地面效應 ground effect 學習筆記

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內容摘自faa-h-8083-25a pilot handbook


飛機在剛剛離開地面或者水面時,比起有一定高度的平飛狀態,
使用略微更慢的速度就能夠獲得足夠的升力。
此現象就是地面效應。


飛機飛行在距離地面數英尺高度時,
由於機翼附近垂直方向上的氣流會受到地面的限制,
飛機3軸方向上的氣流模式都會發生變化,
因此機翼的上洗流,下洗流,翼尖渦流都隨之變化。
地表阻礙和改變了飛機飛行中的氣流模式,這就造成了地面效應。

飛機接近地面後,機翼的空氣動力特性發生變化,
當升力係數不變時,上洗流,下洗流,翼尖渦流都會減弱。

我們都知道飛機飛行升力的原理主要是由於機翼上下的壓力差,
機翼產生不斷向下的氣團支撐住機體。
但是如果下洗流越強,機翼越難以推動空氣向下流動。
在剛起飛和降落的大攻角條件下,誘導阻力更大,飛行速度更慢,
低速飛行時,誘導阻力成為影響動力特性的重要因素。
(但是寄生阻力基本是不變的)


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由於地面效應的作用,翼尖渦流變弱,
由此改變了翼展方向的升力分布,於是誘導攻角和誘導阻力都隨之變小。
上面寫到,由於誘導阻力在低速大攻角時(也就是起降時)具有的決定性因素,
誘導阻力減少後:
機翼使用一個更小的攻角就能夠獲得足夠的升力;
如果攻角恆定的話飛機的升力係數會獲得提升。
很明顯,此時推力也應該相應減低,否則高度就會提升。

還有一點需要注意的是,
由於上洗流,下洗流,翼尖渦流的變化,
對速度儀器也會產生影響(change in position error of the airspeed system)。
地面效應會使靜壓源的數據變大,
其結果就是造成空速表和高度表的顯示低於實際數值。
因此飛行員會感覺到起飛離地時的速度顯示往往會低於通常所需的速度。


機翼只有在相當靠近地面時才會產生顯著的地面效應效果,
當機翼的高度等於翼展時,誘導阻力只會減少1.4%,
當機翼高度為1/4翼展時,誘導阻力會減少23.5%,
當機翼高度為1/10翼展時,誘導阻力會減少47.6%,
因此只有在飛機剛剛離地和落地之前才會感到地面效應的影響。
賽思納172N型飛機的翼展為36英尺,約11米,
按照上面的數據,當高度降到2-3米之後才能感覺到地面效應。


飛機起飛離地以後,由於地面效應的消失需要注意以下項目:
為了維持相同的升力系統需要提高攻角,
誘導阻力的增加以及相應需要增加的推力,
穩定性的降低和瞬間的機首抬頭;
靜壓降低帶來的顯示速度的提升。

舉例來說,如果飛行員沒有正確理解地面效應的影響,
可能會認為速度即使低於參考速度也能正常起飛,
但是一旦飛機離開地面效應的高度,
可能陷入起飛速度不足的麻煩,達不到飛機邊緣起始爬升性能的要求。
尤其是當載重大,高密度高度,高氣溫條件下,
飛機很有可能得不到足夠升力而跌回跑道地面。
飛行員還需要注意飛機達到一定正爬升率以後再收起起落架和襟翼。

同樣在降落過程中,如果保持一定的攻角,
進入地面效應後帶來升力係數提高後需要減低推力,
同時一種漂浮效果可能會隨之發生。
如果此時拉起速度過大,漂浮距離就可能發生。

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