Para las aeronaves de ala fija , el efecto suelo es la resistencia aerodinámica reducida que generan las alas de una aeronave cuando están cerca de una superficie fija. [1] La resistencia reducida cuando está en 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 . [2]
En el caso de los helicópteros , el efecto del suelo reduce la resistencia al arrastre del rotor durante el vuelo estacionario cerca del suelo. Con pesos elevados, esto a veces permite que el helicóptero despegue mientras está parado en efecto suelo, pero no le permite hacer la transición al vuelo fuera del efecto suelo. Los pilotos de helicópteros cuentan con gráficos de rendimiento que muestran las limitaciones para hacer estallar su helicóptero en efecto suelo (IGE) y fuera de efecto suelo (OGE). Los gráficos muestran el beneficio de elevación adicional producido por el efecto suelo. [3]
En el caso de los aviones VTOL propulsados por ventiladores y a chorro , el efecto suelo cuando se desplaza puede causar succión y elevación de fuente en la estructura del avión y pérdida de empuje si el motor aspira su propio gas de escape, lo que se conoce como ingestión de gas caliente (HGI). [4] [5]
Explicaciones
Aeronave de ala fija
Cuando una aeronave vuela aproximadamente a la mitad de la longitud de la envergadura de la aeronave sobre el suelo o el agua o por debajo de ella, se produce un efecto de suelo a menudo notable . El resultado es un menor arrastre inducido en la aeronave. Esto se debe principalmente a que el suelo o el agua obstruyen la creación de vórtices en la punta de las alas e interrumpen el flujo descendente detrás del ala. [6] [7]
Un ala genera sustentación al desviar la masa de aire que se aproxima (viento relativo) hacia abajo. [8] El flujo de aire desviado o "girado" 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, apodado el efecto "ariete" o "cojín", y por lo tanto mejora la relación de sustentación y arrastre del avión. Cuanto más baja / más cercana está la vela 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, [9] que explica el efecto "flotante". El efecto suelo también altera el empuje frente a la velocidad, donde la resistencia inducida reducida requiere menos empuje para mantener la misma velocidad. [9]
Los aviones de alas bajas se ven más afectados por el efecto suelo que los aviones de alas altas . [10] Debido al cambio en los vórtices de lavado ascendente, descendente y de punta de ala, puede haber errores en el sistema de velocidad del aire mientras está en efecto suelo debido a cambios en la presión local en la fuente estática . [9]
Rotorcraft
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, lo que disminuye el flujo de entrada al rotor para una carga de disco determinada, que es el empuje del rotor por cada pie cuadrado de su área. Esto da un aumento de empuje para un ángulo de inclinación particular de la pala. O, alternativamente, se reduce la potencia requerida para un empuje. En el caso de un helicóptero sobrecargado que solo puede flotar sobre IGE, puede que sea posible alejarse del suelo trasladando primero a vuelo hacia adelante mientras está en efecto de tierra. [11] El beneficio del efecto suelo desaparece rápidamente con la velocidad, pero la potencia inducida también disminuye rápidamente para permitir un ascenso seguro. [12] Algunos de los primeros helicópteros con poca potencia solo podían flotar cerca del suelo. [13] El efecto suelo es máximo sobre una superficie firme y lisa. [14]
Aviones VTOL
Hay dos efectos inherentes a las aeronaves VTOL que operan a velocidades cero y bajas IGE, succión y elevación de fuente. Un tercero, HGI, 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 avión, el impacto de la fuente en la parte inferior del fuselaje y el HGI [ aclaración necesaria ] en el motor. Suckdown trabaja contra la elevación del motor como una fuerza hacia abajo en la estructura del avión. El flujo de la fuente trabaja con los chorros de elevación del motor como una fuerza ascendente. HGI reduce el empuje generado por el motor.
La succión es el resultado del arrastre de aire alrededor de la aeronave por los chorros de elevación cuando está en vuelo estacionario. También ocurre en el aire libre (OGE) causando pérdida de sustentación al reducir las presiones en la parte inferior del fuselaje y las alas. El arrastre mejorado se produce cuando está cerca del suelo, lo que genera una mayor pérdida de sustentación. La elevación de la fuente ocurre cuando una aeronave tiene dos o más chorros de elevación. 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. [15] Lo bien que se desvía su impulso ascendente hacia los lados o hacia abajo determina la elevación. El flujo de la fuente sigue una parte inferior del fuselaje curvada y retiene algo de impulso en una dirección ascendente, por lo que se captura menos de la elevación completa de la fuente a menos que se instalen dispositivos de mejora de elevación. [16] HGI reduce el empuje del motor porque el aire que ingresa al motor está más caliente que el ambiente.
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 temprana, no pudo flotar hasta que se redujeron los efectos de succión al elevar la aeronave con patas de tren de aterrizaje más largas. [17] También tuvo que operar desde una plataforma elevada de acero perforado para reducir el HGI. [18] El avión de investigación Dassault Mirage IIIV VTOL solo operó verticalmente desde una rejilla que permitía que los gases de escape del motor se canalizaran lejos del avión para evitar la succión y los efectos de HGI. [19]
Las tracas ventrales instaladas retroactivamente en el P.1127 mejoraron el flujo y aumentaron la presión debajo del vientre en vuelo estacionario a baja altitud. Las cápsulas de armas colocadas en la misma posición hicieron lo mismo. Se desarrollaron más dispositivos de mejora de elevación (LIDS) para el AV-8B y el Harrier II. Para encajonar en la hermosa región donde chocan las fuentes que mejoran la elevación, se agregaron tracas de la aeronave en la parte inferior de las cápsulas de los cañones y se podía bajar una presa con bisagras para bloquear el espacio entre los extremos frontales de las tracas. Esto dio una ganancia de sustentación de 1200 libras. [20]
Las puertas interiores 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 el motor y los chorros de elevación del ventilador y el IGE de contra succión.
F-35B que muestra las puertas interiores de la bahía de armas abiertas para capturar el flujo ascendente de la fuente
Puesto de ala 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. [21] [22] Cuando el flujo se separa, hay un gran aumento en la resistencia. Si la aeronave se sobrerota en el despegue a una velocidad demasiado baja, el aumento de la resistencia puede evitar que la aeronave abandone el suelo. Dos cometas de Havilland invadieron el final de la pista después de girar demasiado. [23] [24] La pérdida de control puede ocurrir si la punta de un ala se cala en efecto suelo. Durante las pruebas de certificación del jet comercial Gulfstream G650 , el avión de prueba giró en un ángulo más allá del ángulo de pérdida previsto de IGE. La sobrerrotación 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. [25] [26]
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. [27]
Ver también
- Efecto coanda
- Vehículo de efecto suelo
- Efecto suelo (coches)
- Aerodeslizador
- Anillo de vórtice
- Saab 401 (aerodeslizador)
Referencias
Notas
- ^ Gleim 1982 , p. 94.
- ^ Dole 2000 , p. 70.
- ^ "Capítulo 7 - Rendimiento del helicóptero" (PDF) . Manual de vuelo en helicóptero . Administración Federal de Aviación. 2020.
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Bibliografía
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enlaces externos
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