Авторотация.

Вот оно проявление эффекта авторотации :-).

Привет, друзья!

Сегодня поговорим о таком интересном и,  несомненно,  важном режиме работы воздушного винта, как авторотация. Слово это произошло от греческого «сам» и латинского «вращение». То есть означает оно самовращение. На этом режиме винт не приводится во вращение от двигателя, а вращается сам от набегающего потока воздуха. Говоря умными словами,  в работу его вращения превращается энергия этого потока.

Упрощенную, но достаточно наглядную иллюстрацию к этому, я думаю,  видел каждый еще в детстве. Я так достаточно хорошо помню,  как мы с мальчишками носились по двору с самодельными пропеллерами из бумаги, укрепленными на палочках,  и те довольно бойко вращались, раскручиваемые  встречным ветром. Ветряные мельницы тоже сродни этим маленьким пропеллерам,  и даже серфингисты, оседлавшие крутые океанские волны, имеют определенное отношение к явлению авторотации :-).

Скоростной напор воздуха давит на расположенные под углом к нему лопасти винта и заставляет их как бы съезжать по нему :-). Лопасти двигаются, а так как один их конец закреплен на оси вращения винта, то движение переходит в обычное вращение. Ну, а дальше с винтом происходит то же самое, что и с крылом при его движении в воздушной среде. Все, кто читал статьи рубрики «Аэродинамика. Элементарно» это уже знает :-). На каждую лопасть (а они все имеют аэродинамический профиль) действуют аэродинамические силы, далее они  действуют на винт и, в конечном итоге,  на летательный аппарат, в соответствии с его предназначением.

Авторотация возможна для любого винта, и самолетного, и вертолетного. Но только для одного летательного аппарата этот режим полета является штатным. Название у этого аппарата несколько необычно для русского уха – автожир :-). О нем я вам расскажу в одной из следующих статей. А сейчас вернемся к нашим…(нет, не баранам :-)) традиционным летательным аппаратам.

Самолет. Для него авторотация является режимом аварийным, то есть явно малоприятным. Возникать она  может в случае остановки двигателя в полете (обычно без желания летчика), когда винт перестает приводится от двигателя и начинает раскручиваться набегающим потоком воздуха. Но при этом, особенно на достаточно большой скорости, возникает серьезное сопротивление потоку, которое ощутимо тормозит самолет, а если двигателей несколько,  и они расположены на консолях крыла, то возникает еще и достаточно сильный разворачивающий и кренящий  момент.

Пример флюгирования винта.

Все это чревато нехорошими последствиями. Поэтому на всех двигателях с винтами изменяемого шага предусмотрена возможность флюгирования, то есть установки лопастей по потоку (по возможности параллельно :-)), чтобы сократить  до минимума вредное сопротивление. А потом, если потребуется движок запустить в воздухе ( для этого нужна предварительная раскрутка ротора) лопасти могут быть установлены в нужное положение для использования эффекта авторотации.

Турбовинтовой двигатель с зафлюгированными лопастями винта.

Авторотация актуальна и для турбореактивного двигателя. Ведь его газовоздушный тракт «открыт всем ветрам», а турбина как раз и приспособлена для раскрутки от набегающего потока. Поэтому ротор ТРД в случае выключения  в полете продолжает вращаться в результате авторотации и может быть запущен в воздухе, с использованием  этого  вращения. Разворот лопаток турбины и компрессора, как лопастей  у винтового двигателя,  у ТРД невозможен (да и нецелесообразен :-)), но двигатель, чей ротор вращается на авторотации,  создает значительно меньшее аэродинамическое сопротивление, чем если бы ротор  был неподвижен.

Вертолет. Здесь ситуация несколько иная. Дело в том, что хотя режим авторотации и является аварийным, но с его помощью вертолет может произвести мягкую посадку с неработающим двигателем. Правда при соблюдении некоторых условий. При работе двигателя в штатном режиме плоскость вращения винта обычно наклонена вперед и воздушный поток поступает на винт сверху. При отказе двигателя (или его выключении) вертолет начинает снижаться,  и поток попадает на винт уже снизу. Появляется авторотация, но принципы обтекания лопастей воздушным потоком  от этого не меняются.

Направление воздушного потока на разных режимах полета.

Выше я уже говорил, что воздушный поток,  оказывая сильное давление на лопасти винта, заставляет его вращаться в ту же сторону, что и при работающем двигателе,  и одновременно на лопастях (по аналогии с крылом) возникают аэродинамические силы ( в том числе и подъемная сила), которые сильно замедляют вертикальное снижение вертолета. При этом для правильной организации процесса снижения необходимо контролировать угол атаки лопастей (или же шаг винта, что в данной ситуации то же самое). Я не ошибся, употребив слово «организация». Процесс аварийного снижения (хоть и с выключенным двигателем) можно в определенной степени контролировать путем изменения углов атаки лопастей (шага винта) с помощью автомата перекоса точно также, как и в обычном полете.

В начале процесса снижения шаг винта должен быть уменьшен до минимума для обеспечения раскрутки винта. При большом шаге винт замедляет вращение и может даже начать вращаться в обратную сторону, что абсолютно нежелательно :-). Далее летчик контролирует скорость набегающего потока и, соответственно, вертикальную скорость снижения путем изменения шага винта.

Силы действующие на профиль лопасти винта вертолета при авторотации.

Снижение вертолета на авторотации происходит обычно «по самолетному». То есть аппарат снижается и двигается вперед одновременно. Перед самой землей летчик резко увеличивает шаг винта, подъемная сила ощутимо  возрастает ( за счет  кинетической  энергии  раскрученного винта),  и вертикальная скорость становится практически равной нулю. Вертолет мягко садится с небольшой горизонтальной скоростью  «по самолетному». Существует также возможность чисто вертикального снижения. Однако оно практически  не используется, потому что его скорость в два-три раза выше вертикальной скорости снижения «по самолетному», которая обычно равна 25-30 м/с. Такую скорость погасить полностью перед приземлением невозможно. И это уже мягкой посадкой не назовешь :-).

То есть авторотация делает возможность благополучной посадки вертолета вполне реальной. Но вертолеты тем не менее падают… В чем же дело?  Выше я уже упомянул об  определенных условиях, необходимых для мягкой посадки. Их всего-то два, но без них удачи не видать :-).

Первое условие объективное и от экипажа вертолета не зависит, к сожалению.  Для того, чтобы успеть использовать эффект авторотации для осуществления мягкой посадки нужно, чтобы вертолет в момент перехода на аварийный режим имел достаточный запас высоты, либо обладал достаточной горизонтальной скоростью. Либо то, либо другое (а лучше, когда и то, и другое вместе :-)) нужно для того, чтобы винт успел раскрутиться и аэродинамические силы достигли величин, достаточных для спасения. Иначе полет скорей всего закончится трагично. Последнее предложение больше относится к военным вертолетам, потому что они очень часто выполняют свои задачи на малых высотах.

Ну, а второе – это обучение пилотов и конструктивные возможности вертолетов. Каждый вертолет при своем создании проверяется на возможность использования режима авторотации, и каждый летчик обучается управлять вертолетом на этом режиме. Управление это не совсем простое и необходимы навыки для осуществления безопасной посадки.

Вертолет Aerospatiale SA.315B Lama.

В целом авторотация, конечно, полезное явление и, как аварийный режим уже неоднократно (и успешно! :-))использовался летчиками, как самолетов, так и вертолетов. Известен самый длительный спуск на авторотации французского вертолета Aerospatiale SA.315B Lama, который осуществил летчик Jean Boulet в 1972 году. При осуществлении рекордного полета он достиг высоты 12440 метров после чего двигатель вертолета аварийно остановился. Посадка была осуществлена  безопасно и мягко.

Звучит это, конечно, впечатляюще… Но лучше, я вам скажу, чтобы необходимости осуществлять аварийные посадки не возникало. Хватит с нас и тренировок :-).

В заключении предлагаю вам посмотреть три ролика. Первый — компьютерное воспроизведение посадки вертолета КА-50 на авторотации. Второй и третий — это вид посадки со стороны. Хорошо видно как перед посадкой пилот увеличивает шаг лопастей и вертолет «задирает нос».

Фотографии кликабельны.