Эффект земли (аэродинамика)

Для с неподвижным крылом самолетов эффект земли — это уменьшенное аэродинамическое сопротивление самолета , которое создают крылья , когда они находятся близко к неподвижной поверхности. ^[1] Во время взлета эффект земли может привести к тому, что самолет «плывет» при скорости набора высоты ниже рекомендованной . Затем пилот может лететь чуть выше взлетно-посадочной полосы, в то время как самолет ускоряется за счет эффекта земли, пока не безопасная скорость набора высоты . будет достигнута ^[2]

Для винтокрылого аппарата эффект земли приводит к меньшему сопротивлению несущего винта во время зависания близко к земле. При большом весе это иногда позволяет винтокрылому аппарату подняться в воздух, находясь в неподвижном состоянии в условиях влияния земли, но не позволяет ему перейти в полет без влияния земли. Пилотам вертолетов предоставляются диаграммы производительности, в которых показаны ограничения на зависание вертолета в условиях влияния земли (IGE) и вне влияния земли (OGE). Диаграммы показывают дополнительную выгоду от подъемной силы, создаваемую эффектом земли. ^[3]

(СВВП) с вентиляторными и реактивными двигателями Для самолетов вертикального взлета и посадки эффект земли при зависании может вызвать приземление и фонтанную подъемную силу планера, а также потерю тяги при висении, если двигатель всасывает собственные выхлопные газы, что известно как попадание горячего газа (HGI). ^[4]^[5]

Пояснения

Самолеты

самолета или ниже, Когда самолет летит над землей или водой на высоте примерно половины длины размаха крыльев возникает часто заметный эффект земли. В результате снижается индуцированное сопротивление самолета. Это вызвано в первую очередь тем, что земля или вода препятствуют созданию вихрей на законцовках крыла и прерывают поток воздуха за крылом. ^[6]^[7]

Крыло создает подъемную силу, отклоняя встречную воздушную массу (относительный ветер) вниз. ^[8] Отклоненный или «повернутый» поток воздуха создает результирующую силу на крыле в противоположном направлении (3-й закон Ньютона). Результирующая сила называется подъемной силой. Полет близко к поверхности увеличивает давление воздуха на нижнюю поверхность крыла, получившее название «эффект тарана» или «подушки», и тем самым улучшает аэродинамическое качество самолета. Чем ниже/ближе крыло к земле, тем более выражен эффект земли. В режиме эффекта земли крылу требуется меньший угол атаки для создания такой же подъемной силы. При испытаниях в аэродинамической трубе, при которых угол атаки и скорость полета остаются постоянными, происходит увеличение коэффициента подъемной силы, ^[9] что и объясняет эффект «плавания». Влияние земли также изменяет тягу в зависимости от скорости, при этом уменьшенное индуцированное сопротивление требует меньшей тяги для поддержания той же скорости. ^[9]

Низкокрылые самолеты больше подвержены влиянию земли, чем высокопланы . ^[10] Из-за изменения вихрей восходящих и нисходящих потоков и законцовок крыла могут возникать ошибки в системе воздушной скорости при эффекте земли из-за изменений местного давления в источнике статического электричества . ^[9]

Винтокрылая машина

Когда зависающий ротор находится вблизи земли, нисходящий поток воздуха через ротор у земли уменьшается до нуля. Это состояние передается на диск за счет изменений давления в следе, что уменьшает приток к ротору при заданной нагрузке диска, то есть тяге ротора на каждый квадратный фут его площади. Это дает увеличение тяги для определенного угла наклона лопастей или, альтернативно, снижается мощность, необходимая для тяги. Для перегруженного вертолета, который может только зависать в режиме IGE, возможно, удастся оторваться от земли, сначала перейдя в полет вперед, находясь в зоне влияния земли. ^[11] Преимущество эффекта земли быстро исчезает с увеличением скорости, но наведенная мощность также быстро уменьшается, что позволяет безопасно набирать высоту. ^[12] Некоторые первые вертолеты с недостаточной мощностью могли только зависать близко к земле. ^[13] Эффект грунта максимальен на твердой, гладкой поверхности. ^[14]

СВВП

Существует два эффекта, присущих самолетам вертикального взлета и посадки, работающим на нулевой и низкой скоростях: эффект земли: засасывание и фонтанный подъем. Третий вариант, проглатывание горячего газа, также может применяться к самолетам, находящимся на земле в ветреную погоду или во время работы реверсора тяги. Насколько хорошо с точки зрения поднятого веса самолет вертикального взлета и посадки зависает на IGE, зависит от присасывания фюзеляжа, фонтанного удара о нижнюю часть фюзеляжа и HGI в двигатель, вызывающего повышение температуры на входе (ITR). Всасывание действует против подъемной силы двигателя как сила, направленная вниз на планер. Фонтанный поток работает с подъемными форсунками двигателя как восходящая сила. Серьезность проблемы HGI становится очевидной, когда уровень ITR преобразуется в потерю тяги двигателя, составляющую от трех до четырех процентов на каждые 10 °F повышения температуры на входе. ^[15]^[16]

Проседание — результат увлечения воздуха вокруг самолета подъемными струями при зависании. Это также происходит в свободном воздухе (OGE), вызывая потерю подъемной силы из-за снижения давления на нижней части фюзеляжа и крыльев. Усиленное увлечение происходит при приближении к земле, что приводит к более высоким потерям подъемной силы. Фонтанный подъем возникает, когда самолет имеет два или более подъемных двигателя. Струи ударяются о землю и расходятся. Там, где они встречаются под фюзеляжем, они смешиваются и могут двигаться только вверх, ударяясь о нижнюю часть фюзеляжа. ^[17] То, насколько хорошо их восходящий импульс отклоняется в сторону или вниз, определяет подъемную силу. Фонтанный поток следует за изогнутой нижней частью фюзеляжа и сохраняет некоторую инерцию в направлении вверх, поэтому захватывается не полная фонтанная подъемная сила, если не установлены устройства улучшения подъемной силы. ^[18] HGI снижает тягу двигателя, поскольку воздух, поступающий в двигатель, горячее и менее плотный, чем холодный воздух.

Ранние экспериментальные самолеты вертикального взлета и посадки работали с открытыми решетками, чтобы отводить выхлопные газы двигателя и предотвращать потерю тяги из-за HGI.

Bell X-14 , созданный для исследования ранней технологии вертикального взлета и посадки, не мог зависать до тех пор, пока эффект присасывания не был уменьшен за счет поднятия самолета с более длинными стойками шасси. ^[19] Для снижения HGI ему также приходилось работать с приподнятой платформы из перфорированной стали. ^[20] Исследовательский самолет вертикального взлета и посадки Dassault Mirage IIIV когда-либо работал только вертикально от решетки, что позволяло отводить выхлопные газы двигателя от самолета, чтобы избежать присасывания и эффектов HGI. ^[21]

Подфюзеляжные ребра , установленные задним числом на P.1127, улучшили обтекаемость и увеличили давление под брюхом при зависании на малой высоте. Кондукторы, установленные в том же положении на серийных Harrier GR.1/GR.3 и AV-8A Harrier, делали то же самое. Дополнительные устройства улучшения подъемной силы (LIDS) были разработаны для AV-8B и Harrier II. Чтобы заблокировать нижнюю часть самолета, где фонтаны, увеличивающие подъемную силу, ударяют в самолет, к нижней части гондол для пушек были добавлены планки, а также можно было опустить шарнирную перегородку, чтобы перекрыть зазор между передними концами планок. Это дало прирост подъемной силы в 1200 фунтов. ^[22]

Внутренние двери оружейного отсека Lockheed Martin F-35 Lightning II на F-35B открываются для захвата фонтанного потока, создаваемого двигателем и подъемными форсунками вентилятора, а также противодействующего всасыванию IGE.

Bell X-14 демонстрирует удлиненные стойки шасси для уменьшения присасывания.
Dassault Mirage IIIV парит над открытой сеткой
Вид снизу первого прототипа P.1127, показывающий небольшие подфюзеляжные планки для увеличения фонтанной подъемной силы.
Harrier GR9 демонстрирует устройства улучшения подъемной силы, большие подфюзеляжные стойки и выдвижную дамбу за носовым колесом.
F-35B показывает, как внутренние двери оружейного отсека открыты для захвата поднимающегося фонтанного потока.

Срыв крыла при эффекте земли

Угол атаки сваливания при наземном режиме меньше, примерно на 2–4 градуса, чем на свободном воздухе. ^[23]^[24] Когда поток разделяется, сопротивление значительно увеличивается. Если самолет переворачивается при взлете на слишком низкой скорости, увеличенное сопротивление может помешать самолету оторваться от земли. Две кометы де Хэвилленда вылетели за пределы взлетно-посадочной полосы после переворота. ^[25]^[26] Потеря управления может произойти, если одна законцовка крыла заглохнет из-за влияния земли. Во время сертификационных испытаний бизнес-джета Gulfstream G650 испытательный самолет развернулся на угол, превышающий прогнозируемый IGE угол сваливания. Чрезмерное вращение привело к остановке одной законцовки крыла и неконтролируемому крену, что привело к выходу из строя боковых органов управления, что привело к потере самолета. ^[27]^[28]

Экраноплан

Несколько транспортных средств были разработаны для изучения преимуществ полетов на эффекте земли, в основном над водой. Эксплуатационные недостатки полета очень близко к поверхности препятствуют широкому применению. ^[29]

См. также

Ссылки

Примечания

^ Глейм 1982 , с. 94.
^ Доул 2000 , с. 70.
^ «Глава 7. Характеристики вертолета» (PDF) . Справочник по полетам на вертолете . Федеральное управление гражданской авиации. 2020.
^ Реймер, Дэниел П. (1992). Проектирование самолетов: концептуальный подход (PDF) (2-е изд.). Американский институт аэронавтики и астронавтики, Inc. ISBN 0-930403-51-7 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 июля 2019 г. Проверено 26 декабря 2019 г. Раздел 20.6
^ Саид, Б.; Граттон, Великобритания (2010). «Оценка исторических проблем, связанных с достижением невертолетных возможностей V/STOL и поиском летающего автомобиля» (PDF) (февраль): 94. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Аэродинамика для морских авиаторов. РАМЕШ ТААЛ, ХОСУР, Виктория. Австралия: Центр теории авиации, 2005.
^ Энциклопедия авиационных знаний пилота , 2007, стр. 3-7, 3-8.
^ «Лифт от поворота потока» . Исследовательский центр Гленна НАСА. Проверено 7 июля 2009 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Доул 2000 , с. 3–8.
^ Теория полета и аэродинамика, с. 70
^ РУКОВОДСТВА, ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ГОТОВНОСТЬ, ПРОФИЛИ МИССИИ, ХАРАКТЕРИСТИКИ (ИНЖИНИРИНГ), ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, АЭРОДИНАМИКА, СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ , Центр оборонной технической информации (1974)
^ «Аэродинамика РОТОР КРАФТ» . ABBOTTAEROSPACE.COM . 12 апреля 2016 г. стр. 2–6.
^ Базовая аэродинамика вертолета, Дж. Седдон, 1990, ISBN 0 632 02032 6 , стр. 21
^ Справочник по полетам на роторном плоту (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации. 2000. стр. 3–4. Архивировано из оригинала (PDF) 27 декабря 2016 г. Проверено 3 ноября 2021 г.
^ Холл, Гордон Р. (1971). МОДЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ КОНЦЕПЦИИ ПО СНИЖЕНИЮ ПОГЛОЩЕНИЯ ГОРЯЧЕГО ГАЗА В ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПОДЪЕМНЫЕ ДВИГАТЕЛИ (NASA CR-1863) (PDF) (Отчет). НАСА. п. 4.
^ Кришнамурти, В. (1971). АНАЛИЗ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ, ОТНОСЯЩИХСЯ К ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЗАГРУЖЕНИЯ ГОРЯЧЕГО ГАЗА РЕАКТИВНЫМИ СВВП СВВП (PDF) (Отчет). НАСА. п. 8.
^ Реймер 1992 , стр. 551, 552.
^ Митчелл, Керри (1987). Материалы семинара по воздействию на землю Исследовательского центра Эймса НАСА 1985 года (публикация конференции НАСА 2462) . НАСА. п. 4. ^{[ мертвая ссылка ]}
^ X-Planes, Джей Миллер1988, ISBN 0 517 56749 0 , стр. 108
^ Амиль, Фредерик Дональд (1979). «Применение механических систем большой подъемной силы для проектирования самолетов взлета и посадки». п. 14. S2CID 107781224 . {{cite web}}: Отсутствует или пусто |url= ( помощь )
^ Уильямс, Р.С. (1985). Приложение к отчету АГАРД №. 710, Специальный курс по аэродинамике V/STOL, оценка европейских реактивных подъемных самолетов . отчет АГАРД; нет. 710, приложение. п. 4. ISBN 9789283514893 . {{cite book}}: |website= игнорируется ( помогите )
^ Harrier Modern Combat Aircraft 13, Билл Ганстон1981, ISBN 0 7110 1071 4 , стр. 23,43,101
^ «Джон О'Каллаган из NTSB, национальный специалист по характеристикам самолетов, отметил, что все самолеты сваливаются примерно на 2–4 градуса ниже угла атаки [угла атаки] с колесами на земле». (из отчета NTSB об авиационном происшествии, касающемся потери реактивного самолета бизнес-класса со стреловидным крылом в апреле 2011 г.) Тонкая маржа при взлетах зимой AWST, 24 декабря 2018 г.
^ Рантер, Харро. «Авария самолета ASN de Havilland DH-106 Comet 1A CF-CUN, станция ВВС Карачи-Маурипур» . Aviation-safety.net .
^ Аэродинамический дизайн транспортного самолета, Эд Оберт, 2009 г., ISBN 978 1 58603 970 7 , стр. 603–606.
^ Штатные авторы (25 октября 2019 г.). «Реприза: Ночь кометы | Безопасность полетов в Австралии» .
^ «Авария во время экспериментально-испытательного полета Gulfstream Aerospace Corporation GVI (G650), N652GD, Розуэлл, Нью-Мексико, 2 апреля 2011 г.» (PDF) . www.ntsb.gov .
^ Из отчета о происшествии NTSB: В отчетах о летных испытаниях отмечается, что «спуск после сваливания происходит резко и приводит к насыщению мощности поперечного управления». Катастрофический и неустранимый крен самолета в результате катастрофы в Розуэлле отчасти был обусловлен отсутствием предупреждения перед сваливанием при столкновении с землей.
^ Понимание аэродинамики - аргументация из реальной физики, Дуг Маклин, 2013, ISBN 978 1 119 96751 4 , стр. 401

Библиография

Доул, Чарльз Эдвард (2000). Теория полета и аэродинамика . John Wiley & Sons, Inc. Хобокен, Нью-Джерси: ISBN 978-0-471-37006-2 .
Глейм, Ирвинг (1982). Маневры пилота . Оттава, Онтарио, Канада: Авиационные публикации. ISBN 0-917539-00-1 .
Энциклопедия авиационных знаний пилотов (Федеральное управление гражданской авиации). Нью-Йорк: Издательство Skyhorse Publishing, 2007. ISBN 1-60239-034-7 .

Внешние ссылки

Инженерное объяснение . SE-Technology («мертвый» сайт)
Спросите нас – экранопланы и экранопланы . Aerospaceweb.org
М. Холлоран; С. О'Мира (февраль 1999 г.). «Обзор крыла в самолетах с эффектом земли» (PDF-9 МБ) . сэра Лоуренса Уэкетта Центр технологий аэрокосмического проектирования , Королевский Мельбурнский технологический институт – через Abbott Aerospace. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]} ДСТО-ГД-0201. Спонсор: DSTO Лаборатория авиационных и морских исследований , правительство Австралии. ( Веб-архив )
Крыло в Ground Effect и вертолетах . Dynamicflight.com
Самолет может пролететь над водой на несколько дюймов Ученые университета Тунцзи в Шанхае объявляют о разработке нового транспортного средства, Inventorspot.com, 14 июля 2007 г.
Планирование на экранном эффекте . Hanggliding.org
Численный анализ профиля крыла вблизи земли (PDF) Журнал теоретической и прикладной механики , 45 , 2, стр. 425–36, Варшава, 2007. ptmts.org.

[Irving_Gleim-1] Глейм 1982 , с. 94.

[Flight_theory_and_aerodynamics-2] Доул 2000 , с. 70.

[3] «Глава 7. Характеристики вертолета» (PDF) . Справочник по полетам на вертолете . Федеральное управление гражданской авиации. 2020.

[isbn0-930403-51-7-4] Реймер, Дэниел П. (1992). Проектирование самолетов: концептуальный подход (PDF) (2-е изд.). Американский институт аэронавтики и астронавтики, Inc. ISBN 0-930403-51-7 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 июля 2019 г. Проверено 26 декабря 2019 г. Раздел 20.6

[5] Саид, Б.; Граттон, Великобритания (2010). «Оценка исторических проблем, связанных с достижением невертолетных возможностей V/STOL и поиском летающего автомобиля» (PDF) (февраль): 94. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[6] Аэродинамика для морских авиаторов. РАМЕШ ТААЛ, ХОСУР, Виктория. Австралия: Центр теории авиации, 2005.

[Pilot's_Encyclopedia_of_Aeronautical_Knowledge-7] Энциклопедия авиационных знаний пилота , 2007, стр. 3-7, 3-8.

[8] «Лифт от поворота потока» . Исследовательский центр Гленна НАСА. Проверено 7 июля 2009 г.

[Pilot_pp.3-8-9] Jump up to: ^а ^б ^с Доул 2000 , с. 3–8.

[10] Теория полета и аэродинамика, с. 70

[11] РУКОВОДСТВА, ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ГОТОВНОСТЬ, ПРОФИЛИ МИССИИ, ХАРАКТЕРИСТИКИ (ИНЖИНИРИНГ), ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, АЭРОДИНАМИКА, СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ , Центр оборонной технической информации (1974)

[12] «Аэродинамика РОТОР КРАФТ» . ABBOTTAEROSPACE.COM . 12 апреля 2016 г. стр. 2–6.

[13] Базовая аэродинамика вертолета, Дж. Седдон, 1990, ISBN 0 632 02032 6 , стр. 21

[14] Справочник по полетам на роторном плоту (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации. 2000. стр. 3–4. Архивировано из оригинала (PDF) 27 декабря 2016 г. Проверено 3 ноября 2021 г.

[15] Холл, Гордон Р. (1971). МОДЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ КОНЦЕПЦИИ ПО СНИЖЕНИЮ ПОГЛОЩЕНИЯ ГОРЯЧЕГО ГАЗА В ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПОДЪЕМНЫЕ ДВИГАТЕЛИ (NASA CR-1863) (PDF) (Отчет). НАСА. п. 4.

[16] Кришнамурти, В. (1971). АНАЛИЗ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ, ОТНОСЯЩИХСЯ К ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЗАГРУЖЕНИЯ ГОРЯЧЕГО ГАЗА РЕАКТИВНЫМИ СВВП СВВП (PDF) (Отчет). НАСА. п. 8.

[FOOTNOTERaymer1992551,_552-17] Реймер 1992 , стр. 551, 552.

[18] Митчелл, Керри (1987). Материалы семинара по воздействию на землю Исследовательского центра Эймса НАСА 1985 года (публикация конференции НАСА 2462) . НАСА. п. 4. ^{[ мертвая ссылка ]}

[19] X-Planes, Джей Миллер1988, ISBN 0 517 56749 0 , стр. 108

[20] Амиль, Фредерик Дональд (1979). «Применение механических систем большой подъемной силы для проектирования самолетов взлета и посадки». п. 14. S2CID 107781224 . {{cite web}}: Отсутствует или пусто |url= ( помощь )

[21] Уильямс, Р.С. (1985). Приложение к отчету АГАРД №. 710, Специальный курс по аэродинамике V/STOL, оценка европейских реактивных подъемных самолетов . отчет АГАРД; нет. 710, приложение. п. 4. ISBN 9789283514893 . {{cite book}}: |website= игнорируется ( помогите )

[22] Harrier Modern Combat Aircraft 13, Билл Ганстон1981, ISBN 0 7110 1071 4 , стр. 23,43,101

[NTSB-23] «Джон О'Каллаган из NTSB, национальный специалист по характеристикам самолетов, отметил, что все самолеты сваливаются примерно на 2–4 градуса ниже угла атаки [угла атаки] с колесами на земле». (из отчета NTSB об авиационном происшествии, касающемся потери реактивного самолета бизнес-класса со стреловидным крылом в апреле 2011 г.) Тонкая маржа при взлетах зимой AWST, 24 декабря 2018 г.

[24] Рантер, Харро. «Авария самолета ASN de Havilland DH-106 Comet 1A CF-CUN, станция ВВС Карачи-Маурипур» . Aviation-safety.net .

[25] Аэродинамический дизайн транспортного самолета, Эд Оберт, 2009 г., ISBN 978 1 58603 970 7 , стр. 603–606.

[26] Штатные авторы (25 октября 2019 г.). «Реприза: Ночь кометы | Безопасность полетов в Австралии» .

[27] «Авария во время экспериментально-испытательного полета Gulfstream Aerospace Corporation GVI (G650), N652GD, Розуэлл, Нью-Мексико, 2 апреля 2011 г.» (PDF) . www.ntsb.gov .

[28] Из отчета о происшествии NTSB: В отчетах о летных испытаниях отмечается, что «спуск после сваливания происходит резко и приводит к насыщению мощности поперечного управления». Катастрофический и неустранимый крен самолета в результате катастрофы в Розуэлле отчасти был обусловлен отсутствием предупреждения перед сваливанием при столкновении с землей.

[29] Понимание аэродинамики - аргументация из реальной физики, Дуг Маклин, 2013, ISBN 978 1 119 96751 4 , стр. 401

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]