RU2818823C1 - Method of preventing rotorcraft from entering vortex ring state zone at pre-landing maneuvers in hovering mode - Google Patents

Method of preventing rotorcraft from entering vortex ring state zone at pre-landing maneuvers in hovering mode Download PDF

Info

Publication number
RU2818823C1
RU2818823C1 RU2023131206A RU2023131206A RU2818823C1 RU 2818823 C1 RU2818823 C1 RU 2818823C1 RU 2023131206 A RU2023131206 A RU 2023131206A RU 2023131206 A RU2023131206 A RU 2023131206A RU 2818823 C1 RU2818823 C1 RU 2818823C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rotary
wing aircraft
vortex ring
aircraft
true
Prior art date
Application number
RU2023131206A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Андреевич Антипов
Александр Борисович Бельский
Владимир Петрович Бурмистров
Владимир Васильевич Лопатин
Василий Мильевич Чобан
Original Assignee
Акционерное общество "Национальный центр вертолетостроения им. М.Л. Миля и Н.И. Камова" (АО "НЦВ Миль и Камов")
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Национальный центр вертолетостроения им. М.Л. Миля и Н.И. Камова" (АО "НЦВ Миль и Камов") filed Critical Акционерное общество "Национальный центр вертолетостроения им. М.Л. Миля и Н.И. Камова" (АО "НЦВ Миль и Камов")
Application granted granted Critical
Publication of RU2818823C1 publication Critical patent/RU2818823C1/en

Links

Abstract

FIELD: aviation.
SUBSTANCE: invention relates to aircraft engineering, namely to rotorcraft rotor aerodynamics, in particular, to a method of preventing rotorcraft, including helicopters, from entering into a zone of the vortex ring state during pre-landing manoeuvres in hovering mode. Result is achieved due to automatic maintenance of true longitudinal and vertical air speeds within the limits at which the rotorcraft cannot get into the zone of the vortex ring state. To perform said automatic maintenance, measuring the longitudinal and vertical true air speeds of the aircraft, the current weight of the aircraft, current overload on vertical axis, static pressure at flight altitude, ambient air temperature at flight altitude. Measured parameters are used to generate signals, which by means of automatic control system of helicopter limit its true air speeds to values excluding entering of rotorcraft into zone of vortex ring state.
EFFECT: increasing the flight safety of rotorcraft by preventing them from entering into the zone of vortex ring state.
4 cl, 2 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к авиации, а именно к аэродинамике несущего винта винтокрылого летательного аппарата, в частности к способу предотвращения попадания вертолета в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах в режиме висения.The invention relates to aviation, namely to the aerodynamics of the main rotor of a rotary-wing aircraft, in particular to a method for preventing a helicopter from entering the “vortex ring” mode zone during pre-landing maneuvers in hover mode.

Режим «вихревого кольца» являются особым режимом работы как одиночного, так и соосного несущего винта вертолетов и винтокрылых летательных аппаратов. Главной особенностью этого режима является глобальное нарушение законов струйного течения потока воздуха в области несущих винтов. Оно возникает при малой горизонтальной скорости вертолета на снижении. В этом режиме несущие винты не создают достаточной тяги, поэтому возникает плохая управляемость летательным аппаратом, самопроизвольное и непредсказуемое ускоренное снижение летательного аппарата.The “vortex ring” mode is a special mode of operation of both single and coaxial rotors of helicopters and rotary-wing aircraft. The main feature of this mode is the global violation of the laws of jet flow of air flow in the area of the rotors. It occurs at low horizontal speed of the helicopter during descent. In this mode, the rotors do not create sufficient thrust, resulting in poor controllability of the aircraft and spontaneous and unpredictable accelerated descent of the aircraft.

Уровень техникиState of the art

Известно, что на предпосадочных маневрах вертолета происходит попадание вертолета в режим «вихревого кольца» с неожиданной и резкой потерей высоты полета, что приводит к авариям и катастрофам вертолетной техники за счет неизбежных грубых посадок (публикация «Теория вертолета» / Джонсон У. - Мир, 1989, 108 с.).It is known that during pre-landing maneuvers of a helicopter, the helicopter enters the “vortex ring” mode with an unexpected and sharp loss of flight altitude, which leads to accidents and disasters of helicopter equipment due to inevitable rough landings (publication “Helicopter Theory” / Johnson W. - World, 1989, 108 pp.).

Известен способ предотвращения винтокрылого аппарата в режим устойчивого «вихревого кольца» (CN 1784338А, В64С27/28, В64С27/57, публ. 07.06.2006), который осуществляется путем измерения подъемной силы несущего винта вертолета и создания на него бокового циклического возмущения при входе в режим «вихревого кольца».There is a known method of preventing a rotorcraft from entering a stable “vortex ring” mode (CN 1784338A, B64C27/28, B64C27/57, published 06/07/2006), which is carried out by measuring the lifting force of the helicopter rotor and creating a lateral cyclic disturbance on it when entering “vortex ring” mode.

Тем не менее, этот способ не позволяет предотвратить попадание винтокрылого аппарата в зону режима «вихревого кольца». Он снижает опасную ситуацию при попадании в режим «вихревого кольца», но не предотвращает самой ситуации.However, this method does not prevent the rotorcraft from entering the vortex ring zone. It reduces the dangerous situation when entering the “vortex ring” mode, but does not prevent the situation itself.

Известен способ обнаружения и сигнализации о приближении к режиму «вихревого кольца» винтокрылого аппарата, включающий измерение на предварительных летных испытаниях тангенциальных и нормальных составляющих воздушной скорости потока вблизи несущего винта (CN 101808897А, В64С27/00, публ. 18.08.2010). По измеренным величинам осуществляют формирование границ возникновения режима «вихревого кольца» и проводят сравнение воздушной скорости вертолета и связанной с ней вертикальной скорости с граничными параметрами режима «вихревого кольца». При соответствии параметров режиму «вихревого кольца» осуществляют формирование сигнала предупреждения. При этом приемники воздушного давления установлены на двух плечах вращающегося рычага, установленного на штанге над несущим винтом винтокрылого аппарата.There is a known method for detecting and signaling the approach to the “vortex ring” mode of a rotorcraft, which includes measuring the tangential and normal components of the air velocity near the main rotor during preliminary flight tests (CN 101808897A, B64C27/00, published 08/18/2010). Based on the measured values, the boundaries of the occurrence of the “vortex ring” mode are formed and the helicopter air speed and the associated vertical speed are compared with the boundary parameters of the “vortex ring” mode. If the parameters correspond to the “vortex ring” mode, a warning signal is generated. In this case, the air pressure receivers are installed on two arms of a rotating lever mounted on a rod above the main rotor of the rotorcraft.

Однако в известном способе тангенциальную и нормальную (осевую) скорости набегающего потока воздуха вблизи несущего винта определяют без учета их зависимости от угла атаки несущего винта, что значительно снижает точность определения режима «вихревого кольца» и момента запуска сигналов тревоги, увеличивая вероятность летных происшествий. Кроме того, усложнение конструкции несущего винта снижает надежность и влияет на траекторию полета при предпосадочных маневрах.However, in the known method, the tangential and normal (axial) velocities of the oncoming air flow near the rotor are determined without taking into account their dependence on the angle of attack of the rotor, which significantly reduces the accuracy of determining the “vortex ring” mode and the moment when alarms are triggered, increasing the likelihood of flight accidents. In addition, increasing the complexity of the rotor design reduces reliability and affects the flight path during pre-landing maneuvers.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является способ определения и сигнализации о приближении несущего винта одновинтового вертолета к режиму «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах (RU 2486596 C1, G08B21/00, В64С 27/00, публ. 27.06.2013), согласно которому измеряют на предварительных летных испытаниях с помощью системы измерителей тангенциальные и нормальные составляющие воздушной скорости вблизи несущего винта и по этим парным величинам формируют границы возникновения режима «вихревого кольца» винтокрылого аппарата. При этом точность формирования границ возникновения режима «вихревого кольца» увеличивается за счет учета угла атаки несущего винта. Затем в течение полета осуществляют сравнение воздушной скорости вертолета и связанной с ней вертикальной скорости с граничными параметрами режима «вихревого кольца» и при соответствии параметров формируют сигнал предупреждения.The closest to the proposed invention is a method for determining and signaling the approach of the main rotor of a single-rotor helicopter to the “vortex ring” mode during pre-landing maneuvers (RU 2486596 C1, G08B21/00, B64C 27/00, published 06.27.2013), according to which it is measured at During preliminary flight tests using a measuring system, the tangential and normal components of air speed near the main rotor and, based on these paired values, form the boundaries of the occurrence of the “vortex ring” mode of the rotorcraft. At the same time, the accuracy of the formation of the boundaries of the occurrence of the “vortex ring” mode is increased by taking into account the angle of attack of the main rotor. Then, during the flight, the helicopter’s air speed and the associated vertical speed are compared with the boundary parameters of the “vortex ring” mode and, if the parameters match, a warning signal is generated.

Однако этот способ не предотвращает попадание вертолета в зону режима «вихревого кольца».However, this method does not prevent the helicopter from entering the “vortex ring” zone.

Известны граничные условия возникновения режима «вихревого кольца» (публикация «Динамика вертолета. Предельные режимы полета»/ Браверман А.С., Вайнтруб А.П. - М.: Машиностроение, 1988, 278 с). В данной на странице 193 работе приведены формулы (1) и (4) для расчета истинных воздушных скоростей, при которых на предпосадочных маневрах в режиме висения исключается попадание одновинтовых вертолетов в зону режима «вихревого кольца»:The boundary conditions for the emergence of the “vortex ring” mode are known (publication “Helicopter dynamics. Limit flight modes” / Braverman A.S., Vaintrub A.P. - M.: Mashinostroenie, 1988, 278 pp.). This work on page 193 provides formulas (1) and (4) for calculating true air speeds at which, during pre-landing maneuvers in hover mode, single-rotor helicopters are excluded from entering the “vortex ring” mode zone:

где - истинная продольная воздушная скорость винтокрылого летательного аппарата, км/ч;Where - true longitudinal airspeed of the rotary-wing aircraft, km/h;

m - текущая масса летательного аппарата, кг;m is the current mass of the aircraft, kg;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;g - gravity acceleration, m/s 2 ;

ny - текущая перегрузка по вертикальной оси;n y - current overload along the vertical axis;

Δ - относительная плотность воздуха;Δ - relative air density;

где Рн - статическое давление воздуха на высоте полета, мм рт.ст.;where R n - static air pressure at flight altitude, mm Hg;

Тн - температура наружного воздуха, градусы Кельвина; Tn - outside air temperature, degrees Kelvin;

где t - температура наружного воздуха на высоте полета, °С;where t is the outside air temperature at flight altitude, °C;

F - площадь, ометаемая винтами винтокрылого летательного аппарата, м2.F is the area swept by the propellers of a rotary-wing aircraft, m2 .

где - истинная вертикальная воздушная скорость снижения винтокрылого летательного аппарата, м/с;Where - true vertical airspeed of descent of the rotary-wing aircraft, m/s;

m - текущая масса летательного аппарата, кг;m is the current mass of the aircraft, kg;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;g - gravity acceleration, m/s 2 ;

ny - текущая перегрузка по вертикальной оси;n y - current overload along the vertical axis;

Δ - относительная плотность воздуха;Δ - relative air density;

F - площадь, ометаемая винтами винтокрылого летательного аппарата, м2.F is the area swept by the propellers of a rotary-wing aircraft, m2 .

Величины Δ и ny являются безразмерными.The quantities Δ and n y are dimensionless.

Известны результаты экспериментальных исследований зон «вихревого кольца» для одновинтовых и соосных вертолетов (публикация «Аэродинамика соосного вертолета» / Петросян Э.А. - Казань: Полигон-Пресс, 2004, 816 с.) которые отражены на фиг. 1, 2.The results of experimental studies of “vortex ring” zones for single-rotor and coaxial helicopters are known (publication “Aerodynamics of a coaxial helicopter” / Petrosyan E.A. - Kazan: Polygon-Press, 2004, 816 pp.) which are reflected in Fig. 12.

В указанной публикации Петросяна Э.А. на рис. 8.2.6, стр. 699 приведены графики зон «вихревого кольца» для соосного и одиночного винтов (фиг. 1). На графиках сплошной и пунктирной линией изображены границы зон «вихревого кольца» для соосного и одиночного винтов соответственно. Скорости представлены в безразмерных величинах , где Vy - составляющая вектора скорости по оси вращения винта, Vxz - проекция вектора скорости на конструктивную плоскость вращения винта.In the said publication by Petrosyan E.A. in Fig. 8.2.6, p. 699 shows graphs of the “vortex ring” zones for coaxial and single propellers (Fig. 1). The solid and dotted lines in the graphs show the boundaries of the “vortex ring” zones for coaxial and single propellers, respectively. Velocities are presented in dimensionless units , where Vy is the component of the velocity vector along the axis of rotation of the propeller, Vxz is the projection of the velocity vector onto the design plane of rotation of the propeller.

Зоны «вихревого кольца» ограничены осью и построенными графиками, которые получены на основе обработки результатов экспериментальных исследований моделей соосного и одиночного винтов в аэродинамической трубе. В этих зонах между осью и построенными графиками происходит «провал» коэффициентов тяги винтов, и возникает самопроизвольное и непредсказуемое ускоренное снижение вертолета.The “vortex ring” zones are limited by the axis and constructed graphs, which were obtained based on processing the results of experimental studies of coaxial and single propeller models in a wind tunnel. In these areas between the axis and the constructed graphs, a “failure” of the propeller thrust coefficients occurs, and a spontaneous and unpredictable accelerated descent of the helicopter occurs.

При отсутствии угла скольжения у вертолета скорость Vxz равна истинной продольной воздушной скорости , a Vy равна истинной вертикальной воздушной скорости .In the absence of a helicopter's sideslip angle, the speed Vxz is equal to the true longitudinal airspeed , a Vy is equal to the true vertical airspeed .

На предпосадочных маневрах в режиме висения вертолет может попасть в верхние границы этих зон, которые практически одинаковы как у одновинтовых вертолетов, так и у вертолетов соосной схемы (фиг. 1). Это означает, что формулы (1) и (2) верны как для одновинтовых вертолетов, так и для вертолетов с соосными несущими винтами.During pre-landing maneuvers in hover mode, the helicopter can enter the upper boundaries of these zones, which are almost the same for both single-rotor helicopters and coaxial helicopters (Fig. 1). This means that formulas (1) and (2) are true for both single-rotor helicopters and helicopters with coaxial rotors.

В указанной публикации Петросяна Э.А. на рис. 8.3.4, стр. 705 показана граница «вихревого кольца» вертолета Ка-32, полученная в результате летных испытаний (фиг. 2).In the said publication by Petrosyan E.A. in Fig. 8.3.4, p. 705 shows the boundary of the “vortex ring” of the Ka-32 helicopter, obtained as a result of flight tests (Fig. 2).

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Техническая проблема, не решенная в известных устройствах, решение которой обеспечивается заявляемым изобретением, заключается в создании способа предотвращения попадания винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца», что исключает возникновение вибраций, плохую управляемость летательным аппаратом, самопроизвольное и непредсказуемое ускоренное снижение летательного аппарата.A technical problem not solved in known devices, the solution of which is provided by the claimed invention, is to create a method for preventing a rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode zone, which eliminates the occurrence of vibrations, poor controllability of the aircraft, and spontaneous and unpredictable accelerated descent of the aircraft.

Это является актуальной задачей особенно с учетом тенденций создания опционально-пилотируемых вертолетов и обеспечения их безопасного пилотирования, как в ручном, так и в автоматическом режимах.This is an urgent task, especially taking into account the trends in creating optionally piloted helicopters and ensuring their safe piloting, both in manual and automatic modes.

Технический результат заключается в повышении безопасности полетов винтокрылых летательных аппаратов на предпосадочных маневрах.The technical result consists in increasing the flight safety of rotary-wing aircraft during pre-landing maneuvers.

Для достижения технического результата предлагается способ предотвращения попадания винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах в режиме висения, включающий измерение продольных и вертикальных истинных воздушных скоростей винтокрылого летательного аппарата, текущую массу летательного аппарата, текущую перегрузку по вертикальной оси, статическое давление на высоте полета, температуру наружного воздуха на высоте полета, отличающийся тем, что измеренные параметры подают в пилотажный вычислитель и формируют в нем сигналы, которые с помощью системы автоматического управления ограничивают истинные воздушные скорости винтокрылого летательного аппарата в соответствии неравенствами (5), (6):To achieve a technical result, a method is proposed to prevent a rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode zone during pre-landing maneuvers in hover mode, including measuring the longitudinal and vertical true air speeds of the rotary-wing aircraft, the current weight of the aircraft, the current overload along the vertical axis, static pressure at flight altitude, the temperature of the outside air at flight altitude, characterized in that the measured parameters are supplied to the flight computer and signals are generated in it, which, using an automatic control system, limit the true air speeds of the rotorcraft in accordance with inequalities (5), (6) :

где - истинная продольная воздушная скорость винтокрылого летательного аппарата, км/ч;Where - true longitudinal airspeed of the rotary-wing aircraft, km/h;

m - текущая масса летательного аппарата, кг;m is the current mass of the aircraft, kg;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;g - gravity acceleration, m/s 2 ;

ny - текущая перегрузка по вертикальной оси;n y - current overload along the vertical axis;

Δ - относительная плотность воздуха;Δ - relative air density;

где Рн - статическое давление воздуха на высоте полета, мм рт.ст.;where R n - static air pressure at flight altitude, mm Hg;

Тн - температура наружного воздуха, градусы Кельвина; Tn - outside air temperature, degrees Kelvin;

Тн=273+t,T n =273+t,

где t - температура наружного воздуха на высоте полета, °С;where t is the outside air temperature at flight altitude, °C;

F - площадь, ометаемая винтами винтокрылого летательного аппарата, м2;F is the area swept by the propellers of a rotary-wing aircraft, m 2 ;

где - истинная вертикальная воздушная скорость снижения винтокрылого летательного аппарата, м/с;Where - true vertical airspeed of descent of the rotary-wing aircraft, m/s;

m - текущая масса летательного аппарата, кг;m is the current mass of the aircraft, kg;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;g - gravity acceleration, m/s 2 ;

ny - текущая перегрузка по вертикальной оси;n y - current overload along the vertical axis;

Δ - относительная плотность воздуха;Δ - relative air density;

F - площадь, ометаемая винтами винтокрылого летательного аппарата, м2.F is the area swept by the propellers of a rotary-wing aircraft, m2 .

Кроме того, согласно способу предотвращения попадания винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах в режиме висения для средних и тяжелых винтокрылых летательного аппаратов с массой более 3100 кг в управление вертолетом по вертикальному каналу вводят сигнал, пропорциональный ускорению истинной вертикальной воздушной скорости с величиной упреждения tупр, зависящей от массы винтокрылого летательного аппарата, согласно неравенству (7):In addition, according to the method of preventing a rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode zone during pre-landing maneuvers in hover mode for medium and heavy rotary-wing aircraft with a mass of more than 3100 kg, a signal proportional to the acceleration of the true vertical air speed is introduced into the helicopter control via the vertical channel with the lead value t control , depending on the mass of the rotary-wing aircraft, according to inequality (7):

где - истинная вертикальная воздушная скорость снижения винтокрылого летательного аппарата, м/с;Where - true vertical airspeed of descent of the rotary-wing aircraft, m/s;

m - текущая масса летательного аппарата, кг;m is the current mass of the aircraft, kg;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;g - gravity acceleration, m/s 2 ;

ny - текущая перегрузка по вертикальной оси;n y - current overload along the vertical axis;

Δ - относительная плотность воздуха;Δ - relative air density;

F - площадь, ометаемая винтами винтокрылого летательного аппарата, м2;F is the area swept by the propellers of a rotary-wing aircraft, m 2 ;

tупр - время упреждения, зависящее от массы винтокрылого летательного аппарата, сек;t control - lead time, depending on the mass of the rotary-wing aircraft, sec;

- ускорение истинной вертикальной воздушной скорости, м/с2. - acceleration of true vertical air speed, m/s 2 .

Кроме того, согласно способу предотвращения попадания винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах в режиме висения при увеличении истинной высоты винтокрылого летательного аппарата во время проведения предпосадочного маневра по сигналу радиовысотомера изменяют маршрут полета винтокрылого летательного аппарата для его посадки на запасном аэродроме.In addition, according to the method of preventing a rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode zone during pre-landing maneuvers in hover mode, when the true altitude of the rotary-wing aircraft increases during the pre-landing maneuver, the flight route of the rotary-wing aircraft is changed by a signal from the radio altimeter for landing at an alternate airfield .

Кроме того, способ предотвращения попадания винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах применяют на вертолетах.In addition, a method for preventing a rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode zone during pre-landing maneuvers is used on helicopters.

Таким образом, достигается технический результат.Thus, a technical result is achieved.

Достигается повышение безопасности полетов винтокрылых летательных аппаратов, в том числе, вертолетов, на предпосадочных маневрах за счет того, что в соответствии с предлагаемым способом предотвращения попадания винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах в режиме висения измеряют продольные и вертикальные истинные воздушные скорости винтокрылого летательного аппарата, текущую массу летательного аппарата, текущую перегрузку по вертикальной оси, статическое давление на высоте полета, температуру наружного воздуха на высоте полета. Эти параметры подают в пилотажный вычислитель для формирования сигналов, которые с помощью системы автоматического управления ограничивают истинные воздушные скорости винтокрылого летательного аппарата до величин, исключающих его попадание в зону режима «вихревого кольца». При увеличении истинной высоты винтокрылого летательного аппарата во время проведения предпосадочного маневра по сигналу радиовысотомера изменяют маршрут полета винтокрылого летательного аппарата для его посадки на запасном аэродроме.An increase in the flight safety of rotary-wing aircraft, including helicopters, during pre-landing maneuvers is achieved due to the fact that, in accordance with the proposed method of preventing a rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode zone, longitudinal and vertical true values are measured during pre-landing maneuvers in hover mode air speeds of a rotary-wing aircraft, current weight of the aircraft, current overload along the vertical axis, static pressure at flight altitude, outside air temperature at flight altitude. These parameters are fed to the flight computer to generate signals that, using an automatic control system, limit the true air speeds of the rotorcraft to values that prevent it from entering the “vortex ring” mode zone. When the true altitude of a rotary-wing aircraft increases during a pre-landing maneuver, a signal from the radio altimeter changes the flight route of the rotary-wing aircraft to land at an alternate airfield.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами:The essence of the invention is illustrated by drawings:

На фиг. 1 изображены зоны «вихревого кольца», полученные на основе обработки результатов экспериментальных исследований моделей соосного и одиночного винтов в аэродинамической трубе.In fig. Figure 1 shows the “vortex ring” zones obtained by processing the results of experimental studies of coaxial and single propeller models in a wind tunnel.

На фиг. 2 изображены границы зоны «вихревого кольца» соосного вертолета Ка-32, полученные в результат летных испытаний.In fig. Figure 2 shows the boundaries of the “vortex ring” zone of the Ka-32 coaxial helicopter, obtained as a result of flight tests.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

В соответствии с предлагаемым способом предотвращения попадания винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах в режиме висения измеряют продольные и вертикальные истинные воздушные скорости летательного аппарата, текущую массу летательного аппарата, текущую перегрузку по вертикальной оси, статическое давление на высоте полета, температуру наружного воздуха на высоте полета, входящие в формулы (1) и (4). Эти параметры подают в пилотажный вычислитель. Затем формирует в нем сигналы, которые с помощью системы автоматического управления, ограничивают истинные воздушные скорости винтокрылого летательного аппарата на предпосадочном маневре в соответствии с неравенствами (5), (6):In accordance with the proposed method of preventing a rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode zone, during pre-landing maneuvers in hover mode, the longitudinal and vertical true air speeds of the aircraft, the current mass of the aircraft, the current overload along the vertical axis, static pressure at flight altitude are measured, outside air temperature at flight altitude included in formulas (1) and (4). These parameters are fed to the flight computer. Then it generates signals in it that, using an automatic control system, limit the true airspeeds of the rotary-wing aircraft during the pre-landing maneuver in accordance with inequalities (5), (6):

где - истинная продольная воздушная скорость винтокрылого летательного аппарата, км/ч;Where - true longitudinal airspeed of the rotary-wing aircraft, km/h;

m - текущая масса летательного аппарата, кг;m is the current mass of the aircraft, kg;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;g - gravity acceleration, m/s 2 ;

ny - текущая перегрузка по вертикальной оси;n y - current overload along the vertical axis;

Δ - относительная плотность воздуха;Δ - relative air density;

где Рн - статическое давление воздуха на высоте полета, мм рт.ст.;where R n - static air pressure at flight altitude, mm Hg;

Тн - температура наружного воздуха, градусы Кельвина; Tn - outside air temperature, degrees Kelvin;

Тн=273+t,T n =273+t,

где t - температура наружного воздуха на высоте полета, °С;where t is the outside air temperature at flight altitude, °C;

F - площадь, ометаемая винтами винтокрылого летательного аппарата, м2.F is the area swept by the propellers of a rotary-wing aircraft, m2 .

где - истинная вертикальная воздушная скорость снижения винтокрылого летательного аппарата, м/с;Where - true vertical airspeed of descent of the rotary-wing aircraft, m/s;

m - текущая масса летательного аппарата, кг;m is the current mass of the aircraft, kg;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;g - gravity acceleration, m/s 2 ;

ny - текущая перегрузка по вертикальной оси;n y - current overload along the vertical axis;

Δ - относительная плотность воздуха;Δ - relative air density;

F - площадь, ометаемая винтами винтокрылого летательного аппарата, м2.F is the area swept by the propellers of a rotary-wing aircraft, m2 .

На фиг. 1 изображены зоны «вихревого кольца», полученные на основе обработки результатов экспериментальных исследований моделей соосного и одиночного винтов в аэродинамической трубе. На предпосадочных маневрах в режиме висения вертолет может попасть в верхние границы этих зон, которые практически одинаковы как у одновинтовых вертолетов, так и у вертолетов соосной схемы.In fig. Figure 1 shows the “vortex ring” zones obtained by processing the results of experimental studies of coaxial and single propeller models in a wind tunnel. During pre-landing maneuvers in hover mode, the helicopter can fall into the upper boundaries of these zones, which are almost the same for both single-rotor helicopters and coaxial helicopters.

Это указывает на то, что выполнение неравенств (5) и (6) исключает попадание в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах в режиме висения, как одновинтовых вертолетов с одиночным несущим винтом, так и вертолетов соосной схемы.This indicates that the fulfillment of inequalities (5) and (6) excludes both single-rotor helicopters with a single main rotor and coaxial helicopters from entering the “vortex ring” mode zone during pre-landing maneuvers in hover mode.

С целью повышения безопасности полетов средних и тяжелых винтокрылых летательных аппаратов с массой более 3100 кг, обладающих большой инерцией, в управление винтокрылым летательным аппаратом по вертикальному каналу вводят дополнительный сигнал упреждения, пропорциональный ускорению истинной вертикальной воздушной скорости, с величиной упреждения tупр, зависящей от массы винтокрылого летательного аппарата. При этом неравенство (6) преобразуется в неравенство (7):In order to improve the flight safety of medium and heavy rotary-wing aircraft with a mass of more than 3100 kg, which have high inertia, an additional lead signal is introduced into the control of the rotary-wing aircraft via the vertical channel, proportional to the acceleration of the true vertical air speed, with the lead value t control depending on the mass rotary-wing aircraft. In this case, inequality (6) is transformed into inequality (7):

где - истинная вертикальная воздушная скорость снижения винтокрылого летательного аппарата, м/с;Where - true vertical airspeed of descent of the rotary-wing aircraft, m/s;

m - текущая масса летательного аппарата, кг;m is the current mass of the aircraft, kg;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;g - gravity acceleration, m/s 2 ;

ny - текущая перегрузка по вертикальной оси;n y - current overload along the vertical axis;

Δ - относительная плотность воздуха;Δ - relative air density;

F - площадь, ометаемая винтами винтокрылого летательного аппарата, м2;F is the area swept by the propellers of a rotary-wing aircraft, m 2 ;

tупр - время упреждения, зависящее от массы винтокрылого летательного аппарата, сек;t control - lead time, depending on the mass of the rotary-wing aircraft, sec;

- ускорение истинной вертикальной воздушной скорости, м/с2. - acceleration of true vertical air speed, m/s 2 .

Истинная вертикальная воздушная скорость снижения винтокрылого летательного аппарата является суммой скоростей: скорости снижения винтокрылого летательного аппарата относительно Земли и скорости воздушного потока, направленного вверх. При скорости воздушного потока, направленной вверх, больше допустимой скорости снижения винтокрылого летательного аппарата, указанной в неравенстве (6), система автоматического управления вертолета на предпосадочном маневре начнет увеличивать истинную высоту винтокрылого летательного аппарата. С целью исключения попадания винтокрылого летательного аппарата в режим «вихревого кольца» в этом случае при увеличении истинной высоты винтокрылого летательного аппарата во время проведения предпосадочного маневра навигационный вычислитель по сигналу радиовысотомера изменяет маршрут полета для посадки винтокрылого летательного аппарата на запасном аэродроме.True vertical airspeed of descent of a rotorcraft is the sum of the speeds: the speed of descent of the rotorcraft relative to the Earth and the speed of the air flow directed upward. When the speed of the air flow directed upward is greater than the permissible rate of descent of the rotorcraft indicated in inequality (6), the automatic control system of the helicopter during the pre-landing maneuver will begin to increase the true altitude of the rotorcraft. In order to prevent the rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode, in this case, when the true altitude of the rotary-wing aircraft increases during the pre-landing maneuver, the navigation computer, based on a signal from the radio altimeter, changes the flight route to land the rotary-wing aircraft at an alternate airfield.

Предлагаемый способ предотвращения попадания винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах применяют, в том числе, на вертолетах.The proposed method of preventing a rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode zone during pre-landing maneuvers is used, including on helicopters.

Таким образом, технический результат, заключающийся в повышении безопасности полетов винтокрылых летательных аппаратов, в том числе, вертолетов, на предпосадочных маневрах, достигается за счет ограничения вертикальных истинных воздушных скоростей в зависимости от продольных истинных воздушных скоростей до величин, исключающих попадание винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца».Thus, the technical result, which consists in increasing the flight safety of rotary-wing aircraft, including helicopters, during pre-landing maneuvers, is achieved by limiting the vertical true air speeds depending on the longitudinal true air speeds to values that prevent the rotary-wing aircraft from entering the zone "vortex ring" mode.

Пример осуществления изобретения приведем на вертолете типа Ка-32 (Ка-32А11 ВС). Проведем оценку допустимой вертикальной скорости снижения вертолета Ка-32 (Ка-32А11 ВС) на предпосадочных маневрах в режиме висения, при которых исключается их попадание в зону режима «вихревого кольца» по предлагаемому способу.An example of the implementation of the invention will be given on a helicopter of the Ka-32 type (Ka-32A11 VS). Let us evaluate the permissible vertical rate of descent of the Ka-32 helicopter (Ka-32A11 BC) during pre-landing maneuvers in hover mode, which prevents them from entering the “vortex ring” mode zone using the proposed method.

Расчет допустимой вертикальной скорости снижения будем вести при перегрузке 1,0, стандартной атмосфере (давление 760 мм рт.ст., температура +15°С).Calculation of permissible vertical rate of descent We will conduct at an overload of 1.0, standard atmosphere (pressure 760 mm Hg, temperature +15°C).

При этих параметрах относительная плотность воздуха равна:With these parameters, the relative density of air is:

Параметры вертолета Ка-32 (Ка-32А11 ВС), необходимые для расчетов, следующие: текущая масса летательного аппарата равна 11000 кг; радиус несущего винта равен 7,95 м.The parameters of the Ka-32 helicopter (Ka-32A11 BC) required for calculations are as follows: the current mass of the aircraft is 11000 kg; The radius of the main rotor is 7.95 m.

Допустимая вертикальная скорость снижения на висении вертолета типа Ка-32 по предлагаемому способу:Permissible vertical rate of descent while hovering for a Ka-32 helicopter using the proposed method:

На фиг. 2 представлена граница зоны «вихревого кольца», полученная в результате летных испытаний вертолета Ка-32. Он показывают, что на висении при указанных параметрах вертолет Ка-32 входит в зону «вихревого кольца» при скорости снижения равной 6 м/с. Таким образом, при допустимой вертикальной скорости снижения равной минус 1,5 м/с имеется значительный запас по скорости, обеспечивающий исключение попадания вертолета типа Ка-32 в зону режима «вихревого кольца». Это указывает, что предлагаемый способ обеспечивает на предпосадочных маневрах в режиме висения скорость посадки винтокрылых аппаратов, в том числе вертолетов, значительно меньше, чем скорость вхождения летательных аппаратов в «вихревое кольцо».In fig. Figure 2 shows the boundary of the “vortex ring” zone obtained as a result of flight tests of the Ka-32 helicopter. They show that while hovering with the specified parameters, the Ka-32 helicopter enters the “vortex ring” zone at a descent speed of 6 m/s. Thus, with an allowable vertical rate of descent equal to minus 1.5 m/s, there is a significant speed reserve that ensures that a Ka-32 helicopter does not fall into the “vortex ring” mode zone. This indicates that the proposed method ensures that during pre-landing maneuvers in hovering mode the landing speed of rotorcraft, including helicopters, is significantly less than the speed of aircraft entering the “vortex ring”.

Claims (32)

1. Способ предотвращения попадания винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах в режиме висения, включающий измерение продольных и вертикальных истинных воздушных скоростей винтокрылого летательного аппарата, текущую массу летательного аппарата, текущую перегрузку по вертикальной оси, статическое давление на высоте полета, температуру наружного воздуха на высоте полета, отличающийся тем, что измеренные параметры подают в пилотажный вычислитель и формируют в нем сигналы, которые с помощью системы автоматического управления ограничивают истинные воздушные скорости винтокрылого летательного аппарата в соответствии неравенствами (5), (6):1. A method for preventing a rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode zone during pre-landing maneuvers in hover mode, including measuring the longitudinal and vertical true air speeds of the rotary-wing aircraft, the current weight of the aircraft, the current overload along the vertical axis, static pressure at flight altitude , the temperature of the outside air at flight altitude, characterized in that the measured parameters are supplied to the flight computer and signals are generated in it, which, using an automatic control system, limit the true air speeds of the rotorcraft in accordance with inequalities (5), (6): где - истинная продольная воздушная скорость винтокрылого летательного аппарата, км/ч;Where - true longitudinal airspeed of the rotary-wing aircraft, km/h; m - текущая масса летательного аппарата, кг;m is the current mass of the aircraft, kg; g - ускорение силы тяжести, м/с2;g - gravity acceleration, m/s 2 ; ny - текущая перегрузка по вертикальной оси;n y - current overload along the vertical axis; Δ - относительная плотность воздуха;Δ - relative air density; где Рн - статическое давление воздуха на высоте полета, мм рт.ст.;where R n - static air pressure at flight altitude, mm Hg; Тн - температура наружного воздуха, градусы Кельвина; Tn - outside air temperature, degrees Kelvin; Тн=273+t,T n =273+t, где t - температура наружного воздуха на высоте полета, °С;where t is the outside air temperature at flight altitude, °C; F - площадь, ометаемая винтами винтокрылого летательного аппарата, м2.F is the area swept by the propellers of a rotary-wing aircraft, m2 . где - истинная вертикальная воздушная скорость снижения винтокрылого летательного аппарата, м/с;Where - true vertical airspeed of descent of the rotary-wing aircraft, m/s; m - текущая масса летательного аппарата, кг;m is the current mass of the aircraft, kg; g - ускорение силы тяжести, м/с2;g - gravity acceleration, m/s 2 ; ny - текущая перегрузка по вертикальной оси;n y - current overload along the vertical axis; Δ - относительная плотность воздуха;Δ - relative air density; F - площадь, ометаемая винтами винтокрылого летательного аппарата, м2.F is the area swept by the propellers of a rotary-wing aircraft, m2 . 2. Способ предотвращения попадания винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах в режиме висения по п. 1 отличающийся тем, что для средних и тяжелых винтокрылых летательных аппаратов с массой более 3100 кг в управление вертолетом по вертикальному каналу вводят сигнал, пропорциональный ускорению истинной вертикальной воздушной скорости с величиной упреждения tупр, зависящей от массы винтокрылого летательного аппарата, согласно неравенству (7):2. A method for preventing a rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode zone during pre-landing maneuvers in hover mode according to claim 1, characterized in that for medium and heavy rotary-wing aircraft with a mass of more than 3100 kg, a signal is introduced into the helicopter control via the vertical channel, proportional to the acceleration of the true vertical air speed with the lead value t control , depending on the mass of the rotary-wing aircraft, according to inequality (7): где - истинная вертикальная воздушная скорость снижения винтокрылого летательного аппарата, м/с;Where - true vertical airspeed of descent of the rotary-wing aircraft, m/s; m - текущая масса летательного аппарата, кг;m is the current mass of the aircraft, kg; g - ускорение силы тяжести, м/с2;g - gravity acceleration, m/s 2 ; ny - текущая перегрузка по вертикальной оси;n y - current overload along the vertical axis; Δ - относительная плотность воздуха;Δ - relative air density; F - площадь, ометаемая винтами винтокрылого летательного аппарата, м2;F is the area swept by the propellers of a rotary-wing aircraft, m 2 ; tупр - время упреждения, зависящее от массы винтокрылого летательного аппарата, сек;t control - lead time, depending on the mass of the rotary-wing aircraft, sec; - ускорение истинной вертикальной воздушной скорости, м/с2. - acceleration of true vertical air speed, m/s 2 . 3. Способ предотвращения попадания винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах в режиме висения по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что при увеличении истинной высоты винтокрылого летательного аппарата во время проведения предпосадочного маневра по сигналу радиовысотомера изменяют маршрут полета винтокрылого летательного аппарата для его посадки на запасном аэродроме.3. A method for preventing a rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode zone during pre-landing maneuvers in hover mode according to any one of paragraphs. 1 or 2, characterized in that when the true altitude of the rotary-wing aircraft increases during a pre-landing maneuver, the flight route of the rotary-wing aircraft is changed upon a signal from the radio altimeter for landing at an alternate airfield. 4. Способ предотвращения попадания винтокрылого летательного аппарата в зону режима «вихревого кольца» на предпосадочных маневрах в режиме висения по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что способ применяют на вертолетах.4. A method for preventing a rotary-wing aircraft from entering the “vortex ring” mode zone during pre-landing maneuvers in hover mode according to any one of claims. 1-3, characterized in that the method is used on helicopters.
RU2023131206A 2023-11-29 Method of preventing rotorcraft from entering vortex ring state zone at pre-landing maneuvers in hovering mode RU2818823C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2818823C1 true RU2818823C1 (en) 2024-05-06

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7004426B2 (en) * 2003-05-06 2006-02-28 Bell Helicopter Textron Inc. Control system for rotorcraft for preventing the vortex ring state
US7907066B2 (en) * 2007-09-27 2011-03-15 Eurocopter Method and a device for detecting and signaling that a rotorcraft is approaching the vortex domain
RU2427844C1 (en) * 2010-03-09 2011-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева Helicopter air data system
RU122983U1 (en) * 2012-03-30 2012-12-20 Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" имени Г.А. Ильенко" (ОАО "ЭЛАРА") LAUNCH SYSTEM FOR CRITICAL MODES OF A SINGLE SCREW HELICOPTER
RU2486596C1 (en) * 2012-07-06 2013-06-27 Открытое акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Method of determining and indicating rotor approximation to vortex ring conditions at single-rotor helicopter pre-landing maneuvers
CN110901897A (en) * 2019-12-16 2020-03-24 洲际联合超伦科技(北京)有限公司 Early warning separation control method for vortex ring state of unmanned helicopter
US11554855B2 (en) * 2019-12-31 2023-01-17 Textron Innovations Inc. System and method for protection against vortex ring state

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7004426B2 (en) * 2003-05-06 2006-02-28 Bell Helicopter Textron Inc. Control system for rotorcraft for preventing the vortex ring state
US7907066B2 (en) * 2007-09-27 2011-03-15 Eurocopter Method and a device for detecting and signaling that a rotorcraft is approaching the vortex domain
RU2427844C1 (en) * 2010-03-09 2011-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева Helicopter air data system
RU122983U1 (en) * 2012-03-30 2012-12-20 Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" имени Г.А. Ильенко" (ОАО "ЭЛАРА") LAUNCH SYSTEM FOR CRITICAL MODES OF A SINGLE SCREW HELICOPTER
RU2486596C1 (en) * 2012-07-06 2013-06-27 Открытое акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Method of determining and indicating rotor approximation to vortex ring conditions at single-rotor helicopter pre-landing maneuvers
CN110901897A (en) * 2019-12-16 2020-03-24 洲际联合超伦科技(北京)有限公司 Early warning separation control method for vortex ring state of unmanned helicopter
US11554855B2 (en) * 2019-12-31 2023-01-17 Textron Innovations Inc. System and method for protection against vortex ring state

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10358232B2 (en) Detecting that a rotorcraft is approaching a vortex domain, and signaling that detection
US7004426B2 (en) Control system for rotorcraft for preventing the vortex ring state
EP0125087B1 (en) Windshear detection and warning system
US20090089006A1 (en) Method and a device for detecting and signaling that a rotorcraft is approaching the vortex domain
RU2730814C2 (en) Method for intelligent information support of helicopter crew on altitude and speed parameters and parameters of air environment surrounding helicopter, and device for implementation thereof
EP0235963A2 (en) Vertical windshear detection for aircraft
EP0586529A1 (en) Independent low airspeed alert
US20100305784A1 (en) Embedded Ground Proximity Warning System for Helicopters
EP0235962B1 (en) Windshear detection and warning system
US9984581B2 (en) Method and a system for assisting piloting to avoid an obstacle with a rotorcraft
EP3130542B1 (en) Aircraft turbulence detection
JPS62206414A (en) Method and device for generating flight command signal
US3071335A (en) Flight control system
RU2818823C1 (en) Method of preventing rotorcraft from entering vortex ring state zone at pre-landing maneuvers in hovering mode
RU2497718C1 (en) Starting system to warn about single-rotor helicopter critical behaviour
RU122983U1 (en) LAUNCH SYSTEM FOR CRITICAL MODES OF A SINGLE SCREW HELICOPTER
Nelson Trailing vortex wake encounters at altitude-a potential flight safety issue?
RU2782038C1 (en) Method for preventing spontaneous rotation of a helicopter
US11801933B2 (en) Device for detecting the approach of a vortex ring state, rotary-wing aerodyne comprising said device, and associated method
Derevyankin et al. Some features of a system for warning the helicopter critical flight regimes
Lawrence et al. Wake vortex encounter severity for rotorcraft in approach and landing
Driscoll Effects of a simple stability augmentation system on the performance of non-instrument-qualified light-aircraft pilots during instrument flight
Shah et al. Economical automatic deployable emergency locator transmitter system
Shimizu et al. Helicopter Collision Avoidance Algorithm for Automatic Hovering
Soldatkin et al. A starting system of warning the critical conditions for a single-rotor helicopter