2. rész

A levegő a benne mozgó testekre ellenállást fejt ki. Már az ókorban ismeretes volt, hogy szélirányra merőlegesen álló felületen torlónyomás keletkezik, így alakultak ki a vitorlás hajók. De azt is felfedezték hogy a vitorla ferde beállítása esetén oldalra ható erő keletkezik, így nem csak szélirányban, hanem de arra merőlegesen is haladhat a hajó. A vitorla a szélben enyhén ívelt alakot vesz fel, - “kidagad” és ez adhatta az ötletet, hogy a repülés őskorában a felhajtóerő előállítására vonatkozó próbálkozásoknál elsősorban ilyen “szárnyprofillal” kezdték a kísérletezést.

A tényleges repülést említő és hitelesnek vélhető leírások a XVIII.-ik századtól kezdve maradtak fenn. Az első eredményt 1763-ban a Montgolfier testvérek léggömbje érte el, majd a XIX. század közepén tűntek fel a levegőnél nehezebb szerkezettel folytatott próbák (Henson-Stringfellow) de ezek vagy nem tudtak felemelkedni, vagy legfeljebb néhány deciméter magasságban a talaj-közelben maradtak. E kísérletek egyéni elképzelés szerinti technikai próbálkozások voltak, ma már azonban tudjuk hogy a repüléshez szükséges fizikai ismeretek hiányoztak.

Az első, ténylegesen levegőben történő mozgást a német Otto Lilienthal által kialakított szerkezet produkálta, amely valóságos siklást végzett. Ő mérnök lévén elsőként kezdte el tudományos alapon a repülés fizikájának kutatását és végzett igen alapos, méréses kísérleteket. Technikai logikával rájött arra hogy a felhajtóerő mellett ennek az előállításához szükséges légellenállást is vizsgálni és mérni kell. E célra különleges mérleget tervezett és épített, amelynek vázlatát itt mellékeljük.

Az első méréseket a kutató egy 7 m-es körpályán mozgatott sík,- és ívelt lappal végezte, ezek azt mutatták hogy az ívelt lapon kb. azonos légellenállás mellett jóval nagyobb felhajtóerő keletkezik.

Mindkét rajzot Lilienthal 1889-ben megjelent könyvéből vettük át, amelynek címe: “Vogelflug, als Grundlage der Fliegekunst” volt. (Madárrepülés, mint a szárnyalás művészetének alapja.)

E könyvben a kutató leírja azon megállapítását hogy légerőtani méréseknél csak a vizsgált tárgy és a levegő relatív elmozdulása szükséges. A végeredmény a valóságos repüléssel akkor is azonos marad, ha a tárgy áll és a levegő áramlik körülötte. Ilyen megoldás esetén a felhajtóerő,- és ellenállás mérésére szolgáló mérleg egyszerűbben építhető.

Mindezek alapján Lilienthal 1889 és 1893 között több ezer siklást végzett, az első néhány méteres ugrástól kezdve 200 - 250 m-es távolságig. A fizikai összefüggéseket képletekben kifejezve ő készített először olyan diagrammot, amely a felhajtóerőt az ellenállás függvényében mutatta, ez ma is a leginkább alkalmazott, u. n. “polárdiagramm”.

A repülésre képes szerkezet kialakítása így már megtörtént, és ennek önerőből való felemelkedéséhez csak megfelelően könnyű és erős motor kellett. Ezt 1903-ban az amerikai Wright testvérek alkották meg, akik gépük légerőtani felépítését Lilienthaltól vették át és az első, felszállásra is képes gépükkel, a “Flyer”-rel többszöri kísérlet után már több száz méteres távolságokat tudtak repülni. Bár e szerkezet ívelt lapú szárnyait külső huzalozással kellett merevíteni, az ilyen szárny szerkezeteket még több mint egy évtizedig használták. Például az 1914-18-as világháború egyik első vadászrepülőgépe, az Ettrich-Taube is ilyen szárnnyal repült. Ezt azonban már annak idején is “repülő drótakadálynak” minősítették.

Mivel ez egyben jelentős légellenállást okozott, szükségessé vált ennek elhagyása és a szárny kellő szilárdságának belső merevítéssel történő megoldása. De ehhez a szárnyprofilt meg kellett vastagítani. Ennek technikai megoldása végett már széleskörű légerőtani kísérletek váltak szükségessé. E célra a műszaki fejlődésben élenjáró országok aerodinamikai kutatóintézeteket állítottak fel, mint az USA-ban a NACA, Angliában a RAF, Németországban a Göttingen-i intézet, a Szovjetúnióban a CAGI. A vizsgálatokat különböző vastagságú szimmetrikus szelvényekkel kezdték, majd a sík-ívelt lap mintájára e szimmetrikus profilokat meggörbítették. Mindezen vizsgálatokra szélcsatornát használtak, ahol különböző sebességű légáramlás volt előállítható és a próbafelületek álló helyzetű mérlegeken voltak rögzítve. Az így kialakított profilok azonosító jelölést kaptak, egyes esetekben sorszámot, mint a Göttingen-i szelvények, de előfordult tisztán betűjelzés is, mint a Clark-Y. A NACA intézetben olyan megjelölési rendszert dolgoztak ki, amelynek számozása tartalmazta a profil főbb adatait, pl. a NACA 6412 szelvény középvonalának íveltsége 6% volt az orrától 40% távolságra, 12% szelvény-vastagság mellett. Ez bizonyult a legpraktikusabb jelölésnek, mert a számokból azonnal meg lehetett állapítani a profil hozzávetőleges körvonalát.

A vizsgálatok arra is irányultak, hogy meddig lehet vastagítani a szelvényt úgy, hogy annak légellenállása ne nőjön túlságosan. Lilienthal még olyan szárnyprofilt kísérletezett ki, amely már igen kis sebességnél is kellő felhajtóerőt adott, ez lett az “ívelt lap”. Ennek oka az volt, hogy ő egy dombról, nekifutással indult és így szerkezetének kezdősebessége legfeljebb 5-6 m/mp volt, ahol már lebegnie kellett. Kis felhajtóerőt adó szelvénnyel is lehet repülni, de ehhez nagyobb haladási sebesség szükséges, amelyet a későbbi motoros gépek kerekeken gurulva értek el.

A repülőmodellek az 1930-as években jutottak el olyan szintre, amikor ezeknél már vastag profilokat alkalmaztak, ezek a nagy gépekre kikísérletezett formák voltak, mint a Gött. 549, RAF 32 vagy a NACA 6412. E modellek azonban tekintélyes méretekkel rendelkeztek, még gumimotorosok esetben is legalább 1,5 - 1,8 m-es fesztávval. Pl. a tervrajzban is megjelent egyik akkori gumis modell, a HEM-1800 fesztáva 180 cm volt és ugyanekkora mérettel rendelkezett az 1936-40 közötti, többszörös országos bajnokságot nyert
R-18-as gumimotoros gép, amelyet az akkori idők legkiválóbb modellezői, a Rechnitzer testvérek terveztek és építettek. Az ívelt lapú szárnyak a kezdő modelleknél még megmaradtak, mint a Nagy Julián bencés tanár által kifejezetten fiatalok számára tervezett “Gyuri-1” Az akkori, fejlettnek tekinthető modelleknél néha érthetetlen jelenségeket is meg lehetett figyelni, pl. egy hanyagul elkészített szárnyból kiálló lécekkel és rücskös, ráncos bevonattal épített gép jobb siklást mutatott, mint a gondosan elkészített, sima hordfelületű modell. Ezek után világossá vált hogy ennek okát ki kell deríteni, a szárnyprofil-vizsgálatokat tovább kell folytatni.

Már a nagy repülőgépek esetén is azt sugallta a technikai logika hogy a felhajtóerő és az ellenállás áramlás közben kialakuló viszonyának jelentős befolyása van az áramképre, az áramvonal-elrendeződésre. Ezért a kutatóintézetekben megkísérelték láthatóvá tenni az áramvonalakat. Ez részben füstcsíkokkal, részben cérnaszálakkal sikerült.

3. - 4. ábra

Az így láthatóvá tett áramképek jobb bepillantást engedtek a profil körül kialakuló áramlás lefolyásába. Az áramvonalak egy-egy levegőrészecske útját mutatják és ezeknek egymáshoz való helyzete fontos. Ha az áramlás egy csőben történik, az áramvonalak azonos sűrűségben egymással párhuzamosan haladnak. Ahol a cső elvékonyodik, ott az áramvonalak sűrűsödnek. Ha a cső bővül, ritkulnak.

5. ábra

Az áramló közegnek két, fontos jellemző tulajdonsága van, a sebesség és a nyomás. Ezek változásaira vonatkozó összefüggést a svájci matematikus, Daniel Bernoulli (1700-1782) fedezte fel és öntötte matematikai formába. Tőle származik az a magyarázat, hogy ahol a sebesség megnő, ott lecsökken a nyomása, és fordítva. Ennek egyszerűsített magyarázata az energia megmaradásának törvényében van, ugyanis az áramló közeg energiája két részből tevődik össze, a sebességi energiából és a nyomásiból. Ha az egyik megnő, a másiknak csökkennie kell hogy összegük változatlan maradjon. Mivel a füstcsíkok láthatóvá tették hogy a szelvény felett az áramvonalak sűrűsödnek és alatta kissé ritkulnak, így a profil felett nyomáscsökkenés, alatta növekedés keletkezik és ezek együttesen adják a szárnyfelületen keletkező felhajtóerőt, de ehhez az áramlásnak folyamatosnak kell lennie. Ha az áramlás megszűnik, akkor eltűnik a felhajtóerő is, ezért kell a repülőszerkezetnek állandóan mozognia a levegőben. Erre utal az a fizikai kifejezés, hogy a levegőnél nehezebb szerkezet repülését a dinamikusan (mozgással) előállított felhajtóerő teszi lehetővé.

Első közelítésben annál nagyobb lehet a felhajtóerő minél jobban sűrűsödnek felette az áramvonalak, ezt pedig azzal lehet elősegíteni ha a szelvény felső körvonalát magasítjuk. Ezért törekedtek a profiltervezők a profilok vastagítására. Szélcsatorna-mérések során így sikerült a szelvényvastagságot 20%-ra növelni úgy, hogy az ellenállás még elfogadható maradjon, ne nőjön túlságosan. Az 1930-as évekből ismert nagy vitorlázó gép, a MINIMOA szárnyába ezért építettek bele Gött. 625-ös, 20% vastag szelvényt. Jómagam e profillal 1943-ban építettem egy kis, 60 cm. fesztávú kísérleti modellt, amely mindössze 1:2 siklószámmal inkább zuhant, mint repült. Ezzel bebizonyosodott hogy ez a profil repülőmodellekhez már túl vastag, nagy gépekhez azonban még jó. Modellekhez ezért max. 12-13% vastag szelvényeket használtak. A felhajtóerőt még a szelvény íveltségével is lehetett növelni, de ezzel az ellenállás is nagyobb lett. Mindebből arra lehetett következtetni, hogy az íveltséget és vastagságot csak egy bizonyos mértékig lehet növelni és ez a nagy repülőgépeknél és a modelleknél eltérő.

A láthatóvá tett áramvonalak több megállapításra adtak lehetőséget. Ha a szelvény az áramlás irányával csak kis szöget (0-10 fok) zárt be, akkor szabályos áramvonal-mező alakult ki.

3. ábra

Ennél nagyobb állásszög esetén az áramvonalak a profil hátsó részén “leszakadnak” és itt nagy méretű “holt” örvénytér alakult ki, jelezve az erősen megnőtt ellenállást.

4. ábra

Ha ez a repülés során következett be, a gép felágaskodott és “orra bukott”, szakkifejezéssel “átesett”.

A profil körüli ezen áramlást a német Ludwig Prandtl alaposan megvizsgálva arra a megállapításra jutott hogy a szárnyfelületen egy kb. mindössze 1 mm vastag levegőréteg az áramlás jellegére komoly hatással van és ő ezt “határréteg”-nek nevezte el, ez ma is használatos.