| Artikelinformation | Kategori: | Flyvningsteori |  |
Indholdskilde: | SKYbrary |  |
|---|---|---|---|
| Indholdskontrol: | Flypiloter |  |
|
Hvad er en hvirvelring?
Vortex Ring, (en flyvetilstand, der også nogle gange kaldes “settling with power” eller “power settling”) er en flyvetilstand, hvor en helikopter, der modtager kraft fra sin(e) motor(er), mister hovedrotorens løft og efterfølgende oplever tab af kontrol. Det kan være vanskeligt at erkende, at denne tilstand er ved at udvikle sig, og den kan indtræffe hurtigt. Alle helikoptertyper er sårbare over for det, og det kan forekomme i enhver højde uden for jordvirkning. En forståelse af, hvordan og hvorfor den udvikler sig, er den bedste beskyttelse mod et møde.
Det skal bemærkes, at udtrykket “Settling With Power” ofte anvendes som et alternativ til Vortex Ring til at beskrive tilstanden. Settling With Power er faktisk en subtilt anderledes tilstand og bør mere præcist beskrives som “Settling With Insufficient Power”. Sidstnævnte tilstand kan forekomme, når man forsøger at standse en nedstigningshastighed ved lav hastighed, men at motorerne ikke kan opfylde effektkravene inden for de korrekte effektgrænser; dette er ikke ægte Vortex Ring, men Vortex Ring kan udvikle sig fra denne tilstand, hvis der ikke er tilstrækkelig effekt til at forhindre, at nedstigningshastigheden stiger. På samme måde kan der opstå overpitchede landinger, når et pludseligt og stort løftebehov, som skyldes en hurtig hævning af det kollektive håndtag, kan generere store slæbekræfter i rotoren, som hurtigt reducerer rotorens omdrejningstal – hvis motoren/motorerne ikke kan reagere hurtigt nok til at overvinde dette, opererer flyet reelt med utilstrækkelig effekt og reduceret rotoromdrejningstal med et tilsvarende tab af løfteevne. I ekstreme tilfælde kan resultaterne være katastrofale, men denne tilstand er ikke Vortex Ring.
Hvordan det sker
Årsagen til ægte Vortex Ring er todelt. Under alle flyveforhold er der en vis grad af luftstrømscirkulation ved spidserne af bladene, hvor luften, der tvinges nedad, aerodynamisk roterer omkring vingespidsen og danner en vortex; dette sker med alle aerofoils, herunder vinger fra fastvingede flyvemaskiner. Den opståede hvirvel øger modstanden og reducerer løftet. Hvis en helikopter falder hurtigt, er der en øget opstrømning af luft ved rotorspidserne, og dette øger hurtigt hvirvlernes styrke og størrelse. Dette reducerer løftet og flyvepladens effektivitet i spidserne af bladene og kræver mere motorkraft for at overvinde modstanden. Fordi rotorbladene drejer sig (i modsætning til at være faste på en flyvemaskine), bevæger hvirvlerne sig med bladene, og hvirvlerne dannes til en “doughnut”-formet ring ved rotordiskens yderkant.
Dertil kommer, at der i takt med at nedstigningshastigheden øges, sker en øget opstrømning af luft ved bladrødderne. Hastigheden i de indvendige dele af bladene er meget langsommere end i spidserne. Når nedstigningshastigheden øges, er det muligt for den opstrømmende luft at ændre og øge den lokale angrebsvinkel ved rodendenden, således at bladets rodende går i stå.
Hvis den kollektive stigning øges yderligere, når flyet befinder sig i denne tilstand, øges angrebsvinklen langs hele bladets længde. Virkningen heraf vil være, at spidshvirvelens omfang øges, så den strækker sig længere ind fra spidsen. Følgelig øges tabet af løft i begge ender af bladene, og området omkring den midterste del af bladet, som faktisk genererer løft, mindskes. Den samlede løfteevne reduceres, og helikopteren accelererer nedad. Denne acceleration øger opstrømningen af luft, hvilket forværrer den fastlåste tilstand. I det yderste tilfælde er det muligt, at hele længden af bladene ikke længere producerer noget løft overhovedet.
Virkningerne af alle disse faktorer øges, når helikopteren har en høj totalmasse, fordi der kræves mere kraft for at opretholde en given flyvetilstand, og er mere snigende, når der opereres i medvind, da den visuelle illusion af hastighed i medvind effektivt dækker over reduktionen af den fremadrettede hastighed.
Mulighedsskabende betingelser
Forudsætningerne for udvikling af vortexring er relativt enkle at identificere. De varierer en smule fra type til type og med ændringer i driftsbetingelserne som f.eks. tæthedshøjde, vindforhold og totalmasse. De 3 forudsætninger er:
- Flyet skal være i motorflyvning. Hvis motorerne ikke producerer effekt, er luftfartøjet i autorotation, og luftstrømmen (snarere end motorkraften) anvendes til at drive rotorbevægelsen. Det er ikke muligt at gå ind i vortexringtilstand, mens helikopteren er i autorotation.
- Der skal være en relativt høj nedstigningshastighed, der overstiger en sand værdi på ca. 500’/minut. (Bemærk, at på grund af trykfejl ved lav lufthastighed og VSI-forsinkelse angives normalt et tal på 300 fpm som en maksimal nedstigningshastighed). Uden nedstigningshastighed er der ingen opstrømmende luft, og omvendingen af luftstrømmen ved bladroden finder ikke sted. Uden nedstigningshastighed forstærkes spidsevirvlen heller ikke, og den er derfor ikke en væsentlig faktor.
- Flyet skal flyve med en langsom fremadrettet hastighed.På grund af upålidelige ASI-indikationer ved lavt flyvehastighed antages dette sædvanligvis at være en IAS på mindre end 30kt. Hvis der er større fremadrettet hastighed, påvirkes den vertikale luftstrøm af den fremadrettede bevægelse, og de vertikale komponenter, som er de genererende faktorer, reduceres betydeligt eller fjernes endog, da den påvirkede luft efterlades bag rotorskiven.
Rekognoscering
Vortexring giver lignende symptomer i alle helikoptere, men sværhedsgraden kan variere betydeligt fra type til type. Moderne rotorhoveddesign, især når der er monteret et aktivt vibrationsdæmpningssystem, kan faktisk reducere symptomerne på begyndende vortexring. Når symptomerne er mærkbare, viser de sig generelt på følgende måde:
- Tilstande med begyndende vortexring er typisk:
- forøgede vibrationer og buffet,
- tiltag af små amplitude-“ryk” i pitch og tegn på langsgående, lateral og retningsbestemt ustabilitet.
- Etablerede vortexringforhold er karakteriseret ved:
- en meget hurtig stigning i nedstigningshastigheden mod og ud over 3000fpm,
- en reduceret effektivitet af cykliske input i rulning eller pitch,
- anvendelse af kollektiv pitch, der ikke formår at standse nedstigningshastigheden og normalt øger den.
Genopretning
- Begyndende fase. Når det er erkendt, er der behov for en øjeblikkelig reaktion. Hold den kollektive position uændret, og anvend fremadcyklisk for at opnå en accelererende (næse nedad) holdning for hurtigt at øge den fremadrettede lufthastighed. Så snart en jævn stigning i lufthastigheden er angivet, og over 30 KIAS, kan der om nødvendigt anvendes mere kraft uden at vente, indtil den bedste stigningshastighed er nået. Hvis denne handling ikke løser situationen hurtigt, er det bedst at behandle tilstanden som konstateret og foretage nedenstående handlinger.
- Konstateret tilstand. Opsving kan kun ske ved at ændre luftstrømmen omkring rotoren og vil uundgåeligt føre til et betydeligt tab af højde, hvilket gør opsving fra en hændelse i lav højde umuligt. Der er to teoretisk mulige handlinger: Flytning af cyklussen fremad og sænkning af kollektivet. En kombination af disse handlinger vil sandsynligvis give den hurtigste genopretning med det mindste højdetab. Anvendelse af den fremadrettede cykliske cyklus skulle øge lufthastigheden, men der kan være behov for et stort input, der holdes i flere sekunder, før der opnås en betydelig pitch-indstilling og deraf følgende hastighedsændring med en betydelig næse-nedad-stilling til følge. Det kan også være effektivt at sænke kollektivet for at reducere effekten i retning af auto-rotation, således at noget af den indvendige del af bladene afmonteres, men der skal opnås fremadrettet flyvehastighed, før der igen tilføres effekt under opsvinget.
Varsel: Da bjærgning fra hvirvelring sandsynligvis vil resultere i et meget stort tab af højde, er den bedste form for bjærgning at forhindre, at tilstanden overhovedet opstår. Strengt overholdelse af overvågning af nedstigningshastigheder ved lav hastighed er afgørende, især hvis flyet opererer med høj masse og/eller medvind.
- B412, nær Karlsborg Sverige, 2003 beskriver en ulykke, hvor besætningen på en helikopter mistede kontrollen over luftfartøjet som følge af pilotens fejlhåndtering i forbindelse med udviklingen af en Vortex Ring State.
- Offshore Helicopter Safety Review 2014 UK CAA
- Helioffshore Automation Guidance; effektiv brug af automatisering i helikoptere med flere besætninger og anbefaler SOP’er baseret herpå. V1.0 Udgivet december 2016.