VRS – Vortex Ring State – stanje vrtinčnega obroča (aerodinamika)
Vertical – Elan Head: New Zealand accident report sheds new light on helicopter vortex ring state (poročilo z grafi)
Novo poročilo novozelandske komisije za preiskovanje letalskih nesreč (TAIC) ponuja poglobljen vpogled v nesrečo helikopterja, povezano s stanjem vrtinčnega obroča (VRS), vključno s podrobno analizo, kako sta kombinaciji vetrovi navzgor in visok nagib nosu helikopterja skupaj povečala verjetnost vstopa v VRS.
Poročilo poudarja vrzeli v informacijah, ki so pilotom na voljo o VRS, in spodbuja proizvajalce helikopterjev, naj revidirajo svoje priročnike za letenje, da bi vključili mejo začetka VRS specifično za vsak model. Če teh informacij ni, poročilo navaja, da se »piloti običajno zanašajo na pravila, da bi se izognili VRS,« kar povečuje tveganje, da med rutinskimi letalskimi operacijami nenamerno vstopijo v to stanje.
Do nezgode je prišlo septembra 2023, ko je reševalni helikopter Kawasaki BK117 B-2, ki ga je upravljala služba za iskanje in reševanje Search and Rescue Services Ltd. priletel na teren na gori Pirongia na Severnem otoku Nove Zelandije.
Helikopter se je spuščal na privetrni strani grebena, da bi s pomočjo vitla rešil poškodovanega pohodnika. Ko je bilo letalo približno 91 metrov nad tlemi, je nenadoma in nepričakovano padlo, zaradi česar pilot ni imel dovolj časa in prostora za ukrepanje. Čeprav je bil helikopter hudo poškodovan, so jo pilot, upravljavec dvigala in reševalec na krovu vsi odnesli brez poškodb.
Preiskovalci TAIC so ugotovili, da je bil ta hiter spust posledica VRS, nevarnega aerodinamičnega pojava, s katerim se lahko helikopterji srečajo pri spuščanju ali manevriranju naprej pri nizkih hitrostih. Pri višjih hitrostih naprej, pojasnjuje poročilo valjasta sled glavnega rotorja pušča za helikopterjem, kjer se sčasoma razgradi v turbulenten kaotičen tok, ki ne vpliva bistveno na aerodinamiko glavnega rotorskega sistema.
Vendar pa v določenem območju hitrosti spuščanja in nizkih hitrostih naprej nestabilnost sledi dohiti glavni rotor, zaradi česar se sledi zrušijo v toroidno ali krofu podobno obliko. To povzroči nenadno zmanjšanje vzgona, ki ga ustvarja rotor, kar običajno povzroči, da se helikopter hitro spusti, razen če se ne ukrepa. Predvidene meje začetka VRS za različna konvencionalna rotorja, ki jih določata hitrost naprej in navpična hitrost zraka skozi dvižne rotorje, je običajno posledica spuščanja. Rotorji z visokimi obremenitvami diskov, kot sta Sikorsky CH-53E in Bell Boeing MV-22B, se srečujejo z VRS pri višjih hitrostih naprej in hitrostih spuščanja kot helikopterji z nižjimi obremenitvami diskov.
Pilote običajno učijo dveh glavnih tehnik izhoda iz nevarnega dogajanja. Tradicionalni izhod iz leta zahteva ciklično krmiljenje naprej za povečanje hitrosti naprej, kar pogosto spremlja zmanjšanje kolektivnega krmiljenja – in ustrezno zmanjšanje moči – za odstranitev energije iz toroidne strukture sledi.
Alternativna tehnika okrevanja, imenovana Vuichardovo okrevanje, zahteva lateralni ciklični nadzor, povečanje moči z dvigom in sorazmerno povečanje pedala proti navoru. Pri pravilni izvedbi Vuichardovo okrevanje običajno povzroči manjšo izgubo nadmorske višine kot tradicionalna metoda.
V nezgodi na Novi Zelandiji je pilot po navedbah preiskovalcev ugotovil, da ciklično in kolektivno krmiljenje med hitrim spuščanjem nista bila odzivna, kar je značilnost sistema VRS. Pilot je najprej poskušal uporabiti tradicionalno tehniko reševanja, nato pa je ugotovil, da ni na voljo dovolj višine in poskusil z reševanjem po Vuichardu.
Ko je pilot ugotovil, da je trčenje s terenom neizbežno, se je namesto tega osredotočil na nadzor spuščanja skozi krošnje dreves, da bi zmanjšal sile udarca. Poročilo pripisuje zasluge za to, da je posadka preživela trk, prav trpežni zasnovi BK117.
Seštevalni dejavniki
Izkušeni pilot je imel skupno več kot 7000 ur letenja in je pred tem služil kot višji pilot inštruktor in pilot inštruktor standardizacije za ameriško vojsko. Pilot je preiskovalcem povedal, da so za izogibanje VRS uporabili pravilo, ki so se ga naučili v vojski, in temelji na hitrosti, hitrosti spuščanja in moči motorja.
Med zadnjim priletom do lokacije poškodovanega potnika je po poročilu TAIC kombinacija motenj povzročila, da je pilotu zmanjšala pregled instrumentov za letenje, kar pomeni, da ni takoj prepoznal, da vstopa v pogoje, ki so ugodni za VRS.
Vendar pa poročilo tudi ugotavlja, da pilotovo pravilo ni upoštevalo glavnega dejavnika, ki je določal mejo začetka VRS: tipa helikopterja, ki ga je letel, in dejanske obremenitve diska njegovega rotorja. Prav tako ni upoštevalo vpliva vetra navzgor ali visokega nagiba nosu helikopterja, zaradi česar je helikopter vstopil v VRS prej, kot bi sicer.
Kot pojasnjuje poročilo, so sicer vsi helikopterji dovzetni za VRS, vendar specifične kombinacije hitrosti in hitrosti spuščanja, pri katerih bodo doživeli ta pojav, določa predvsem obremenitev diska – matematična lastnost, ki se izračuna tako, da se teža helikopterja deli s skupno površino, ki jo pokrivajo njegovi dvižni rotorji. To se razlikuje glede na letalo, kar pomeni, da se bo VRS pri helikopterju z večjo obremenitvijo diska, kot je BK117, začel pri višjih hitrostih naprej in višjih hitrostih spuščanja kot pri helikopterju z manjšo obremenitvijo diska, kot je Bell JetRanger.
Poleg tega začetek VRS določa dejanski pretok zraka skozi rotorski sistem, ki se lahko bistveno razlikuje od hitrosti samega letala. Čeprav je meja VRS običajno opredeljena s hitrostmi spuščanja, bo vse, kar poveča navzgor usmerjeni pretok zraka skozi rotorski sistem – na primer vzdigujoči se tokovi ali izbočenje plovila visoko v nosu – povečalo efektivno hitrost spuščanja in lahko pospešilo začetek VRS.
TAIC je v preiskavi sodeloval z znanim aerodinamikom Richardom Brownom iz podjetja Sophrodyne Aerospace, da bi določil mejo začetka VRS za helikopter, ki je povzročil nezgodo in določil vpliv gorskih vetrov in nagiba helikopterja pri nastanku VRS. Brown je na podlagi teže helikopterja v času nesreče, gostote zraka na mestu nesreče in trajektorije helikopterja, ki jo je zabeležil njegov vgrajeni sistem za sledenje Flightcell DZMx, ugotovil, da bi helikopter brez drugih dejavnikov vstopil v VRS na točki svoje trajektorije, ko bi dosegel hitrost spuščanja 320 metrov na minuto in hitrost glede na tla 18 33 kilometrov na uro.
Vendar pa je analiza vetrovnih razmer v času nesreče pokazala, da je pihal veter z zahoda s hitrostjo 37 km/h, v sunkih do 56 km/h, topografija pa bi povzročila znatno navzgor usmerjeno komponento vetrovnega toka vzdolž smeri leta helikopterja. Brown je ob upoštevanju vpliva vetra ugotovil, da bi helikopter vstopil v območje zaznavanja vetra (VRS) dve sekundi prej na svoji smeri kot v brezvetrju, pri čemer bi imel hitrost spuščanja 222 m/min in hitrost glede na tla 37 km/h.
Kmalu zatem je helikopter spremenil smer, zaradi česar je zapihal hrbtni veter in s tem učinkovito zmanjšal svojo hitrost. Po poročilu je to povzročilo, da je letalo prodrlo globlje v sistem za nadzorovano plovbo (VRS), kot bi, če bi smer ostala nespremenjena, kar je poslabšalo simptome VRS in otežilo reševanje.
Nazadnje je Brown upošteval še učinke nagiba helikopterja, ki je med spuščanjem proti pohodniku dosegel skoraj 20 stopinj navzgor, kar je dodatno povečalo pretok zraka navzgor skozi rotor. Ko je bil ta dejavnik dodan analizi, je ugotovil, da bi helikopter vstopil v stanje varnega spuščanja (VRS) približno štiri sekunde prej, kot če veter in nagib ne bi bila dejavnika. Ta ocena je ustrezala dejanski točki na trajektoriji, ko je prišlo do nenadnega padca višine, pri čemer je imel helikopter hitrost spuščanja 198 m/min in hitrost glede na tla nekaj manj kot 48 km/h.
Manjkajoči podatki
Poročilo TAIC ugotavlja, da trenutne zahteve za civilno certificiranje ne zahtevajo od proizvajalcev helikopterjev, da v priročnik za letenje z rotorjem vključijo kakršne koli informacije o pogojih letenja in parametrih, ki prispevajo k VRS. Niti priročnik za letenje z rotorjem Kawasaki BK117 B-2 niti drugi priročniki za letenje z rotorjem, ki so jih pregledali preiskovalci, niso vsebovali nobenih informacij, ki bi pilotom pomagale natančno določiti obseg hitrosti spuščanja in hitrosti naprej, pri katerih bi lahko prišlo do VRS.
»Zanašanje na ad-hoc postopke za izogibanje VRS ni nadomestilo za pravilno izdelane grafe, ki predstavljajo lokacijo meje začetka VRS na skupku leta kot funkcijo teže helikopterja in temperaturno popravljene nadmorske višine,« navaja poročilo. »Zagotavljanje teh informacij v vseh priročnikih za letenje z rotorjem bi pilotom dalo najboljšo možno možnost, da se izognejo VRS.«
Poročilo navaja, da je Kawasaki sprejel priporočilo TAIC, da spremeni svoj letalski priročnik in vanj vključi specifične podatke o VRS. Podjetje je preiskovalcem povedalo, da namerava aprila začeti ustrezne pogovore z japonskim uradom za civilno letalstvo in jih dokončati do junija.
Medtem je TAIC pozval Upravo za civilno letalstvo (CAA) Nove Zelandije, naj sodeluje z Mednarodno organizacijo civilnega letalstva (ICAO) pri spodbujanju potrebe po vključitvi takšnih informacij v vse priročnike za letenje z rotorjem. CAA to priporočilo “upošteva” in ugotavlja, da so priročniki za letenje z rotorjem odgovornost proizvajalcev originalne opreme in jih odobri država, v kateri je vsako letalo prvotno certificirano v skladu z ICAO in dvostranskimi sporazumi.
Med preiskavo je TAIC preučil tudi uporabo opozorilnih sistemov VRS, ki so nameščeni na nekaterih novih helikopterjih za opozarjanje pilotov na letalne pogoje, ki bi se lahko razvili v VRS. Čeprav je TAIC ugotovil, da bi bilo takšne sisteme tehnično težko naknadno vgraditi v večino starejših modelov helikopterjev, je priporočil, da CAA spodbuja zahtevo po vgradnji takšnih sistemov v nove modele helikopterjev.
»CAA ugotavlja, da so sistemi opozarjanja [VRS], tehnologija v razvoju,« je odgovorila agencija in dodala, da tehnična izvedljivost, stroškovna učinkovitost in morebitne nenamerne posledice teh sistemov ostajajo negotove. »CAA bo sodeloval s TAIC, da bi določil najboljši način za razpravo o tem.«
