Para los aviones de ala fija , el efecto suelo es la reducción de la resistencia aerodinámica que generan las alas de un avión cuando están cerca de una superficie fija. [1] Durante el despegue , el efecto suelo puede hacer que la aeronave "flote" por debajo de la velocidad de ascenso recomendada . Luego, el piloto puede volar justo por encima de la pista mientras el avión acelera en efecto suelo hasta alcanzar una velocidad de ascenso segura. [2]
En el caso de los helicópteros , el efecto suelo da como resultado una menor resistencia al rotor durante el vuelo estacionario cerca del suelo. Con pesos elevados, esto a veces permite que el helicóptero despegue mientras está estacionario en efecto suelo, pero no le permite realizar la transición al vuelo fuera del efecto suelo. Los pilotos de helicópteros reciben gráficos de rendimiento que muestran las limitaciones para mantener su helicóptero en vuelo estacionario en efecto suelo (IGE) y fuera de efecto suelo (OGE). Los gráficos muestran el beneficio de sustentación adicional producido por el efecto suelo. [3]
En el caso de las aeronaves de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) propulsadas por ventilador y a reacción, el efecto suelo durante el vuelo estacionario puede causar succión y elevación en fuente en la estructura del avión y pérdida de empuje en vuelo estacionario si el motor aspira sus propios gases de escape, lo que se conoce como Ingestión de gas caliente (HGI). [4] [5]
Cuando un avión vuela a aproximadamente la mitad de la longitud de la envergadura del avión o por debajo de él sobre el suelo o el agua, se produce un efecto suelo a menudo perceptible. El resultado es una menor resistencia inducida sobre la aeronave. Esto se debe principalmente a que el suelo o el agua obstruyen la creación de vórtices en las puntas del ala e interrumpen la corriente descendente detrás del ala. [6] [7]
Un ala genera sustentación desviando la masa de aire que se aproxima (viento relativo) hacia abajo. [8] El flujo de aire desviado o "girado" crea una fuerza resultante sobre 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, lo que se conoce como efecto "ram" o "cojín", y por lo tanto mejora la relación elevación-arrastre del avión. Cuanto más baja o más cerca esté el ala del suelo, más pronunciado se vuelve el efecto suelo. Mientras está en el efecto suelo, el ala requiere un ángulo de ataque menor para producir la misma cantidad de sustentación. En las pruebas en túnel de viento, en las que el ángulo de ataque y la velocidad del aire permanecen constantes, se produce un aumento del coeficiente de sustentación [9] , lo que explica el efecto "flotante". El efecto suelo también altera el empuje versus la velocidad, donde la reducción de la resistencia inducida requiere menos empuje para mantener la misma velocidad. [9]
Los aviones de ala baja se ven más afectados por el efecto suelo que los aviones de ala alta . [10] Debido al cambio en los vórtices ascendentes, descendentes y en las puntas de las alas, puede haber errores en el sistema de velocidad del aire durante el efecto suelo debido a cambios en la presión local en la fuente estática . [9]
Cuando un rotor suspendido 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 disminuyen 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 proporciona 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 flotar IGE, es posible que se aleje del suelo traduciéndose primero al vuelo hacia adelante mientras está en efecto suelo. [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]
Hay dos efectos inherentes a las aeronaves VTOL que operan a velocidades cero y bajas: el efecto suelo, la succión y la elevación en fuente. Una tercera, la ingestión de gas caliente, también puede aplicarse a aviones de ala fija en tierra en condiciones de viento o durante la operación de inversión de empuje. Qué tan bien, en términos de peso levantado, un avión VTOL flota 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, lo que provoca un aumento de la temperatura de entrada (ITR). La succión actúa contra el elevador del motor como una fuerza descendente sobre la estructura del avión. El flujo de fuente funciona con los chorros de elevación del motor como una fuerza ascendente. La gravedad del problema del HGI queda clara cuando el nivel de ITR se convierte en pérdida de empuje del motor, de tres a cuatro por ciento por cada 10 °F de aumento de la temperatura de entrada. [15] [16]
La succión es el resultado del arrastre de aire alrededor de la aeronave mediante los chorros de elevación cuando está suspendido. También ocurre en el aire libre (OGE), provocando una 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 fuente ocurre cuando una aeronave tiene dos o más chorros de elevación. Los chorros golpean el suelo y se dispersan. Cuando se encuentran debajo del fuselaje, se mezclan y sólo pueden moverse hacia arriba golpeando la parte inferior del fuselaje. [17] Qué tan bien se desvía su impulso ascendente hacia los lados o hacia abajo determina la elevación. El flujo de la fuente sigue una parte inferior curvada del fuselaje y retiene algo de impulso en dirección ascendente, por lo que se captura menos de la elevación completa de la fuente a menos que se instalen dispositivos de mejora de la elevación. [18] 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 del HGI.
El Bell X-14 , construido para investigar la tecnología VTOL temprana, no pudo flotar hasta que se redujeron los efectos de succión elevando el avión con patas de tren de aterrizaje más largas. [19] También tuvo que operar desde una plataforma elevada de acero perforado para reducir el HGI. [20] El avión de investigación Dassault Mirage IIIV VTOL solo operó verticalmente desde una rejilla que permitía canalizar el escape del motor lejos del avión para evitar la succión y los efectos HGI. [21]
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 instaladas en la misma posición en el Harrier GR.1/GR.3 de producción 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 el avión, se agregaron tracas en la parte inferior de las vainas de los cañones 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. [22]
Las puertas interiores del compartimiento de armas Lockheed Martin F-35 Lightning II en el F-35B se abren para capturar el flujo de fuente creado por el motor y los chorros de elevación del ventilador y el IGE de contrasucción.
El ángulo de ataque de pérdida es menor en el efecto suelo, aproximadamente de 2 a 4 grados, que en el aire libre. [23] [24] Cuando el flujo se separa, hay un gran aumento en la resistencia. Si el avión gira demasiado durante el despegue a una velocidad demasiado baja, el aumento de la resistencia puede impedir que el avión despegue del suelo. Dos cometas De Havilland invadieron el final de la pista después de sobregirar. [25] [26] Puede ocurrir pérdida de control si la punta de un ala se detiene en efecto suelo. Durante las pruebas de certificación del jet ejecutivo Gulfstream G650 , el avión de prueba giró a un ángulo superior al ángulo de pérdida IGE previsto. La rotación excesiva provocó que la punta de un ala se detuviera y un balanceo no controlado, que superó los controles laterales y provocó la pérdida de la aeronave. [27] [28]
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 su aplicación generalizada. [29]
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