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Kategorie:	Flugtheorie
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Was ist ein Wirbelring?

Der Wirbelring (ein Flugzustand, der manchmal auch als „Absetzen mit Leistung“ oder „Leistungsabsetzen“ bezeichnet wird) ist ein Flugzustand, bei dem ein Hubschrauber, der von seinen Triebwerken Leistung erhält, den Auftrieb des Hauptrotors verliert und in der Folge die Kontrolle verliert. Es kann schwierig sein, diesen Zustand zu erkennen, und er kann schnell eintreten. Alle Hubschraubertypen sind dafür anfällig und es kann in jeder Höhe außerhalb des Bodeneffekts auftreten. Ein Verständnis dafür, wie und warum er sich entwickelt, ist der beste Schutz vor einer Begegnung.

Es ist anzumerken, dass der Begriff „Settling With Power“ oft als Alternative zu Vortex Ring verwendet wird, um den Zustand zu beschreiben. Sesshaftwerden mit Macht ist eigentlich ein subtil anderer Zustand und sollte genauer als „Sesshaftwerden mit unzureichender Macht“ beschrieben werden. Der letztgenannte Zustand kann auftreten, wenn versucht wird, eine niedrige Sinkgeschwindigkeit zu stoppen, aber die Leistungsanforderungen von den Triebwerken nicht innerhalb der korrekten Leistungsgrenzen erfüllt werden können; dies ist kein echter Wirbelring, aber ein Wirbelring kann sich aus diesem Zustand entwickeln, wenn die Leistung nicht ausreicht, um eine Erhöhung der Sinkgeschwindigkeit zu verhindern. Ebenso können überhöhte Landungen auftreten, wenn eine plötzliche und große Nachfrage nach Auftrieb, ausgelöst durch ein schnelles Anheben des kollektiven Hebels, große Schleppkräfte im Rotor erzeugen kann, die die Rotordrehzahl schnell reduzieren – wenn die Triebwerke nicht schnell genug reagieren können, um dies zu überwinden, wird das Flugzeug effektiv mit unzureichender Leistung und reduzierter Rotordrehzahl betrieben, was zu einem entsprechenden Auftriebsverlust führt. In extremen Fällen können die Ergebnisse katastrophal sein, aber dieser Zustand ist kein Vortex Ring.

Wie es passiert

Die Ursache für einen echten Vortex Ring ist zweifach. Unter allen Flugbedingungen gibt es an den Blattspitzen eine gewisse Luftzirkulation, bei der die nach unten gezwungene Luft aerodynamisch um die Tragflächenspitze rotiert und einen Wirbel bildet; dies geschieht bei allen Tragflächen, auch bei Starrflügeltragflächen. Der erzeugte Wirbel erhöht den Luftwiderstand und verringert den Auftrieb. Wenn ein Hubschrauber schnell sinkt, kommt es an den Rotorspitzen zu einer verstärkten Aufwärtsströmung der Luft, wodurch sich die Stärke und Größe der Wirbel schnell erhöht. Dies verringert den Auftrieb und den Wirkungsgrad der Tragflächen an den Blattspitzen und erfordert mehr Motorleistung, um den Luftwiderstand zu überwinden. Da sich die Rotorblätter drehen (im Gegensatz zu einem feststehenden Flugzeug), bewegt sich der Wirbel mit den Blättern und bildet einen „doughnut“-förmigen Ring an der Außenkante der Rotorscheibe.

Zusätzlich kommt es mit zunehmender Sinkgeschwindigkeit zu einer verstärkten Aufwärtsströmung der Luft an den Blattwurzeln. Die Geschwindigkeit der inneren Abschnitte der Blätter ist viel langsamer als die der Spitzen. Mit zunehmender Sinkgeschwindigkeit ist es möglich, dass die aufströmende Luft den lokalen Anstellwinkel am Wurzelende so verändert und vergrößert, dass das Wurzelende des Blattes abreißt.

Wird der kollektive Pitch weiter erhöht, wenn sich das Flugzeug in diesem Zustand befindet, wird der Anstellwinkel über die gesamte Länge des Blattes erhöht. Dies führt zu einer Vergrößerung des Spitzenwirbels, der sich von der Spitze weiter nach innen erstreckt. Infolgedessen nimmt der Auftriebsverlust an beiden Blattenden zu und der Bereich um den mittleren Teil des Blattes, der eigentlich Auftrieb erzeugt, nimmt ab. Der Gesamtauftrieb verringert sich und der Hubschrauber beschleunigt nach unten. Durch diese Beschleunigung wird die Luftströmung nach oben verstärkt, was den Strömungsabriss noch verschlimmert. Im Extremfall ist es möglich, dass die gesamte Länge der Blätter überhaupt keinen Auftrieb mehr erzeugt.

Die Auswirkungen all dieser Faktoren werden verstärkt, wenn der Hubschrauber eine hohe Gesamtmasse hat, weil mehr Leistung erforderlich ist, um einen bestimmten Flugzustand aufrechtzuerhalten, und sie sind noch heimtückischer, wenn der Hubschrauber in Lee fliegt, da die visuelle Täuschung über die Geschwindigkeit in Lee die Verringerung der Vorwärtsfluggeschwindigkeit effektiv verdeckt.

Ermöglichende Bedingungen

Die Vorbedingungen für die Entstehung eines Wirbelrings sind relativ einfach zu erkennen. Sie variieren geringfügig von Typ zu Typ und mit Änderungen der Betriebsbedingungen wie Dichte, Höhe, Windbedingungen und Gesamtmasse. Die 3 Vorbedingungen sind:

1. Das Flugzeug muss sich im Motorflug befinden. Wenn die Triebwerke keine Leistung erbringen, befindet sich das Flugzeug in Autorotation und die Aufwärtsströmung der Luft (und nicht die Triebwerksleistung) wird zum Antrieb der Rotorbewegung verwendet. Es ist nicht möglich, in den Wirbelringzustand einzutreten, während sich der Hubschrauber in Autorotation befindet.
2. Es muss eine relativ hohe Sinkrate vorhanden sein, die einen wahren Wert von etwa 500’/Minute übersteigt (aufgrund von Druckfehlern bei niedriger Fluggeschwindigkeit und VSI-Verzögerung wird üblicherweise eine Zahl von 300 fpm als maximale Sinkrate angegeben). Ohne die Sinkrate gibt es keine aufwärts strömende Luft und die Umkehrung der Luftströmung an der Schaufelwurzel findet nicht statt. Ebenso wird der Spitzenwirbel ohne Sinkflug nicht verstärkt und ist daher kein bedeutender Faktor.
3. Das Flugzeug muss sich mit einer langsamen Vorwärtsgeschwindigkeit bewegen, die aufgrund der unzuverlässigen ASI-Anzeigen bei niedrigem Luftsaft üblicherweise mit einer IAS von weniger als 30kt angegeben wird. Bei einer höheren Vorwärtsgeschwindigkeit wird die vertikale Luftströmung durch die Vorwärtsbewegung beeinträchtigt, und die vertikalen Komponenten, die die auslösenden Faktoren sind, werden erheblich reduziert oder sogar beseitigt, da die betroffene Luft hinter der Rotorscheibe zurückbleibt.

Erkennung

Der Wirbelring ruft bei allen Hubschraubern ähnliche Symptome hervor, aber die Schwere kann sich von Typ zu Typ erheblich unterscheiden. Moderne Rotorkopfkonstruktionen, insbesondere wenn ein aktives Schwingungsdämpfungssystem eingebaut ist, können die Symptome eines beginnenden Wirbelrings verringern. Wenn sich die Symptome bemerkbar machen, treten sie im Allgemeinen wie folgt auf:

• Anfängliche Wirbelringzustände sind typischerweise:
  • erhöhte Vibrationen und Schläge,
  • das Auftreten von „Zuckungen“ mit kleiner Amplitude in der Tonhöhe und Anzeichen von Instabilität in Längs-, Quer- und Richtungsrichtung.
• Etablierte Wirbelringbedingungen sind gekennzeichnet durch:
  • einen sehr schnellen Anstieg der Sinkgeschwindigkeit in Richtung und über 3000fpm hinaus,
  • verringerte Wirksamkeit von zyklischen Eingaben in Roll oder Nick
  • die Anwendung von kollektivem Pitch, der die Sinkgeschwindigkeit nicht aufhalten kann und sie normalerweise erhöht.

Erholung

• Anfängliches Stadium. Sobald sie erkannt wird, ist eine sofortige Reaktion erforderlich. Die Position des Kollektivs ist unverändert zu halten, und es ist ein Vorwärtsgang einzulegen, um eine beschleunigende Fluglage (Nase nach unten) zu erreichen, damit die Vorwärtsfluggeschwindigkeit schnell zunimmt. Sobald ein stetiger Anstieg der Fluggeschwindigkeit angezeigt wird und über 30 KIAS liegt, kann bei Bedarf mehr Leistung zugeführt werden, ohne zu warten, bis die beste Steiggeschwindigkeit erreicht ist. Wenn diese Maßnahme die Situation nicht schnell löst, ist es am besten, den Zustand als etabliert zu behandeln und die folgenden Maßnahmen zu ergreifen.
• Etablierter Zustand. Eine Bergung kann nur durch eine Änderung der Luftströmung um den Rotor herum erfolgen und führt unweigerlich zu einem erheblichen Höhenverlust, der eine Bergung aus einer niedrigen Höhe unmöglich macht. Es gibt zwei theoretisch mögliche Maßnahmen: Das Vorschieben des Zyklus und das Absenken des Kollektivs. Die Kombination dieser beiden Maßnahmen führt wahrscheinlich zu einer schnelleren Erholung mit dem geringsten Höhenverlust. Das Vorwärtsfahren des Zyklus sollte die Fluggeschwindigkeit erhöhen, aber es kann eine große, mehrere Sekunden lang gehaltene Eingabe erforderlich sein, bevor eine signifikante Nicklage und damit eine Geschwindigkeitsänderung erreicht wird, was zu einer signifikanten Abwärtsbewegung der Nase führt. Das Absenken des Kollektivs, um die Leistung in Richtung Eigenrotation zu reduzieren, so dass ein Teil des inneren Teils der Blätter entfernt wird, kann ebenfalls wirksam sein, aber die Vorwärtsfluggeschwindigkeit muss erreicht werden, bevor während der Erholung wieder Leistung zugeführt wird.

Warnung: Da das Ausleiten aus einem Wirbelring wahrscheinlich zu einem sehr großen Höhenverlust führt, ist die beste Form der Ausleitung, den Zustand erst gar nicht entstehen zu lassen. Die strikte Einhaltung der Überwachung der Sinkgeschwindigkeit bei niedriger Geschwindigkeit ist unerlässlich, insbesondere wenn das Flugzeug mit hoher Gesamtmasse und/oder in Lee fliegt.

• B412, Nähe Karlsborg Schweden, 2003 beschreibt einen Unfall, bei dem die Besatzung eines Hubschraubers die Kontrolle über das Luftfahrzeug infolge eines Pilotenfehlers in Verbindung mit der Entwicklung eines Wirbelringzustands verlor.
• Offshore Helicopter Safety Review 2014 UK CAA
• Helioffshore Automation Guidance; effektiver Einsatz von Automatisierung in Hubschraubern mit mehreren Besatzungsmitgliedern und befürwortet darauf basierende SOPs. V1.0 Veröffentlicht im Dezember 2016.