Как наземный эффект изменяет подъем и перетаскивание во время взлета и посадки

Аэродинамический механизм наземного эффекта

Наземный эффект - предсказуемая аэродинамическая реакция, которая возникает, когда самолет работает в пределах примерно одного размаха крыльев земли. Твердая поверхность физически ограничивает трехмерный воздушный поток вокруг крыла, прежде всего вихри заднего крыла. В свободном воздухе крыло производит подъем, создавая дифференциал давления - более высокое давление ниже, ниже выше. Этот дифференциал приводит к потоку заднего хода, который катится в зацепляющие вихри на кончиках крыла, что вызывает нисходящую вихрь, который уменьшает эффективный угол атаки и генерирует индуцированное сопротивление. Когда земля находится рядом, поверхность мешает развитию вихря, сужая их диаметр и уменьшая их энергию вращения. Угол нисходящей вентиляции уменьшается, местный угол атаки эффективно увеличивается, а индуцированный коэффициент сопротивления резко падает. Крыло ведет себя так, как будто оно имеет более высокое соотношение сторон, производя больше подъема для меньшего сопротивления.

Эффект наиболее сильный в пределах высоты, равной одной четверти размаха крыльев, и сужается примерно на один размах крыльев. Для 36-футового размаха крыльев самолета общей авиации наиболее критические изменения происходят ниже 9 футов; для Boeing 737 с размахом 117 футов эффект земли начинается около 30 футов и является самым сильным ниже 10 футов. Эта зависимость высоты является причиной того, что большие струи требуют иной техники вспышки, чем легкие самолеты. Эффект мгновенный и обратимый: как только самолет поднимается выше одного размаха крыльев, вихри полностью переформируются и индуцированное сопротивление возвращается к своему свободному воздушному значению.

Как эффект грунта снижает индуцированный драг

Индуцированное сопротивление является доминирующим источником сопротивления на низких скоростях, таких как во время взлета и посадки. Наземный эффект подавляет вихревую систему, уменьшая индуцированное сопротивление на 40-50% при высоте 10 процентов размаха крыльев, согласно исследованиям NASA Glenn Research Center. Это сокращение имеет несколько эксплуатационных последствий:

• Ускорение и взлет:] Более низкое общее сопротивление позволяет самолету быстрее ускоряться во время взлетного крена, достигая скорости вращения на более коротком расстоянии. После воздушного эффекта дополнительный подъем и более низкое сопротивление позволяют самолету подниматься или ускоряться с меньшей мощностью, что выгодно для коротких или мягких взлетно-посадочных полос.
• Плавающий при посадке:] Без обычного индуцированного сопротивления, истекающего кровью от скорости воздуха, самолет, входящий в наземный эффект во время вспышки, имеет тенденцию плавать на значительных расстояниях, прежде чем приземлиться. Cessna 172, несущий дополнительные 5 узлов на конечной точке, может плавать на 500 футов или более.
• Измененное поведение ларька:] Угол атаки ларька может слегка смещаться в эффекте земли; некоторые крылья останавливаются под чуть меньшим углом из-за изменившегося потока вниз-вниз и по шпанге.Опираясь исключительно на предупреждающий рог ларька свободного воздуха может привести к неожиданному падению крыла на небольшой высоте.
• Изменения в поперечнике: Модифицированная нисходящая промывка влияет на эффективность хвоста. Некоторые самолеты испытывают момент скачка вниз носом, входящий в эффект земли, в то время как другие нос вверх. Пилоты должны быть готовы компенсировать, особенно во время вспышки.

Эффект грунта во время взлета

От взлета на носовых колесах самолет работает в наземном эффекте. Вращение на правильной скорости использует усиленный подъем, чтобы плавно сломать землю. Во многих легких самолетах рекомендуемые скорость вращения и начальная скорость подъема предполагают короткое ускорение в наземном эффекте перед взлетом. Общей техникой является взлет на мягком поле: взлет на минимально возможной скорости и удерживание самолета чуть выше взлетно-посадочной полосы в наземном эффекте, в то время как скорость полета строит к Vy. Это использует уменьшенное сопротивление для ускорения и избыточный подъем, чтобы предотвратить оседание. Только когда достигается достаточная скорость, пилот переходит к нормальному подъему и оставляет наземный эффект.

Пилоты должны избегать «захвата за кривую мощности». Вращение слишком рано при чрезмерно высоком угле атаки может привести к тому, что сопротивление от высокого подъема (даже уменьшенного) превысит тягу, что приводит к состоянию смывки. Если это происходит, слегка подтолкните нос вперед, чтобы оставаться в эффекте земли и набирать скорость воздуха. Еще одна распространенная ошибка - слишком рано убирать закрылки; закрылки изменяют эффективную аккордную и наземную область крыла. Преждевременное убирание может вызвать внезапную потерю подъема и жесткое оседание.

Оригинальное название: Exiting Ground Effect: The Sinking Sensation

Эффект ухода с земли вызывает заметное «погружение». По мере того, как самолет поднимается выше одного размаха крыльев, вихри снова формируются, смывка усиливается и индуцируется всплески сопротивления. Для данной настройки мощности скорость подъема может остановиться или даже уменьшиться на мгновение. Пилоты должны предвидеть это и регулировать высоту или мощность. В многомоторном самолете отказ двигателя во время этого перехода может быть критическим - увеличение сопротивления может значительно ухудшить производительность подъема. Стандартные показатели эффективности подъема рассчитываются для условий свободного воздуха; начальный сегмент эффекта наземного перехода является переходным и не отражает истинную способность подъема.

Эффект земли при посадке

Вспышка посадки - это то, где эффект приземления наиболее ощутимо влияет на управляемость. По мере того, как самолет опускается в эффект земли, индуцированное сопротивление падает, а кривая подъема кружит, создавая выраженный поплавок. Несколько узлов избыточной скорости подхода могут пронести самолет мимо предполагаемой зоны приземления, рискуя обойти или перенаправить. На входы управления поперечным вихрем также можно повлиять, потому что снижение силы вихря снижает эффективность элерона. В больших транспортных самолетах с очень длинным размахом крыльев - таких как Boeing 777 с размахом почти 200 футов - эффект земли начинается примерно с 50 футов, требуя другой техники вспышки от легких самолетов. Многие авиакомпании используют специальные вызывки: запуск вспышки на 30 футов и постепенно уменьшают скорость спуска.

Воздушные шары, порпоинг и отскочившие посадки

Плохое управление наземным эффектом часто приводит к воздушным шарам (слишком агрессивный вход в высоту, вызывающий временный подъем) или порпозу (скакивание из-за чередующихся входов в высоту). Правильный ответ заключается в поддержании положения на высоте, позволяя скорости рассеиваться или ходить. В операциях на гидросамолете воздушный шар над водой может быть особенно проблематичным из-за неровных поверхностей и меньшего количества визуальных ссылок. Другим явлением является «отскок эффекта земли», где самолет проскакивает обратно в воздух, потому что подушка подъема настолько сильна. Средство заключается в том, чтобы мягко опустить нос, чтобы сломать подушку и восстановить положительный контакт с взлетно-посадочной полосой.

Распространенные заблуждения о наземном эффекте

• «Это воздушная подушка, как летательный аппарат».] Хотя часто описывается как подушка, доминирующим механизмом является подавление вихрей и уменьшение потоотделения, а не сжатый воздух.
• «Эффект выхода из земли всегда вызывает остановку».] Самолет испытывает увеличение сопротивления, а не остановку, если только пилот не неправильно управляет шагом.
• «Вы всегда должны вылезать как можно быстрее».] На коротких полосах с ограниченными препятствиями, пребывание в наземном эффекте для ускорения до Vx или Vy может фактически сократить расстояние разрешения препятствий.
• «Пострадают только небольшие самолеты».] Большие самолеты с большими пролетами испытывают значительный эффект наземного воздействия — пилоты Boeing 747 управляют рисками плавания и удара хвостом, начиная с высоты более 50 футов.
• «Наземный эффект одинаков по всем поверхностям». Грубые или пористые поверхности (высокая трава) могут немного уменьшить эффект, но для практического полета различия незначительны.

Лучшие практики для пилотов

взлет

• Вращайте на рекомендованной производителем скорости и допускайте ускорение эффекта грунта перед установлением положительного подъема. Убирайте закрылки по графику.
• На мягких полях взлетайте с минимальной скоростью и удерживайте на земле эффект до достижения безопасной скорости подъема. Используйте неглубокий подъем для плавного перехода.
• На высоте высокой плотности, ожидайте более длинный сегмент ускорения эффекта земли и выраженный поглотитель при выходе из подушки.

Посадка

• Летайте стабилизированным подходом с правильной скоростью цели (1,3 Всо плюс порывистость). Дополнительные узлы значительно увеличивают поплавок.
• Инициировать вспышку на соответствующей высоте (10-15 футов для легких самолетов) и уменьшить высоту по мере снижения скорости. Не ждите, пока подушка уложит самолет.
• В порывистых или поперечных условиях добавьте небольшой запас хода, но планируйте выводить самолет на взлетно-посадочную полосу с минимальным поплавком. Поддерживайте коррекцию поперечного ветра, несмотря на снижение эффективности элерона.
• Если происходит отскоок или воздушный шар, сохраняйте наклон или обходите вокруг. Избегайте выталкивания самолета на землю.

Расширенные аспекты: тяжелые самолеты и многомоторные операции

В тяжелых турбовентиляторных самолетах индуцированное уменьшение сопротивления менее драматично в процентном выражении, но абсолютное изменение сопротивления все еще влияет на производительность посадки. Предотвращение удара хвостом является основным фокусом: подушка с эффектом удара может вызвать длительный поплавок, требующий точного уменьшения шага, чтобы мягко осесть на основной передаче. В многомоторных самолетах взлетный подъем разделен на сегменты: первый (эффект земли до 35 футов) выигрывает от снижения сопротивления; второй (35 до 400 футов) видит повышенное сопротивление. Пилоты должны знать нижний градиент подъема в эффекте земли и более высокий требуемый градиент после очистки, поскольку зазор препятствия оценивается для второго сегмента.

Для дальнейшего чтения в Справочнике пилота FLT:0 FAA по авиационным знаниям (глава 5) содержится основополагающий текст. SKYbrary собирает отчеты об эксплуатационной безопасности в случаях, связанных с наземными последствиями. AOPA Институт авиационной безопасности предлагает учебные ресурсы по управлению наземными последствиями для пилотов общей авиации.