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