Efecto suelo (aerodinámica)

Para los aviones de ala fija, el efecto suelo es la resistencia aerodinámica reducida que generan las alas de un avión cuando están cerca de una superficie fija. La reducción de la resistencia cuando hay efecto suelo durante el despegue puede hacer que la aeronave 'flote'. mientras está por debajo de la velocidad de ascenso recomendada. El piloto puede entonces volar justo por encima de la pista mientras la aeronave acelera en efecto suelo hasta alcanzar una velocidad de ascenso segura.

Para giroaviones, el efecto suelo resulta en menos arrastre en el rotor durante el vuelo estacionario cerca del suelo. Con pesos altos, esto a veces permite que el giroavión despegue mientras está estacionario en efecto suelo, pero no le permite hacer la transición al vuelo fuera del efecto suelo. Los pilotos de helicópteros cuentan con tablas de rendimiento que muestran las limitaciones para el vuelo estacionario de su helicóptero con efecto suelo (IGE) y sin efecto suelo (OGE). Los gráficos muestran el beneficio de sustentación adicional producido por el efecto suelo.

Para las aeronaves de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) propulsadas por ventiladores y propulsadas por reactores, el efecto suelo durante el vuelo estacionario puede provocar succión y elevación vertical en la estructura del avión y pérdida del empuje de vuelo estacionario si el motor aspira su propio gas de escape, lo que se conoce como ingestión de gas caliente (HGI).

Explicaciones

Aviones de ala fija

Cuando una aeronave vuela a aproximadamente la mitad de la longitud de la envergadura de la aeronave o por debajo de ella sobre el suelo o el agua, se produce un efecto de suelo a menudo perceptible. El resultado es una menor resistencia inducida en el avión Esto se debe principalmente a que el suelo o el agua obstruyen la creación de vórtices en las puntas de las alas e interrumpen la corriente descendente detrás del ala.

Un ala genera sustentación al desviar la masa de aire que se aproxima (viento relativo) hacia abajo. El desviado o "girado" flujo de aire crea una fuerza resultante en el ala en la dirección opuesta (tercera ley de Newton). La fuerza resultante se identifica como sustentación. Volar cerca de una superficie aumenta la presión del aire en la superficie inferior del ala, apodada el "ram" o "cojín" y, por lo tanto, mejora la relación sustentación-resistencia de la aeronave. Cuanto más abajo/más cerca está el ala con respecto al suelo, más pronunciado se vuelve el efecto suelo. Mientras está en el efecto suelo, el ala requiere un ángulo de ataque más bajo para producir la misma cantidad de sustentación. En las pruebas de túnel de viento en las que el ángulo de ataque y la velocidad del aire permanecen constantes, se produce un aumento en el coeficiente de sustentación, lo que explica la "flotación" efecto. El efecto suelo también altera el empuje frente a la velocidad, donde la resistencia inducida reducida requiere menos empuje para mantener la misma velocidad.

Los aviones de ala baja se ven más afectados por el efecto suelo que los aviones de ala alta. Debido al cambio en los vórtices ascendentes, descendentes y en las puntas de las alas, es posible que se produzcan errores en el sistema de velocidad aerodinámica durante el efecto suelo debido a los cambios en la presión local en la fuente estática.

Giroavión

Cuando un rotor flotante está cerca del suelo, el flujo de aire descendente a través del rotor se reduce a cero en el suelo. Esta condición se transfiere al disco a través de cambios de presión en la estela que disminuye el flujo de entrada al rotor para una carga de disco dada, que es el empuje del rotor por cada pie cuadrado de su área. Esto da un aumento de empuje para un ángulo de paso de pala particular o, alternativamente, se reduce la potencia requerida para un empuje. Para un helicóptero sobrecargado que solo puede sobrevolar IGE, es posible que se aleje del suelo traduciéndolo primero a vuelo hacia adelante mientras está en efecto suelo. El beneficio del efecto suelo desaparece rápidamente con la velocidad, pero la potencia inducida también disminuye rápidamente para permitir un ascenso seguro. Algunos de los primeros helicópteros de poca potencia solo podían flotar cerca del suelo. El efecto suelo es máximo sobre una superficie firme y lisa.

Aviones VTOL

Hay dos efectos inherentes a las aeronaves VTOL que operan a velocidades cero y bajas: efecto suelo, succión y elevación de fuente. Una tercera ingestión de gas caliente también puede aplicarse a aeronaves de ala fija en tierra en condiciones de viento o durante la operación del inversor de empuje. Qué tan bien, en términos de peso levantado, un avión VTOL sobrevuela IGE depende de la succión en la estructura del aire, el impacto de la fuente en la parte inferior del fuselaje y el HGI en el motor que causa el aumento de la temperatura de entrada (ITR). Suckdown trabaja contra el levantamiento del motor como una fuerza hacia abajo en la estructura del avión. El flujo de la fuente funciona con los chorros de elevación del motor como una fuerza ascendente. La gravedad del problema de HGI se vuelve clara cuando el nivel de ITR se convierte en pérdida de empuje del motor, de tres a cuatro por ciento por cada aumento de temperatura de entrada de 10 °F.

La succión es el resultado del arrastre de aire alrededor de la aeronave por los chorros de sustentación cuando está en vuelo estacionario. También ocurre en aire libre (OGE) y provoca pérdida de sustentación al reducir las presiones en la parte inferior del fuselaje y las alas. El arrastre mejorado ocurre cuando está cerca del suelo, lo que genera una mayor pérdida de sustentación. La fuente de sustentación ocurre cuando un avión tiene dos o más chorros de sustentación. Los chorros golpean el suelo y se dispersan. Donde se encuentran debajo del fuselaje, se mezclan y solo pueden moverse hacia arriba golpeando la parte inferior del fuselaje. Lo bien que su impulso ascendente se desvía hacia los lados o hacia abajo determina la sustentación. El flujo de la fuente sigue la parte inferior de un fuselaje curvo y retiene algo de impulso en una dirección ascendente, por lo que se captura menos que la elevación de la fuente completa a menos que se instalen dispositivos de mejora de la elevación. HGI reduce el empuje del motor porque el aire que ingresa al motor es más caliente y menos denso que el aire frío.

Los primeros aviones experimentales VTOL operaban desde rejillas abiertas para canalizar el escape del motor y evitar la pérdida de empuje de HGI.

El Bell X-14, construido para investigar la tecnología VTOL inicial, no pudo flotar hasta que se redujeron los efectos de absorción elevando la aeronave con patas de tren de aterrizaje más largas. También tuvo que operar desde una plataforma elevada de acero perforado para reducir HGI. El avión de investigación Dassault Mirage IIIV VTOL solo operó verticalmente desde una cuadrícula que permitía que el escape del motor se canalizara lejos del avión para evitar la succión y los efectos HGI.

Las tracas ventrales instaladas retroactivamente en el P.1127 mejoraron el flujo y aumentaron la presión debajo del vientre en vuelo estacionario a baja altura. Las cápsulas de armas instaladas en la misma posición en la producción Harrier GR.1/GR.3 y el AV-8A Harrier hicieron lo mismo. Se desarrollaron más dispositivos de mejora de elevación (LIDS) para el AV-8B y el Harrier II. Para encajar en la región del vientre donde las fuentes que mejoran la sustentación golpean la aeronave, se agregaron tracas en la parte inferior de las vainas de las armas y se pudo bajar una presa con bisagras para bloquear el espacio entre los extremos delanteros de las tracas. Esto dio una ganancia de elevación de 1200 lb.

Las puertas internas de la bahía de armas Lockheed Martin F-35 Lightning II en el F-35B se abren para capturar el flujo de la fuente creado por los chorros de elevación del motor y el ventilador y el IGE de succión del contador.

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  Bell X-14 mostrando las patas de engranaje alargado para reducir la caída

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  Dassault Mirage IIIV flotando sobre la red abierta

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  Vista interior del primer prototipo P.1127 que muestra pequeños estragos ventrales para aumentar el elevador de fuentes

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  Harrier GR9 mostrando los dispositivos de mejora de ascensores, grandes estragos ventrales y una retráctil retráctil detrás de naewheel

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  F-35B mostrando la bahía del arma a bordo puertas abiertas para capturar el flujo de la fuente

Pérdida de alas en efecto suelo

El ángulo de ataque de pérdida es menor en el efecto suelo, aproximadamente de 2 a 4 grados, que en el aire libre. Cuando el flujo se separa, hay un gran aumento en la resistencia. Si la aeronave gira en exceso durante el despegue a una velocidad demasiado baja, el aumento de la resistencia puede evitar que la aeronave despegue del suelo. Dos cometas de Havilland invadieron el final de la pista después de una rotación excesiva. Se puede perder el control si la punta de un ala se detiene en el efecto suelo. Durante las pruebas de certificación del avión de negocios Gulfstream G650, la aeronave de prueba giró a un ángulo más allá del ángulo de pérdida IGE previsto. La rotación excesiva provocó que la punta de un ala se detuviera y un balanceo no controlado, que dominó los controles laterales, provocó la pérdida de la aeronave.

Vehículo de efecto suelo

Se han diseñado algunos vehículos para explorar las ventajas de rendimiento de volar con efecto suelo, principalmente sobre el agua. Las desventajas operativas de volar muy cerca de la superficie han desalentado las aplicaciones generalizadas.