| Artikelinformation | ||
|---|---|---|
| Kategori: | Flygningsteori |  |
| Innehållskälla: | SKYbrary |  |
| Innehållskontroll: | Flygpiloter |  |
Vad är en vortexring?
Vortex Ring, (ett flygtillstånd som också ibland kallas ”sättning med kraft” eller ”kraftsättning”) är ett flygtillstånd där en helikopter som får kraft från sin(a) motor(er) förlorar huvudrotorlyft och därefter drabbas av kontrollförlust. Det kan vara svårt att känna igen att detta tillstånd håller på att utvecklas och det kan börja snabbt. Alla helikoptertyper är sårbara för detta och det kan inträffa på vilken höjd som helst utanför markverkan. En förståelse för hur och varför det utvecklas är det bästa skyddet mot ett möte.
Det bör noteras att termen ”Settling With Power” ofta används som ett alternativ till Vortex Ring för att beskriva tillståndet. Settling With Power är faktiskt ett subtilt annorlunda tillstånd och bör mer korrekt beskrivas som ”Settling With Insufficient Power”. Det sistnämnda tillståndet kan uppstå när man försöker stoppa en nedstigningshastighet med låg hastighet men effektkraven inte kan uppfyllas av motorerna inom korrekta effektgränser; detta är inte äkta Vortex Ring, men Vortex Ring kan utvecklas från detta tillstånd om det finns otillräcklig effekt för att förhindra att nedstigningshastigheten ökar. På samma sätt kan landningar med överdrivet lutning uppstå när ett plötsligt och stort krav på lyftkraft, som orsakas av en snabb höjning av den kollektiva spaken, kan generera stora dragkrafter i rotorn som snabbt minskar rotorns varvtal – om motorn/motorerna inte kan reagera tillräckligt snabbt för att övervinna detta drivs luftfartyget i praktiken med otillräcklig effekt och reducerat rotorns varvtal med motsvarande lyftkraftsbortfall. I extrema fall kan resultatet bli katastrofalt, men detta tillstånd är inte Vortex Ring.
Hur det händer
Orsaken till verklig Vortex Ring är tvåfaldig. Under alla flygförhållanden finns det en viss grad av luftflödescirkulation vid bladspetsarna där luften som tvingas nedåt aerodynamiskt roterar runt flygplansspetsen och bildar en virvel; detta sker med alla flygplansvingar, inklusive vingar för flygplan med fasta vingar. Den virvel som bildas ökar luftmotståndet och minskar lyftet. Om en helikopter sjunker snabbt ökar luftflödet uppåt vid rotorspetsarna, vilket snabbt ökar virvelns styrka och storlek. Detta minskar lyftförmågan och flygplansverkningsgraden vid bladspetsarna och kräver mer motoreffekt för att övervinna luftmotståndet. Eftersom rotorbladen är roterande (i motsats till att de är fasta på ett flygplan) följer virveln med bladen och virveln bildas till en ”munk”-formad ring vid rotordiskens ytterkant.
Därtill kommer att det, när nedstigningshastigheten ökar, sker ett ökat uppflöde av luft vid bladrötterna. Hastigheten i de inåtvända delarna av bladen är mycket långsammare än i spetsarna. När nedstigningshastigheten ökar är det möjligt att den uppströmande luften ändrar och ökar den lokala anfallsvinkeln vid rotändan så att bladets rotändan stannar.
Om den kollektiva lutningen ökas ytterligare när flygplanet befinner sig i detta tillstånd ökar angreppsvinkeln längs hela bladets längd. Effekten av detta kommer att bli att utbredningen av spetsvirveln som sträcker sig längre in från spetsen ökar. Följaktligen ökar lyftförlusten vid bladens båda ändar och området runt bladets mittdel, som faktiskt genererar lyft, minskar. Den totala lyftet minskar och helikoptern accelererar nedåt. Denna acceleration ökar uppströmningen av luft, vilket förvärrar det stallade läget. I extremfallet är det möjligt att bladens hela längd inte längre producerar någon lyft alls.
Effekterna av alla dessa faktorer förstärks när helikoptern har hög totalmassa, eftersom mer kraft krävs för att upprätthålla ett givet flygtillstånd, och är mer försåtlig när man flyger i medvind, eftersom den visuella illusionen av hastighet när man flyger i medvind effektivt döljer minskningen av den framåtriktade lufthastigheten.
Förutsättningar
Förutsättningarna för att en virvelring skall utvecklas är relativt enkla att identifiera. De kommer att variera något från typ till typ och med förändringar i driftsförhållandena, t.ex. täthetshöjd, vindförhållanden och massa. De tre förutsättningarna är:
- Flygplanet måste vara i motoriserad flygning. Om motorerna inte producerar kraft är luftfartyget i autorotation och luftflödet (snarare än motorkraften) används för att driva rotorrörelsen. Det är inte möjligt att gå in i vortexringtillståndet medan helikoptern är i auktorotation.
- Det måste finnas en relativt hög nedstigningshastighet som överstiger ett verkligt värde på cirka 500’/minut. (Observera att på grund av tryckfel vid låg lufthastighet och VSI-fördröjning anges vanligen en siffra på 300 fpm som maximal nedstigningshastighet). Utan nedstigningshastighet finns det ingen uppströmande luft och omvändningen av luftflödet vid bladroten sker inte. På samma sätt förstärks inte spetsvirveln utan nedstigningshastighet och är därför inte en betydande faktor.
- Flygplanet måste färdas med en långsam framåtgående hastighet.På grund av opålitliga ASI-indikationer vid låg lufttillväxt anses detta vanligen vara en IAS på mindre än 30kt. Om den framåtriktade hastigheten är högre påverkas det vertikala luftflödet av den framåtriktade rörelsen och de vertikala komponenterna, som är de genererande faktorerna, reduceras avsevärt eller försvinner till och med när den påverkade luften lämnas kvar bakom rotordisken.
Kännedom
Vortexring ger liknande symtom i alla helikoptrar, men allvarlighetsgraden kan variera avsevärt från typ till typ. Modern utformning av rotorhuvudet, särskilt när det finns ett aktivt vibrationsdämpningssystem monterat, kan minska symtomen på begynnande vortexring. När symtomen är märkbara uppträder de i allmänhet på följande sätt:
- Tillstånd vid begynnande vortexring är typiskt sett:
- ökade vibrationer och buffert,
- debuterande små amplituder av ”ryckningar” i lutning och tecken på longitudinell, lateral och riktningsmässig instabilitet.
- Etablerade virvelringförhållanden kännetecknas av:
- en mycket snabb ökning av nedstigningshastigheten mot och bortom 3000fpm,
- minskad effektivitet av cykliska inmatningar i rullning eller lutning
- tillämpningen av kollektivt lutning som misslyckas med att stoppa nedstigningshastigheten och vanligtvis ökar den.
Rekonvalescens
- Inledande skede. När det väl har uppmärksammats krävs en omedelbar reaktion. Håll kollektivets läge oförändrat och använd framåtcykliskt för att uppnå en accelererande (näsan nedåt) attityd för att snabbt öka lufthastigheten framåt. Så snart en stadig ökning av lufthastigheten indikeras, och över 30 KIAS, kan mer effekt appliceras vid behov utan att vänta tills den bästa stighastigheten har uppnåtts. Om denna åtgärd inte löser situationen snabbt är det bäst att behandla tillståndet som fastställt och vidta åtgärderna nedan.
- Fastställt tillstånd. Återhämtning kan endast ske genom att ändra luftflödet runt rotorn och kommer oundvikligen att leda till betydande höjdförlust, vilket gör återhämtning från en händelse på låg nivå omöjlig. Det finns två teoretiskt möjliga åtgärder: Flytta cyklisten framåt och sänka kollektivet. En kombination av dessa åtgärder ger sannolikt den snabbaste återhämtningen med minsta möjliga höjdförlust. Användning av framskjuten cyklisk bör öka lufthastigheten, men det kan krävas ett stort inflöde som hålls i flera sekunder innan en betydande lutning och en därav följande hastighetsförändring uppnås, med en betydande nosnedåtgående attityd som följd. Att sänka kollektivet för att minska effekten mot självrotation, vilket innebär att en del av den inre delen av bladen lossas, kan också vara effektivt, men framåtgående lufthastighet måste uppnås innan effekten återigen tillämpas under återhämtningen.
Varning: Eftersom återhämtning från vortexring sannolikt resulterar i en mycket stor höjdförlust, är den bästa formen av återhämtning att förhindra att tillståndet uppstår överhuvudtaget. Strikt iakttagande av övervakning av nedstigningshastigheten vid låg hastighet är väsentligt, särskilt om luftfartyget flyger med hög all uppmassa och/eller i medvind.
- B412, närheten av Karlsborg Sverige, 2003 beskriver en olycka där besättningen på en helikopter förlorade kontrollen över luftfartyget till följd av pilotens felaktiga handhavande i samband med utvecklingen av ett Vortex Ring State.
- Offshore Helicopter Safety Review 2014 UK CAA
- Helioffshore Automation Guidance; effektiv användning av automatisering i helikoptrar med flera besättningsmedlemmar och förespråkar SOP:er som bygger på detta. V1.0 Publicerad i december 2016.