Warum wird die *vertikale* Autorotation in einem Hubschrauber nicht empfohlen?

Wenn der Motor eines einmotorigen Hubschraubers ausfällt, kann er automatisch zur Erde zurückkehren: Er gibt potenzielle Energie aus der Verringerung der Höhe ab, um den Rotor am Drehen zu halten, der dann weiterhin Auftrieb liefert. Die Autorotation kann im Vertikalflug direkt nach unten erfolgen, aber die allgemeine Empfehlung lautet, die Vorwärtsgeschwindigkeit beizubehalten, wie bei einem Gleitschirmfliegen: Die Sinkrate ist viel geringer, wenn die Vorwärtsgeschwindigkeit vorhanden ist.

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Wir assoziieren Helikopter mit Schweben, aber das ist eine anstrengende Anstrengung. Sogar ein wenig Vorwärtsgeschwindigkeit erzeugt einen translatorischen Auftrieb, der es dem Rotor viel leichter macht, Auftrieb zu erzeugen:

• Der Vorwärtseinstrom kippt den Auftriebsvektor nach vorne, verringert den induzierten Widerstand und das Blattdrehmoment und erhöht den Auftrieb. Oder anders ausgedrückt: Der Luftstrom strömt bereits ein und muss nicht von Null beschleunigt werden. Der Rotor beginnt nun eher wie ein Starrflügler zu arbeiten.
• Der Luftstrom durch den Rotor erfährt weniger Störungen durch den Rumpf.

Die Auswirkung der Vorwärtsgeschwindigkeit auf die Autorotationsgeschwindigkeit des Sinkflugs ist in diesem Buch grafisch dargestellt :

Zurück zur vertikalen Autorotation: Der vertikal nach oben gerichtete Luftstrom muss schnell genug durch den Rotor strömen, um den Windmühlenzustand zu erreichen, damit der Auftrieb durch Abbremsen der durchströmenden Luft erzeugt wird. Wenn wir die Auftriebskomponente pro Fläche eines vertikal selbstrotierenden Rotors berechnen, ist sie vergleichbar mit a$C_D$Wert von 1,1 bis 1,2 bezogen auf die Rotorfläche. Laut dieser Quelle :

• eine flache Platte hat a$C_D$vom 1.28
• ein Fallschirm hat a$C_D$von 1.4.

Beim vertikalen Sinkflug ist der automatisch drehende Rotor also fast so gut wie ein Fallschirm mit der gleichen Fläche - nur ist die Größe des Fallschirms für die typische Nutzlast eines Hubschraubers etwas klein, was zu vertikalen Sinkgeschwindigkeiten zwischen 3.600 und 6.200 führt Fuß/Min. Zum Vergleich:

• Air France 447 stürzte mit einer vertikalen Sinkgeschwindigkeit von 10.000 ft/min zu Boden.
• Das Flugzeug von Kapitän Sullenberger brauchte vier Minuten, um den Hudson in einem richtigen Gleitflug zu erreichen, aus einer Höhe von 2.060 Fuß = durchschnittlich 500 Fuß/min.

Zwei Faktoren machen die Autorotation jedoch viel überlebensfähiger:

1. Die Sinkgeschwindigkeit kann „ausgeweitet“ werden, indem der zyklische Rückzug gezogen wird (Vorwärtsgeschwindigkeit gegen mehr kinetische Rotorenergie ausgetauscht wird) und dann kurz vor dem Bodenkontakt nach oben gefahren wird, wodurch der Rotor verlangsamt und der Auftrieb erhöht wird. Der Pilot hat nur eine Chance.
2. Die Sinkgeschwindigkeit ist viel geringer, wenn die Autorotation mit Vorwärtsgeschwindigkeit durchgeführt wird, wobei die beste Geschwindigkeit die optimale Steiggeschwindigkeit ist.

Beachten Sie, dass es bei einem vertikalen Abstieg keinen Pullback des Zyklikers gibt, sondern nur einen Anstieg des Kollektivs - und die Abstiegsrate ist höher. Eine höhere Geschwindigkeit und weniger Mittel zum Bremsen, das ist nicht empfehlenswert!

Eine Randbemerkung

Der Windmühlenrotor dreht sich nicht in die andere Richtung! Die von unten einströmende Luft kippt den Auftriebsvektor wie bei einem Segelflugzeug nach vorne. Ein Teil der Rotorscheibe wird durch die Luftkräfte in die gleiche Richtung getrieben, wie sie noch unter Strom stand.

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Es gibt drei gute Gründe, vertikale Autorotation zu vermeiden.

Erstens führt die vertikale Autorotation viel wahrscheinlicher zu einem Vortex-Ring-Zustand, bei dem die aus der Rotorscheibe austretende Luft durch die Rotorscheibe zurückgeführt wird. Die rezirkulierte Luft im Wirbelring begrenzt dann die Menge an Luftstrom/Energie, die für die Umwandlung in die Rotationsgeschwindigkeit der Rotorscheibe zur Verfügung steht, was für den erfolgreichen Abschluss des überlebenswichtigen Teils des automatischen Rotationsmanövers (das Aufflackern bis zum Aufsetzen) entscheidend ist.

Zweitens erhöht die Vorwärtsgeschwindigkeit die Energiemenge, die für die Umwandlung in Rotorscheibengeschwindigkeit verfügbar ist.

Drittens ermöglicht die Vorwärtsgeschwindigkeit, dass der Landestoß zwischen verschiedenen Gurten und Sitzstoßdämpfern geteilt wird, wodurch die Belastung auf jeder bestimmten Achse verringert wird.

THEORIE vergessen ... eine vertikale Autorotation IST möglich und kann sicher durchgeführt werden. Um diese Frage zu beantworten, die mir mein Co-Pilot an diesem Tag in Vietnam stellte, brachte ich unser H-Modell Huey auf 5.000 Fuß und bestätigte den Schwebeflug. Ich senkte das Kollektiv und hackte den Gashebel, um die Nadeln zu teilen, und überwachte die Rotordrehzahl, um sicherzustellen, dass keine Übergeschwindigkeit entsteht, während der Zyklus für eine echte Vertikale zentriert blieb. Ich habe Kollektiv verwendet, um unsere Sinkrate zu stabilisieren. Nachdem ich mich davon überzeugt hatte, dass das Manöver sicher war, erholte ich mich bei etwa 1.000 Fuß, indem ich den Zykliker nach vorne drückte und die Kraft wiedererlangte.

Wir hatten keine Probleme mit der Wirbelringtheorie oder Anzeichen dafür, dass dieses Manöver gefährlich war. Hätte ich es tatsächlich absetzen müssen, hätte ich einen vorwärts gerichteten zyklischen Aspekt eingeleitet, um ein Standard-Flare durchzuführen und einmal unter den von mir gewählten 1.000 Fuß abzusetzen. In der Flugschule der Armee in den 1960er Jahren übten wir jeden möglichen Aspekt der Autorotation IMMER zum Boden ohne Energierückgewinnung bei 50 Fuß Unsinn. Ich persönlich halte es für unverantwortlich und verrückt, einen Hubschrauberpiloten nicht für Autos mit vollem Bodenkontakt auszubilden. Was? Wird Gott in den letzten 50 Minuten plötzlich auftauchen und helfen?

SIMS sind KEIN akzeptabler Ersatz für die tatsächliche Praxis. Wir haben schwebende Autos, Run-on-Autos, 180°- und 360°-Autos, Autos mit voller Geschwindigkeitsverzögerung gemacht, aber mein absoluter Favorit hieß „Spot-Autos“. Der IP suchte sich einen Punkt auf der Landebahn aus – normalerweise eine der Nummern, und ich leitete ein Auto aus Musterhöhe und Geschwindigkeit auf der Landebahn ein, wobei ich meinen steilen Gleitwinkel durch die Kinnblase bemerkte.

Ich hielt das Kollektiv niedrig und benutzte nur zyklisch, um den Chopper fast bis zum Stillstand abzufackeln - wobei ich die Rotordrehzahl genau überwachte und das Kollektiv bei Bedarf zog, um eine Überdrehzahl zu verhindern. Cyclic wurde nach vorne geschoben, um den wunderbar schnellen Abstieg wieder zu beginnen - oh je - wir konnten auf dem Weg nach unten mindestens zwei und manchmal drei Leuchtkugeln bekommen - die letzte hielt direkt an der gewählten Nummer an und zog, was im Wesentlichen ein Schweben war automatisch zu landen.

Wir haben mit all diesen Manövern immer alle unsere Autos zu Boden gebracht und es hat wirklich SPASS gemacht! Unser geistiges Eigentum definierte Fachwissen und Kompetenz und leistete hervorragende Arbeit darin, uns allen dieselben Eigenschaften zu vermitteln, da wir wussten, dass wir auf unserem Weg jeden Trainingsvorteil brauchen würden, den wir ertragen konnten. Meine zwei Cent (1.955 Kampfhubschrauber-Flugstunden in Vietnam Slicks und Kanonen).

Sie müssen die Leistung berücksichtigen, die der Hubschrauber im Flug benötigt, dargestellt durch die rote Kurve in der Grafik.

Die blaue Linie ist die vom Rotor bei Autorotation bereitgestellte Leistung. Wie Sie sehen können, ist die erforderliche Leistung bei einer Fluggeschwindigkeit von Null viel größer als bei 50, 60 oder 70 Knoten. Daher wird Ihr Leistungsdefizit auch bei einer Fluggeschwindigkeit von Null viel größer sein, was zu einer erhöhten Sinkgeschwindigkeit führt.

Ein weiterer Vorteil der Geschwindigkeit ist die Fähigkeit zum Flare (Schritte 3-4 im von der FAA empfohlenen Flugprofil). Während des Aufflackerns nutzen Sie die kinetische Energie, die durch die Vorwärtsgeschwindigkeit bereitgestellt wird, um Ihren Sinkflug zu reduzieren. Bei einer Fluggeschwindigkeit von null verliert man diese Möglichkeit vollständig, die einzige Möglichkeit, die verbleibende Sinkrate zu reduzieren, besteht darin, das Kollektiv zu erhöhen (und höchstwahrscheinlich wird es nicht ausreichen, um eine sehr harte Landung zu verhindern).

Ein dritter Grund wäre, dass es für den Piloten einfacher ist, die Höhe über dem Boden einzuschätzen, wenn eine gewisse Vorwärtsgeschwindigkeit vorhanden ist, und auch der Hubschrauber richtungsstabiler ist.

Unterm Strich ist der bevorzugte Fluggeschwindigkeitsbereich für die Autorotation der in der Grafik grün schattierte Bereich zwischen der Geschwindigkeit mit minimaler Leistung und der Geschwindigkeit mit dem besten Bereich. Es gibt Situationen, in denen der gelbe Bereich verwendet wird (umschlossener Bereich, einige Verfahren für nächtliche Autorotation), aber dieser Bereich reicht ohnehin nicht unter 30 Knoten.

Während der Autorotation wird die Vorwärtsgeschwindigkeit zur Steuerung der Rotorkopfgeschwindigkeit verwendet. Im Auto ist der Motor getrennt (im Falle eines Ausfalls des Heckrotors) oder einfach tot, sodass er nicht zur Steuerung der Rotordrehzahl verwendet werden kann.

Bei einem vertikalen Sinkflug wird der Rotorkopf schließlich durch die an den Blättern vorbeiströmende Luft überdrehen, und die Rotorblätter werden sich vom Flugzeug entfernen. Nicht gut.

Die Luft, die vom Vorwärtsflug auf die Blätter trifft, wird verwendet, um einen Luftwiderstand auf die Rotorblätter auszuüben und sie zu verlangsamen. Je schneller sich der Hubschrauber vorwärts bewegt, desto größer ist der Luftwiderstand.

Der Pilot verwendet also im automatischen Modus die Vorwärtsfluggeschwindigkeit, um die Rotorgeschwindigkeit zu steuern. Wenn die Rotorkopfgeschwindigkeit zu hoch wird, fahren Sie mit der Nase etwas nach unten, um die Fluggeschwindigkeit zu erhöhen und den Rotor zu verlangsamen. Wenn der Rotorkopf langsamer wird, verringern Sie die Vorwärtsgeschwindigkeit, damit der Rotorkopf an Geschwindigkeit gewinnt.

Der Vorwärtsflug hilft auch beim Manövrieren des Hubschraubers bei der Auswahl eines Aufsetzpunkts, aber hauptsächlich wird er verwendet, um die Rotorgeschwindigkeit im grünen Bereich zu halten.

Jeder Hubschrauber hat eine ideale Autorotations-Vorwärtsfluggeschwindigkeit, die die Rotorkopfgeschwindigkeit im grünen Bereich halten sollte. In einem Bell JetRanger sind es ungefähr 60 Knoten, glaube ich, obwohl dies eine allgemeine Richtlinie ist, keine absolute.

Theoretisch könnte man die Blattneigung zu einem zu hohen Kopf erhöhen, um ihn zu verlangsamen, aber der Vorwärtsflug ist eine präzisere Methode, dies zu tun, und vermeidet das Risiko, den Kopf versehentlich zu stark zu verlangsamen.

Die Regelung der Rotordrehzahl erfolgt kollektiv. Kein Wirbelring bei Autorotation, da Luft in die falsche Richtung strömt. Vertikale Autorotation ist möglich, aber riskant, da begrenzte überschüssige Energie, größere Energie mit der Fluggeschwindigkeit, sodass Sie mehr Energie für das Abfangen haben, Spielraum für Fehler während des Abfangens lässt. und Sie können Ihren Landeplatz auswählen, dorthin fliegen und ihn natürlich im Voraus sehen.

Es gibt viele falsche Antworten in diesem Thread, aber ich möchte eine ansprechen, die jeder bewertete Hubschrauberpilot beantworten können sollte (was nach den Antworten in diesem Thread zu urteilen vielleicht nicht so wahr ist, wie ich hoffe) und das ist:

SIE KÖNNEN IN EINER AUTOROTATION KEINEN VORTEX-RINGZUSTAND ERHALTEN

Die drei Dinge, die Sie für VRS oder „Settling with Power“ (FAA-Definition) benötigen, sind:

• Sinkrate größer als 300 fpm
• Geschwindigkeit kleiner als ETL
• LEISTUNG ANGEWENDET

Wenn der Motor abgestellt ist, können Sie natürlich keinen Strom anlegen.

Davon abgesehen haben Sie im Hubschrauber immer noch Energie in Form von potentieller Energie (in Höhe über dem Boden) und kinetischer Energie (in der Fluggeschwindigkeit des Hubschraubers) gespeichert. Die kinetische Energie steigt exponentiell mit der Fluggeschwindigkeit, dh wenn Sie Ihre Fluggeschwindigkeit verdoppeln (z. B. 30 auf 60 Knoten), verdreifachen Sie die Menge an kinetischer Energie, die Sie verwenden können, um Ihre Rotordrehzahl im Flare aufrechtzuerhalten (von der Sie viel benötigen werden, um die Geschwindigkeit zu stoppen). des Sinkflugs und der Vorwärtsfluggeschwindigkeit vor dem Aufsetzen)

Wenn Sie keine Fluggeschwindigkeit haben, haben Sie eine höhere Sinkgeschwindigkeit im Auto und weniger Energie, um diese Sinkgeschwindigkeit vor der Landung aufzuhalten.

Antworten auf diese Fragen und mehr finden Sie im Helicopter Flying Handbook, das kostenlos von der FAA-Website heruntergeladen werden kann!

- FAA RW Berufspilot und CFI-I