¿Por qué es imposible el estado de vórtice en autorrotación?

OK, primero, una revisión rápida de lo que es el estado del anillo de vórtice. Seré breve, pero hay más detalles aquí: ¿Qué es "establecerse con poder" y en qué se diferencia del estado de anillo de vórtice?

El estado de anillo de vórtice (VRS) ocurre cuando los vórtices desprendidos del rotor comienzan a recircular en el sistema del rotor, deteniendo efectivamente el rotor y disminuyendo significativamente el empuje total producido. Es uno de los 4 estados de funcionamiento del rotor, 3 de los cuales se describen en la imagen a continuación (nota: las tasas de descenso son aproximadas. Lo que realmente importa es la relación entre la velocidad inducida por el rotor y la velocidad de descenso del helicóptero). El estado de funcionamiento de la hélice es el estado de funcionamiento normal de un helicóptero. VRS es el segundo estado que se muestra, donde las tasas de descenso son relativamente bajas (y la velocidad de vuelo hacia adelante suele ser muy baja/cero), y el estado de freno de molino de viento es lo que vería en autorrotación.

En el gráfico siguiente (de Leishman's Principles of Helicopter Aerodynamics ), estos estados de trabajo se superponen a un gráfico de velocidad de ascenso y velocidad inducida en el disco del rotor. En resumen, el VRS ocurre cuando no desciendes lo suficientemente rápido como para permitir que la corriente descendente se eleve y todavía estás tratando de producir empuje. Un ejemplo sería un helicóptero que intenta flotar por encima de su techo de vuelo estacionario (por lo que, incluso a la máxima potencia, no puede mantener la altitud y tiene una pequeña relación de velocidad de ascenso negativa si se hace referencia a la siguiente gráfica). Como resultado, comienza a descender a una velocidad creciente (y, como corolario, cae "en" su propia corriente descendente a medida que aumenta su velocidad descendente).

Entonces, ¿por qué la autorrotación es una salida? La autorrotación es lo que sucede cuando, en cierto sentido, dejas de intentar sostenerte. En la autorrotación, el empuje producido por el rotor es mínimo (dependiendo de cómo lleves la contabilidad de las fuerzas que actúan sobre la aeronave) durante el descenso. Como consecuencia, el avión está descendiendo tan rápidamente que la estela del rotor está realmente por encima del helicóptero. Además, mientras el rotor produce algo de sustentación y, por lo tanto, algo de flujo descendente, la velocidad inducida del flujo descendente en la dirección vertical es muy pequeña en comparación con la velocidad del viento relativo que atraviesa el disco del rotor (en la dirección opuesta a la corriente descendente). .

Poniendo todo esto junto en diferentes palabras: el estado del anillo de vórtice es sostenido por el piloto que intenta seguir inyectando potencia en el sistema del rotor mientras desciende en su propia corriente descendente (sin cambiar la velocidad de vuelo hacia adelante o el empuje del rotor de cola, como se menciona en este artículo). : http://www.rotorandwing.com/2015/09/01/flying-through-the-vortex/ ). Él o ella está produciendo flujo descendente al producir empuje y, a medida que las velocidades de descenso se equilibran más o menos con la velocidad del flujo descendente, las mismas fuerzas aerodinámicas que producen el empuje terminan recirculando el flujo descendente a través del rotor.

Para entrar en autorrotación, el piloto reduce el colectivo y el acelerador a cero y deja que la aeronave caiga (más o menos, es un poco más matizado, pero esa es una pregunta aparte), lo que, a su vez, reduce la velocidad inducida de la corriente descendente tal que es mucho menor que la velocidad vertical de la aeronave, lo que permite que los vórtices se muevan con el viento relativo alejándose del rotor (hacia arriba) cuando el rotor entra en el estado de freno de molino de viento. Dado que no existe un mecanismo para mantener los vórtices cerca del rotor (o producirlos en primer lugar), los vórtices no pueden recircular e inducir VRS.

Un atributo clave del estado de anillo de vórtice es cuando, en él, parte del aire fluye hacia arriba a través del disco del rotor y parte hacia abajo. En la rotación automática, todo el flujo sube a través del disco, por lo que no puede estar simultáneamente en un estado de rotación automática y VRS.