En el caso de 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] Durante el despegue , el efecto suelo 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 que se alcanza una velocidad de ascenso segura. [2]
En el caso de los helicópteros , el efecto suelo produce una menor resistencia en el 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 realizar la transición al vuelo fuera de ese efecto. Los pilotos de helicópteros disponen de tablas de rendimiento que muestran las limitaciones para mantener en vuelo estacionario su helicóptero en efecto suelo (IGE) y fuera de efecto suelo (OGE). Las tablas muestran el beneficio de sustentación adicional producido por el efecto suelo. [3]
En el caso de las aeronaves de despegue y aterrizaje verticales (VTOL) impulsadas por turbinas o chorros , el efecto suelo durante el vuelo estacionario puede provocar succión y sustentación en forma de fuente en la estructura del avión y pérdida de empuje en vuelo estacionario si el motor succiona sus propios gases de escape, lo que se conoce como ingestión de gas caliente (HGI). [4] [5]
Cuando un avión vuela a una distancia igual o inferior a la mitad de la envergadura de las alas por encima del suelo o del agua, se produce un efecto suelo que suele ser muy 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. [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 "desviado" 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, apodado el efecto "ram" o "cushion", y por lo tanto mejora la relación sustentación-resistencia del avión. Cuanto más baja/cercana esté el ala al suelo, más pronunciado se vuelve el efecto suelo. Mientras que en el efecto suelo, el ala requiere un ángulo de ataque menor para producir la misma cantidad de sustentación. En las pruebas del túnel de viento, en las que el ángulo de ataque y la velocidad aerodinámica permanecen constantes, se produce un aumento en el coeficiente de sustentación, [9] lo que explica el efecto "flotante". El efecto suelo también altera el empuje en función de la velocidad, donde la resistencia inducida reducida requiere menos empuje para mantener la misma velocidad. [9]
Las aeronaves de ala baja se ven más afectadas por el efecto suelo que las aeronaves de ala alta . [10] Debido al cambio en los vórtices ascendentes, descendentes y de las puntas de las alas, puede haber errores en el sistema de velocidad del aire mientras se encuentra en efecto suelo debido a cambios en la presión local en la fuente estática . [9]
Cuando un rotor en vuelo estacionario está cerca del suelo, el flujo descendente de aire 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 la entrada de aire 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 volar en vuelo estacionario IGE, puede ser posible ascender lejos del suelo transfiriéndolo 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 helicópteros tempranos de baja potencia solo podían volar cerca del suelo. [13] El efecto suelo es máximo sobre una superficie firme y lisa. [14]
Existen dos efectos inherentes a las aeronaves VTOL que operan a velocidades cero y bajas en el efecto suelo: la succión y la elevación por efecto fuente. Un tercero, la ingestión de gas caliente, también puede aplicarse a aeronaves de ala fija en tierra en condiciones de viento o durante el funcionamiento del inversor de empuje. La eficacia con la que una aeronave VTOL se mantiene en vuelo estacionario (IGE), en términos de peso levantado, depende de la succión sobre la estructura del avión, el impacto de la fuente en la parte inferior del fuselaje y la HGI en el motor, lo que provoca un aumento de la temperatura de entrada (ITR). La succión actúa contra la sustentación del motor como una fuerza descendente sobre la estructura del avión. El flujo de la fuente actúa con los chorros de sustentación del motor como una fuerza ascendente. La gravedad del problema de la HGI se hace evidente cuando el nivel de ITR se convierte en pérdida de empuje del motor, de tres a cuatro por ciento por cada 12,222 °C de aumento de la temperatura de entrada. [15] [16]
La succión es el resultado del arrastre de aire alrededor de la aeronave por los chorros de sustentación cuando se desplaza. También ocurre en aire libre (OGE) causando 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 da lugar a una mayor pérdida de sustentación. La sustentación en fuente ocurre cuando una aeronave tiene dos o más chorros de sustentación. Los chorros golpean el suelo y se extienden. Donde se encuentran debajo del fuselaje, se mezclan y solo pueden moverse hacia arriba golpeando la parte inferior del fuselaje. [17] La forma en que su impulso ascendente se desvía lateralmente o hacia abajo determina la sustentación. El flujo de fuente sigue una parte inferior del fuselaje curvada y retiene algo de impulso en dirección ascendente, por lo que se captura menos de la sustentación de fuente completa a menos que se instalen dispositivos de mejora de la sustentación. [18] La HGI reduce el empuje del motor porque el aire que entra en el 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 al elevar la aeronave 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 VTOL Dassault Mirage IIIV solo operó verticalmente desde una rejilla que permitía que el escape del motor se canalizara lejos de la aeronave para evitar los efectos de succión y HGI. [21]
Las láminas ventrales instaladas retroactivamente en el P.1127 mejoraron el flujo y aumentaron la presión debajo de la panza en vuelo estacionario a baja altitud. Las vainas de armas instaladas en la misma posición en el Harrier GR.1/GR.3 de producción y el Harrier AV-8A hicieron lo mismo. Se desarrollaron más dispositivos de mejora de la sustentación (LIDS) para el AV-8B y el Harrier II. Para encerrar la región de la panza donde las fuentes de mejora de la sustentación golpean el avión, se añadieron láminas a la parte inferior de las vainas de armas y se pudo bajar una presa con bisagras para bloquear el espacio entre los extremos delanteros de las láminas. Esto proporcionó una ganancia de sustentación de 1200 lb. [22]
Las puertas interiores del compartimiento de armas del 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 del ventilador y el IGE de contrasucción.
El ángulo de ataque de pérdida es menor en el efecto suelo, aproximadamente entre 2 y 4 grados, que en aire libre. [23] [24] Cuando el flujo se separa, hay un gran aumento de la resistencia. Si el avión gira demasiado durante el despegue a una velocidad demasiado baja, la mayor resistencia puede impedir que el avión despegue del suelo. Dos De Havilland Comet se salieron del final de la pista después de girar demasiado. [25] [26] Puede producirse una pérdida de control si una punta del ala entra en pérdida en el efecto suelo. Durante las pruebas de certificación del jet comercial Gulfstream G650, el avión de prueba giró a un ángulo más allá del ángulo de pérdida previsto por el IGE. La rotación excesiva provocó que una punta del ala entrara en pérdida y un giro no controlado, que sobrepasó los controles laterales, lo que provocó la pérdida del avión. [27] [28]
Se han diseñado algunos vehículos para explorar las ventajas de rendimiento que ofrece volar en condiciones de 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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