地面効果（空気力学）

固定翼航空機の場合、地面効果とは、航空機の翼が固定面に近いときに発生する空気抵抗の減少です。 ^[1]離陸中、地面効果により、推奨上昇速度を下回ると航空機が「浮く」ことがあります。パイロットは、航空機が地面効果で安全な上昇速度に達するまで加速する間、滑走路のすぐ上を飛行できます。 ^[2]

回転翼航空機の場合、地面効果により、地面近くでホバリングしているときにローターの抗力が減少する。重量が大きい場合、回転翼航空機は地面効果内で静止しているときに浮上できることがあるが、地面効果から抜け出して飛行に移行できない。ヘリコプターのパイロットには、地面効果内（IGE）および地面効果外（OGE）でのヘリコプターのホバリングの限界を示す性能チャートが提供される。チャートには、地面効果によって生じる追加の揚力の利点が示されている。^[3]

ファンやジェットエンジンを搭載した垂直離着陸機（VTOL）の場合、ホバリング時の地面効果により、エンジンが自身の排気ガスを吸い込むと、機体のサックダウンやファウンテンリフトが発生し、ホバリング推力が失われることがあります。これはホットガスインジェクション（HGI）として知られています。^{[4] [5]}

航空機が地面または水面から翼幅の約半分以下の高さで飛行する場合、顕著な地面効果が発生します。その結果、航空機の誘導抗力が低下します。これは主に地面または水面が翼端渦の発生を妨げ、翼の後ろのダウンウォッシュを遮断することによって発生します。 ^{[6] [7]}

翼は、向かってくる気団（相対風）を下向きに偏向させることで揚力を発生させます。 ^[8]偏向した、または「方向転換した」空気の流れは、反対方向の翼に合力を生み出します（ニュートンの第 3 法則）。合力は揚力と呼ばれます。地面に接近して飛行すると、翼下面の空気圧が上昇します。これは「ラム」効果または「クッション」効果と呼ばれ、航空機の揚力と抗力の比率が向上します。翼が地面に対して低い/近いほど、地面効果が顕著になります。地面効果がある間、同じ量の揚力を発生させるには、翼はより低い迎え角を必要とします。迎え角と対気速度が一定である風洞試験では、揚力係数が増加し、^[9]「浮遊」効果の原因となります。地面効果は推力と速度の関係も変えます。誘導抗力が減少すると、同じ速度を維持するために必要な推力が少なくなります。^[9]

低翼航空機は高翼航空機よりも地面効果の影響を受けやすい。 ^{[10]上昇気流、下降気流、翼端渦の変化により、}静的発生源における局所的な圧力の変化により、地面効果中に対気速度システムに誤差が生じる可能性がある。^[9]

ホバリング中のローターが地面に近い場合、ローターを通る下向きの空気の流れは地面でゼロに減少します。この状態は、後流の圧力変化を通じてディスクに伝達され、特定のディスク負荷（その面積の平方フィートあたりのローター推力）に対するローターへの流入が減少します。これにより、特定のブレードピッチ角に対する推力が増加するか、または、代わりに、推力に必要な出力が削減されます。過負荷のヘリコプターが地面効果でのみホバリングできる場合、地面効果中に最初に前進飛行に移行することで地面から上昇できる可能性があります。^[11]地面効果の利点は速度とともに急速に消えますが、誘導出力も急速に減少するため、安全に上昇できます。^[12]初期の出力不足のヘリコプターの中には、地面近くでしかホバリングできないものもありました。^[13]地面効果は、固く滑らかな表面上で最大になります。^[14]

VTOL 機が地面効果ゼロおよび低速で飛行する場合、地面効果、つまりサックダウンとファウンテン リフトの 2 つの影響が存在します。3 つ目の高温ガスの吸入は、風の強い状況で地上にいたり、逆推力装置が作動しているときに固定翼機に適用されることもあります。VTOL 機が地面効果でホバリングする程度は、揚力の点で、機体のサックダウン、機体下面へのファウンテン インピンジメント、およびエンジンへの HGI による入口温度上昇 (ITR) に依存します。サックダウンは、機体に対する下向きの力としてエンジンの揚力に逆らって作用します。ファウンテン フローは、エンジン リフト ジェットとともに上向きの力として作用します。HGI 問題の深刻さは、ITR のレベルがエンジン推力損失に変換されると明らかになります。これは、入口温度上昇 12.222 °C あたり 3 ～ 4 パーセントです。^{[15] [16]}

サックダウンは、ホバリング中に航空機の周囲の空気がリフトジェットに巻き込まれることによって発生します。また、自由大気（OGE）でも発生し、胴体と翼の下側の圧力が低下することで揚力の損失を引き起こします。地面に近いときに強化された巻き込みが発生し、揚力の損失が大きくなります。ファウンテンリフトは、航空機に2つ以上のリフトジェットがある場合に発生します。ジェットは地面にぶつかって広がります。胴体の下で出会った場所で混ざり合い、上向きにしか移動できず、胴体の下側にぶつかります。^[17]上向きの運動量が横または下向きにどれだけうまく逸らされるかが、揚力を決定します。ファウンテンフローは、湾曲した胴体下部に沿って流れ、上向きの運動量をいくらか保持するため、揚力向上装置が取り付けられていない限り、完全なファウンテンリフトよりも少ない量しか得られません。^[18] HGI は、エンジンに入る空気が冷たい空気よりも高温で密度が低いため、エンジン推力を減らします 。

初期の VTOL 実験機は、エンジンの排気を排出し、HGI による推力損失を防ぐためにオープン グリッドで運用されていました。

初期のVTOL技術を研究するために作られたベルX-14は、着陸装置の脚を長くして機体を持ち上げてサックダウン効果を減らすまでホバリングできなかった。^[19]また、HGIを減らすために、穴あき鋼板でできた高架プラットフォームから操縦する必要もあった。^[20]ダッソーミラージュIIIV VTOL研究機は、サックダウンとHGI効果を避けるために、エンジン排気を機体から遠ざけるグリッドから垂直に操縦することしかできなかった。^[21]

P.1127に後付けで取り付けられた腹部の板は、低高度ホバリング時の胴体下部の空気の流れと圧力を高めた。量産型のハリアーGR.1/GR.3とAV-8Aハリアーの同じ位置に取り付けられたガンポッドも同様の効果をもたらした。AV-8BとハリアーII用にさらに揚力向上装置（LIDS）が開発された。揚力増強噴流が機体に当たる胴体部分を囲むために、ガンポッドの下側に板が追加され、板の前端間の隙間を塞ぐためにヒンジ付きダムを下げることができた。これにより、1200ポンドの揚力増加が得られた。^[22]

ロッキード マーティン F-35 ライトニング IIの F-35B の兵器庫内側ドアは、エンジンとファンのリフト ジェットによって生成される噴流を捕捉し、IGE の吸い込みに対抗するために開きます。

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  ベルX-14は、サックダウンを減らすために着陸装置の脚を長くしている。
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  オープングリッド上をホバリングするダッソー ミラージュ IIIV
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  最初の試作機 P.1127 の下面図。噴水揚力を高めるための小さな腹板が見える。
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  ハリアー GR9 には揚力向上装置、大型の腹板、前輪の後ろの格納式ダムが装備されている
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  F-35Bは上昇する噴水の流れを捉えるために武器ベイの内側のドアを開けている。

失速迎え角は、地面効果下では自由空気下よりも約2～4度小さくなります。^{[23] [24]}気流が分離すると、抗力が大幅に増加します。離陸時に低速で機体がオーバーローテーションすると、抗力の増加により機体が地面から離れられなくなる可能性があります。2機のデ・ハビランド コメットは、オーバーローテーション後に滑走路の端をオーバーランしました。^{[25] [26]}片方の翼端が地面効果で失速すると、制御不能になることがあります。ガルフストリーム G650ビジネスジェットの認証試験中に、試験機は予測された IGE 失速角を超える角度まで回転しました。オーバーローテーションにより片方の翼端が失速し、意図しないロールが発生し、横方向のコントロールが効かなくなり、機体の損失につながりました。^{[27] [28]}

いくつかの機体は、主に水上を地面効果で飛行することによる性能上の利点を調査するために設計されている。地表に非常に近いところで飛行することによる運用上の欠点のため、広範囲にわたる応用は妨げられている。^[29]

• コアンダ効果
• 地面効果（自動車）
• ホバークラフト
• 渦輪

ウィキメディア・コモンズには、地面効果に関連するメディアがあります。

• エンジニアリングの説明。SE-Technology (「デッド」サイト)
• ご質問は、地上効果車両と WIG 車両についてお問い合わせください。Aerospaceweb.org
• M. Halloran、S. O'Meara (1999 年 2 月)。「地上効果航空機の翼に関するレビュー」(PDF-9 MB)。サーローレンス ワケット航空宇宙設計技術センター、ロイヤル メルボルン工科大学– Abbott Aerospace 経由。^{[永久リンク切れ‍ ]} DSTO-GD-0201。オーストラリア政府DSTO航空海洋研究所が後援
• 地上効果翼とヘリコプター。dynamicflight.com
• 飛行機は水面上数インチを飛行可能 上海の同済大学の科学者が新しい乗り物の設計を発表、inventorspot.com、2007年7月14日
• 地面効果滑空。hanggliding.org
• 地面近傍における翼の数値解析 (PDF) Journal of Theoretical and Applied Mechanics、45、2、pp. 425–36、ワルシャワ 2007。ptmts.org。