Bodeneffekt (Aerodynamik) - Ground effect (aerodynamics)

Für Starrflügler , Bodeneffekt ist der reduzierte Luftwiderstand , dass ein Flugzeugflügel erzeugen , wenn sie auf eine feste Oberfläche nahe sind. Ein verringerter Luftwiderstand im Bodeneffekt während des Starts kann dazu führen, dass das Flugzeug unter der empfohlenen Steiggeschwindigkeit "schwebt" . Der Pilot kann dann knapp über der Landebahn fliegen, während das Flugzeug im Bodeneffekt beschleunigt, bis eine sichere Steiggeschwindigkeit erreicht ist.

Bei Drehflüglern führt der Bodeneffekt zu einem geringeren Widerstand des Rotors beim Schweben in Bodennähe. Bei hohen Gewichten ermöglicht dies manchmal, dass der Drehflügler im Stillstand im Bodeneffekt abhebt, aber nicht in den Flug außerhalb des Bodeneffekts übergeht. Hubschrauberpiloten erhalten Leistungsdiagramme, die die Einschränkungen für das Schweben ihres Hubschraubers im Bodeneffekt (IGE) und außerhalb des Bodeneffekts (OGE) zeigen. Die Diagramme zeigen den zusätzlichen Auftriebsvorteil, der durch den Bodeneffekt erzeugt wird.

Bei ventilator- und düsengetriebenen VTOL- Flugzeugen kann der Bodeneffekt beim Schweben zu einem Sog- und Fontänenauftrieb an der Flugzeugzelle und zu einem Verlust des Schwebeschubs führen, wenn das Triebwerk sein eigenes Abgas ansaugt, was als Heißgasaufnahme (HGI) bekannt ist.

Erklärungen

Starrflügler

Wenn ein Flugzeug auf oder unter ungefähr der halben Flügelspannweite des Flugzeugs über dem Boden oder Wasser fliegt, tritt ein oft wahrnehmbarer Bodeneffekt auf. Das Ergebnis ist ein geringerer induzierter Widerstand am Flugzeug. Dies wird hauptsächlich dadurch verursacht, dass der Boden oder das Wasser die Bildung von Flügelspitzenwirbeln behindert und den Abwind hinter dem Flügel unterbricht .

Ein Flügel erzeugt Auftrieb, indem er die entgegenkommende Luftmasse (relativer Wind) nach unten ablenkt. Der abgelenkte oder "gedrehte" Luftstrom erzeugt eine resultierende Kraft auf den Flügel in die entgegengesetzte Richtung (3. Newtonsches Gesetz). Die resultierende Kraft wird als Auftrieb bezeichnet. Das Fliegen in der Nähe einer Oberfläche erhöht den Luftdruck auf der unteren Flügeloberfläche, der als "Ram"- oder "Kissen"-Effekt bezeichnet wird, und verbessert dadurch das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand. Je tiefer/näher der Flügel in Bezug auf den Boden ist, desto ausgeprägter wird der Bodeneffekt. Im Bodeneffekt benötigt der Flügel einen geringeren Anstellwinkel , um den gleichen Auftrieb zu erzeugen. Bei Windkanalversuchen, bei denen Anstellwinkel und Fluggeschwindigkeit konstant bleiben, kommt es zu einer Erhöhung des Auftriebsbeiwertes, die den "schwebenden" Effekt erklärt. Der Bodeneffekt ändert auch den Schub gegen die Geschwindigkeit, wobei ein reduzierter induzierter Widerstand weniger Schub erfordert, um die gleiche Geschwindigkeit beizubehalten.

Tiefdecker sind stärker vom Bodeneffekt betroffen als Hochdecker . Aufgrund der Änderung von Aufwind-, Abwind- und Flügelspitzenwirbeln kann es während des Bodeneffekts aufgrund von Änderungen des lokalen Drucks an der statischen Quelle zu Fehlern im Fluggeschwindigkeitssystem kommen .

Drehflügler

Wenn sich ein schwebender Rotor in Bodennähe befindet, wird der nach unten gerichtete Luftstrom durch den Rotor am Boden auf Null reduziert. Dieser Zustand wird durch Druckänderungen im Nachlauf auf die Scheibe übertragen, die den Zufluss zum Rotor für eine gegebene Scheibenbelastung, die der Rotorschub für jeden Quadratfuß seiner Fläche ist, verringert. Dies ergibt eine Schuberhöhung für einen bestimmten Blattanstellwinkel. Oder alternativ wird die für einen Schub benötigte Leistung reduziert. Bei einem überladenen Helikopter, der nur IGE schweben kann, kann es möglich sein, vom Boden weg zu steigen, indem man im Bodeneffekt zuerst in den Vorwärtsflug übergeht. Der Vorteil des Bodeneffekts verschwindet schnell mit der Geschwindigkeit, aber auch die induzierte Leistung nimmt schnell ab, um ein sicheres Steigen zu ermöglichen. Einige frühe Hubschrauber mit untermotorischer Leistung konnten nur nahe am Boden schweben. Der Bodeneffekt ist auf einer festen, glatten Oberfläche am höchsten.

VTOL-Flugzeuge

Es gibt zwei Effekte, die VTOL-Flugzeugen inhärent sind, die bei Null- und niedrigen Geschwindigkeiten IGE betrieben werden, das Saugen und das Springen. Eine dritte, HGI, kann auch für Starrflügler am Boden bei Wind oder während des Schubumkehrbetriebs gelten. Wie gut ein VTOL-Flugzeug in Bezug auf das angehobene Gewicht IGE schwebt, hängt von der Absaugung an der Flugzeugzelle, dem Fontänenaufprall an der Unterseite des Rumpfes und dem HGI in das Triebwerk ab. Der Suckdown wirkt dem Triebwerksauftrieb als eine nach unten gerichtete Kraft auf die Flugzeugzelle entgegen. Fontänenströmung wirkt mit den Triebwerksauftriebsdüsen als Auftriebskraft. HGI reduziert den vom Triebwerk erzeugten Schub.

Der Suckdown ist das Ergebnis des Mitreißens von Luft um das Flugzeug herum durch Auftriebsdüsen beim Schweben. Es tritt auch in freier Luft (OGE) auf, was zu einem Auftriebsverlust führt, indem der Druck auf die Unterseite des Rumpfes und der Flügel reduziert wird. Eine verstärkte Mitnahme tritt in Bodennähe auf, was zu einem höheren Auftriebsverlust führt. Fontänenauftrieb tritt auf, wenn ein Flugzeug über zwei oder mehr Auftriebsdüsen verfügt. Die Strahlen treffen auf den Boden und breiten sich aus. Dort, wo sie sich unter dem Rumpf treffen, vermischen sie sich und können sich nur nach oben bewegen, indem sie auf die Rumpfunterseite treffen. Wie gut ihr Aufwärtsimpuls seitlich oder nach unten abgelenkt wird, bestimmt den Auftrieb. Die Fontänenströmung folgt einem gekrümmten Rumpfunterboden und behält etwas Schwung in Aufwärtsrichtung, sodass weniger als der volle Fontänenauftrieb erfasst wird, es sei denn, Auftriebsverbesserungsvorrichtungen sind angebracht. HGI reduziert den Triebwerksschub, da die in das Triebwerk eintretende Luft heißer als die Umgebungsluft ist.

Frühe VTOL-Versuchsflugzeuge arbeiteten mit offenen Gittern, um die Triebwerksabgase abzuleiten und Schubverluste durch HGI zu verhindern.

Die Bell X-14 , die zur Erforschung der frühen VTOL-Technologie gebaut wurde, konnte nicht schweben, bis die Sogdown-Effekte durch Anheben des Flugzeugs mit längeren Fahrwerkbeinen reduziert wurden. Es musste auch von einer erhöhten Plattform aus perforiertem Stahl aus betrieben werden, um den HGI zu reduzieren. Das Forschungsflugzeug Dassault Mirage IIIV VTOL wurde immer nur vertikal von einem Gitter aus betrieben, das es ermöglichte, die Triebwerksabgase vom Flugzeug wegzuleiten, um Sog- und HGI-Effekte zu vermeiden.

Ventrale Strakes, die nachträglich am P.1127 angebracht wurden, verbesserten den Fluss und erhöhten Druck unter dem Bauch beim Schweben in niedriger Höhe. An der gleichen Position angebrachte Geschützkapseln bewirkten dasselbe. Für AV-8B und Harrier II wurden weitere Lift Improvement Devices (LIDS) entwickelt. Um im Bauchbereich, wo die auftriebssteigernden Fontänen auf das Flugzeug treffen, zu boxen, wurden an der Unterseite der Geschützkapseln Strakes angebracht, und ein klappbarer Damm konnte abgesenkt werden, um den Spalt zwischen den vorderen Enden der Strakes zu blockieren. Dies ergab einen Hubgewinn von 1200 lb.

Lockheed Martin F-35 Lightning II- Waffenschacht-Innentüren an der F-35B öffnen sich, um die Fontänenströmung zu erfassen, die von den Triebwerks- und Fan-Lift-Düsen und dem Gegensaugen-IGE erzeugt wird.

Flügelstall im Bodeneffekt

Der Anstellwinkel des Strömungsabrisses ist beim Bodeneffekt um ungefähr 2-4 Grad geringer als bei freier Luft. Wenn sich die Strömung trennt, steigt der Widerstand stark an. Wenn das Flugzeug beim Start mit zu niedriger Geschwindigkeit überdreht, kann der erhöhte Widerstand das Flugzeug daran hindern, den Boden zu verlassen. Zwei de Havilland Comets überrollten nach einer Überdrehung das Ende der Landebahn. Es kann zu einem Kontrollverlust kommen, wenn eine Flügelspitze im Bodeneffekt stagniert. Während der Zertifizierungsprüfung des Gulfstream G650 Business Jets drehte sich das Testflugzeug in einem Winkel jenseits des vorhergesagten IGE-Überziehwinkels. Die Überdrehung verursachte einen Strömungsabriss an einer Flügelspitze und ein unbefohlenes Rollen, das die seitlichen Kontrollen überwältigte, führte zum Verlust des Flugzeugs.

Bodeneffektfahrzeug

Einige Fahrzeuge wurden entwickelt, um die Leistungsvorteile des Fliegens im Bodeneffekt, hauptsächlich über Wasser, zu erforschen. Die betrieblichen Nachteile des Fliegens sehr nahe an der Oberfläche haben weit verbreitete Anwendungen verhindert.

Siehe auch

Verweise

Anmerkungen

Literaturverzeichnis

  • Dole, Charles Edward. Flugtheorie und Aerodynamik . Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2000. ISBN
  • Gleim, Irving. Flugmanöver des Piloten . Ottawa, Ontario, Kanada: Aviation Publications, 1982. ISBN 0-917539-00-1.
  • Pilot's Encyclopedia of Aeronautical Knowledge (Luftfahrtbundesamt). New York: Skyhorse Publishing, 2007. ISBN  1-60239-034-7 .

Externe Links