Вихревое кольцо

Когда возникает данное явление, вся мощность ротора расходуется на вихревое движение воздушных масс без создания дополнительной подъемной силы. Вихревое кольцо также возникает в рулевом винте и может стать причиной неконтролируемого вращения. Возникновение вихревого кольца вызвало потерю управления и последующее крушение модифицированного вертолета MH-60 во время операции «Копье Нептуна», в результате которой был ликвидирован Усама бен Ладен.
Нечто похожее на эффект вихревого кольца можно наблюдать у фанатов курительных трубок, пускающих кольца из дыма.

Курение вредит здоровью, поэтому проводить такие эксперименты дома не стоит. В случае с вертолетом - к этому добавляется вращение воздушных масс вокруг несущего ротора.

Важность несущего винта

Несущий винт вертолета, дрона является главным узлом, определяющим функционирование таких летательных аппаратов, для которых характерны не требующие специально оборудованных взлетно-посадочных полос оперативные возможности посадки и взлета. Безотказная управляемость винта обеспечивает безопасность не только крейсерского полета вертолета или дрона, но и динамических режимов, таких как посадка, взлет, разгон, и маневрирование при любых погодных условиях, исключая ураганы и другие погодные аномалии. При проектировании нового или совершенствовании старой версии вертолета/дрона, конструкторы опираются на закладываемые в АВТОКАД математические модели поведения деталей под регламентируемой нагрузкой и ПО оценки нагрузок на компоненты несущей системы, прогноза её поведения в динамических условиях, что является базой как для испытания в стендовых условиях так и в процессе натурного тестирования регламентных сертификационных испытаний.

Несущие лопасти определяют лётные характеристики вертолета/дрона, его адекватную управляемость и стабильность работы. Нештатные режимы работы несущего агрегата могут приводить к таким колебательным состояниям как флатер, или земной резонанс. Следствием этих режимов являются вибрации и неустойчивость нагрузок на привод и элементы конструкции летательного аппарата. Расчёт характеристик несущего агрегата, его лопастей является ключевой задачей при проектировании новых моделей пилотируемой и беспилотной вертолётной техники.

Исследование режима вихревого кольца

Для исследования особенностей аэродинамики винтов одиночной и соосной схем при снижении с малыми поступательными скоростями в области возможного возникновения состояний «вихревого кольца» выполняется целый комплекс научно-исследовательских работ.

Отечественные и зарубежные экспериментальные, а так же теоретические исследования несущих винтов в состоянии «вихревого кольца» показали, что их аэродинамические характеристики в этом состоянии не могут быть представлены одной обобщенной зависимостью, а имеют определенную специфику, связанную с геометрическими характеристиками конкретного агрегата.

Большая часть модельных экспериментов проведено на одиночных винтах и не учитывает особенностей работы соосной схемы. Поэтому режимы «вихревого кольца» конкретных моделей вертолета, как соосного, так и одиночного, нуждаются в самостоятельном исследовании, которое необходимо проводить на стадии разработки несущей системы вертолета.

Подобные работы обычно выполняются в специальной программе по моделированию аэродинамики  вертолета, позволяющей производить расчёты аэродинамических характеристик узлов вертолетов на сложных режимах полета, с характерной нелинейностью вихревого следа, в том числе, при наличии тороидального вихря вокруг лопастей несущего и рулевого винтов.

Работа несущих лопастей характеризуется совместным действием касательных (трение в пограничном слое) и нормальных аэродинамических сил, а так же внутренних сил изгибающего и крутящего характера в сочетании с центробежными силами, присущими любым вращающимся объектам.

В случае горизонтального полёта, пространственная диаграмма внешней нагрузки на лопасти зависит от угла наклона оси к горизонту, а также от параметров движения вертолёта в окружающем воздушном пространстве.

Поэтому расчёт нагрузки на лопасти как рулевого, так и несущего винтов не является простой задачей. Простого решения её не найти даже если имеется вычислительный ресурс с возможностью решать любые задачи в рамках уравнений Навье Стокса с произвольными граничными условиями. В рамках такой математической модели при охвате всего диапазона условий полёта, характерных для реальной эксплуатации винтов вертолёта объем выходных данных с компьютера настолько велик, что человек и компьютер попросту не смогут понять друг друга. Это еще без учета нелинейных эффектов, которые нужно учитывать при наличии тороидального вихря.

В динамических режимах (взлет, посадка) расчеты нагрузок, действующих на лопасти еще более сложны, и еще более важны как для выработки инструкций преодоления действия вихревого кольца, так и для задач конструирования несущих узлов вертолета, поскольку возможные перегрузки лопастей на этих динамических режимах могут снизить ресурс эксплуатации.

Из-за отсутствия в арсенале конструкторов надежной модели расчета нагрузок на лопасти в динамических условиях приходится пользоваться квазистационарными моделями взаимодействия лопастей с воздушными потоками. Из-за того, что квазистационарная модель не учитывает динамических эффектов, в расчетные формулы для проектировщиков вносят эмпирические поправки, которые должны быть получены из адекватно спланированных экспериментальных исследований. Создание комбинированной экспериментально-расчетной модели и методики расчёта напряженно-деформированного состояния лопастей управляющего и несущего винтов, позволяющих прогнозировать поведение конструкций в условиях маневрирования, (особенно быстрого снижения) является помощью как проектировщику, так и испытателю при оценке ресурса и фактического состояния лопастей. Такие модели окажут помощь и эксплуатирующим службам, для которых предупреждение состояний кольцевого вихря и способов безаварийного выхода из таких состояний ставится на четкий научно обоснованный фундамент

Для подтверждения достоверности используемой вихревой модели необходимо произвести сопоставление расчетных аэродинамических характеристик несущего винта вертолета/дрона на режиме висения, полученных на основе разработанной теоретической модели с результатами экспериментальных испытаний.

Для проведения анализа аэродинамической картины обтекания лопастей несущего винта, построения классических диаграмм для режимов «тороидального вихря / вихревого кольца» и сопоставления полученных результатов с имеющимися экспериментальными и расчетными данными необходимо выполнить расчеты винта при фиксированной тяге, уравновешивающей взлетный вес вертолета для случая вертикального снижения. Для анализа аэродинамической картины обтекания лопастей соосной винтовой системы при наличии тороидального вихря должны быть смоделированы формы свободного нелинейного вихревого следа за соосным винтом на исследуемых режимах, построена визуальная картина линий тока, поля скоростей в окрестности лопастей.

Для несущего (винтовой системы вертолета/дрона при различных углах атаки) винта и скоростей вертикального снижения при равенстве фиксированной тяги и взлетного веса летательного аппарата должны быть рассчитаны следующие аэродинамические параметры, как функции времени:

• составляющие сил и моментов, действующие на лопасти верхнего и нижнего винтов, а также их результирующие величины.
• характеристики махового движения лопастей для обоих винтов

При наличии тороидального вихря, нестабильности аэродинамических характеристик во времени, необходимо определить средние величины параметров, а также амплитуды отклонения от среднего.

На основе анализа результатов расчетов должны быть определены границы режимов «вихревого кольца» соосной несущей винтовой схемы вертолета в координатах Vx(Vy) по различным признакам возникновения этого состояния (пульсациям тяги и крутящего момента, ростом крутящего момента при фиксированной тяге и др.).

 

С теорией разобрались, а как быть на практике?

Для изучения режима вихревого кольца необходимо измерять большое количество физических величин, как на несущем винте, так и на рулевом. Среди этих величин:

Раньше для передачи сигналов с этих датчиков использовались контактные токосъемники

Передавать измерительные сигналы - это не их основная задача. Тем не менее авиаконструкторы  часто прибегают к такому способу передачи данных с датчиков, но такой способ не самый лучший, т.к. сопротивление постоянно меняется по мере приработки щеток, износа дорожек и износа самих щеток.
 

К счастью данный способ уже ушел в прошлое, появились более современные системы для передачи достоверных сигналов с датчиков, установленных на вращающихся деталях. Теперь это стало проще, а данные измерений стали более точными, что позволяет конструкторам получать больше информации и делать летательные аппараты более легкими, но не в ущерб безопасности полетов.

64-канальная телеметрическая система бесконтактных дистанционных измерений при испытаниях несущего узла нового вертолета со складными лопастями.

Одноканальная телеметрия для бесконтактного дистанционного  измерения крутящего момента на валу 

Более подробно ознакомиться с опытом применения телеметрических систем беспроводных дистанционных бесконтактных измерений/испытаний на вертолете КА-62 можно здесь.