渦輪状態

渦輪状態（VRS）は、ヘリコプターの飛行中に渦輪システムがローターを巻き込み、揚力の大幅な低下を引き起こす危険な空力状態である。オーストラリア、英国、米国などでは、しばしば「 settling with power」という用語が同義語として使用されているが^{[2] [3] [4]}、カナダでは後者の用語を別の現象に使用しているため使用されていない^{[5] 。}

渦輪状態は、ヘリコプターのメインローターの周りの気流が、ブレードの先端上の層流と、ローターから外側に反対方向に流れる空気の上昇流によって支えられ、ブレードの先端上で回転対称の形をとるときに発生します。この状態では、ローターは、自身の吹き下ろしによって誘発された周囲の流れ場の新しい位相状態に陥り、突然揚力を失います。渦輪は驚くほど安定した流体力学現象（位相ソリトンの一種）であるため、渦輪から回復する最善の方法は、横方向に渦輪を避けて揚力を回復し、エンジンの最大出力を使用して渦輪を破壊して乱流を発生させることです。

この状態が「不十分な出力で沈降」と間違われることが多いのも、このためです。高出力の操縦は、自由大気中で渦輪状態を引き起こし、その後、着陸時の低高度でその状態を破る可能性があります。十分な揚力を生成しながら、ローターの翼を失速状態に維持するのに十分な出力がない場合、航空機は渦輪状態が消えるまで空中に留まることができず、墜落します。

この状態はティルトローターでも発生し、 2000年のV-22オスプレイの事故の原因となった。渦輪状態は、オサマ・ビン・ラディンが殺害された2011年の襲撃であるネプチューン・スピア作戦中に、大幅に改造されたMH-60ヘリコプターの損失を引き起こした。^[6]

ブレードは中心軸を中心に回転するため、各翼の速度はハブとグリップのアセンブリに接続する部分で最も低くなります。この基本的な物理的現実は、各ブレードの最も内側の部分が失速に対して本質的に脆弱であることを意味します。^{[引用が必要]}

前進飛行で並進揚力がある場合、ハブ領域では空気の上向きの流れ（上昇流）は発生しません。前進速度が低下し、垂直降下率が増加すると、ハブ、マスト、ブレードグリップアセンブリの領域に翼面がないため、上昇流が発生します。 ^{[引用が必要]}

その後、中央領域（ハブと翼の最も内側のエッジの間）で上昇流の量が増加すると、内側のブレードセクションの誘導流（ローターシステムを通じて下方に引き寄せられる、または「誘導」される空気）が克服されます。これにより、ブレードの最も内側の部分が失速し始めます。^{[引用が必要]}

内側のブレードセクションが失速すると、ローター先端の渦に似た2番目の渦がローターシステムの中心とその周囲に形成され始めます。これが外側の渦と組み合わさって、揚力の大幅な低下を引き起こします。ヘリコプターのパイロットがこの状況を認識して対応できない場合、降下率が高くなり、地面に壊滅的な衝突を起こす可能性があります。^[1]

ヘリコプターがこのような状態に遭遇するのは、通常、正確な高度制御を維持せずに地面効果外（OGE）でホバリングしようとしたときや、対気速度が実効並進揚力（ETL）を下回る状態で風下または急勾配の動力進入を行っているときである。^[7]

VRSの兆候は、メインローターシステムの振動^[8]に続いて沈下率が増加し、周期的なオーソリティが低下することです。^[9]

シングルローターヘリコプターでは、渦輪状態は、サイクリック制御を取り戻すためにコレクティブをわずかに下げ、サイクリック制御を使用して横方向の動きを適用することで修正されるのが一般的で、多くの場合、機首を下げて前進飛行を確立します。タンデムローターヘリコプターでは、横方向のサイクリックまたはペダル入力、またはその両方によって回復が達成されます。航空機は渦輪から「きれいな空気」に飛び出し、揚力を回復することができます。^[1]

もう一つの修正法は、最近人気が高まり、現在ではヴイシャール回復法として広く知られるようになったもので、スイス連邦民間航空局（FOCA）の検査官であるクロード・ヴイシャールが教えたものである。この技術は、高度の低下を減らし、より迅速に回復するために、3つの制御をすべて組み合わせて使用​​する。すなわち、テールローターの推力の方向にサイクリックを適用し、上昇力を上げるためにコレクティブを上げ、方向を維持するためにパワーペダルと調整する（クロスコントロール）。ローターディスクが渦の風上部分に到達すると、回復は完了する。^{[1] [10] [11] [12]}

渦輪状態から抜け出すことは可能ですが、そのためにはホバリングに必要なパワーの約2倍のパワーが必要です。空荷時にこれを実行できることが記録されているフルスケールのヘリコプターは、シコルスキーS-64スカイクレーンのみです。 ^[13]

ヘリコプターのパイロットは、低速時に降下率を監視することで VRS を回避するように最も一般的に教えられています。VRS に遭遇した場合、パイロットは、その状態から脱出するために前方サイクリックを適用し、コレクティブ ピッチを下げるように教えられます。^[9]前方または横方向の飛行に移行することで状態は自然に緩和されますが、コレクティブ ピッチを下げてパワー需要を減らすと、渦のサイズが小さくなり、状態から解放されるのに必要な時間が短縮されます。ただし、この状態は地面近くで発生することが多いため、コレクティブ ピッチを下げることは選択肢ではない場合があります。回復を開始する前に発生した降下率に比例して高度が失われます。場合によっては、渦輪状態が発生し、乱れた気流のためにパイロットがサイクリック オーソリティを著しく失うまで進行することがあります。このような場合、パイロットの唯一の手段は、ローター システムを渦輪状態から解放するためにオートローテーションに入ることです。 ^[1]

タンデムローターヘリコプターでは、サイクリックを前方に操作しても VRS による降下率を阻止できません。このようなヘリコプターでは、対気速度を得るために差動コレクティブピッチが利用されるため、渦輪状態の乱れた空気から水平方向に滑り出すには、ペダル入力と同時にサイクリックの横方向入力を行う必要があります。^{[引用が必要]}

無線制御の マルチローター（ドローンによく見られる）は、通常の回転翼航空機の空力特性の影響を受け、渦輪状態になる。フレームの設計、サイズ、出力は、渦輪状態に入る可能性と、そこから回復する可能性に影響を与える。高度保持機能のないマルチローターは、操縦者のミスに陥る可能性も高く、操縦者が機体を急降下させると、ローターハブに吹き上げ流が発生し、渦輪状態になる可能性がある。一方、高度保持機能を備えたマルチローターは、降下を自動的に制御する傾向があり、通常は（常にではないが）危険な状態から逃れることができる。^[14]

• 航空宇宙工学 – 工学の分野
• 地面効果（空気力学）  - 固定面に近いときに航空機の揚力が増加する
• ヘリコプターの飛行制御 – ヘリコプターの飛行で使用される計器

• 渦輪状態 FAA ヘリコプター飛行ハンドブック
• 渦輪状態での動作および遷移中のヘリコプターローターとティルトローターの自由渦後流計算
• MV-22 アーカイブの神話を払拭する
• SKYbraryのVortex Ring
• Vuichard 回復テクニック - 渦輪状態から脱出する方法 - 回復テクニックと水スプレーを使用した視覚化を示すビデオ。