Efecto suelo (aerodinámica)

Cuando una aeronave vuela a una altura igual o inferior a aproximadamente la mitad de la longitud de su envergadura sobre el suelo, el efecto suelo suele ser perceptible. Esto se debe principalmente a que el suelo obstruye la creación de vórtices en las puntas de las alas , reduciendo el flujo descendente detrás del ala, así como el flujo ascendente delante de ella. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Cuanto más cerca del suelo esté el ala, más pronunciado será el efecto. En el efecto suelo, el ala requiere un ángulo de ataque menor para producir la misma cantidad de sustentación. En las pruebas en 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 , ^{[ 8 ]} lo que, combinado con la reducción de la resistencia, explica el efecto de "flotación". ^{[ 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 el flujo ascendente, el flujo descendente y los vórtices de la punta del ala, el sistema de velocidad aerodinámica puede presentar errores debido a cambios en la presión local en la fuente estática . ^{[ 8 ]}

Cuando un rotor en vuelo estacionario está cerca del suelo, el flujo de aire descendente a través del rotor cae a cero en el suelo. Esta condición se transfiere al disco a través de cambios de presión en la estela que disminuyen el flujo de entrada al rotor para una carga de disco dada (empuje del rotor por cada pie cuadrado de su área). Esto produce un aumento de empuje para un ángulo de paso de pala particular, o, alternativamente, la potencia requerida para un empuje dado se reduce. Para un helicóptero sobrecargado que solo puede mantenerse en vuelo estacionario con efecto suelo, puede ser posible ascender desde el suelo mediante la transición a vuelo hacia adelante mientras está en efecto suelo. ^{[ 11 ]} El beneficio del efecto suelo desaparece rápidamente con la velocidad, mientras que la potencia inducida disminuye rápidamente para permitir el ascenso. ^{[ 12 ]} Algunos helicópteros antiguos con poca potencia solo podían mantenerse en vuelo estacionario cerca del suelo. ^{[ 13 ]} El efecto suelo es máximo sobre una superficie firme y lisa. ^{[ 14 ]}

Los dos efectos inherentes a las aeronaves VTOL que operan a velocidad cero y baja en efecto suelo son: la succión y la sustentación por efecto fuente. Un tercer efecto, la ingestión de gases calientes, puede aplicarse a aeronaves de ala fija en tierra en condiciones de viento o durante el funcionamiento de los inversores de empuje . La capacidad de elevación de una aeronave VTOL en vuelo estacionario en efecto suelo depende de la succión en la estructura del avión, el impacto del efecto fuente en la parte inferior del fuselaje y la ingestión de gases calientes en el motor, lo que provoca un aumento de la temperatura de entrada (ITR). La succión actúa en contra de la sustentación del motor como una fuerza descendente sobre la estructura del avión. El flujo de la fuente actúa junto con los chorros de sustentación del motor como una fuerza ascendente. La gravedad del problema de la ingestión de gases calientes empeora cuando el nivel de ITR se convierte en pérdida de empuje del motor, entre un tres y un cuatro por ciento por cada 12,2  °C de ITR. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

El suckdown es el resultado del arrastre de aire alrededor de la aeronave por los chorros de sustentación cuando está en vuelo estacionario. 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 dando mayor pérdida de sustentación. La sustentación de fuente ocurre cuando una aeronave tiene dos o más chorros de sustentación. Los chorros golpean el suelo y se dispersan. 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 un fuselaje inferior curvo y retiene algo de impulso en dirección ascendente por lo que se captura menos que la sustentación de fuente completa a menos que se instalen dispositivos de mejora de sustentación. ^{[ 18 ]} El HGI reduce el empuje del motor porque el aire que entra al motor es más caliente y menos denso que el aire frío.

Las aeronaves experimentales VTOL operaban desde rejillas abiertas para desviar los gases de escape del motor y evitar la pérdida de empuje por efecto Joule.

El Bell X-14 , construido para la investigación inicial de VTOL, no podía mantenerse en vuelo estacionario hasta que se redujeron los efectos de succión elevando la aeronave con patas de aterrizaje más largas . ^{[ 19 ]} Tuvo que operar desde una plataforma elevada de acero perforado para reducir el HGI. ^{[ 20 ]} La aeronave de investigación VTOL Dassault Mirage IIIV solo operó verticalmente desde una rejilla que permitía canalizar los gases de escape del motor lejos de la aeronave para evitar los efectos de succión y HGI. ^{[ 21 ]}

Los deflectores ventrales instalados retroactivamente en el P.1127 mejoraron el flujo y aumentaron la presión bajo el fuselaje durante el vuelo estacionario a baja altitud. Los contenedores de cañones instalados en la misma posición en el Harrier GR.1 /GR.3 de producción y el AV-8A Harrier lograron el mismo efecto. Se desarrollaron dispositivos adicionales de mejora de sustentación (LIDS) para el AV-8B y el Harrier II. Para cerrar la región ventral donde los chorros de aire que mejoran la sustentación impactan la aeronave, se añadieron deflectores a la parte inferior de los contenedores de cañones y se podía bajar una compuerta articulada para bloquear el espacio entre los extremos delanteros de los deflectores. Esto proporcionó una  ganancia de sustentación de 1200 lb. ^{[ 22 ]}

Las compuertas interiores de la bahía de armas del Lockheed Martin F-35 Lightning II en el F-35B se abren para capturar el flujo de agua creado por los chorros de sustentación del motor y del ventilador y contrarrestar la succión de los gases de efecto invernadero.

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  El Bell X-14 muestra las patas del tren de aterrizaje alargadas para reducir la succión.
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  Dassault Mirage IIIV sobrevolando una cuadrícula abierta.
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  Vista inferior del primer prototipo P.1127 que muestra pequeñas estrías ventrales para aumentar la elevación de la fuente.
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  El Harrier GR9 muestra los dispositivos de mejora de sustentación, los grandes deflectores ventrales y una compuerta retráctil detrás de la rueda delantera.
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  Un F-35B muestra las compuertas interiores del compartimento de armas abiertas para capturar el flujo ascendente de la fuente de agua.

El ángulo de ataque de pérdida es menor en efecto suelo, aproximadamente entre 2 y 4 grados, que en aire libre. ^{[ 23 ] [ 24 ]} La separación del flujo provoca un gran aumento de la resistencia. Si la aeronave sobregira en el despegue a una velocidad demasiado baja, el aumento de la resistencia puede impedir el despegue. En 1952, dos de Havilland Comet se salieron del final de la pista tras sobregirar. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Puede producirse una pérdida de control si la punta de un ala entra en pérdida en efecto suelo. Durante las pruebas de certificación del jet ejecutivo Gulfstream G650 , la aeronave de prueba giró a un ángulo superior al ángulo de pérdida previsto en efecto suelo. La sobregiro provocó la pérdida de la punta de un ala y un alabeo no controlado superó la capacidad de los controles laterales, lo que provocó la pérdida de la aeronave. ^{[ 27 ]}