Пилотирование вертолета

Глава VI ПЛАНИРОВАНИЕ

Моторным планированием мы будем называть планирование вертолета с частичным использованием мощности двигателя для регулирования вертикальной скорости снижения.

Как уже известно из предыдущей главы, моторное планирование может производиться под различными углами к горизонту — от очень пологого до отвесного, в диапазоне скоростей от максимальной до 10–15 км/час.

При моторном планировании на больших скоростях не следует превышать максимально допустимую скорость полета.

Не следует также превышать вертикальную скорость снижения 4–5 м/сек по вариометру при отвесном моторном планировании.

Схемы сил при моторном планировании с поступательной скоростью и при отвесном планировании показаны на рис. 81.

Рис. 81. Моторное планирование с поступательной скоростью (1) и отвесное (2)

Устойчивость вертолета на режиме моторного планирования изменяется почти так же, как и в горизонтальном полете. Обороты несущего винта при моторном планировании следует сохранять в диапазоне от номинальных до минимально допустимых.

Производя моторное планирование с больших высот или в холодное время года, необходимо особенно внимательно следить за температурными режимами двигателя во избежание его переохлаждения.

Остановимся подробнее на режиме вихревого кольца.

При висении вертолета масса воздуха, проходящая через диск несущего винта, отбрасывается вниз с достаточно большой скоростью, вследствие чего тяга несущего винта равна весу вертолета. Некоторые потери имеют место в этом случае из-за перетекания небольшого количества воздуха у концов лопастей снизу, из зоны с повышенным давлением в зону пониженного давления. Подходя к винту сверху с достаточно большой скоростью, эта часть воздушного потока практически не участвует в создании подъемной силы.

При отвесном снижении вертолета с вертикальной скоростью 3–5 м!сек спектр обтекания несущего винта несколько изменяется.

Снижаясь с работающим двигателем, вертолет увлекает с собой и массу воздуха, протекающую через несущий винт, причем над винтом разрежение увеличивается, а отбрасываемый вниз воздух, встречая лежащие ниже невозмущенные слои воздуха, выполняющего роль своеобразного клина, изменяет направление своего движения, и уже большая его часть начинает участвовать в создании кольцевого вихря вокруг несущего винта. Потери на винте резко возрастают, и скорость снижения увеличивается.

Возросшая скорость снижения (6—10 м/сек) приводит к тому, что резко возрастает разрежение над несущим винтом и еще большее количество воздуха начинает принимать участие в вихревом кольце вокруг несущего винта.

Увеличение мощности двигателя в этом случае не увеличивает подъемной силы несущего винта, и вертолет, окруженный вихревым кольцом, опускается в невозмущенные слон воздуха, раздвигая их подобно своеобразному клину.

В результате окружающая масса воздуха вообще перестает участвовать в создании подъемной силы, а скорость снижения возрастает, несмотря на полную мощность двигателя (рис. 82).

Рис. 82. Вихревое кольцо:

_{1 — висение вертолета; 2 — малая скорость снижения; 3 — большая скорость снижения}

При снижении вертолета в режиме вихревого кольца ухудшаются его устойчивость и управляемость и возникает интенсивная тряска всего вертолета.

Режим вихревого кольца до настоящего времени еще недостаточно исследован, однако для вывода вертолета из этого опасного режима достаточно перевести его на режим самовращения несущего винта. В этом случае вихревое кольцо «исчезает и вертолет начинает устойчиво снижаться на режиме самовращения. Вертикальное снижение на режиме самовращения не обеспечивает безопасного приземления из-за большой скорости снижения. Поэтому, переведя вертолет на режим самовращения опусканием рычага «шаг-газ» вниз до получения устойчивых оборотов несущего винта, равных номинальным, следует плавным отклонением ручки управления от себя перевести вертолет в поступательный полет.

Режим самовращения несущего винта (авторотация) — самый интересный режим его работы. На этом режиме несущий винт вертолета, не потребляя мощность двигателя, не только вращается, сохраняя необходимые обороты, но и создает тягу, обеспечивающую безопасное планирование и управляемость.

Необходимым условием самовращения несущего винта является прохождение воздушного потока снизу вверх через диск несущего винта, поэтому этот режим возможен только при снижении вертолета и напоминает режим планирования самолета с задросселированным двигателем.

Планировать на режиме самовращения несущего винта можно на всех скоростях — от максимальной до отвесного планирования.

Вертикальная скорость снижения вертолета зависит от скорости планирования. Кривая, показывающая зависимость вертикальной скорости снижения от поступательной скорости полета на режиме самовращения несущего винта, называется указательницей глиссад планирования (рис. 83).

Рис. 83. Указательница глиссад планирования вертолета

Поступательную скорость, соответствующую наименьшей скорости снижения, можно найти, проведя касательную к кривой, параллельную оси поступательной скорости. Скорость, соответствующую наибольшему качеству вертолета, т. е. скорость, при которой вертолет пролетит наибольшее расстояние, планируя с данной высоты, можно определить, проведя касательную из начала координат.

Режим самовращения несущего винта имеет огромное значение для вертолета, так как он обеспечивает выполнение посадки в случае отказа двигателя.

На этом режиме полета вертолет как бы превращается в автожир, и подъемная сила несущего винта при этом возникает за счет скоса потока, протекающего через диск несущего винта снизу вверх (рис. 84).

Рис. 84. Схема сил, действующих на вертолет при планировании на режиме самовращения несущего винта

Какая же причина заставляет вращаться несущий винт вертолета на этом режиме?

Многие считают, что несущий винт в этом случае должен вращаться в сторону, обратную первоначальному вращению, т. е. хвостиком вперед, так как его лопасти имеют положительный установочный угол. Однако, как увидим дальше, это мнение справедливо только при двух условиях: 1) если вертолет начнет снижение с остановленным винтом, что невозможно, и 2) если лопасти несущего винта вертолета будут иметь установочные углы, превышающие критические углы профиля лопастей.

Следует сказать, что для обеспечения устойчивого режима самовращения несущего винта необходимо уменьшить установочные углы его лопастей до некоторой малой величины путем опускания рычага «шаг-газ» вниз. Этот процесс очень похож на перевод самолета в режим планирования.

Рассмотрим схему сил, действующих на элемент лопасти несущего винта (рис. 85).

Рис. 85. Схема сил, действующих на элемент лопасти несущего винта при работе его на режиме самовращения:

_{1 — установившийся режим; 2 — рост оборотов; 3 — падение оборотов}

Как известно, подъемная сила профиля Y всегда перпендикулярна к потоку, а лобовое сопротивление профиля X направлено по потоку. Полная аэродинамическая сила элемента лопасти R_эл будет равна геометрической сумме сил Y и X. Когда полная аэродинамическая сила элемента лопасти R_эл перпендикулярна к плоскости вращения несущего винта, то этот случай соответствует установившемуся режиму самовращения несущего винта.

В случае уменьшения оборотов несущего винта по какой-либо причине окружная скорость R_эл элемента лопасти уменьшится, при этом увеличится угол атаки α, а следовательно, наклонится вперед. Появившаяся горизонтальная составляющая, направленная в сторону вращения несущего винта, начнет разгонять лопасть. Как только окружная скорость элемента лопасти достигнет исходной величины, полная аэродинамическая сила R_эл снова станет перпендикулярной к плоскости вращения несущего винта.

При случайном увеличении оборотов несущего винта угол атаки элемента лопасти уменьшится, R_эл наклонится назад, появится горизонтальная составляющая, тормозящая вращение лопасти, и обороти вновь упадут до равновесных.

Следовательно, необходимым условием установившихся оборотов режима самовращения для элемента лопасти является равенство φ = α — Θ.

График изменения (α — Θ) по α носит название графика запаса самовращения профиля (рис. 86).

Рис. 86. График запаса самовращения

Проводя прямую, параллельную оси α, для угла φ₀, соответствующего нашему установочному углу, получим две точки A₁ и А₂. Тогда заштрихованная часть графика будет представлять область, в которой возможно самовращение для нашего профиля при φ₀.

Однако практически может быть использована только левая часть кривой от точки A₁ до точки Б, соответствующая устойчивому, установившемуся самовращению, в нашем случае — точка A₁, соответствующая углу атаки α₁.

В самом деле, если по какой-либо причине несущий винт замедлит вращение, то угол а увеличится и появятся силы, ускоряющие вращение винта, так как α — Θ в этом случае станет больше, чем φ₀. Ускорение вращения будет протекать до тех пор, пока α — Θ не станет равной φ₀.

Если же несущий винт увеличит обороты, то угол а уменьшится, α — Θ станет меньше φ₀ и замедление будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равенство α — Θ = φ₀.

Для правой части кривой от точки Б до А₂ режим самовращения не будет устойчивым, например, при случайном замедлении вращения несущего винта в точке А₂, соответствующей углу атаки α₂, α увеличится, но так как при этом α — Θ уменьшится, то будет продолжаться замедление вращения и несущий винт выпадет из режима самовращения.

Следует остановиться еще на одной особенности самовращения несущего винта. Вследствие различных окружных скоростей элементов лопасти, расположенных на разных радиусах, углы атаки их будут различными. Угол атаки концевого элемента лопасти, где окружная скорость наибольшая, будет малым; у комлевого элемента, где окружная скорость мала, угол атаки будет большим, а для промежуточного элемента лопасти угол атаки будет средним. Таким образом, промежуточный элемент лопасти несущего винта, расположенный примерно на 0,7∙r, будет работать в режиме установившегося самовращения. Концевой элемент лопасти будет иметь полную аэродинамическую силу R_эл наклоненную назад, против вращения, т. е. будет ведомым, а корневой, у которого R_эл наклонена вперед, будет ведущим, т. е. создающим крутящий момент, необходимый для вращения всего несущего винта в режиме самовращения (рис. 87).

Рис. 87. Наклон векторов полной аэродинамической силы в различных сечениях лопасти несущего винта на режиме самовращения

Остановимся теперь на понятии «опасная зона». Как известно, вертикальная скорость снижения вертолета на режиме самовращения несущего винта в сильной степени зависит от поступательной скорости полета на этом режиме.

При вертикальном снижении на режиме самовращения несущего винта у многих вертолетов, в том числе и у рассматриваемого одновинтового вертолета, вертикальная скорость снижения очень велика, вследствие чего не гарантирована благополучная посадка на этом режиме даже при использовании общего шага несущего винта.

Практикой установлено, что для обеспечения благополучной посадки вертолета, выполняющего висение, в случае отказа двигателя могут быть приняты две безопасные высоты — 10 м и 150 м.

В случае отказа двигателя на вертолете, висящем на высоте до 10 м, летчик практически не в силах что-либо предпринять, поэтому вертолет просто упадет на землю. Вместе с тем вследствие большой массы и инерции несущего винта последний будет убавлять обороты не мгновенно, поэтому и подъемная сила несущего винта исчезнет не сразу, а будет убывать постепенно в течение нескольких секунд. В случае отказа двигателя при висении вертолета на предельной высоте 10 м ему в худшем случае грозит небольшая поломка, так как вертикальная скорость приземления не превысит при этом расчетной скорости для шасси.

При отказе двигателя вертолета, висящего на высоте 150 м, летчик имеет возможность, переведя вертолет на режим самовращения несущего винта, успеть за время потери высоты разогнать вертолет до наивыгоднейшей скорости, при которой гарантируется безопасное приземление.

Отказ двигателя на вертолете, висящем в диапазоне высот от 10 до 150 м, чреват неприятными последствиями, поэтому этот диапазон высот носит название опасная зона.

Совершенно естественно, что, чем больше скорость полета вертолета отличается от скорости висения, тем меньше потребуется времени, чтобы набрать наивыгоднейшую скорость в случае отказа двигателя, а следовательно, уменьшатся размеры опасной зоны (рис. 88).

Рис. 88. Опасная зона

Самовращение несущего винта является очень важным режимом, так как в случае отказа двигателя он обеспечивает не только безопасное снижение вертолета, но и выполнение посадки.

Как известно, планирование на режиме самовращения несущего винта — самый спокойный и простой с точки зрения пилотирования режим полета. Вследствие того что двигатель или не работает, или задросселирован и работает на малых оборотах, вибрации вертолета несколько меньше, чем при работающем двигателе, так как в этом случае нет вибраций, создаваемых двигателем.

Вместе с тем этот режим полета имеет ряд особенностей, к которым необходимо привыкнуть, для чего следует пройти специальную тренировку. Для овладения этим режимом полета приходится преднамеренно выполнять планирование на режиме самовращения несущего винта.

Вследствие того что ввод в режим самовращения и вывод из него требуют некоторой потери высоты, а само планирование должно быть достаточно продолжительным, первые полеты для обучения и тренировки планированию на режиме самовращения несущего винта следует выполнять только в зоне. Ввод в режим самовращения следует начинать не ниже 1000 м, а вывод — не ниже 500 м. Потери высоты в 500 м вполне достаточно для обучения вводу, планированию и выводу из него.

После того как летчик усвоит все элементы планирования на режиме самовращения в зоне, можно перейти «планированию на меньших высотах с выводом из него на высоте не ниже 100 м. Только после овладения этими полетами можно переходить к обучению посадкам на режиме самовращения несущего винта. Выполнение посадок будет разобрано в главе VII.

Остановимся подробнее на выполнении ввода в режим самовращения несущего винта, планирования на этом режиме и вывода из него.

Набрав заданную высоту и установив необходимую скорость, следует плавным движением рычага «шаг-газ» начать уменьшение шага несущего винта при неизменном положении рукоятки коррекции газа. Обороты двигателя и несущего винта при этом останутся неизменными, а наддув двигателя уменьшится до наддува, соответствующего малым оборотам двигателя при работе его на земле. Обе стрелки указателя оборотов останутся вместе и будут указывать номинальные обороты.

После того как рычаг «шаг-газ» дойдет до своего нижнего положения (до упора), необходимо плавным поворотом рукоятки коррекции убрать газ полностью. В этом случае двигатель перейдет на малые обороты и стрелка оборотов двигателя на указателе оборотов отстанет от стрелки оборотов несущего винта.

Вертолет переведен на режим самовращения несущего винта. Необходимо иметь в виду, что при переводе вертолета на этот режим сильно изменяется его балансировка по всем прем осям, поэтому в процессе ввода необходимо сохранять заданную скорость планирования и прямолинейное направление. По окончании перевода вертолета на режим самовращения несущего винта следует снять нагрузку с ручки управления триммерами.

При первых тренировочных полетах перевод вертолета на режим самовращения следует выполнять особенно плавно, чтобы уменьшить резкость изменения балансировки вертолета.

Переводя вертолет на режим самовращения на высоте более 1000 м, рычаг «шаг-газ» не следует опускать вниз до упора, так как в этом случае обороты несущего винта превысят номинальные. Рычаг «шаг-газ» следует опускать вниз до тех пор, пока обороты несущего винта не превысят номинальные на 30–50 в минуту; оставив его в этом положении, необходимо следить за оборотами несущего винта.

По мере снижения обороты несущего винта будут уменьшаться, и когда они упадут на 30–50 об/мин ниже номинальных, дальнейшим опусканием рычага «шаг-газ» увеличить их до прежнего значения. Это необходимо проделывать до тех пор, пока рычаг «шаг-газ» не станет на нижний упор.

В холодное время года или при планировании с больших высот перед переводом вертолета на режим самовращения следует закрыть заслонки охлаждения двигателя.

При переводе вертолета на режим самовращения некоторые летчики допускают следующие ошибки:

1) резкий перевод на режим самовращения; при этом сильно усложняется пилотирование и затрудняется сохранение заданной скорости, что особенно нежелательно при первых полетах;

2) убирание коррекции газа одновременно с опусканием рычага «шаг-газ»; эта ошибка может привести к уменьшению оборотов несущего винта ниже минимально допустимых;

3) длительное планирование на режиме самовращения без балансировки вертолета триммерами; повторение этой ошибки создает у летчика неуверенность в этом режиме полета.

Следует помнить, что наиболее сложным вследствие очень резкого изменения балансировки вертолета является энергичный переход на режим самовращения с набора высоты на номинальном и особенно на форсированном режимах работы двигателя.

Планирование на режиме самовращения несущего винта можно выполнять от пологого планирования на наивыгоднейшей скорости до крутого планирования на больших и малых скоростях. При наивыгоднейшей скорости планирования качество рассматриваемого одновинтового вертолета равно примерно 4–4,5, т. е. с высоты 1000 м он может пролететь на режиме самовращения около 4–4,5 км.

При скоростях больших или меньших, чем наивыгоднейшая, качество вертолета и дальность планирования уменьшаются (см. рис. 83).

Необходимо помнить, что при планировании на режиме самовращения с очень малыми скоростями поступательного полета скорости вертикального снижения получаются большими, что может сильно усложнить посадку.

Устойчивость и управляемость вертолета при планировании на режиме самовращения несущего винта по всем осям хорошие.

Особенностью управляемости рассматриваемого одновинтового вертолета на планировании является очень большой расход (отклонение) левой педали ножного управления, в результате чего на этом режиме несколько труднее выполнять левый разворот.

Если при продолжительном планировании на режиме самовращения двигатель интенсивно охлаждается, несмотря на закрытые заслонки, следует по достижении минимально допустимой температуры головок цилиндров прекратить планирование и перейти в горизонтальный моторный полет для подогрева двигателя.

Следует помнить, что для вывода вертолета из режима самовращения несущего винта требуется некоторое время, в результате чего при выводе вертолет теряет высоту. При неумелом выводе вертолет может потерять до 200 м высоты и даже более, при правильном выводе потеря высоты может составить всего 30–50 м.

Так же как и при переходе на режим самовращения, при выводе из него сильно изменяется балансировка вертолета по всем трем осям. Однако вывод вертолета из режима самовращения существенно отличается от ввода. Если при соответствующей тренировке перевести вертолет на режим самовращения можно очень быстро (рычаг «шаг-газ» можно опустить вниз за 0,1 сек), то при выводе из режима самовращения резкая дача газа совершенно недопустима, так как она может привести к резкому удару в момент включения муфты свободного хода с последующим повреждением несущего винта и трансмиссии вертолета.

Для обеспечения плавного безударного включения муфты свободного хода увеличивать газ двигателя для вывода вертолета из планирования следует в такой последовательности. Вначале плавным поворотом рукоятки коррекции газа увеличить обороты двигателя до такой величины, чтобы стрелка оборотов двигателя на указателе оборотов плавно подошла к стрелке оборотов несущего винта. При этом не должен ощущаться удар при включении муфты свободного хода. После того как стрелки совместились, можно плавным подъемом рычага «шаг-газ» вверх увеличить наддув двигателя до необходимой величины. Появившийся при этом реактивный момент следует парировать отклонением вперед правой педали ножного управления, а затем снять усилия на ручке управления триммерами и открыть заслонки охлаждения двигателя.

Под особыми случаями следует понимать различные отказы материальной части вертолета и другие обстоятельства, вынуждающие летчика использовать режим самовращения несущего винта.

К отказам материальной части можно отнести: полный отказ двигателя; неустойчивую работу двигателя — колебания его оборотов, приводящие к ударам в трансмиссии, сильному усложнению пилотирования и не гарантирующие целость несущего винта; ненормальности поведения вертолета в полете, когда летчику еще не ясны их причины.

Летчик может воспользоваться режимом самовращения несущего винта также при следующих обстоятельствах: при нападении воздушного противника, когда необходимо в кратчайшее время потерять высоту; при вынужденном выключении двигателя вследствие возникновения на нем пожара и т. п.

Из перечисленных случаев наиболее тяжелым и сложным для летчика является внезапная резкая остановка двигателя. При этом летчик, как правило, осознает, что произошел отказ двигателя не столько в результате слуховых ощущений, сколько по резкому изменению поведения вертолета. Вследствие мгновенного исчезновения реактивного момента несущего винта вертолет начинает энергично разворачиваться вправо с одновременным сильным нарушением балансировки в продольном и поперечном отношениях.

Летчик, имеющий малый опыт полетов на вертолете и, конечно, не ожидавший отказа двигателя, в этом случае, инстинктивно стараясь сохранить нормальное положение вертолета в пространстве и прямолинейность полета, может просто забыть опустить вниз до упора рычаг «шаг-газ» для перевода вертолета на режим самовращения несущего винта.

Ненормальности в поведении вертолета в момент отказа двигателя протекают тем резче, чем больше мощность, на которой работал двигатель перед отказом. Следовательно, наиболее сложен и опасен случай отказа двигателя при наборе высоты, когда он работает на номинальной и особенно на форсированной мощности. В этих случаях, помимо того, что реактивный момент несущего винта имеет наибольшую величину, а следовательно, и наиболее резко будут протекать все явления, сопутствующие отказу двигателя, несущий винт вертолета, имея большие установочные углы лопастей, очень быстро будет терять обороты, что при некотором запаздывании летчика с уменьшением общего шага может привести к потере управления вертолетом и к невозможности перевода винта на режим самовращения.

Опыт полетов показывает, что при отказе двигателя на высоте полета около 1000 м, если он перед отказом работал на режиме 0,8–0,9 номинальной мощности, запаздывание в сбросе шага до 3 сек обеспечивает нормальный переход вертолета на режим самовращения. Естественно, что при отказе двигателя на номинальной или на форсированной мощности перевод вертолета на режим самовращения надо выполнять за меньшее время.

Перевод вертолета. на режим самовращения в случае отказа двигателя выполняется так же, как и при тренировочных полетах. Перемещение рычага «шаг-газ» вниз в этом случае может быть быстрым (до 0,1 сек); при этом, чем раньше после отказа двигателя будет произведен сброс шага несущего винта, тем меньшие возмущения появятся в поведении вертолета, тем проще будет его пилотирование.

При переводе вертолета на режим самовращения в случае отказа двигателя летчик, сбрасывая общий шаг, должен стараться удержать вертолет в нормальном положении.

Планирование на режиме самовращения с неработающим двигателем ничем не отличается от планирования на этом режиме с задросселированным двигателем.

После перевода вертолета на режим самовращения при отказе двигателя, если позволяет высота полета, надо сбалансировать вертолет триммерами, сняв усилия на ручке управления, выключить зажигание, муфту включения и закрыть пожарный кран.

В случае неустойчивой работы двигателя в полете, когда он резко меняет обороты, что приводит к толчкам и ударам в трансмиссии, могущим ее повредить, перевод вертолета на режим самовращения надо производить так же, как при тренировочных планированиях.

Если все попытки выяснить причины неустойчивой работы двигателя и наладить его работу после перехода на режим самовращения не дали положительных результатов, следует остановить двигатель, выключить муфту включения и закрыть пожарный кран. Попытка использовать неустойчиво работающий двигатель при вынужденной посадке может привести к аварии вертолета.

Следует, конечно, помнить, что после перевода вертолета на режим самовращения в случае отказа двигателя необходимо, установив наивыгоднейшую скорость планирования и используя имеющуюся высоту полета, подыскать наиболее подходящее место для посадки.

Летчику, летающему на вертолетах, всегда следует иметь в виду, что наиболее спокойным режимом полета является планирование на режиме самовращения несущего винта. Поэтому, если в любом полете он заметит какие-либо ненормальности в поведении вертолета (повышенную тряску, толчки и удары, резкое ухудшение устойчивости или управляемости и т. п.), причины которых еще не ясны, следует, не раздумывая, перевести вертолет на режим самовращения, если, конечно, позволяет высота полета.

Ненормальности в поведении вертолета могут быть результатом нарушения регулировки несущего винта, неисправности трансмиссии или нарушения работы двигателя. Переводя вертолет на режим самовращения, летчик тем самым исключает влияние двигателя и частично трансмиссии, что позволит быстрее выяснить причину ненормального поведения вертолета. Кроме того, многие ненормальности в работе несущего винта сильнее проявляются при его работе на больших установочных углах, поэтому перевод несущего винта на режим самовращения во многих случаях может дать положительные результаты.

В случае пожара на двигателе следует немедленно перевести вертолет на режим самовращения, выключить двигатель, закрыть пожарный кран и привести в действие противопожарное устройство. Планирование на посадку производить так же, как и в случае отказа двигателя.

В тех случаях, когда необходимо потерять высоту в кратчайшее время по тактическим или по другим причинам, снижение следует выполнять только на режиме самовращения. Перевод вертолета на режим самовращения следует производить так же, как и при тренировочных полетах. Выключать двигатель при этом не следует. В холодное время года после перехода на планирование необходимо сохранять температурный режим двигателя во избежание переохлаждения его.

Если после планирования летчик намерен произвести посадку с использованием двигателя, то вывод из планирования следует начинать на высоте не ниже 100 м. Следует помнить, что перевод вертолета на режим самовращения в зависимости от обстановки можно производить и очень плавно и очень энергично; перевод же вертолета из режима самовращения в моторный полет во всех случаях требует достаточно плавных движений рукояткой коррекции и рычагом «шаг-газ».