stringtranslate.com

Эффект земли (аэродинамика)

Для самолетов с фиксированным крылом эффект земли — это уменьшенное аэродинамическое сопротивление , которое создают крылья самолета , когда они находятся близко к неподвижной поверхности. [1] Во время взлета эффект земли может привести к тому, что самолет будет «плавать» при скорости набора высоты ниже рекомендуемой . Затем пилот может лететь чуть выше взлетно-посадочной полосы, пока самолет разгоняется за счет эффекта земли, пока не будет достигнута безопасная скорость набора высоты . [2]

Для винтокрылых машин эффект земли приводит к меньшему сопротивлению ротора во время зависания близко к земле. При больших весах это иногда позволяет винтокрылым машинам отрываться от земли, находясь в состоянии покоя в эффекте земли, но не позволяет им перейти в полет вне эффекта земли. Пилотам вертолетов предоставляются графики производительности, которые показывают ограничения для зависания их вертолета в эффекте земли (IGE) и вне эффекта земли (OGE). Графики показывают дополнительное преимущество подъемной силы, создаваемое эффектом земли. [3]

Для самолетов вертикального взлета и посадки (VTOL) с вентиляторным и реактивным двигателем эффект земли при зависании может привести к засасыванию и фонтанной подъемной силе на планере, а также к потере тяги при зависании, если двигатель засасывает собственные выхлопные газы, что известно как засасывание горячего газа (HGI). [4] [5]

Пояснения

Самолеты с фиксированным крылом

Когда самолет летит на высоте, приблизительно равной половине длины размаха крыльев самолета, над землей или водой, часто возникает заметный эффект земли. Результатом является снижение индуцированного сопротивления самолета. Это вызвано в первую очередь тем, что земля или вода препятствуют созданию вихрей на концах крыльев и прерывают нисходящий поток позади крыла. [6] [7]

Крыло создает подъемную силу, отклоняя набегающую воздушную массу (относительный ветер) вниз. [8] Отклоненный или «повернутый» поток воздуха создает результирующую силу на крыле в противоположном направлении (третий закон Ньютона). Результирующая сила определяется как подъемная сила. Полет близко к поверхности увеличивает давление воздуха на нижнюю поверхность крыла, называемое эффектом «тарана» или «подушки», и тем самым улучшает отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению самолета. Чем ниже/ближе крыло к земле, тем более выраженным становится эффект земли. В то время как при эффекте земли крылу требуется меньший угол атаки для создания той же подъемной силы. В испытаниях в аэродинамической трубе, в которых угол атаки и скорость воздуха остаются постоянными, происходит увеличение коэффициента подъемной силы, [9] что объясняет эффект «плавания». Эффект земли также изменяет тягу в зависимости от скорости, где уменьшенное индуцированное сопротивление требует меньшей тяги для поддержания той же скорости. [9]

Низкопланетные самолеты больше подвержены влиянию влияния земли, чем высокопланетные самолеты. [10] Из-за изменения восходящего и нисходящего потоков, а также вихрей на концах крыльев могут возникнуть ошибки в системе воздушной скорости при влиянии земли из-за изменений местного давления в статическом источнике . [9]

Винтокрыл

Когда зависший ротор находится вблизи земли, нисходящий поток воздуха через ротор уменьшается до нуля у земли. Это состояние передается вверх к диску через изменения давления в следе, что уменьшает приток к ротору для заданной нагрузки на диск, которая является тягой ротора на каждый квадратный фут его площади. Это дает увеличение тяги для определенного угла наклона лопасти, или, в качестве альтернативы, мощность, необходимая для тяги, уменьшается. Для перегруженного вертолета, который может зависать только IGE, может быть возможным подняться над землей, перейдя сначала в прямой полет, находясь в эффекте земли. [11] Преимущество эффекта земли быстро исчезает со скоростью, но индуцированная мощность также быстро уменьшается, обеспечивая безопасный подъем. [12] Некоторые ранние вертолеты с недостаточной мощностью могли зависать только близко к земле. [13] Эффект земли максимален над твердой, гладкой поверхностью. [14]

самолет вертикального взлета и посадки

Существуют два эффекта, присущие самолетам вертикального взлета и посадки, работающим на нулевой и низкой скорости в условиях эффекта земли, всасывание и фонтанный подъем. Третий эффект, всасывание горячего газа, может также применяться к самолетам с фиксированным крылом на земле в ветреную погоду или во время работы реверсора тяги. Насколько хорошо, с точки зрения поднятого веса, самолет вертикального взлета и посадки зависает в воздухе, зависит от всасывания на планере, фонтанного удара о нижнюю часть фюзеляжа и HGI в двигателе, вызывающего повышение температуры на входе (ITR). Всасывание работает против подъемной силы двигателя как направленная вниз сила на планере. Фонтанный поток работает с подъемными струями двигателя как направленная вверх сила. Серьезность проблемы HGI становится ясной, когда уровень ITR преобразуется в потерю тяги двигателя, три-четыре процента на повышение температуры на входе на 12,222 °C. [15] [16]

Отсос является результатом захвата воздуха вокруг самолета подъемными струями при зависании. Это также происходит в свободном воздухе (OGE), вызывая потерю подъемной силы за счет снижения давления на нижней стороне фюзеляжа и крыльев. Усиленный захват происходит, когда самолет находится близко к земле, давая большую потерю подъемной силы. Фонтанная подъемная сила возникает, когда у самолета есть две или более подъемных струй. Струи ударяются о землю и распространяются. Там, где они встречаются под фюзеляжем, они смешиваются и могут двигаться только вверх, ударяясь о нижнюю сторону фюзеляжа. [17] Насколько хорошо их восходящий импульс отклоняется вбок или вниз, определяет подъемную силу. Фонтанный поток следует за изогнутой нижней частью фюзеляжа и сохраняет некоторый импульс в направлении вверх, поэтому захватывается неполная фонтанная подъемная сила, если не установлены устройства для улучшения подъемной силы. [18] HGI снижает тягу двигателя, поскольку воздух, поступающий в двигатель, более горячий и менее плотный, чем холодный воздух.

Ранние экспериментальные самолеты вертикального взлета и посадки работали с открытыми решетками, которые отводили выхлопные газы двигателя и предотвращали потерю тяги из-за HGI.

Bell X-14 , построенный для исследования ранней технологии вертикального взлета и посадки, не мог зависать до тех пор, пока не были уменьшены эффекты всасывания путем подъема самолета с более длинными стойками шасси. [19] Он также должен был работать с приподнятой платформы из перфорированной стали, чтобы уменьшить HGI. [20] Исследовательский самолет вертикального взлета и посадки Dassault Mirage IIIV работал только вертикально с помощью сетки, которая позволяла отводить выхлопные газы двигателя от самолета, чтобы избежать эффектов всасывания и HGI. [21]

Подфюзеляжные полосы , задним числом установленные на P.1127, улучшили поток и увеличили давление под днищем при зависании на малой высоте. Пушечные гондолы, установленные в том же положении на серийных Harrier GR.1/GR.3 и AV-8A Harrier, сделали то же самое. Дальнейшие устройства для улучшения подъемной силы (LIDS) были разработаны для AV-8B и Harrier II. Чтобы закрыть область днища, где фонтаны, увеличивающие подъемную силу, ударяют по самолету, были добавлены полосы к нижней части пушечных гондол, а шарнирная перемычка могла быть опущена, чтобы заблокировать зазор между передними концами полос. Это дало прирост подъемной силы в 1200 фунтов. [22]

Внутренние створки отсека вооружения Lockheed Martin F-35 Lightning II на F-35B открываются, чтобы захватить фонтанирующий поток, создаваемый подъемными соплами двигателя и вентилятора, а также противовсасывающим IGE.

Срыв потока на крыле из-за эффекта земли

Угол атаки сваливания меньше в условиях влияния земли, примерно на 2–4 градуса, чем в свободном воздухе. [23] [24] Когда поток отделяется, сопротивление значительно увеличивается. Если самолет переворачивается при взлете на слишком низкой скорости, увеличенное сопротивление может помешать самолету оторваться от земли. Два самолета de Havilland Comet выкатились за пределы взлетно-посадочной полосы после переворота. [25] [26] Потеря управления может произойти, если один конец крыла свалится в условиях влияния земли. Во время сертификационных испытаний бизнес-джета Gulfstream G650 испытательный самолет повернулся на угол, превышающий прогнозируемый угол сваливания IGE. Переворот привел к сваливанию одного конца крыла и неуправляемому крену, который пересилил боковые органы управления, что привело к потере самолета. [27] [28]

Экраноплан

Несколько транспортных средств были разработаны для исследования эксплуатационных преимуществ полета в условиях эффекта земли, в основном над водой. Эксплуатационные недостатки полета очень близко к поверхности препятствовали широкому применению. [29]

Смотрите также

Ссылки

Примечания

  1. ^ Глейм 1982, стр. 94.
  2. ↑ Доул 2000, стр. 70.
  3. ^ "Глава 7 - Характеристики вертолета" (PDF) . Справочник по полетам вертолетов. Федеральное управление гражданской авиации. 2020.
  4. ^ Реймер, Дэниел П. (1992). Aircraft Design: A Conceptual Approach (PDF) (2-е изд.). Американский институт аэронавтики и астронавтики, Inc. ISBN 0-930403-51-7. Архивировано из оригинала (PDF) 2019-07-04 . Получено 2019-12-26 .Раздел 20.6
  5. ^ Саид, Б.; Граттон, ГБ (2010). «Оценка исторических проблем, связанных с достижением возможности вертикального взлета и посадки без вертолета и поиском летающего автомобиля» (PDF) (февраль): 94. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  6. ^ Аэродинамика для морских летчиков. РАМЕШ ТААЛ, ХОСУР, Виктория. Австралия: Центр теории авиации, 2005.
  7. ↑ Энциклопедия авиационных знаний для пилотов 2007, стр. 3-7, 3-8.
  8. ^ "Lift from Flow Turning". NASA Glenn Research Center. Получено 7 июля 2009 г.
  9. ^ abc Dole 2000, стр. 3–8.
  10. ^ Теория полета и аэродинамика, стр. 70
  11. ^ СПРАВОЧНИКИ, ОПЕРАТИВНАЯ ГОТОВНОСТЬ, ПРОФИЛИ МИССИЙ, ХАРАКТЕРИСТИКИ (ИНЖЕНЕРИЯ), ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, АЭРОДИНАМИКА, СТРОИТЕЛЬНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, Центр технической информации Министерства обороны (1974)
  12. ^ "Аэродинамика винтокрылых аппаратов". ABBOTTAEROSPACE.COM . 12 апреля 2016 г. стр. 2–6.
  13. ^ Основы аэродинамики вертолета, Дж. Седдон 1990, ISBN 0 632 02032 6 , стр.21 
  14. ^ Rotor raft Flying Handbook (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации. 2000. С. 3–4. Архивировано из оригинала (PDF) 27.12.2016 . Получено 03.11.2021 .
  15. ^ Холл, Гордон Р. (1971). МОДЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ КОНЦЕПЦИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ПОДАЧИ ГОРЯЧЕГО ГАЗА В ДВИГАТЕЛИ VTOL (NASA CR-1863) (PDF) (Отчет). Nasa. стр. 4.
  16. ^ Кришнамурти, В. (1971). АНАЛИЗ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ, ОТНОСЯЩИХСЯ К ХАРАКТЕРИСТИКАМ ВПУСКА ГОРЯЧЕГО ГАЗА РЕАКТИВНЫМ САМОЛЕТОМ VTOL (PDF) (Отчет). NASA. стр. 8.
  17. ↑ Реймер 1992, стр. 551, 552.
  18. ^ Митчелл, Керри (1987). Труды семинара по наземным эффектам исследовательского центра Эймса НАСА 1985 года (публикация конференции НАСА 2462). НАСА. стр. 4.[ мертвая ссылка ]
  19. ^ X-Planes, Джей Миллер, 1988, ISBN 0 517 56749 0 , стр.108 
  20. ^ Амиль, Фредерик Дональд (1979). «Применение систем с силовой установкой для проектирования самолетов короткого взлета и посадки». стр. 14. S2CID  107781224. {{cite web}}: Отсутствует или пусто |url=( помощь )
  21. ^ Уильямс, Р. С. (1985). Дополнение к отчету AGARD № 710, Специальный курс по аэродинамике вертикального взлета и посадки, оценка европейских реактивных самолетов. Отчет AGARD; № 710, дополнение. стр. 4. ISBN 9789283514893. {{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )
  22. ^ Harrier Modern Combat Aircraft 13, Билл Ганстон, 1981, ISBN 0 7110 1071 4 , стр. 23,43,101 
  23. ^ "Джон О'Каллаган из NTSB, национальный специалист по летно-техническим характеристикам самолетов, отметил, что все самолеты сваливаются примерно на 2–4 градуса ниже AOA [угла атаки] с колесами на земле". (из отчета NTSB об аварии, касающейся потери реактивного самолета бизнес-класса со стреловидным крылом в апреле 2011 г.) Тонкие границы при взлете в зимних условиях AWST, 24 декабря 2018 г.
  24. ^ Рантер, Харро. "ASN Авиакатастрофа de Havilland DH-106 Comet 1A CF-CUN Karachi-Mauripur RAF Station". Aviation-safety.net .
  25. ^ Аэродинамический дизайн транспортных самолетов, Эд Оберт 2009, ISBN 978 1 58603 970 7 , стр. 603–606 
  26. ↑ Сотрудники (25 октября 2019 г.). «Повторение: Ночь кометы | Flight Safety Australia».
  27. ^ «Катастрофа во время экспериментального испытательного полета Gulfstream Aerospace Corporation GVI (G650), N652GD Розуэлл, Нью-Мексико 2 апреля 2011 г.» (PDF) . www.ntsb.gov .
  28. ^ Из отчета об аварии NTSB: В отчетах об летных испытаниях отмечено, что «срыв после сваливания происходит резко и приводит к насыщению мощности поперечного управления». Катастрофический неустранимый крен самолета в катастрофе в Розуэлле был отчасти обусловлен отсутствием предупреждения перед сваливанием из-за влияния земли.
  29. ^ Понимание аэродинамики - Аргументируя с позиций реальной физики, Дуг Маклин 2013, ISBN 978 1 119 96751 4 , стр.401 

Библиография

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Влияние земли» .