handlinger af helikopterpiloten

Helikopterpiloten skal reagere meget hurtigt på tegn på hvirvelringstadiet for at forhindre et styrt. Dette gælder endnu mere for landingsmetoden .

Da forøgelse af rotorhastigheden eller angrebsvinklen for rotorbladene for at øge liften kun forværrer hvirvelringstrinnet (se ond cirkel ovenfor), er det eneste, der er tilbage for piloten - forudsat at helikopteren er tilstrækkeligt kontrollerbar - at øge den vandrette hastighed (for det meste fremad, men også til siden eller bagud) for at stabilisere helikopteren.

Den (vandrette) bevægelse fremad, bagud eller til siden reducerer recirkulationen ved rotorbladets spidser og opløser i bedste fald vortexringen. Dette resulterer i en stigning i løft og en reduktion i lodret hastighed.

Hvis helikopteren stadig er i en tilstrækkelig højde over jorden, kan piloten skifte til autorotation . Hovedrotoren, der roterer frit på grund af luftstrømmen nedenunder (uden drev fra motoren eller turbinen), accelererer ikke længere luften nedad, så recirkulationen afbrydes. [3] : 204

Ulykker forårsaget af et hvirvelringstadium

En V-22 Fiskeørn ved indflyvning til landing

Et Bell Boeing V-22 tiltrotorfly styrtede ned den 8. april 2000 på grund af hvirvelringstadiet. [6] [7]

En Robinson R44 -helikopter styrtede ned den 24. oktober 2010 i Altenbeken fra cirka ti meters højde over en gade. Om bord var den tyske popsangerinde Anna-Maria Zimmermann , der blev alvorligt kvæstet ved styrtet. I en analyse af ulykken kom Federal Bureau of Aircraft Accident Investigation til den konklusion, at flere faktorer, herunder et hvirvelringstadium, førte til styrtet. [8.]

En af de to modificerede UH-60 helikoptere, der blev brugt i forsøget på anholdelse af Osama bin Laden under Operation Neptuns Spyd den 2. maj 2011, gik også ind i en hvirvelringstadium, mens den svævede. Under den nødlanding, der fulgte, kolliderede helikopteren med en mur på ejendommen og styrtede ned. Det blev sprængt og efterladt af specialstyrkerne indsat, United States Navy SEALs . [9]

Vortex ringstadie på halerotoren

Under visse ugunstige forhold kan halerotoren også komme ind i et hvirvelringstadium. Dette er især tilfældet, når luftmasserne accelereret til siden af ​​halerotoren (luftstråle) skyldes

  • hurtig rotation af helikopteren i svæver omkring den lodrette akse i retning af luftstrålen i halerotoren,
  • hurtig sidelæns svævning af helikopteren i retning af halerotorens luftstråle eller
  • stærk krydsvind mod halerotorens luftstråle

støder på luftmasser, der flyder i den modsatte retning. [5] : 63 Dette gør halerotoren ineffektiv, og i værste fald bliver helikopteren ukontrollabel.

Også her er der en vej ud ved at øge den vandrette hastighed fremad. Helikopteren stabiliseres af vejrskovleeffekten af den vertikale stabilisator (et flys tendens til at rotere omkring dets tyngdepunkt og pege ind i vinden for at minimere luftmodstanden ) [10] . På grund af den ændrede strømning til halerotoren reduceres recirkulationen ved halerotorbladets spidser, og hvirvelringen opløses i bedste fald. [5] : 63

Helikoptere, hvor en Fenestron kompenserer for gabemomentet , er stort set ufølsomme for dannelsen af ​​et hvirvelringstadium på halerotoren på grund af halerotorbladenes omhylning. [5] : 63

litteratur

  • Walter Bittner: Helikopterens flymekanik. Teknologi, flydynamik systemhelikoptere, flystabilitet, kontrollerbarhed. 3., opdateret udgave. Springer, Berlin et al.2009 , ISBN 978-3-540-88971-7 .
  • Helmut Mauch: Helikopterflyvningsskolen. GeraMond Verlag GmbH, München 2010, ISBN 978-3-7654-7349-4 .

Weblinks

Individuelle beviser

  1. a b c d e f g h Walter Bittner: Helikopterens flymekanik. Teknologi, flydynamik systemhelikoptere, flystabilitet, kontrollerbarhed. 3., opdateret udgave. Springer, Berlin et al.2009 , ISBN 978-3-540-88971-7 .
  2. a b Jean-Pierre Petit, "Flydende som i syvende himmel", www.savoir-sans-frontieres.com
  3. a b c Norbert Grüntjens: RC elektrisk helikopter . Guiden. I store skridt til succes. Ikarus, Schramberg-Waldmössingen 2006, ISBN 3-00-020372-9 .
  4. a b c vortex ringstadium. I: rc-heli-action. Født i 2012, nr. 2, ISSN 1869-9219 .
  5. a b c d e f Helmut Mauch: Helikopterflyvningsskolen. GeraMond Verlag GmbH, München 2010, ISBN 978-3-7654-7349-4 .
  6. Kevin, oberstløjtnant US Marine Corpsv Gross, Tom Macdonald, MV-22 testpilot og Ray Dagenhart, MV-22 bly regering ingeniør: Fjerne myten om MV-22. I: Naval Institute (red.): Proceedings . Nr. September 2004, september 2004. Hentet 9. april 2009.
  7. Redning af Pentagons Killer Chopper Plane . I: Wired, juli 2005 . Hentet 9. marts 2011.
  8. Ex- "DSDS" sanger i kunstigt koma . focus.de. Hentet 25. oktober 2010.
  9. ^ The (Stealth) Blackhawk Crash. avweb.com, adgang til 2. maj 2011 .
  10. Niels Klußmann, Arnim Malik: Lexicon af luftfarten. 3., opdateret udgave. Springer, Berlin et al. 2012, ISBN 978-3-642-22499-7 , s. 311.