直升机涡环状态形成机理及处置

直升机涡环状态形成机理及处置
王永虎
【摘要】直升机涡环状态是一种危险的飞行状态,影响着飞行性能和飞行安全.直升机驾驶员要深入理解涡环状态发生的机理,能提早发现涡环征候,避免出现这种危险
的飞行状态,而且能有效安全地处置,防止发生致命的航空安全事故.
【期刊名称】《中国民航飞行学院学报》
【年(卷),期】2017(028)005
【总页数】4页(P24-26,30)
【关键词】直升机;飞行安全;涡环状态;改出
【作者】王永虎
【作者单位】中国民航飞行学院四川广汉618307
【正文语种】中文
直升机的涡环状态飞行是一种不稳定的飞行状态，也是一种边界飞行状态。

如果受到外界环境或操纵扰动的影响，直升机会进入难以控制的危险境地。

直升机处在涡环状态中飞行，此时发动机仍然处在工作中，与直升机自转飞行有区别，即使驾驶员采用发动机全功率，直升机仍然保持下沉，所以也可以采用“大功率下沉”这个术语来描述这种特殊飞行状态。

直升机作垂直下降或以小空速飞行时，如果下降率较大，向上气流会阻碍滑流运动，其中一部分空气重新吸入旋翼中的现象，这种现象描述了一种特殊的气动条件，即为涡环状态。

涡环状态出现后，将会造成气流分离、低频振动、挥舞过度、周期变
矩的控制余度减小、产生额外噪音以及升力减小等现象，此时驾驶杆操纵功效下降，或者根本没有操纵功效，这是一种危险的现象。

要想使直升机避免或脱离这种危险飞行状态，驾驶员必须要提早发现涡环征候并能有效安全地改出。

因为涡环状态的改出会造成飞行高度损失较大，甚至会机毁人亡。

国内外多起飞行安全事故都是因为直升机进入涡环状态，没有足够高度供驾驶员及时改出，造成直升机坠地或坠海，所以直升机驾驶员应该弄清涡环状态发生机理，提高预防措施，提高处置改出能力。

直升机下降中，一方面，旋翼将椎体上面的空气吸入排压后向下流去；另一方面，直升机的相对气流自下而上流向桨盘。

两个相反方向的气流相遇，由于旋翼上下面有压力差，在旋翼边缘上就有少部分空气从旋翼下面高压区绕过桨尖，自下而上地向旋翼上面低压区流动。

这样，有一部分空气被重新吸入和排出，通过旋翼多次循环，就形成了涡流，即桨尖涡流，类似于普通固定翼飞机的翼尖涡现象。

此时可看出，涡环就是强化的桨尖涡流。

桨尖涡流是形成涡环状态的内因，而直升机的垂直下降则是形成涡环状态的外因。

当直升机从悬停状态如图1（A）转入垂直下降时，如果下降率增大并超过一定值，桨尖涡流会逐渐扩大而发展成为涡环状态。

直升机垂直下降引起的向上相对气流与旋翼向下排压的气流相遇，迫使一部分气流绕过旋翼椎体的边缘向上流动，见图1（B）。

旋翼上面的空气压力比大气压力低，向上流动的这部分空气重新被吸入旋翼锥体中，又被旋翼排向下方，这样就使原来的涡流区扩大，从而形成如图1（C）所示的涡环。

也就是说，有部分空气被往复吸入和排出，故发动机要多消耗一部分功率，直升机也变得不易操作。

只有当下降率增大到一定程度以后才可能出现涡环状态，涡环的形成与直升机的下降率有关系。

如果下降率较小，旋翼向下排压空气的流动速度较大，直升机下降的相对气流速度较小，这两股气流相遇，其主流还是向下运动，空气绕过旋翼锥体的
边缘向上流动还不至于形成涡环。

反之，如果下降率过大，直升机下降所形成的相对气流速度很大，而旋翼向下排压的气流速度很小，涡环将被自下而上的相对气流吹掉，也不至于形成涡环状态。

所以，在低下降率和高下降率之间，直升机下降就容易产生涡环状态。

直升机以不同的下降率下降，涡环状态见图所示。

图2(A)中直升机以低下降率垂直飞行；图2(B)中直升机下降率增加，涡环的大部分出现在桨盘上侧；图2(C)中下降率继续增加，涡环消失，取代为桨盘上面的湍流；图2(D)是下降率很高的情况，通过旋翼向下的滑流速度减慢，这种情况称为风车刹车状态。

此时能量由空气传递到旋翼，桨尖涡流消失，滑流从旋翼下面流到上面。

特别在图2(C)中，直升机下降比较快，导致桨叶内侧部位的诱导气流向上流动，也就是说桨根部位的气流相对于桨盘向上流动，上升气流克服了桨叶旋转引起的下洗流，在桨尖翼尖涡流外侧产生二次涡环。

二次涡环在桨叶上气流方向改变为由桨盘下部流向桨盘上部，见图3所示。

结果是桨盘大部分面积上产生不稳定紊流，造成旋翼效率损失。

图4给出某型直升机下降过程中的水平速度和垂直速度的关系，从左上角引出的直线代表固定下降角，重叠在这些网格上的是直升机的飞行状态区。

从图4中可以得到关于涡环状态的几个结论：
（1）在任何速度下，降低飞行路径使下降角小于30°，就可以避免涡环状态。

（2）对于陡峭进近，即下降角比较大，在某一速度下可以避免涡环状态。

（3）在小下降角的情况下，涡环尾流在直升机后面脱离。

（4）在大下降角的情况下，直升机以低下降率下降时，涡环尾流出现在直升机下侧。

而直升机以高下降率下降时，涡环尾流出现在直升机上侧。

在总重大、高密度高度和顺风条件下，直升机如果急剧下降进近，会进入自己的下洗流和涡环状态中。

特别在高下降率和低空速飞行的条件下，直升机极可能发生这
种情况。

完全发展的涡环具有不稳定条件特征，直升机进入涡环状态后，气流作环状流动，使旋翼上下表面的压力差减小，所以旋翼产生的拉力减小，下降率增大。

下降率越大，涡环现象越严重，旋翼拉力减小越多。

此时旋翼周围气流十分紊乱，影响旋翼的正常工作，使旋翼拉力忽大忽小，引起旋翼和直升机发生抖动、摇晃现象，操纵性变差，严重时可能造成操纵失效，所以必须改出涡环状态。

根据图4可知，如果直升机下降率高时，充分利用剩余可用功率产生大的前飞速度，直升机就可以脱离涡环状态。

所以，在这种情况下，驾驶员可以通过快速操纵周期变矩杆，获得前飞速度，可以从涡环状态中改出。

值得注意的是，如果没有足够的可用功率改出，这种行为会加重功率下降，产生严重的紊流和更高的下降率。

总而言之，涡环状态的改出方法为：
（1）如果发现直升机垂直下降率增大，是由于发动机功率不足引起的，则应及时地上提总矩杆，迅速增大发动机功率，以制止下降率继续增大。

（2）如果上提总矩杆也不能制止下降率继续增大，在一定的高度以上则应迅速地前推驾驶杆，使直升机产生前飞速度，把涡环吹掉，脱离涡环状态。

在操纵驾驶杆没有异常感觉时，这种措施对改出涡环最为有效，损失高度较少。

（3）如果操纵效能已降低或失效，推杆也无法增大前飞速度，则应迅速地下放总矩杆，增大下降率，使自下而上的相对气流速度增大，把绕着旋翼转动的环流向旋翼上方吹掉。

然后再推驾驶杆增大前飞速度，改出涡环状态。

这种方法损失高度较多，只有在高度较高或迫不得已时才采用。

直升机进入涡环状态后，可以根据情况采取上述三种方法来处理，但最好还是尽量避免此种现象。

要防止进入涡环状态，飞行中应注意如下几点：
（1）如无特殊需要，特别是高度在200-10 m之间，不要作垂直下降，宜作带空速的下降。

（2）作垂直下降或小速度下降时，下降率不要太大。

（3）在剩余功率较小的情况下（如载重大、海拔高度高或气温高等），不要勉强做悬停或垂直上升。

除了旋翼可以形成涡环状态，尾桨也会形成涡环状态，两者形成的原因相似。

直升机尾桨涡环形成与偏转角速度有关，直升机向某一方向悬停转弯角速度过快时，尾桨也可能陷入涡环状态。

转弯飞行时，偏转角速度超过一定值后，涡流区扩大形成涡环。

此时，尾桨的效能明显下降，直升机还会出现抖动现象，这也是直升机在悬停转弯的过程中，角速度不能过大的原因之一。

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