Наука Про Авторотацію: Посібник Для Початківців

У світі машинобудування це все про створення машин, які можуть працювати навіть у найскладніших ситуаціях.

Авторотація — це дуже важливий маневр для вертольотів, який може означати різницю між життям і смертю.

У цьому блозі я поясню, що таке авторотація, як вона працює та чому вона така важлива для пілотів та інженерів вертольотів.

Отже, готуйтеся дізнатися про одну з найважливіших частин керування вертольотом.

Введення в авторотацію в техніці

Формальне визначення:

1. Обертання навколо будь-якої осі тіла, яке є симетричним і піддається рівномірному потоку повітря та підтримується лише аеродинамічними моментами. 2. Обертання симетричного профілю, що зупинився, паралельно напрямку вітру.

Авторотація — це тип польоту, при якому система гвинта вертольота або іншого гвинтокрила повертається без приводу від двигуна.

Це схоже на те, як працює автожир.

Коли двигун або хвостовий гвинт перестають працювати, цей метод часто використовується для швидкої посадки вертольота. Але його також можна використовувати для виходу з вихрового кільця та як навчальний інструмент, коли пілот навчається літати.

Як працює авторотація

Під час авторотації пілот відключає двигун від несучої системи. Це дозволяє висхідному потоку повітря рухати лише лопаті ротора.

Щоб контролювати оберти авторотації, пілот змінює розмір зони авторотації по відношенню до зон руху та звалювання.

Щоб дізнатися більше, відвідайте цю сторінку:

ardupilot

Аеродинаміка авторотації

Авторотація є дуже важливою аварійною процедурою під час польоту вертольота. Він дозволяє несучому гвинту вертольота рухатися лише завдяки тиску повітря, а не через двигун.

Змінні, що впливають на авторотацію

Основні речі, які впливають на ефективність роботи авторотації:

• Висота за щільністю: на висотах з великою щільністю, де повітря менш щільне, швидкість зниження буде вищою.
• Загальна вага: вертольоти з більшою вагою падають швидше.
• Швидкість повітря: пілот має найбільший контроль над швидкістю зниження під час авторотації через швидкість повітря.

Так само, як у звичайному польоті, циклічне керування тангажем змушує літак летіти швидше або повільніше.

Автоматичне зниження на дуже низькій або дуже високій швидкості є більш небезпечним, ніж те, що виконується на мінімальній швидкості зниження.

• Швидкість обертання ротора: зі збільшенням швидкості обертання ротора швидкість зниження падає.

Провідна область авторотації

Під час авторотації область приводу або авторотативна область зазвичай становить від 25 до 70% радіуса лопаті. Тут створюються сили, які обертають лопаті.

У цій області є кут до повної аеродинамічної сили.

Факельна посадка та поглинання енергії

Під час приземлення з авторотації кінетична енергія, що зберігається в обертових лопатях, і рух літака вперед використовуються для уповільнення швидкості зниження та здійснення м’якої посадки.

Більш висока швидкість зниження означає, що для зупинки вертольота потрібна більша енергія ротора, ніж менша швидкість.

Маневри в авторотації

Коли літак втрачає потужність, пілот повинен зробити три важливі речі:

• Авторотація: цей маневр охоплює перехід від нормального польоту з двигуном до постійного авторотації.
• Стабільна авторотація: під час стабільної авторотації лише аеродинамічні сили двигуна повинні призводити до нульового крутного моменту.

Оскільки літак падає, повітря тече вгору через несучий гвинт. Форма лез також полегшує це.

Несущий гвинт з’єднаний із хвостовим гвинтом за допомогою шестерень, тому під час нормального польоту несучий гвинт приводить у рух хвостовий гвинт.

Але під час авторотативного зниження в усталеному стані, коли двигун втрачає потужність і крутний момент падає до нуля, хвостовий ротор перестає працювати як пристрій проти крутного моменту, оскільки він отримує крутний момент від системи несучого гвинта через систему трансмісії.

• Посадка з ракетою: у цьому маневрі обертові лопаті та рух літака вперед використовуються для уповільнення швидкості зниження та здійснення м’якої посадки.
• Приземлення - транспортний засіб плавно приземляється, використовуючи енергію, що залишилася в головці ротора.

Ручне обмеження швидкості польоту для авторотації

При авторотації буде швидкість, вище якої частини лопатей ротора, які тягнуться за ротором, витягнуться настільки далеко вздовж розмаху лопатей, що ротор почне сильно сповільнюватися.

Ця повітряна швидкість зазвичай записується як максимальна повітряна швидкість, дозволена для авторотації в посібнику з експлуатації.

Маневр авторотації вертольота

Основна авторотація та її чотири розділи

Основна авторотація складається з чотирьох частин:

• Глідер: під час цієї частини вертоліт знаходиться в режимі стабільного авторотативного зниження, і пілот змінює траєкторію польоту, повертаючи вертоліт або змінюючи швидкість польоту.
• Відблиск: у цьому розділі швидкість зниження сповільнюється за рахунок використання кінетичної енергії, що зберігається в обертових лопатях, і руху літака вперед.
• Посадка або відновлення енергії: в останній частині вертоліт або м’яко приземляється, або пілот дає йому силу піднятися.

Практичне застосування та передові авторотації

Навчання авторотації в реальному світі подібне до того, що роблять пілоти, коли практикують вимушені посадки без електроживлення.

Так само, як і в літаку, все, що потрібно зробити пілоту гелікоптера, щоб почати відхід на друге коло, – це знову увімкнути живлення. Але дуже важливо бути точним і знати, як рухати вертоліт, коли він знаходиться в режимі авторотації.

Колектив для контролю обертів ротора

Пілотам гелікоптерів необхідно знати, як за допомогою колективу керувати швидкістю гвинтів під час авторотацій з відключенням в повороті.

Коли колектив рухається вгору, оберти ротора зростають, а коли він переміщується вниз, оберти падають.

Обмеження та ризики безпеки

Існують ризики, пов’язані з виконанням авторотації під час тренувань.

В останній частині авторотації кінетична енергія вертольота може закінчитися, залишаючи його амортизаційний ефект незначним або зовсім відсутнім.

Це може призвести до жорсткої посадки, яка пошкодить вертоліт.

Діаграма залежності висоти літака від швидкості показує, який найбезпечніший спосіб виконання цього маневру.

Моделювання та імітація авторотації

Моделювання та моделі на комп’ютерах стали популярними способами вивчення та покращення характеристик авторотації у вертольотах.

Комп’ютерне моделювання можна використовувати, щоб з’ясувати, як різні конструкції гелікоптера або форми лопатей гвинта впливають на те, наскільки добре вертоліт може літати самостійно.

Дослідники також створили та випробували на симуляторі кілька сигналів пілота, які полегшать пілоту керування вертольотом, коли він обертається самостійно.

Під час авторотації визначається набір дискретних і безперервних сигналів, які допомагають пілоту знати, що відбувається і що робити.

Переваги комп’ютерного імітаційного моделювання

Комп’ютерне імітаційне моделювання корисно, коли вносити зміни в реальну систему важко, дорого або просто не дуже гарна ідея.

Він використовує комп’ютерне програмне забезпечення для моделювання реальної або запропонованої системи, а дизайнери, менеджери програм, аналітики та інженери використовують його для розуміння та оцінки сценаріїв «що-якщо».

Наприклад, замість того, щоб фактично розбити десятки нових автомобілів, автомобільні компанії використовують комп’ютерне моделювання для тестування своїх нових ліній транспортних засобів.

Обмеження комп’ютерного імітаційного моделювання

Загалом одна з проблем комп’ютерних моделей полягає в тому, що вони не можуть точно врахувати всі фактори, які можуть вплинути на роботу системи.

Це особливо вірно, коли намагаємося зрозуміти складні аеродинамічні явища, наприклад, як вертоліт може самостійно розвернутися.

Ще одна річ, на яку слід звернути увагу, це те, як комп’ютерне моделювання впливає на широку громадськість. Отже, використання моделювання та імітації без обережності може призвести до неправильних висновків.

Деякі правила, як-от визначення того, де система захисту працює неправильно, необхідно враховувати, оцінюючи валідність будь-якої змодельованої системи.

Зрештою, комп’ютерне моделювання має багато переваг, але воно також має деякі проблеми, які потрібно ретельно продумати, перш ніж робити будь-які висновки.

Реальні приклади авторотації

Реальні приклади авторотації показують, наскільки важливо для пілотів вертольотів знати, як виконати цей маневр у разі надзвичайної ситуації.

Robinson Heli Down Авторотація

Robinson Heli Down Autorotation — це спосіб безпечної посадки гелікоптера, якщо його двигун перестає працювати.

Пілоти вертольотів Robinson часто використовують його як частину свого навчання, і ось кроки:

• Пілот повинен спочатку усвідомити, що двигун перестав працювати, а потім негайно розпочати маневр авторотації, знизивши групу та перейшовши на зниження авторотації.
• Щоб потрапити в безпечну зону посадки, пілот повинен встановити постійну швидкість зниження та підтримувати постійну швидкість роторів під час повороту.
• Під час зниження пілот повинен стежити за швидкістю польоту та частотою обертання несучого гвинта та використовувати циклічне керування тангажем, щоб вносити необхідні зміни, зберігаючи контроль над літаком.
• Коли вертоліт наближається до землі, пілот повинен повернути його вбік, щоб пом’якшити посадку та зменшити швидкість зниження.

Авторотація в дронах

Авторотація корисна не тільки для повнорозмірних вертольотів, але і для вертольотів з дистанційним керуванням і дронів.

Ідея авторотації не змінилася: головний ротор обертається тому, що повітря рухається через нього вгору, а не тому, що двигун обертає його.

Авторотація в дистанційно керованих вертольотах і дронах

Більшість гелікоптерів з дистанційним керуванням (RC) з колективним тангажем також можуть працювати автоматично, якщо двигун загорівся або з якоїсь причини перестав працювати.

Для того, щоб вертоліт міг здійснювати авторотацію, вал несучого гвинта потрібно вийняти з решти приводу або редуктора.

Деякі невеликі дрони можуть використовувати невеликий електродвигун, щоб підтримувати обертання ротора на тій же швидкості під час авторотації, тоді як інші можуть покладатися лише на сили повітря, щоб підтримувати обертання ротора на тій же швидкості.

Для дистанційно керованих гелікоптерів і безпілотних літальних апаратів ключем до успішної посадки з авторотацією є підтримання постійної швидкості ротора та використання тангажу, циклічного та колективного керування для керування зниженням і швидкістю руху літака.

Для гелікоптерів і безпілотників з дистанційним керуванням найкращий спосіб приземлення з авторотацією — практикуватися в безпечній відкритій місцевості подалі від людей, будівель та інших перешкод і поступово ускладнювати маневри в міру вдосконалення ваших навичок.

Крім того, важливо підтримувати літак у хорошому стані та проводити регулярне технічне обслуговування та перевірки, щоб переконатися, що він працює добре. Пілоти повинні дотримуватися всіх законів і правил керування дистанційним літальним апаратом.

Автопілот VECTOR, створений UAV Navigation, є одним із небагатьох автопілотів, які можуть повністю обертатися самостійно.

Щоб добре навчитися авторотаціям, важливо часто практикувати їх у безпечному місці.

Ключ до успішного приземлення з авторотацією полягає в тому, щоб розрахувати час і знати, коли потрібно уповільнити зниження та швидкість вперед, циклічно віддаючи команду назад, застосовуючи позитивний загальний тангаж, а потім вирівнюючи літак безпосередньо перед торканням за допомогою переднього циклу, щоб м’яко приземлитися.

Також важливо вибрати вдале місце для посадки і наблизитися до нього під потрібним кутом і швидкістю.

Відео та посилання

Порада: увімкніть кнопку субтитрів, якщо вона вам потрібна. Виберіть «автоматичний переклад» у кнопці налаштувань, якщо ви не знайомі з англійською мовою. Можливо, вам доведеться спершу натиснути мову відео, перш ніж ваша улюблена мова стане доступною для перекладу.

https://en.wikipedia.org/wiki/Autorotation

Випадки використання

Використовується в:	опис:
Аварійна посадка	Один із найважливіших способів використання авторотації – коли двигун вертольота припиняє працювати в екстреній ситуації. Коли це відбувається, пілот може почати авторотацію, що дає можливість вертольоту безпечно ковзати на землю. Цей крок може врятувати життя як пілоту, так і людям на борту.
військовий	Авторотація - корисна навичка для пілотів військових вертольотів, які керують військовими операціями. Під час бою вертольоту може знадобитися швидко впасти на землю, щоб уникнути попадання під вогонь противника. Використовуючи авторотацію, пілот може швидко і безпечно посадити вертоліт.
Пошук і порятунок	Гелікоптери часто використовують для пошуку та порятунку, особливо у важкодоступних або віддалених районах. У таких ситуаціях авторотація може допомогти гелікоптеру безпечно та контрольовано приземлитися навіть на пересіченій місцевості.
Сільське господарство	Авторотація також може бути використана в сільському господарстві, особливо при обпилюванні посівів.
Кіно та фотозйомка	Вертольоти часто використовуються для зйомки згори в кіно- та фотоіндустрії.
Обслуговування ліній електропередач	Іноді вертольоти використовують для обслуговування ліній електропередач, наприклад для ремонту або заміни обірваних ліній. Автоматичне обертання може допомогти гелікоптеру безпечно та точно приземлитися в місцях, куди важко дістатися іншим шляхом.

Висновок

Підсумовуючи, ідея авторотації показує, наскільки могутньою може бути інженерія та наскільки творчими можуть бути люди.

Це дає нам впевненість літати на вертольотах та інших літаках, знаючи, що якщо двигун перестане працювати, ми все одно зможемо безпечно ковзати назад на землю.

Авторотація також показує нам, що коли ми розширюємо межі можливого, ми можемо робити дивовижні речі.

Інженери та пілоти завжди були спонукані до пошуку нових і кращих способів літати, починаючи з перших польотів і закінчуючи передовими технологіями, які використовуються в сучасній авіації.

Автоматичне обертання — це лише одна з дивовижних речей, які ми можемо зробити, якщо задумаємося.

Отже, наступного разу, коли ви піднімете голову та побачите летить гелікоптер, подумайте про авторотацію, інженерний подвиг, який робить усе це можливим.