6 ноября 2010 г.

Теория авторотации.

Эта статья дополняет теоретический пробел в летной школе №7 про авторотацию. Оригинал статьи взят с сайта журнала RCHeli и называется «Understanding autorotation». В процессе перевода я столкнулся с массой иностранных терминов, которым не смог найти однозначных русских аналогов, поэтому по тексту в скобках даю оригинальные термины, чтобы читатели могли сориентироваться, о чем идет речь, а специалисты, возможно, предложили более точный перевод. Более того, в статье много схем сил действующих на лопасти во время полета и авторотации - эти схемы, извините за тавтологию, достаточно схематичны. В конце статьи я приведу ссылку на английскую книгу, из которой черпали вдохновение авторы RCHeli. Всем заинтересовавшимся советую посмотреть эту книгу, поскольку в ней теория авторотации дана более полно.

Итак, 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. 
Лопасть испытывает на себе комбинацию сил набегающего потока воздуха (1. rotational flow) и созданного лопастью нисходящего потока воздуха (2. downward induced flow). Эта комбинация носит название результирующий поток (3. relative wind). Угол атаки (4. Angle of attack) - это угол между результирующим потоком и линией хорды лопасти. Шаг лопасти (5. Pitch angle) это угол между плоскостью вращения ротора и линией хорды лопасти. Подъемная сила (6. Lift.) это результирующая всех аэродинамических сил и направленая перпенддикулярно результирующему потоку. Для вертолета в состоянии висения подъемная сила наклонена назад. Вектор подъемной силы можно разделить на две составляющие: вертикальная составляющая (7) представляет собой чистую подъемную силу, составляющая направленная назад называется аэродинамическое сопротивление (8. Induced drag) и образуется из-за ускорения воздушных масс (нисходящий поток) и создания паразитных завихрений воздуха по пути вращения лопасти. Оставшаяся сила - это сопротивление профиля (9. Profile drag), образующаяся за счет трения лопасти о воздух. 
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).
Лопасть во время авторотации.
В то самый неподходящий момент, когда двигатель решает заглохнуть, энергия полета (теперь уже авторотации) должна поступать из другого источника. Источником будет потенциальной энергии, которую вертолет приобрел, набрав высоту. Первые мгновения ротор теряет обороты, расходуя собственную инерцию. Перевод шагов в отрицательную зону прекращает падение оборотов, ток воздуха начинает идти в обратную сторону (up flow), т.е. снизу-вверх. Поскольку вектор подъемной силы всегда направлен перпендикулярно результирующему потоку, горизонтальная составляющая подъемной силы начинает действовать в противоположную сторону, создавая приводящую силу (pro-autorotative force), которая начинает раскручивать ротор. Часть силы сопротивления профиля(Progile drag) действует в обратную сторону, препятствуя приводящей силе. 
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).
Зоны лопасти во время авторотации. 
В то время, как лопасть движется по кругу, каждая ее часть испытывает различное влияние результирующего потока: от самой низкой скорости у комля лопасти, до высокой скорости у законцовки. Это происходит потому, что за одинаковое время законцовка лопасти проходит большее расстояние по дуге, чем часть лопасти у комля. Во время авторотации на лопасти выделяются три зоны: пропеллерная, авторотационная и зона срыва.


Пропеллерная зона (Prop zone).
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.

Зона авторотации.
Набегающий поток складывается с восходящим потоком, отклоняя результирующий поток ниже плоскости диска ротора. Обратите внимание, что вектор подъемной силы наклонен вперед и создает приводящую силу. Эта зона увеличивается и смещается к законцовке лопасти при увеличении шага лопастей. Увеличение шага приводит к уменьшению скорости вращения лопастей и уменьшению скорости спуска. 

Зона срыва (Stall).
Эта зона расположена у комля лопасти, где скорость набегающего потока минимальна и не создает подъемную силу, сила сопротивления профиля наибольшая и преобладает над остальными. По мере увеличения шага лопастей обороты снижаются, и зона срыва растет от комля к законцовке лопасти, уменьшая зону авторотации и пропеллерную зону. 
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).


Все вместе.
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.

Снижение.
Во время снижения пилот управляет шагом лопастей для того, что бы регулировать размер зоны авторотации и пропеллерной зоны. Если требуется больше подъемной силы, пилот увеличивает шаги (например, с -4 градусов до -2 градусов), замедляя обороты ротора и увеличивая подъемную силу. Для ускорения спуска пилот убавляет шаги и увеличивает обороты. С помощью управления шагом пилот добивается подходящей скорости спуска для того, что бы модель пришла в желаемую точку посадки.

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

13 комментариев:

  1. Олег, спасибо большое за столь кропотливый и полезный труд!

    ОтветитьУдалить
  2. Stall можно перевести еще как "сваливание", если идет речь о самолетах ;)

    ОтветитьУдалить
  3. 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.

    ОтветитьУдалить
  4. Все это бред. Угол атаки - угол между хордой и результирующей набегающего потока воздуха. Известно с первого курса летного училища.
    4. Угол атаки (angle of attack)- неизвестно что. Из рисунка угол атаки равен угол4 минус угол5.
    И откуда взялось такое сопротивление? Добавлю-сопротивление это часть полной аэродинамической силы. Следовательно оно должно быть связано и иметь определенную величину. Здесь кто-то нарисовал стрелку вдоль хорды и считает это сопротивлением. Это возможно такое направление только при нулевом угле атаки симметричного профиля лопасти. А лопасть имеет профиль и еще крутку. Ну все, а то меня понесет. Если есть вопросы пишите rvd.ya@yandex.ru

    ОтветитьУдалить
  5. 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.

    ОтветитьУдалить
  6. @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@
    комментирую ...
    Приближаясь к земле, пилот начинает торможение,за счет чего переводит энергию вращения ротора в подьемную силу (и никуда больше).
    Во время торможения уменьшается поток восходящего через ротор воздуха до нуля а затем меняет направление и устремляется вниз. Вектор подьемной силы при наклоне вперед заставит модель скользить вперед и никак не может раскручивать ротор (просто вертикальная скорость уменьшится, а увеличится горизонтальная). (Вектор подьемной силы не может раскручивать ротор вообще так как направлен перпендикулярно).То есть снижается вертикальная скорость за счет скольжения.
    Вобщем где то правильно, где то нужно подкорректировать.А так для колхозников сойдет.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Спасибо за комментарий. Перечитав текст статьи я понял, что упустил один важный момент. Во врема "торможения" шаги остаются отрицательными! Это важно! Если во время "торможения" перевести шаги в плюс, то Ваше замечание будет справедливым. Термин "торможение" я использую за неимением лучшего, хотя изначально было "парение". На практике, "торможение" позволяет снизить горизонтальную и вертикальную скорость и значительно увеличить обороты ОР. Чем выше была горизонтальная скорость, тем сильнее можно раскрутить ротор на "торможении". И совсем близко, метра за 2 до земли, необходимо начинать реальное торможение положительными шагами - эта фаза в статье названа "посадка".

      Удалить
  7. На втором рисунке "торможение за счет отклонения назад" написано "6. подьемная сила, отклоненная назад уменьшает горизонтальную скорость" . Но я то не слепой и вижу на рисунке, что она наклонена вперед.
    Нужно уточнять , есть подьемная сила профиля (или вектор), а есть вектор направления движения вертолета,есть вектор подьемной силы вертолета.
    Подьемная сила профиля раскручивает ротор до тех пор пока не сравняется с силой сопротивления и только при условии, что угол атаки отрицательный. При положительном угле,подьемная сила профиля ротор тормозит. Создавая подьемную силу вертолету и уменьшая вертикальную скорость до ноля.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. 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.

      Удалить
  8. 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.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Статья правильно описывает процесс авторотации для моделей вертолетов , поскольку обычно модели вертолетов имеют симметричный профиль лопасти. Что бы на авторатации симметричная лопасть начала набирать обороты, необходим отрицательный угол. Именно управление такой лопастью описано в статье. Реальные вертолеты в большинстве своем (а, возможно, и все) используют несимметричные лопасти, с профилем крыла самолета. Такие лопасти создают подъемную силу при нулевом шаге и на авторотации увправлять ими надо иначе: так, как Вы пишете.

      Удалить
  9. К дополнению более понятное обяснение.
    от греч. autos - сам и лат. rotatio - вращение) - режим работы несущего винта, при котором энергия, необходимая для его вращения отбирается от набегающего на винт потока. Режим авторотации является рабочим для автожира, а на вертолете возникает при отключении (отказе) силовой установки. Набегающий на винт поток при снижении вертолета (самолета) образуется за счет уменьшения потенциальной энергии летающего аппарата (у двух- или многовинтового самолета энергия набегающего потока, идущая на вращение винта отказавшего двигателя, создается остальными, работающими, двигателями). А. отличается от других режимов работы несущего (воздушного) винта тем, что крутящий момент на валу винта равен нулю (практически очень мал), а тяга винта (сопротивление) весьма значительна (равна, например, весу вертолета или автожира). Известно, что на режиме А. прикомлевые сечения лопасти несущего винта обтекаются потоком с большими закритическими углами атаки, средние сечения – с большими докритическими углами. В этих сечениях аэродинамические силы и моменты создают тормозящий вращение винта момент. Концевые же сечения, обтекаемые с малыми и средними углами атаки, создают момент, ускоряющий вращение винта. Режим А. несущего винта (поток набегает снизу) устойчив при малых положительных углах установки лопасти, что позволяет при отказе двигателя перевести вертолет с режима моторного полета на достаточно пологое планирование и совершить безопасную посадку с пробегом по-самолетному или без пробега с применением энергичного торможения вертолета за счет увеличения угла атаки несущего винта и угла установки лопастей перед моментом посадки (используется кинетическая энергия снижения вертолета и вращения несущего винта). Посадка на режиме А. со снижением по вертикали не применяется, т.к. в этом случае установившаяся скорость снижения примерно вдвое больше, чем при планировании с горизонтальной составляющей скорости, и безопасная посадка практически невозможна. Однако в отдельных случаях А. может быть использована для увеличения скорости снижения вертолета.

    ОтветитьУдалить
  10. Анонимный30 мая 2016 г., 19:01

    Чушь.С углом шага напутали.....

    ОтветитьУдалить