Руководство пилота по аэронавтике » Глава 4. Аэродинамика полета » Экранный эффект

Экранный эффект

Ground Effect

Существует возможность выполнить полет в непосредственной близости к земле (или воде) на скорости несколько меньшей чем необходима для осуществления горизонтального полета на высоте. Этот феномен больше известен теоретически, чем практически даже некоторыми опытными пилотами.

Когда самолет летит в пределах нескольких футов над поверхностью земли или воды, происходит изменение в трехмерной модели обтекания потока воздуха вокруг самолета, так как вертикальный компонент потока вокруг крыла ограничен поверхностью земли или воды. Изменяется перемещение масс воздуха над и под крылом, изменения претерпевают и вихри законцовок. [Рисунок 4-13] Экранный эффект возникает из-за наличия дополнительной поверхности (земли или воды) в модели обычного обтекания воздушным потока крыла самолета в полете.

Рисунок 4-13. Экранный эффект изменяет поток воздуха.

В то время как аэродинамические особенности поверхностей хвоста и фюзеляжа также изменяются под влиянием экранного эффекта, основное изменение наблюдается в аэродинамических свойствах крыла. Если крыло находится в непосредственной близости к земле и при должно сохранить первоначальную подъемную силу, то следовательно должны уменьшатся восходящие и нисходящие потоки воздуха, а также вихри законцовок крыла.

Индуктивное сопротивление это результат работы аэродинамической поверхности по поддержанию самолета, и крыло или ротор создают подъемную тягу просто за счет ускорения массы воздуха вниз. Конечно снижение давления над крылом важно для подъема самолета, но это только одна из вещей, способствующих отталкиванию массы воздуха вниз. Чем больше масса воздуха перемещаемая вниз, тем тяжелее крылу толкать эту массу воздуха. Под высокими углами атаки величина индуктивного сопротивления высока, а так как большие углы атаки соответствует низким скоростям полета, можно сказать, что индуктивное сопротивление преобладает на низкой скорости.

Однако, сокращение вихрей законцовки крыла из-за экранного эффекта изменяет распределение подъемной силы по размаху крыла, что уменьшает требуемый угол атаки и индуктивное сопротивление. Поэтому, крылу требуется меньший угол атаки при влиянии экранного эффекта, чтобы создать ту же подъемную силу. В случае, если угол атаки останется постоянным, а не уменьшатся, то подъемная сила увеличится. [Рисунок 4-14]

Экранный эффект также изменяет количество подъемной силы требуемое при определенной скорости полета. Так как индуктивное сопротивление преобладает на низких скоростях, сокращение индуктивного сопротивления из-за близости земли вызовет значительное снижение требуемой подъемной силы (значительно снизится индуктивное и паразитное сопротивление) при низких скоростях.

Сокращение индуктивного потока (потока, вызывающего индуктивное сопротивление) из-за экранного эффекта вызывает существенное снижение индуктивного сопротивления, но не оказывает прямого влияния на паразитное. В результате сокращения индуктивного сопротивления снизится и величина требуемой силы тяги, необходимой при полете на низких скоростях. Из-за изменении в прохождении верхнего и нижнего потока воздуха а также вихрей законцовок связанного с экранный эффектом, возможны ошибки в показаниях приборов измерения скорости полета. В большинстве случаев экранный эффект вызовет увеличение давления в приемнике давления, что приведет к заниженнвм показаниям скорости полета и высоты. Таким образом самолет может взлетать со скоростью меньшей (по показаниям приборов), чем действительно необходима.

Чтобы влияние экранного эффекта было существенно, крыло должно находиться в непосредственной близости к земле. Один из непосредственных результатов влияния экранного эффекта — изменение индуктивного сопротивления в зависимости от высоты расположения крыла над землей при постоянном CL. Когда крыло находится на высоте, равной ее размаху, сокращение индуктивного сопротивления составит всего 1.4 процента. Однако, когда крыло находится на высоте, равной одной четверти ее размаха от поверхности земли, сокращение составит 23.5 процента, а на высоте, равной одной десятой размаха, сокращение индуктивного сопротивления составляет 47.6 процентов. Таким образом, большое сокращение индуктивного сопротивления будет иметь место только, когда крыло будет непосредственно у земли. Из-за этого экранный эффект наиболее заметен в момент отрыва при взлете или в момент касания ВПП при при посадке.

Во время взлета влияние экранного эффекта создает важные соотношения. Влияние экранного эффекта на самолет при взлете противоположно влиянию этого же эффекта при посадке. При взлете:

  • Необходим меньший угол атаки для поддержания того же CL.
  • Экспериментально почувствуйте увеличение сопротивления и необходимой тяги.
  • Экспериментально почувствуйте снижение стабильности самолета и изменение кабрирующего момента.
  • Экспериментально почувствуйте снижение статического давления и увеличение показателей скорости самолета.

Экранный эффект необходимо принимать во внимание во время взлета и посадки. Например, если пилот не понимает влияния экранного эффекта во время взлета, возможно возникновение опасной ситуации, т.к. рекомендуемая скорость взлета может не быть достигнута. Из-за сниженного лобового сопротивления под действием эффекта земли, может казаться, что самолет готов ко взлету, но в реальности он будет иметь скорость значительно ниже рекомендуемой. Когда самолет начинает подъем с недостатком скорости, увеличенное лобовое сопротивление может привести к ухудшению характеристики начального этапа набора высоты. В экстремальных условиях, таких как большой полный вес самолета, большая высота по плотности, и высокая температура или недостаток скорости во время взлета может привести к тому, что самолет не будет способен поддержать полет сразу после взлета. В этом случае самолет только оторвавшись от взлетно-посадочной полосы может снова осесть на нее.

Рисунок 4-14. Экранный эффект изменяет силу сопротивления и подъемную силу.

Пилот не должен производить взлет с недостаточной скоростью. Рекомендуемая изготовителем самолета скорость взлета необходима, чтобы обеспечить соответствующее начальное выполнение начального этапа набора высоты. Не менее важно, чтобы был достигнут установленный режим набора высоты прежде чем будут убраны шасси или закрылки. Никогда не убирайте посадочные шасси или закрылки до установления положительного темпа подъема, а убирайте только после достижения безопасной высоты.

Если во время фазы приземления самолет попадет под влияние экранного эффекта без изменения атаки, то он будет испытывать увеличение подъемной силы, что приведет к необходимости снижения тяги, и может возникнуть эффект «плавания» самолета. Из-за сниженного лобового сопротивления и замедления ,вызванного уменьшением тяги, при экранном эффекте любая излишняя скорость в точке выравнивания может поглотить значительную часть дистанции выравнивания. Как только самолет приближается к касанию, экранный эффект становится все более заметным (особенно на высоте меньшей чем размах крыла). Во время финального этапа захода на посадку, так как самолет наиболее близок к земле необходимо уменьшить тягу что позволит самолету подняться выше желаемой глиссады.

It is possible to fly an aircraft just clear of the ground (or water) at a slightly slower airspeed than that required to sustain level flight at higher altitudes. This is the result of a phenomenon better known of than understood even by some experienced pilots.

When an aircraft in flight comes within several feet of the surface, ground or water, a change occurs in the three- dimensional flow pattern around the aircraft because the vertical component of the airflow around the wing is restricted by the surface. This alters the wing’s upwash, downwash, and wingtip vortices. [Figure 4-13] Ground effect, then, is due to the interference of the ground (or water) surface with the airflow patterns about the aircraft in flight.

Figure 4-13. Ground effect changes airflow.

While the aerodynamic characteristics of the tail surfaces and the fuselage are altered by ground effect, the principal effects due to proximity of the ground are the changes in the aerodynamic characteristics of the wing. As the wing encounters ground effect and is maintained at a constant lift coefficient, there is consequent reduction in the upwash, downwash, and wingtip vortices.

Induced drag is a result of the airfoil’s work of sustaining the aircraft, and a wing or rotor lifts the aircraft simply by accelerating a mass of air downward. It is true that reduced pressure on top of an airfoil is essential to lift, but that is only one of the things contributing to the overall effect of pushing an air mass downward. The more downwash there is, the harder the wing pushes the mass of air down. At high angles of attack, the amount of induced drag is high; since this corresponds to lower airspeeds in actual flight, it can be said that induced drag predominates at low speed.

However, the reduction of the wingtip vortices due to ground effect alters the spanwise lift distribution and reduces the induced AOA and induced drag. Therefore, the wing will require a lower AOA in ground effect to produce the same CL. If a constant AOA is maintained, an increase in CL results. [Figure 4-14]

Ground effect also alters the thrust required versus velocity. Since induced drag predominates at low speeds, the reduction of induced drag due to ground effect will cause the most significant reduction of thrust required (parasite plus induced drag) at low speeds.

The reduction in induced flow due to ground effect causes a significant reduction in induced drag but causes no direct effect on parasite drag. As a result of the reduction in induced drag, the thrust required at low speeds will be reduced. Due to the change in upwash, downwash, and wingtip vortices, there may be a change in position (installation) error of the airspeed system, associated with ground effect. In the majority of cases, ground effect will cause an increase in the local pressure at the static source and produce a lower indication of airspeed and altitude. Thus, an aircraft may be airborne at an indicated airspeed less than that normally required.

In order for ground effect to be of significant magnitude, the wing must be quite close to the ground. One of the direct results of ground effect is the variation of induced drag with wing height above the ground at a constant CL. When the wing is at a height equal to its span, the reduction in induced drag is only 1.4 percent. However, when the wing is at a height equal to one-fourth its span, the reduction in induced drag is 23.5 percent and, when the wing is at a height equal to one-tenth its span, the reduction in induced drag is 47.6 percent. Thus, a large reduction in induced drag will take place only when the wing is very close to the ground. Because of this variation, ground effect is most usually recognized during the liftoff for takeoff or just prior to touchdown when landing.

During the takeoff phase of flight, ground effect produces some important relationships. An aircraft leaving ground effect after takeoff encounters just the reverse of an aircraft entering ground effect during landing; i.e., the aircraft leaving ground effect will:

  • Require an increase in AOA to maintain the same CL.
  • Experience an increase in induced drag and thrust required.
  • Experience a decrease in stability and a nose-up change in moment.
  • Experience a reduction in static source pressure and increase in indicated airspeed.

Ground effect must be considered during takeoffs and landings. For example, if a pilot fails to understand the relationship between the aircraft and ground effect during takeoff, a hazardous situation is possible because the recommended takeoff speed may not be achieved. Due to the reduced drag in ground effect, the aircraft may seem capable of takeoff well below the recommended speed. As the aircraft rises out of ground effect with a deficiency of speed, the greater induced drag may result in marginal initial climb performance. In extreme conditions, such as high gross weight, high density altitude, and high temperature, a deficiency of airspeed during takeoff may permit the aircraft to become airborne but be incapable of sustaining flight out of ground effect. In this case, the aircraft may become airborne initially with a deficiency of speed, and then settle back to the runway.

Figure 4-14. Ground effect changes drag and lift.

A pilot should not attempt to force an aircraft to become airborne with a deficiency of speed. The manufacturer’s recommended takeoff speed is necessary to provide adequate initial climb performance. It is also important that a definite climb be established before a pilot retracts the landing gear or flaps. Never retract the landing gear or flaps prior to establishing a positive rate of climb, and only after achieving a safe altitude.

If, during the landing phase of flight, the aircraft is brought into ground effect with a constant AOA, the aircraft experiences an increase in CL and a reduction in the thrust required, and a “floating” effect may occur. Because of the reduced drag and power-off deceleration in ground effect, any excess speed at the point of flare may incur a considerable “float” distance. As the aircraft nears the point of touchdown, ground effect is most realized at altitudes less than the wingspan. During the final phases of the approach as the aircraft nears the ground, a reduced power setting is necessary or the reduced thrust required would allow the aircraft to climb above the desired glidepath (GP).


Система Orphus