LTE, czyli utrata efektywności śmigła ogonowego
W niniejszym artykule przyglądam się jednemu z potencjalnie niebezpiecznych zjawisk, na jakie jesteśmy narażeni latając śmigłowcem o takiej konstrukcji. Zapraszam do lektury!
Czym jest LTE?
LTE (ang. loss of tail rotor effectiveness) czyli utrata efektywności śmigła ogonowego to zjawisko aerodynamiczne polegające na niezamierzonym i nieoczekiwanym obrocie śmigłowca w kierunku łopaty nacierającej. Dla śmigłowców, gdzie wirnik obraca się w lewo (patrząc z góry), łopata nacierająca znajduje się po prawej stronie – dlatego najczęściej obserwowanym objawem LTE jest nagły obrót maszyny w prawo. Co ważne, LTE nie jest awarią mechaniczną układu sterowania ani napędu. To zjawisko aerodynamiczne, występujące wtedy, gdy przepływ powietrza wokół belki ogonowej i śmigła ogonowego zostaje zakłócony i śmigło ogonowe traci zdolność skutecznego kompensowania momentu obrotowego. Skutkiem jest nagła, trudna do opanowania utrata kontroli kierunkowej. Możliwość wystąpienia tego zjawiska przypomina nam, że efektywność śmigła ogonowego ma swoje granice, a czas reakcji w sytuacjach awaryjnych jest kluczowy.
W jaki sposób dochodzi do LTE?
Śmigło ogonowe, podobnie jak wirnik główny, działa najwydajniej i najefektywniej w niezakłóconym przepływie powietrza. Tak jak wirnik główny osiąga efektywność translacyjną przy określonej prędkości postępowej, tak również śmigło ogonowe staje się bardziej efektywne, gdy ma zapewniony stabilny strumień powietrza.
Efektywność translacyjna to zdecydowanie temat na osobny artykuł, ale piloci śmigłowcowi na pewno kojarzą ten moment podczas startu, kiedy należy dokonać korekty i nieco zmniejszyć wychylenie lewego pedału (wciąż mówimy o śmigłowcach z wirnikiem obracającym się w lewo). Jest to moment, kiedy kąt natarcia łopat się zmniejsza, a śmigło ogonowe staje się aerodynamiczne wydajne i posiada dużą efektywność w kompensowaniu momentu obrotowego. Istotną rolę odgrywa również stabilizator pionowy, który wraz ze wzrostem prędkości generuję siłę aerodynamiczną wpływającą na stateczność kierunkową śmigłowca i odciążającą śmigło ogonowe.
Jednak śmigło ogonowe nie zawsze operuje w optymalnych dla siebie warunkach. Analiza raportów powypadkowych jasno pokazuje, że do LTE dochodzi najczęściej podczas lotów na niskiej wysokości, z małą prędkością postępową i przy dużym zapotrzebowaniu na moc. To właśnie w takich warunkach śmigło ogonowe pracuje na granicy swoich możliwości, a każdy dodatkowy czynnik – jak niekorzystny kierunek wiatru – może doprowadzić do nagłej utraty kontroli kierunku. Dobrym przykładem są dwa zdarzenia z 2017 roku z udziałem Robinsonów R44 – w kwietniu w Karolinie Północnej śmigłowiec wpadł w niekontrolowany obrót podczas patrolu rurociągu przy tylnym wietrze (nr raportu NTSB ERA17LA168), a w lipcu w Indianie maszyna używana do oprysków straciła panowanie nad kierunkiem i po pełnym obrocie uderzyła w ziemię (CEN17LA267). Podobny mechanizm wystąpił także w dwóch wypadkach śmigłowców Bell 206. Podczas lotu widokowego nad Nowym Jorkiem, pilot wystartował ze śmigłowcem przeciążonym ponad dopuszczalną masę startową i podczas zakrętu z wiatrem z prawej strony, przy niskiej prędkości postępowej i wysokiej mocy, doszło do nagłego niekontrolowanego obrotu (ERA12MA005). Drugi wypadek na tym typie wydarzył się podczas nocnego lotu HEMS i podejścia do lądowania na przyszpitalnym lądowisku. Pilot, lecąc z bardzo małą prędkością postępową (około 5 kt), zdecydował się na odejście na drugi krąg. Po zwiększeniu mocy i podniesieniu dźwigni, doszło do nagłego i gwałtownego obrotu śmigłowca, którego nie udało się opanować, mimo pełnego użycia lewego pedału (CEN15FA003).
Warunki sprzyjające wystąpieniu LTE
Literatura oraz raporty powypadkowe wskazują kilka typowych sytuacji, w których ryzyko wystąpienia LTE znacząco rośnie. Po pierwsze, zagrożenie LTE wiąże się z określonymi kierunkami wiatru względem śmigłowca. Trzy newralgiczne kierunki przedstawia poniższa grafika.
- Wiatr z lewej przedniej strony (285-315°) skutkuje zakłóconym przepływem powietrza śmigła ogonowego wynikającego z napływających strug powietrza z wirnika głównego. W rezultacie śmigło ogonowe musi pracować w ekstremalnie turbulentnym środowisku, co znacznie zmniejsza jego skuteczność. FAA Helicopter Handbookokreśla ten sektor jako najbardziej krytyczny.
- Wiatr z lewej strony (210-330°) powoduje ryzyko rozwoju pierścienia wirowego śmigła ogonowego. W rezultacie powstaje niestabilny przepływ powietrza. Podczas zawisu wymagane są ciągłe zmiany pedałów, aby skompensować nieregularne zmiany ciągu śmigła ogonowego.
- Wiatr z tyłu (120-240°) powoduje niestabilność śmigłowca związaną z ryzykiem niekontrolowanego obrotu, śmigłowiec niejako sam „próbuje” ustawić się pod wiatr.
Do warunków sprzyjających wystąpieniu LTE mogą dołączyć czynniki dodatkowo ograniczające rezerwę mocy i zdolność przeciwdziałania momentowi obrotowemu, takie jak: duża wysokość gęstościowa, masa śmigłowca zbliżona do maksymalnej dopuszczalnej masy startowej, a także zaburzenia przepływu powietrza w postaci turbulencji oraz niestabilnego wiatru na zawietrznej czy też w pobliżu przeszkód terenowych. Nie bez znaczenia pozostają także zbyt niskie obroty wirnika nośnego (low RPM), które powodują proporcjonalny spadek prędkości obrotowej śmigła ogonowego. W warunkach sprzyjających LTE prowadzi to do dodatkowego ograniczenia jego zdolności do kompensowania momentu obrotowego. Ponieważ efektywność śmigła ogonowego zależy od kwadratu prędkości obrotowej łopat, nawet niewielki spadek obrotów może prowadzić do istotnego zmniejszenia dostępnego marginesu kontroli kierunkowej. W warunkach lotu wymagającego użycia mocy bliskiej maksymalnej, każde dodatkowe zwiększenie skoku ogólnego prowadzi do wzrostu momentu obrotowego wirnika głównego, podczas gdy zdolność śmigła ogonowego do jego kompensacji pozostaje ograniczona. W rezultacie margines efektywności śmigła ogonowego ulega znacznemu zmniejszeniu, co zwiększa podatność śmigłowca na niezamierzone odchylenia kierunkowe i wystąpienie LTE. Równie ryzykowne są agresywne manewry wykonywane na małej wysokości – szybkie zwroty czy zawis poza efektem ziemi powodują dodatkowe zwiększenie zapotrzebowania na moc i destabilizują przepływ powietrza wokół ogona, co może błyskawicznie zakończyć się utratą kontroli.
Najbardziej narażone są takie operacji lotnicze jak patrolowanie infrastruktury, filmowanie i fotografowanie, operacje policyjne czy wojskowe, podczas których trudno jest dokładnie określić prędkość i kierunek wiatru. W wielu przypadkach LTE rozwija się bardzo gwałtownie, a opóźniona lub nieprawidłowa reakcja pilota znacząco zmniejsza szanse na odzyskanie kontroli.
Jak przeciwdziałać LTE?
- Dostosowywanie się do ograniczeń śmigłowca w zakresie maksymalnej masy startowej, użytej mocy czy prędkości.
- Świadomość sytuacyjna, czyli unikanie zawisu i manewrów w strefach sprzyjających LTE, zakrętów z małą prędkością z wiatrem, gwałtownych zmian mocy przy małych prędkościach.
- Prawidłowe reakcje w przypadku niekontrolowanego obrotu w prawo: pełny lewy pedał, redukcja mocy (jeśli to możliwe), oddanie drążka do przodu (jeśli to możliwe) w celu zmniejszenia turbulentnego przepływu powietrza, wokół belki ogonowej, a w ostateczności autorotacja.
- Bezpieczne planowanie – pozostawienie marginesu wysokości i przestrzeni do odzyskania kontroli, szczególnie podczas operacji wymagających dużego zapotrzebowania na moc (patrole, opryski, fotografia).
- Stała kontrola kierunku i prędkości wiatru, zwłaszcza podczas wymagających operacji, lotów w pobliżu przeszkód oraz w zawisie.
Na sam koniec poruszmy pewną dygresję skrótową, gdyż te same trzy litery w różnej konfiguracji oznaczają w lotnictwie różne rzeczy. LTE, czyli temat naszego artykułu to skrót od ang. loss of tail rotor effectiveness. ETL od ang. effective translational lift, czyli wzrost efektywności wirnika wynikający z przejścia z zawisu do lotu postępowego i pracy w niezakłóconym powietrzu (zwykle w okolicach 16-24 węzłów). I w końcu nie mający wpływu na aerodynamikę śmigłowca ELT od ang. emergency locator transmitter, czyli awaryjny nadajnik lokalizacyjny (który nota bene może być przydatny po nieudanym wyjściu z LTE).
ŹRÓDŁA: Coyle Shawn “Cyclic and Collective More Art and Science of Flying Helicopters”, FAA Helicopter Flying Handbook, FAA Advisory Circular (AC) 90-95 – UNANTICIPATED RIGHT YAW, Raporty NTSB: ERA17LA168, CEN17LA267, ERA12MA005, CEN15FA003