Эффект земли в авиации: повышение подъемной силы и особенности влияния.

Введение

Увеличение подъемной силы воздушного судна, возникающее вблизи фиксированной поверхности.

Для самолетов с фиксированным крылом, эффект земли – это снижение аэродинамического сопротивления, создаваемого крыльями самолета при приближении к фиксированной поверхности. Во время взлета эффект земли может вызывать "парение" самолета на скоростях ниже рекомендованной скорости набора высоты. Пилот может лететь на небольшой высоте над взлетно-посадочной полосой, пока самолет ускоряется в условиях эффекта земли, до достижения безопасной скорости набора высоты. Для роторных аппаратов эффект земли приводит к уменьшению сопротивления несущего винта при зависании вблизи земли. При больших весах это иногда позволяет аппарату оторваться от земли в стационарном положении, но не обеспечивает переход к полету вне эффекта земли. Пилотам вертолетов предоставляются карты летных характеристик, показывающие ограничения по зависанию вертолета в условиях эффекта земли (IGE) и вне его (OGE). На картах указана дополнительная подъемная сила, обеспечиваемая эффектом земли. Для самолетов вертикального взлета и посадки (VTOL) с вентиляторными и реактивными двигателями эффект земли при зависании может вызывать прижатие и фонтанный подъем воздушного судна, а также потерю тяги при зависании, если двигатель засасывает собственные выхлопные газы – явление, известное как поглощение горячих газов (HGI).

Самолеты с фиксированными крыльями

Когда воздушное судно летит на высоте, равной или меньшей примерно половины размаха крыльев над землей или водой, возникает часто заметный эффект земли. Это приводит к снижению индуктивного сопротивления. Основная причина – препятствие, которое земля или вода оказывают образованию концевых вихрей и прерывают опускающуюся струю позади крыла. Крыло создает подъемную силу, отклоняя встречный воздушный поток (относительный ветер) вниз. Отклоненный или "повернутый" поток воздуха создает результирующую силу на крыле в противоположном направлении (третий закон Ньютона). Эта результирующая сила и называется подъемной силой. Полет вблизи поверхности увеличивает давление воздуха на нижней поверхности крыла, что называют эффектом "набегающего потока" или "подушки", и тем самым улучшает отношение подъемной силы к сопротивлению. Чем ниже или ближе к земле находится крыло, тем более выраженным становится эффект земли. Находясь в зоне действия эффекта земли, крылу требуется меньший угол атаки для создания той же подъемной силы. В аэродинамических испытаниях, при постоянном угле атаки и скорости воздушного потока, наблюдается увеличение коэффициента подъемной силы, что и объясняет эффект "парения". Эффект земли также изменяет соотношение тяги и скорости: уменьшение индуктивного сопротивления требует меньшей тяги для поддержания той же скорости. Из-за изменения восходящего и опускающегося потоков, а также концевых вихрей, в системе воздушной скорости могут возникать погрешности из-за изменения местного давления в точке статического давления. Преимущество эффекта земли быстро уменьшается с увеличением скорости, но индуцированная мощность также быстро снижается, обеспечивая безопасный набор высоты. Некоторые ранние маломощные вертолеты могли зависать только вблизи земли. Эффект земли максимален над твердой, ровной поверхностью.

ВС VTOL

Существует два эффекта, присущих самолетам с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL), работающим на нулевой и малой скоростях в условиях влияния земли: эффект присоса (suckdown) и фонтанный подъем (fountain lift). Третий эффект – попадание горячих газов (hot gas ingestion, HGI) – может также возникать у самолетов обычной схемы на земле при ветреной погоде или при работе реверсивного устройства тяги. Эффективность зависания самолета VTOL в условиях влияния земли (IGE), с точки зрения поднимаемого веса, зависит от эффекта присоса на фюзеляж, от удара фонтанного потока о нижнюю поверхность фюзеляжа и от попадания HGI в двигатель, вызывающего повышение температуры воздуха на входе (inlet temperature rise, ITR). Эффект присоса противодействует подъемной силе двигателя, создавая направленную вниз силу, действующую на фюзеляж. Фонтанный поток действует совместно с реактивными струями двигателя, создавая направленную вверх силу. Масштаб проблемы HGI становится очевидным, когда величина ITR переводится в потерю тяги двигателя – от трех до четырех процентов на каждые 10 °F повышения температуры воздуха на входе. Эффект присоса возникает из-за захвата воздуха вокруг самолета реактивными струями при зависании. Он также проявляется в свободном воздухе (OGE), вызывая потерю подъемной силы из-за снижения давления на нижней поверхности фюзеляжа и крыльев. Усиленный захват воздуха происходит вблизи земли, что приводит к большей потере подъемной силы. Фонтанный подъем возникает, когда самолет оснащен двумя или более реактивными струями. Эти струи ударяются о землю и расходятся в стороны. В месте их встречи под фюзеляжем происходит смешение, и поток может двигаться только вверх, ударяясь о нижнюю поверхность фюзеляжа. Эффективность отклонения этого восходящего импульса вбок или вниз определяет величину подъемной силы. Фонтанный поток следует за изогнутой нижней частью фюзеляжа и сохраняет некоторую восходящую составляющую импульса, поэтому полный фонтанный подъем реализуется не в полной мере, если не установлены устройства для улучшения подъемной силы. HGI снижает тягу двигателя, поскольку поступающий в двигатель воздух горячее и менее плотный, чем холодный воздух. Первые экспериментальные самолеты VTOL работали над открытыми решетками для отвода выхлопных газов двигателя и предотвращения потери тяги из-за HGI. Bell X 14, созданный для изучения ранних технологий VTOL, не мог зависать, пока эффекты присоса не были уменьшены за счет увеличения высоты установки самолета с помощью удлиненных стоек шасси. Ему также требовалось работать с приподнятой платформы из перфорированной стали для снижения HGI. Исследовательский самолет Dassault Mirage IIIV VTOL выполнял вертикальный взлет только с решетки, которая позволяла отводить выхлопные газы двигателя от самолета, чтобы избежать эффектов присоса и HGI. Вентральные кили, установленные задним ходом на P.1127, улучшили обтекание и увеличили давление под фюзеляжем при зависании на малой высоте. Пушечные гондолы, установленные в том же положении на серийных Harrier GR.1/GR.3 и AV 8A Harrier, выполняли ту же функцию. Для AV 8B и Harrier II были разработаны дополнительные устройства для улучшения подъемной силы (lift improvement devices, LIDS). Чтобы ограничить область нижней части фюзеляжа, куда направлены фонтаны, усиливающие подъемную силу, к нижней части пушечных гондол были добавлены кили, а откидная перегородка могла опускаться для перекрытия зазора между передними кромками килей. Это обеспечило прирост подъемной силы в 1200 фунтов. Lockheed Martin F-35 Lightning II открывает внутренние двери отсека вооружения на F-35B для захвата фонтанного потока, создаваемого двигателем и вентиляторными струями, и для противодействия эффекту присоса в условиях влияния земли (IGE).

There are two effects inherent to VTOL aircraft operating at zero and low speeds in ground effect, suckdown and fountain lift. A third, hot gas ingestion, may also apply to fixed wing aircraft on the ground in windy conditions or during thrust reverser operation. How well, in terms of weight lifted, a VTOL aircraft hovers IGE depends on suckdown on the air frame, fountain impingement on the underside of the fuselage and HGI into the engine causing inlet temperature rise (ITR). Suckdown works against the engine lift as a downward force on the airframe. Fountain flow works with the engine lift jets as an upwards force. The severity of the HGI problem becomes clear when the level of ITR is converted into engine thrust loss, three to four percent per 10 °F inlet temperature rise. Suckdown is the result of entrainment of air around aircraft by lift jets when hovering. It also occurs in free air (OGE) causing loss of lift by reducing pressures on the underside of the fuselage and wings. Enhanced entrainment occurs when close to the ground giving higher lift loss. Fountain lift occurs when an aircraft has two or more lift jets. The jets strike the ground and spread out. Where they meet under the fuselage they mix and can only move upwards striking the underside of the fuselage. How well their upward momentum is diverted sideways or downward determines the lift. Fountain flow follows a curved fuselage underbody and retains some momentum in an upward direction so less than full fountain lift is captured unless lift improvement devices are fitted. HGI reduces engine thrust because the air entering the engine is hotter and less dense than cold air. Early VTOL experimental aircraft operated from open grids to channel away the engine exhaust and prevent thrust loss from HGI. The Bell X 14, built to research early VTOL technology, was unable to hover until suckdown effects were reduced by raising the aircraft with longer landing gear legs. It also had to operate from an elevated platform of perforated steel to reduce HGI. The Dassault Mirage IIIV VTOL research aircraft only ever operated vertically from a grid which allowed engine exhaust to be channeled away from the aircraft to avoid suckdown and HGI effects. Ventral strakes retroactively fitted to the P.1127 improved flow and increased pressure under the belly in low altitude hovering. Gun pods fitted in the same position on the production Harrier GR.1/GR.3 and the AV 8A Harrier did the same thing. Further lift improvement devices (LIDS) were developed for the AV 8B and Harrier II. To box in the belly region where the lift enhancing fountains strike the aircraft, strakes were added to the underside of the gun pods and a hinged dam could be lowered to block the gap between the front ends of the strakes. This gave a 1200 lb lift gain. Lockheed Martin F 35 Lightning II weapons bay inboard doors on the F 35B open to capture fountain flow created by the engine and fan lift jets and counter suckdown IGE.

Крыло задерживается в наземном эффекте

Критический угол атаки в наземном эффекте меньше, примерно на 2–4 градуса, чем в свободном потоке воздуха. При срыве потока происходит значительное увеличение сопротивления. Если самолет совершит чрезмерное вращение при взлете на слишком низкой скорости, возросшее сопротивление может помешать ему оторваться от земли. Два самолета de Havilland Comet выехали за пределы взлетно-посадочной полосы после чрезмерного вращения. Потеря управления может произойти, если один из законцовок крыла срывается в наземном эффекте. Во время сертификационных испытаний бизнес-джета Gulfstream G650, испытательный самолет вращался под углом, превышающим прогнозируемый критический угол атаки в наземном эффекте (IGE). Чрезмерное вращение привело к срыву потока на одной из законцовок крыла и непроизвольному крену, который превысил возможности боковых органов управления, что привело к потере управления самолетом.

Наземное транспортное средство

Несколько транспортных средств были разработаны для изучения преимуществ полёта вблизи земли (или в наземном эффекте), преимущественно над водой. Оперативные недостатки полётов на очень малой высоте сдерживают широкое распространение подобных аппаратов.