SKYbrary Wiki

Artikelinformatie
Categorie:	Vluchttheorie
Inhoudsbron:	SKYbrary
Content controle:	Air Pilots

Wat is een Vortex Ring?

Vortex Ring, (een vluchtconditie die ook wel eens “settling with power” of “power settling” wordt genoemd) is een vluchtconditie waarbij een helikopter die vermogen krijgt van zijn motor(en), de lift van de hoofdrotor verliest en vervolgens verlies van controle ervaart. Het kan moeilijk zijn om te herkennen dat deze toestand zich aan het ontwikkelen is en het begin ervan is snel. Alle helikoptertypes zijn er kwetsbaar voor en het kan zich voordoen op elke hoogte buiten het grondeffect. Een goed begrip van hoe en waarom het zich ontwikkelt is de beste bescherming tegen een ontmoeting.

Opgemerkt moet worden dat de term “Settling With Power” vaak wordt gebruikt als alternatief voor Vortex Ring om de toestand te beschrijven. Afwikkelen met macht is eigenlijk een subtiel andere conditie en zou nauwkeuriger moeten worden beschreven als “Afwikkelen met Onvoldoende Macht.” Deze laatste toestand kan zich voordoen bij een poging om een daalsnelheid met lage snelheid te stoppen, maar aan het gevraagde vermogen kan niet worden voldaan door de motoren binnen de juiste vermogensgrenzen; dit is geen echte Vortex Ring, maar Vortex Ring kan zich uit deze toestand ontwikkelen als er onvoldoende vermogen is om te voorkomen dat de daalsnelheid toeneemt. Evenzo kunnen overpitched landingen zich voordoen wanneer een plotselinge en grote vraag naar lift, veroorzaakt door het snel omhoog brengen van de collectieve hefboom, grote sleepkrachten in de rotor kan opwekken die het rotortoerental snel verlagen – als de motor(en) niet snel genoeg kan (kunnen) reageren om dit te ondervangen, werkt het vliegtuig in feite met onvoldoende vermogen en een verlaagd rotortoerental met een overeenkomstig verlies van lift. In extreme gevallen kunnen de resultaten catastrofaal zijn, maar deze toestand is geen Vortex Ring.

Hoe het gebeurt

De oorzaak van echte Vortex Ring is tweeledig. In alle vluchtomstandigheden is er een zekere mate van luchtstromingscirculatie aan de uiteinden van de bladen waar de naar beneden gestuwde lucht aërodynamisch rond de aerofoil tip draait en een vortex vormt; dit gebeurt met alle aerofoils inclusief vleugels van vliegtuigen met vaste vleugels. De ontstane werveling verhoogt de luchtweerstand en vermindert de draagkracht. Als een helikopter snel daalt, is er een verhoogde opwaartse luchtstroom aan de rotoruiteinden en dit verhoogt snel de sterkte en de grootte van de wervelingen. Dit vermindert de lift en de efficiëntie van de aerofoil aan de uiteinden van de bladen en vereist meer motorvermogen om de luchtweerstand te overwinnen. Omdat de rotorbladen draaien (in tegenstelling tot de vaste rotorbladen van een vliegtuig) reist de werveling met de bladen mee en vormt zich een “donut”-vormige ring aan de buitenrand van de rotorschijf.

Daarnaast is er, naarmate de daalsnelheid toeneemt, een grotere opwaartse luchtstroom bij de bladwortels. De snelheid van de binnenste secties van de bladen is veel langzamer dan die van de uiteinden. Als de daalsnelheid toeneemt, is het mogelijk dat de opstromende lucht de lokale invalshoek aan de wortel zodanig wijzigt en vergroot, dat het worteluiteinde van het blad afslaat.

Als de collectieve neusstand verder wordt verhoogd wanneer het vliegtuig zich in deze toestand bevindt, wordt de invalshoek over de gehele lengte van het blad vergroot. Het effect hiervan zal zijn dat de omvang van de tipwervel toeneemt, die zich verder van de tip naar binnen uitstrekt. Als gevolg daarvan neemt het verlies aan lift aan beide uiteinden van de bladen toe en wordt het gebied rond het middelste gedeelte van het blad, dat eigenlijk lift genereert, kleiner. De totale lift wordt minder en de helikopter versnelt naar beneden. Deze versnelling verhoogt de opwaartse luchtstroom, waardoor de vastgelopen toestand verergert. In het uiterste geval is het mogelijk dat de gehele lengte van de bladen helemaal geen lift meer produceert.

Het effect van al deze factoren wordt versterkt wanneer de helikopter een hoge totale massa heeft, omdat er meer vermogen nodig is om een bepaalde vliegconditie te handhaven, en is verraderlijker bij benedenwinds vliegen, omdat de visuele illusie van snelheid bij benedenwinds vliegen de vermindering van de voorwaartse luchtsnelheid effectief maskeert.

Voorwaardes

De voorwaardes voor het ontstaan van een vortex-ring zijn betrekkelijk eenvoudig vast te stellen. Zij zullen lichtjes van type tot type en met veranderingen in werkende voorwaarden zoals dichtheidshoogte, windvoorwaarden en totale omhooggaande massa variëren. De 3 randvoorwaarden zijn:

1. Het vliegtuig moet een gemotoriseerde vlucht uitvoeren. Als de motoren geen vermogen leveren, bevindt het vliegtuig zich in autorotatie en wordt de opwaartse luchtstroom (in plaats van motorvermogen) gebruikt om de rotorbeweging aan te drijven. Het is niet mogelijk om in de vortex ring toestand te komen terwijl de helikopter in autorotatie is.
2. Er moet een relatief hoge daalsnelheid zijn die hoger ligt dan een werkelijke waarde van ongeveer 500’/minuut. (Merk op dat vanwege drukfouten bij lage luchtsnelheid en VSI-vertraging, een cijfer van 300 fpm gewoonlijk wordt gegeven als een maximum daalsnelheid). Zonder de daalsnelheid is er geen opstromende lucht en vindt de omkering van de luchtstroom bij de bladwortel niet plaats. Evenzo wordt zonder daalsnelheid de tipwerveling niet versterkt en is dus geen factor van betekenis.
3. Het vliegtuig moet met een lage voorwaartse snelheid vliegen.Vanwege onbetrouwbare ASI-indicaties bij een laag luchtzwaartepunt wordt gewoonlijk uitgegaan van een IAS van minder dan 30 kT. Als de voorwaartse snelheid groter is, wordt de verticale luchtstroom beïnvloed door de voorwaartse beweging en de verticale componenten, die de genererende factoren zijn, worden aanzienlijk verminderd of zelfs verwijderd als de aangetaste lucht achter de rotorschijf wordt gelaten.

Herkenning

Vortexring geeft vergelijkbare symptomen in alle helikopters, maar de ernst kan aanzienlijk verschillen van type tot type. Het moderne ontwerp van de rotorkop, vooral wanneer er een actief trillingsdempingssysteem is gemonteerd, kan de symptomen van beginnende vortexring verminderen. Wanneer de symptomen merkbaar zijn, doen zij zich in het algemeen als volgt voor:

• Beginnende vortex ring condities zijn typisch:
  • verhoogde vibratie en buffet,
  • het begin van kleine amplitude ’twitches’ in toonhoogte en bewijs van longitudinale, laterale en directionele instabiliteit.
• Vastgestelde vortex ring condities worden gekenmerkt door:
  • een zeer snelle toename van de daalsnelheid naar en boven 3000fpm,
  • verminderde effectiviteit van cyclische inputs in roll of pitch
  • de toepassing van collectieve pitch die er niet in slaagt de daalsnelheid te stoppen en deze gewoonlijk doet toenemen.

Herstel

• Beginstadium. Eenmaal herkend, is een onmiddellijke reactie vereist. Houd de collectieve stand ongewijzigd en pas de voorwaartse cyclische beweging toe om een versnellende (neus omlaag) stand te bereiken, zodat de voorwaartse luchtsnelheid snel toeneemt. Zodra een gestage toename van de luchtsnelheid wordt aangegeven, en boven 30 KIAS, kan indien nodig meer vermogen worden toegepast zonder te wachten tot de beste klimsnelheid is bereikt. Indien deze actie de situatie niet snel oplost, is het het beste om de toestand als vastgesteld te behandelen en de onderstaande acties te ondernemen.
• Vastgestelde toestand. Herstel kan alleen worden bewerkstelligd door de luchtstroming rond de rotor te veranderen en zal onvermijdelijk leiden tot aanzienlijk hoogteverlies, waardoor herstel van een voorval op lage hoogte onmogelijk wordt. Er zijn twee theoretisch mogelijke acties: Het naar voren bewegen van de cyclic en het laten zakken van de collective. De combinatie van deze acties zal waarschijnlijk het snelste herstel met het minste hoogteverlies opleveren. Toepassing van de voorwaartse stuurhoek zou de luchtsnelheid moeten doen toenemen, maar een grote krachtsinspanning gedurende enkele seconden kan nodig zijn voordat een significante neusstand en een daaruit voortvloeiende snelheidsverandering is bereikt, met een significante neusstand omlaag als gevolg. Het laten zakken van de collective om het vermogen te verminderen in de richting van autorotatie, dus het loslaten van een deel van het binnenste gedeelte van de bladen, kan ook effectief zijn, maar er moet voorwaartse luchtsnelheid worden bereikt voordat het vermogen opnieuw wordt toegepast tijdens het herstel.

Waarschuwing: Aangezien herstel van vortex ring waarschijnlijk zal resulteren in een zeer groot hoogteverlies, is de beste vorm van herstel het voorkomen van het ontstaan van de toestand in de eerste plaats. Strikte naleving van het bewaken van daalsnelheden bij lage snelheid is essentieel, vooral als het vliegtuig opereert met hoge hoogtemassa en/of benedenwinds.

• B412, omgeving Karlsborg Zweden, 2003 beschrijft een ongeval waarbij de bemanning van een helikopter de controle over het vliegtuig verloor als gevolg van mishandeling door de piloot in combinatie met de ontwikkeling van een Vortex Ring State.
• Offshore Helicopter Safety Review 2014 UK CAA
• Helioffshore Automation Guidance; effectief gebruik van automatisering in helikopters met meerdere bemanningen en pleit voor daarop gebaseerde SOP’s. V1.0 Gepubliceerd december 2016.