cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2022-25-3-51-60caht-2021Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGРазработка технического решения по предупреждению попадания одновинтового вертолета в неуправляемое вращениеDevelopment of the technical solution to prevent a single-rotor helicopter from entering uncontrolled rotationИвчинВ. А.IvchinV. A.

Ивчин Валерий Андреевич, кандидат технических наук, начальник отдела

г. Москва

Valery A. Ivchin, Candidate of Technical Sciences, Head of Department

Moscow

vivchin@mi-helicopter.ruСамсоновК. Ю.SamsonovK. Y.

Самсонов Константин Юрьевич, ведущий инженер по летным испытаниям

г. Москва

Konstantin Y. Samsonov, Leading Flight Test Enginee

Moscow

samsonov.k@inbox.ruКасимовA. М.KasimovA. M.

Касимов Асим Мустафаевич, доктор технических наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник

г. Москва

Asim M. Kasimov, Doctor of Technical Sciences, Senior Scientific Officer, Principal Researcher

Moscow

kasimov@ipu.ruПоповА. И.PopovA. I.

Попов Александр Иванович, старший научный сотрудник

г. Москва

Alexander I. Popov, Senior Researcher

Moscow

daten@ipu.ruАО «Национальный центр вертолетостроения «Миль и Камов»РоссияJoint-stock Company, National Center for Helicopter Engineering named after Mil and KamovRussian FederationГосударственное бюджетное учреждение «Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН»,РоссияFederal State Budgetary Institution of Science, V.A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of SciencesRussian Federation2022290620222535160Copyright © Ивчин В.А., Самсонов К.Ю., Касимов A.М., Попов А.И., 20222022Ивчин В.А., Самсонов К.Ю., Касимов A.М., Попов А.И.Ivchin V.A., Samsonov K.Y., Kasimov A.M., Popov A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2021

Явление попадания одновинтового вертолета в непреднамеренный разворот влево с дальнейшим развитием неуправляемого разворота периодически возникает в процессе эксплуатации такого типа вертолетов как в России, так и за рубежом. Это явление может приводить к серьезным авиационным инцидентам и даже к катастрофам. В настоящее время нет однозначного обоснования явления «неуправляемый разворот» и причин его возникновения, так как условия работы рулевого винта, особенно на режимах малых скоростей, зависят от многих факторов. К этим факторам относятся в первую очередь направление и скорость ветра, «вихревое кольцо» на рулевом винте, а также влияние вихревого следа от несущего винта. Одно из объяснений этого явления – особенности путевой балансировки одновинтового вертолета, которая обеспечивается рулевым винтом. Главной причиной возникновения непреднамеренного разворота влево в исследованиях указывают изменение скорости и направления ветра, действующего на вертолет и рулевой винт в частности. В настоящее время отсутствуют инструментальные средства и методика определения ветрового воздействия на рулевой винт для выработки предупреждения летчику об изменении характера обтекания рулевого винта и о возникновении неуправляемого вращения. В данной работе предлагается система измерения воздушного потока на рулевом винте с помощью специального датчика, позволяющего измерить аэродинамическим способом непосредственно индуктивную скорость воздушного потока малой величины без дополнительных различных электронных преобразований, которые присущи традиционным датчикам типа ПВД. Применение такой системы измерений позволяет определить приближение опасной ситуации, дать информацию летчику и помочь ему предпринять правильные действия.

The phenomenon of a single-rotor helicopter entering an unintended left rotation with the further development of an uncontrolled turn periodically arises while operating this type of helicopter, both in Russia and abroad. This phenomenon can lead to serious aviation incidents and even disasters. Currently, there is no unambiguous justification for the phenomenon of "uncontrolled" U-turn and the causes of occurrence, since the operating conditions of the tail rotor (TR), especially at low-speed modes, depend on many factors. These factors include, firstly, wind direction and speed, T/R “vortex ring", as well as the impact of the main rotor vortex trace. One of the explanations for this phenomenon lies in the special specifics of the yaw trim of a singlerotor helicopter, which is provided by the tail rotor. These papers emphasize that the change in wind speed and direction which affects the helicopter, and the TR is the main cause of the unintentional left turn. Currently, there are no tools and methods for determining the wind effect on the TR in order to develop a warning signal for a pilot about a change in the nature of the TR flow and an alert about the occurrence of uncontrolled rotation. This paper proposes the system for measuring the TR air flow using a special sensor that allows us to measure the inductive air flow velocity of a small value in an aerodynamic way without additional various electronic transformations that are inherent in conventional Pitot tube probes. The use of such a measurement system makes it possible to identify the probability of a dangerous situation, to inform the pilot and help him take the proper actions.

 

неуправляемое левое вращениедатчик воздушного потокаиндуктивная скоростьвихревое кольцо рулевого винтаприемник воздушной скоростиuncontrolled left rotationair flow sensorinductive velocityvortex ring of the tail rotorPitot tube probeReferencesСеменович А.Н. Режим самопроизвольного левого вращения // Вертолет. 2006. № 1. С. 10–14Semenovich, A.N. (2006). Mode of spontaneous left rotation. Vertolet, no. 1, pp. 10–14. (in Russian)Володко А.М. Вертолет в особой ситуации. М.: Транспорт, 1992. 262 с.Volodko, A.M. (1992). Helicopter in a distinct situation. Moscow: Transport, 262 p. (in Russian)Carico D.M. Helicopter controllability [Электронный ресурс] // California: Naval Postgraduate School, 1989. 208 p. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/36719921.pdf (дата обращения: 21.11.2021).Carico, D.M. (1989). Helicopter controllability. California, Naval Postgraduate School. Available at: https://core.ac.uk/download/pdf/36719921.pdf (accessed: 21.11.2021).Rajendran S., Gu Da-wei. Fault tolerant control of a small helicopter with tail rotor failures in forward flight [Электронный ресурс] // IFAC Proceedings Volumes. 2014. Vol. 47, iss. 3. Pp. 8843–8848. DOI: 10.3182/20140824-6-ZA-1003.02047 (дата обращения: 21.11.2021).Rajendran, S. & Gu, Da-wei. (2014). Fault tolerant control of a small helicopter with tail rotor failures in forward flight. IFAC Proceedings Volumes, vol. 47, issue 3, pp. 8843–8848. DOI: 10.3182/20140824-6-ZA1003.02047 (accessed: 21.11.2021).Kelley H.L. Flight investigation of the effect of tail boom strakes on helicopter directional control / H.L. Kelley, C.A. Crowell, K.R. Yenni, M.B. Lance [Электронный ресурс] // ATCOM Technical Report 93-A-003, 1993. 41 p. URL: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19930013465/downloads/19930013465.pdf (дата обращения: 21.11.2021).Kelley, H.L., Crowell, C.A., Yenni, K.R. & Lance, M.B. (1993). Flight investigation of the effect of tail boom strakes on helicopter directional control. ATCOM Technical Report 93-A-003, 41 p. Available at: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19930013465/downloads/19930013465.pdf (accessed: 21.11.2021).Dequin A.-M. The myth of losing tail rotor effectiveness // 45th European Rotorcraft Forum. Poland, Warsaw 17–20 September, 2019. Vol. 2. Pp. 1064–1078.Dequin, A.-M. (2019). The myth of losing tail rotor effectiveness. 45th European Rotorcraft Forum. Poland, Warsaw 17–20 September, vol. 2, pp. 1064–1078.Ивчин В.А. Физическая сущность непреднамеренного разворота одновинтового вертолета на режимах малых скоростей полета // Актуальные проблемы безопасности полетов на современном этапе: сборник статей научно-практической конференции. Москва, 10 апреля 2020 г. М.: СБПА ВС РФ, 2020. С. 27–34.Ivchin, V.A. (2020). The physical nature of an unintentional turn of a single-rotor helicopter at low flight speeds. Aktualnyye problemy bezopasnosti poletov na sovremennom etape: sbornik statey nauchno-prakticheskoy konferentsii. Moscow: SBPA VS RF, pp. 27–34. (in Russian)Игнаткин Ю.М. Расчетные исследования аэродинамических характеристик рулевого винта одновинтового вертолета с учетом индуктивного воздействия вихревого следа несущего винта на режимах висения при боковом ветре / Ю.М. Игнаткин, П.В. Макеев, А.И. Шомов, В.А. Ивчин // Научный Вестник МГТУ ГА. 2016. Т. 19, № 6. С. 58–67.Ignatkin, Yu.M., Makeev, P.V., Shomov, A.I. & Ivchin, V.A. (2016). Computational study of aerodynamic characteristics of single-rotor helicopter tail rotor under the influence of vortical wake of main rotor at the hover with crosswind. Civil Aviation High Technologies, vol. 19, no. 6, pp. 58–67. (in Russian)Щеглова В.М. Расчетное исследование параметров потока в области расположения рулевого винта на режимах малых скоростей полета вертолета со скольжением // Ученые записки ЦАГИ. 2014. Т. 45, № 6. С. 73–86.Shcheglova, V.M. (2014). Computational study of flow parameters in the area of the tail rotor location at low-speed flight modes of a helicopter with sliding. Uchenye zapiski TsAGI, vol. 45, no. 6, pp. 73–86. (in Russian)Анимица В.А., Леонтьев В.А. О «самопроизвольном» вращении одновинтовых вертолетов // Научный Вестник МГТУ ГА. 2011. № 172. С. 96–102.Animitsa, V.A. & Leontiev, V.A. (2011). About "spontaneous" rotation of singl rotor helicopters. Nauchnyy Vestnik MGTU GA, no. 172, pp. 96–102. (in Russian)Джонсон У. Теория вертолета. В 2 кн. Кн. 1. : пер. с англ. М.: Мир, 1983. 502 с.Johnson, W. (1980). Helicopter Theory.Princeton University Press, 1089 p.Никифоров В.А. Методика выбора параметров рулевого винта одновинтового вертолета, соответствующих максимальному коэффициенту весовой отдачи вертолета. Вертолеты. Труды ОКБ МВЗ имени М.Л. Миля. М.: Машиностроение-Полет, 2018. Выпуск 3. C. 219–247.Nikiforov, V.A. (2018). Method of selecting the parameters of the tail rotor of a single-rotor helicopter corresponding to the maximum coefficient of weight return of the helicopter. Vertolety. Trudy OKB MVZ imeni M.L. Milya. M.: Mashinostroyeniye-Polet, issue 3, pp. 219–247. (in Russian)Efimov V.V. Experimental research of single rotor helicopter unintentional yaw rotation / V.V. Efimov, V.A. Ivchin, O.E. Chernigin, K.O. Chernigin // Civil Aviation High Technologies. 2020. Vol. 23, no. 2. Pp. 33–46. DOI: 10.26467/2079-0619-2020-23-2-33-46Efimov, V.V., Ivchin, V.A., Chernigin, O.E. & Chernigin, K.O. (2020). Experimental research of single-rotor helicopter unintentional yaw rotation. Civil Aviation High Technologies, vol. 23, no. 2, pp. 33–46. DOI: 10.26467/20790619-2020-23-2-33-46Леонтьев В.А. Расчетно-экспериментальные исследования характеристики хвостового винта при режиме рыскания вертолета / В.А. Леонтьев, В.С. Крымский, Ю.М. Игнаткин, П.В. Макеев [Электронный ресурс] // Труды МАИ. 2017. № 93. С. 4. URL: https://trudymai.ru/upload/iblock/75b/leontev_krymskiy_ignatkin_makeev_rus.pdf?lang=ru&issue=93 (дата обращения: 21.11.2021).Leontiev, V.A., Krymsky, V.S., Ignatkin, Yu.M. & Makeev, P.V. (2017). Computational-experimental studies of tail rotor characteristics at helicopter yawing rotation mode. Trudy MAI, no. 93, p. 4. Available at: https://trudymai.ru/upload/iblock/75b/leontev_krymskiy_ignatkin_makeev_rus.pdf?lang=en&issue=93 (accessed: 21.11.2021). (in Russian)Ивчин В.А., Самсонов К.Ю. Экспериментальные исследования модели Х-образного рулевого винта с целю улучшения его аэродинамических характеристик // Научный Вестник МГТУ ГА. 2010. № 151. С. 71–78.Ivchin, V.A. & Samsonov, K.Yu. (2010). Experimental investigations of the xshaped tail rotor model aimed at improving aerodynamic characteristics thereof. Nauchnyy Vestnik MGTU GA, no. 151, pp. 71–78. (in Russian)Игнаткин Ю.М. Расчетные исследования аэродинамических характеристик комбинации несущего и рулевого винтов с учетом аэродинамической интерференции для вертолета МИ-8/17 при полете с малыми скоростями со скольжением / Ю.М. Игнаткин, П.В. Макеев, А.И. Шомов, В.А. Ивчин. Вертолеты. Труды ОКБ МВЗ имени М.Л. Миля. М.: Машиностроение-Полет, 2018. Выпуск 3. С. 203–218.Ignatkin, Yu.M., Makeev, P.V., Shomov, A.I. & Ivchin, V.A. (2018). Calculation studies of aerodynamic characteristics of the main rotor and tail rotor combination, taking into account aerodynamic interference for the MI-8/17 helicopter when flying at low speeds with sliding. Vertolety. Trudy OKB MVZ imeni M.L. Milya. M.: Mashinostroyeniye-Polet, issue 3, pp. 203–218. (in Russian)Артамонов Б.Л. Метод расчета аэродинамических характеристик Х-образного рулевого винта на режимах осевого обтекания на основе линейной дисковой вихревой теории. Вертолеты. Труды ОКБ МВЗ имени М.Л. Миля. М.: Машиностроение-Полет, 2019. Выпуск 4. С. 144–162.Artamonov, B.L. (2019). Method of calculating the aerodynamic characteristics of an X-shaped tail rotor in axial flow modes based on linear disk vortex theory. Vertolety. Trudy OKB MVZ imeni M.L. Milya. M.: Mashinostroyeniye-Polet, issue 4, pp. 144–162. (in Russian)Попов А.И., Касимов А.М. Исследование проточного приемника воздушной скорости с частотным выходом // Ученые записки ЦАГИ. 2021.Т. 52, № 3. С. 67–74.Popov, A.I. & Kasimov, A.M. (2021). The study of the receiver of the air speed with frequency output. Uchenye zapiski TsAGI, vol. 52, no. 3, pp. 67–74. (in Russian)Касимов А.М., Попов А.И. Измеритель воздушной скорости. Патент RU № 2672037 C1, 08.11.2018.Kasimov, A.M. & Popov, A.I. (2018). Air speed meter. Patent RU, no. 2672037 C1, November 08, 2018. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.