Repülőmodellező áramlástan

5. Mekkora legyen az alsó körvonal íveltsége?

Az alsó szárnykörvonal megszerkesztésénél természetesen a lehető legnagyobb íveltségre kell törekedni, ez pedig olyan ívelt lappal érhetjük el, amelynek alsó és felső körvonala közel azonos. Ez esetben azonban azonnal megmutatkozik – mint ezt a Gött. 417/a és az MVA 123 szelvények összehasonlításánál látni lehetett – hogy az alsó körvonal meredek ívelése esetén a szelvény széllökésekre való érzékenysége igen erősen megnő, ennek következtében a gyakorlati merülősebesség az ideálishoz képest lényegesen romlik.

lsó körvonal íveltségének legkedvezőbb értéke 5-7% körük adódott, ennél nagyobb íveltség esetén a gyakorlati merülősebesség nőtt erősen, kisebb íveltség esetén pedig az ideális merülősebesség romlott lényegesen.

6. Hol legyen az alsó körvonal legmagasabb pontja?

Az alsó körvonal legmagasabb pontjának legkedvezőbb helyét kellett most megállapítani. A legmagasabb pontot evégett egyszer elöl, azután középen, végezetül hátul helyezte el Jedelsky. (28 a, b, c ábra)

A legkedvezőbb eredményt az az alsó körvonal biztosította, amelynél a görbe legmagasabb pontja a hossz 50-60%-ában helyezkedett el. Ha ezt a pontot előbbre vitte, (28 b ábra) akkor a szélérzékenység nőtt., ha hátrább vitte, akkor az ideális merülősebesség romlott.

7. Milyen legyen az alsó körvonal formája a legmagasabb pont előtt?

Az alsó körvonal görbületének vizsgálatánál adódtak a legnagyobb meglepetések, és megmutatkozott, hogy az alsó vonal alakja mértékadó az ideális és gyakorlati merülősebességek közötti különbségre nézve.

A legmagasabb pont előtti görbe lehet homorú, meredeken emelkedő, valamint lapos. (29 a-b ábra)

29. ábra

A kísérletek azt mutatták., hogy a meredeken emelkedő, erős görbület (29 a ábra) adja a legjobb ideális merülést, a gyakorlati azonban ettől messze elmarad.

A lapos emelkedésű alsó vonal (29 b ábra) ezzel szemben valamivel gyengébb elméleti, de lényegesen jobb gyakorlati merülősebességet biztosít.

Az alsó körvonalnál az élörvényt és a leválást el lehet kerülni, ha az áramlás a szelvény orra közelében az alsó körvonalhoz érintőleges, melynél azonban tekintetbe kell venni, hogy az áramlás már a szelvény előtt enyhén felfelé fordul, a profil „felszívja” az áramvonalakat. Ha most a széllökések miatt az állásszög csökken, az élörvény megjelenik és az általa keltett örvényút kiszélesedik. Itt előre vándorol a torlópont is, ennek következtében előfordulhat, hogy a felső körvonalon a határréteg már nem turbulens, a felső leválási pont előbbre vándorol, mivel a felső körvonal kialakításánál a kedvezőbb turbulens áramlás volt az irányadó. Így egy ívelt szelvénynél az állásszög csökkenése esetén mind az alsó, mind a felső örvényút, ami a profilellenállás lényeges megnövekedését és a merülősebesség leromlását eredményezheti.

Ez lehet az oka annak, hogy repülőmodell-szelvény poláris diagramja a repülőgép polárissal szemben jellegzetes különbséget mutat. (30. ábra)

30. ábra

A modellprofil legkisebb ellenállása jelentékeny pozitív állásszögnél adódik, és nem 0° alatt, ahol a felhajtóerő is nulla. Modellprofiloknál általában az áramlás -5° alatt és +8° felett már teljesen leválik. Itt azonban csak az ellenállás nő erősen, a kis Reynolds számú áramlás miatt a felhajtóerő változása már kisebb mérvű.

A gyakorlati merülősebességet az emelkedési számok (c_f³/c_e²) középértéke határozza meg, ez a széllökések által előidézett legnagyobb és legkisebb állásszögek tartományának közepe táján adódik. Ezen értékek között ingadozik a szelvény állásszöge, ez a profilállásszög kihasználási tartománya. A kis állásszögeknél alul fellépő leválási ellenállást el tudjuk kerülni, ha az élörvény örvényútját a szelvény megvastagításával töltjük ki. (31. ábra)

31. ábra

8. Milyen legyen az alsó körvonal formája a legmagasabb pont után?

Az alsó körvonalak a legmagasabb ponttól a kilépőélig tartó kialakításánál Jedelsky lapos, erősebben homorú és enyhén domború görbékkel próbálkozott. (32 a-b-c ábra)

32. ábra

Mind az ideális, mind a gyakorlati merülősebességek esetében a legjobb teljesítményt az erősen homorú görbe adta, (32/b ábra) mely bevonópapír vékonyságra simul a felső körvonalhoz, tehát a szelvény hátsó része ívelt lappá válik. Minél kevésbé homorú az alsó körvonal hátsó szakasza, (32/a ábra) annál nagyobb a teljesítmény-veszetség, különösen az enyhén domború görbe esetén. (32/c ábra)

Jedelsky ezzel igazolta azt a régebben is tapasztalt jelenséget, hogy a Grant-X profilok (Lásd Modellrepülés elmélete c. könyv)¹ nagy teljesítményű, kis merülősebességre tervezett modelleknél nem váltak be.

A felhajtóerőt a szárny által lefelé mozgatott levegőtömeg visszahatásaként foghatjuk fel, ezért a felső körvonal hátsó lefolyó részén az a maximális leáramlási szög adja a legjobb eredményt, melynél még nem következik be az áramlás lényeges leválása. Ha most az alsó körvonal leáramlási szöge a felsővel lehetőleg párhuzamos, akkor a profil feletti és alatti leáramlások középértékeként a lehetséges legnagyobb leáramlási szöget kapjuk, ez pedig a maximális felhajtóerőt biztosítja.

Ugyanezen eredmény mutatkozott Lippisch (ismert német repülőkutató) által 1951-ben ismertetett szélcsatorna-kísérleteknél, ahol egy alul egyenes profilnál a felhajtóerő-tényező (c_f) maximuma 1,2 volt és ugyanezen szelvény alsó körvonalát hátul erősen homorúvá téve a „cf” maximuma 1,5 fölé emelkedett.

Jedelsky kísérletei nyomán kialakuló új szelvényeknek a Gött 417/a vagy az MVA 123-mal szemben lényeges előnye annak köszönhető, hogy az áramlás a hátoldalon csak nagy állásszögeknél kezd leválni és ugyanakkor kis állásszögeknél is csekély az ellenállás. Ezáltal kiszélesedik az az állásszög-tartomány, amelyben a profil szeles idő esetén lenghet, anélkül, hogy az áramlás akár felül, akár alul lényegesen leválna és ezáltal a gyakorlati merülősebesség csökken.

A gyakorlati merülősebesség mindig nagyobb, mint az ideális. Ennek oka kettős. A modell hosszlengéseinek csillapítása energiát emészt, amely gyorsabb magasságvesztésben jelentkezik, ugyanakkor még a modell hosszlengései következtében előfordulhat, hogy a szárnyszelvény egy-egy idő-pillanatra oly magas, vagy oly alacsony állásszögű helyzetbe kerül, ahol már lényeges leválások keletkeznek és ezen időszakos leválások is növelik a merülősebességet. Jedelsky olyan szelvény kialakításán dolgozott, melynél a közepes széllökések okozta lengések állásszög-tartományában sehol sem keletkezik lényeges leválás. Így a gyakorlati merülősebességet lényegesen tudta csökkenteni.

9. Milyen legyen a szelvény orrának kialakítása?

Jedelsky gyakorlati kísérletezéssel megállapított szelvénykörvonalai arra az esetre érvényesek, ha a határréteg turbulens. A gomolygó határréteg biztosítása itt tehát lényegbevágóan fontos. Ennek megvalósítására többféle módszer ismeretes, melyeket ezen cikksorozatunkban már részletesen ismertettünk. (Lásd Ifjú Sólyom, 1956. febr.-márc.)

Jedelsky profiljaihoz az erős orrgörbületet ajánlja. ltt teljesen megfelelőek a Schmitz professzor által megadott orrgörbületi értékek, melyek különféle Reynolds-számoknál biztosítják a turbulens határréteget. (50 000 Re-ig 0,4%, 100 000 Re-ig 0,7% és 200 000 Re-ig 1,4% az orrgörbület sugara.) Jedelsky kísérletei alapján megemlíti. hogy véleménye szerint 20 000-50 000 Reynolds számok között sem szükséges az orrgörbülettel 0,5% alá menni, ez teljesen kielégítő eredményt biztosít.

Ezen adatok saját kísérleti eredményeinkkel is egyeznek, egy évtizedes tapasztalatunk szerint a túl éles belépőél (késélességű) a stabilitásra kedvezőtlen hatású, ezen kívül még az alul-felül keletkező élörvények a teljesítményt is lecsökkenthetik.

A túlzottan éles belépőétű szelvények már csak egészén kis állásszög-tartományban dolgozhatnak gazdaságosan s a teljesítménycsökkenés különösen szeles, dobálós idő esetén lehet szembetűnő. A torlópont kedvező elhelyezkedése végett Jedelsky a szelvény alsó körvonalának kezdetén még egy 1-2⁰;'0-os domború kiképzést ajánl. (33. ábra.)

33. ábra

Jedelsky kísérleti eredményei a 34 ábrán látható profilban foglalhatók össze.

34. ábra

Érdekes, hagy ez a szelvény észrevehető hasonlóságot mutat a madarak szárnymetszeteivel, melyeknél az első rész vastag a csontszerkezet és izomzat miatt, a hátsó rész pedig tollakban vékonyodik el: Régebben a vékony, ívelt profilokat általában „madárszelvények-nek" nevezték, ezeknél azonban Jedelsky szelvénye sokkal jobban hasonlít a madarakéhoz. Hasonló szelvényforma alakítható ki a légerőtani alapfogalmak felhasználásával. Közismert tény, hogy egy áramló közeget hordozó cső keresztmetszetét nem lehet tetszőlegesen változtatni az áramlási veszteségek és leválások lényeges növekedése nélkül. Egy cső keresztmetszetét nem szabad hirtelen bővíteni, a szűkülő szakaszon viszont az áramlás már nem olyan érzékeny.

10. Milyen legyen a szelvény lefolyó része?

Ennek magyarázata az; hogy az áramló közegrészecskék hirtelen gyorsíthatók, de lassítás esetén, midőn a részecskék már növekvő nyomással szemben mozognak, már könnyen lefékeződhetnek és a felülettől eltávolodva leválnak. Itt örvénylés lép fel, ami jelentős áramlási veszteséget jelent. A szűkülő csőszakasz (konfuzor) lehet rövid, a bővülő (diffuzor) azonban kellő hosszúságú legyen, hogy az oldalaik hajlásszöge a tengelyhez a 10^° értéket ne lépje túl. (35. ábra.)

35. ábra

A modellprofil alsó és felső körvonala is külön - külön egy-egy cső-félnek fogható fel. A felső körvonalon az áramlást először szűkítjük, utána tágítjuk, az alsó körvonalon viszont fordított a helyzet, az áramlás először tágul, utána szűkül. A táguló szakaszakon a körvonal a vízszinteshez képest 10-12^° alatt tartandó a leválás elkerülése végett, a szűkülő szakaszon csak a goromba törésmentes kiképzésre kell vigyázni. (36. ábra.)

36. ábra

Az alsó körvonal hátsó része, mely a szűkülő csőnek felel meg, 12°-nál meredekebb is !ehetne de nem metszheti a felső körvonalat s attól lényegesen el sem távolodhat, határesetben vele együtt halad. így a felső körvonal bővülő része határozza meg az alsó körvonal szűkülő részét. Legújabban tapasztalható olyan irányzat, melynél az alsó körvonal hátsó része erősebben törik lefelé, mint a felső, ennek hátránya azonban az építési nehézségeken kívül még az, hogy a szelvény vége a kilépőélnél megvastagodik. (37. ábra.)

37. ábra

Ilyen szelvényt a szovjet MATVEJEV alkalmazott először az 1956. évi Alagi nemzetközi modellversenyen.

Jedelsky szelvényének egy kényes pontja a papírvékony hátsó szakasz.

A felmerülő probléma kétféleképpen oldható meg. Az eredeti szelvény alkalmazása esetén új építési rendszert kell kikísérletezni, ahol a hátsó rész rezonáns vágású balzalemez lehet (tükörmetszet, quarter-grain). Lehet kísérletezni réteges lemezzel is, de az nagyobb súlya és hullámosodási hajlama miatt nem sok sikerrel kecsegtet.

A másik megoldás kompromisszumos, itt a szelvény hátsó részét annyira vastagítjuk, hogy a régi építési rendszer esetén is kellő szilárdságú bordákat kapjunk: A bordák legkisebb függőleges mérete a szokásos egyszerű építési rendszernél legalább 2,5-3 mm legyen. (38. ábra.)

38. ábra

Jedelsky kísérleti eredményei egyben magyarázatot adnak arra is, hogy miért vált be jól a modellezési gyakorlatban a világon ma már rendszeresen használt, 1944-ben tervezett B-8355-b jelű modellszelvényen. Ezen profil felső körvonala csaknem teljesen megegyezik a Jedelsky által ajánlott formával. Az alsó körvonala laposabb ugyan, de ez az egyszerűbb építésen kívül még nagyobb hosszanti stabilitást is ad és így jól alkalmazható olyan gépeknél, ahol jó siklóteljesítmény mellett még kis nyomásközéppont-vándorlású profil is szükséges, mint az egymotoros, hosszútörzsű Wakefield-gumimotorosoknál és a mechanikus motoros szabadonrepülő gépeknél. (39. ábra.)

39. ábra

Kiváló felső körvonala folytán a B-8358-b szelvény további profilszerkesztések kiindulási alapja is lehet.

Jedelsky kísérletei nyomán arra az érdekes megállapításra jutott, hogy a profil felső és alsó körvonala az íveltség görbültség változásaira egészen eltérően reagál. A felső körvonal eléggé érzékeny, különösen a hátsó szakaszon addig a pontig, míg a leválás kezdődik, ugyanekkor az alsó körvonal jóval érzéketlenebb és szögletek, élek a teljesítményt nem befolyásolják lényegesen (40. ábra.)

40. ábra

Ez a körülmény nemcsak építési szempontból jelent könnyebbséget, de ismét lehetőséget ad további profilkialakításokra. A szárnyak kellő szilárdságúra való építése néha eléggé magas profilt igényel s ugyanekkor az aerodinamikai viszonyok vékony szelvényt követelnek.

A megoldás nemcsak egy közép-vastag, kompromisszumos szelvény lehet, hanem a kellő építési magasság és a vékony szelvény jó aerodinamikai tulajdonságai egyetlen profilban is egyesíthetők. Valószínűleg ez a meggondolás vezette a jugoszláv Seredinsky mérnököt újfajta „Flamingó" profiljának megtervezésére. (Lásd: Modellrepülés elmélete c. könyv, 287. old.)

A szelvény normális felső körvonallal rendelkezik, az orra hegyes, majd a profil egy hasas részben szélesedik ki, utána a normális szelvényekhez hasonlóan elvékonyodik (41 ábra).

41. ábra

Az orr közelében hirtelen emelkedő alsó körvonal (42. ábra)

42. ábra

az áramlás erős felszívását eredményezi és kis állásszögek esetén megjelenik az alsó körvonal elején az élörvény. Teljesítményromlás szempontjából ez szerencsére jóval kisebb jelentőségű, mint a normális profilok esetében, mert ez örvényes sáv csak a kiszélesedő szakaszig tart, ott megszűnik és nem jelent nagy áramlási veszteséget (42. ábra).

Jedelsky kísérleteket végzett arra vonatkozólag, hogy a „Flamingó"-profilok esetében milyen legyen az alsó körvonal kiképzése, milyen méretű lehet a megvastagodó szakasz és hol van annak legkedvezőbb helye.

Próbálkozott a megvastagodó rész előrehozatalával (43 ábra), megnagyításával (44. ábra), enyhe görbültségű kiképzésével (45. ábra) és kísérletképpen alkalmazott hirtelen dudort is {46. ábra).

43-44-45-46. ábra

A legkedvezőbb eredményeket akkor kapta, midőn a legnagyobb szelvényvastagság a profil legmagasabb pontjával egy függőlegesbe esett, a hasas alsó rész a profil alsó érintőjén belül maradt és a vastagodó szakasz lefolyó része enyhért ívelt volt (45. ábra).

A szelvényt a jugoszláv modellezők néhány régebbi, kísérleti A/2 modellben alkalmazták. Igen valószínű, hogy a vastagodó szakasz végső fokon némi kis teljesítménycsökkenést eredményez s ezért ezt a profilt ma már nem alkalmazzák szívesen a szárny teljes hosszában, osztott szárnyaknál azonban a középső összeerősítés kedvező kialakítása végett használata néhány bordán keresztül indokolt (47. ábra).

47. ábra

Ez a forma 4~5 középső bordánál van meg, míg az összeerősítő nyelv vagy fül tart, ezen túl a szelvény átmehet a szaggatott vonallal jelzett vékonyabb formába, így kellően szilárd és légerőtanilag is jó teljesítményű szárnyat tudunk építeni.

Ezt a megoldást alkalmazták a Röser testvérek az 1956. évi alagi nemzetközi versenyre épített A,-2 modelljeiknél.

Érdekes, hogy ezt az alul megvastagodó, Seredinsky-féle profilformát a természetiben is megtalálhatjuk. Schmitz professzor már 1942~ben megjelent könyvében felhívta a figyelmet a keselyű szárnyprofiljára, amelynél alul a szárnyat mozgató egyik izomköteg a Seredinsky-profilihoz hasonló megvastagítást eredményez (48. ábra).

48. ábra

Az ez évi alagi nemzetközi modellverseny egyik kimagasló műszaki érdekessége volt a szovjet Matvejev gumimotoros modelljében alkalmazott kísérlett profil, melynek körvonalát a szerkesztő füstcsatorna-kísérletekkel alakította ki (37.ábra).

A szelvény merőben eltér az eddigi formáktól. A késélességű belépőél biztosítja a felső körvonalon a turbulens áramlást, a hátsó szakasz viszont a dán Hansen kísérleteinek megfelelően eléggé erősen le van ívelve Az alsó körvonal nagyjából követi a felsőt s így a szelvény elég erősen homorú. A profil hátsó, vastagodó szakasza alatt a tervező a minél meredekebb leáramlást s ezzel a maximális felhajtóerőt akarta biztosítani, ugyanakkor a hátsó, felső oldalon a laposabb lefolyó rész lehetővé teszi, hogy az áramlás hosszú szakaszon kövesse a profilt.

A gömbölyű kilépő utáni örvénylést nem lehet megakadályozni, ez többé-kevésbé az éles kilépőél esetén is megvan s így a normális szelvényekkel szemben nem jelent különösebb veszteséget, viszont szilárdsági szempontból igen nagy jelentőségű.

Az erősen ívelt szelvény nyomásközéppont-vándorlása igen nagy lehet, mert Matvejev a megfelelő hosszanti stabilitást csak igen hosszú, közel másfél méteres törzzsel (szárny-csillapító távolsága a szárny szélességének kb. 7-szerese!) és nagyméretű, 4;1 dm²-es csillapítófelülettel tudta csak megvalósítani. Matvejev vékony szelvényével csak igen nagy munkával és különlegesen finom építési anyagokkal, nagy gonddal lehetett elcsavarodásmentes szárnyat építeni s ez a felület még így is veszélyesen a szilárdsági határon mozgott.

Matvejev szelvényének vannak ugyan gyenge pontjai, de a vele elért jó eredmények indokolttá tennék további kísérletek végzését arra vonatkozólag, hogy ezen az úton tovább haladva nem lehetne-e ennél is eredményesebb profilokat kifejleszteni.

Jedelsky kísérletsorozatát áttekintve felmerülhet a kérdés, hogy vajon az általa ajánlott profilforma a végső, legkedvezőbb megoldást jelenti-e, s ezzel sikerült a repülőmodellek legjobb szárnyszelvényét megtalálni? Vajon itt meg fog állni az A/2 modellek teljesítményének fejlődése?

E kérdésre kielégítő és megnyugtató választ csak hosszadalmas szélcsatorna és szabadonrepülő kísérletek után adhat majd a jövő, de jelen cikksorozatunk figyelmes átnézése után is úgy tűnhet fel, hogy a profilfejlesztés összes lehetőségei még nincsenek kimerítve.

Cikkeinkből világosan megérthető, hogy a modellek teljesítményének javítása oly szelvényekkel valósítható meg, melyek a legnagyobb felhajtóerőt adják anélkül, hogy azokon akár felül, akár alul durvább leválás és örvénylés keletkeznék.

A nagy felhajtóerő a szárny által megmozgatott levegőtömeg lefelé való eltérítésével valósítható meg. Ezt a célt különféle utakon közelítették meg a kísérletezők, Cheesman, Hansen, Sämann a profil hátsó szakaszának vagy kilépőélének lefelé törésével, Jedelsky pedig az alsó körvonalnak a felsőhöz való simításával.

Jedelsky Az alsó és a felső körvonalat külön-külön vizsgálva jutott az ismertetett az ismertetett eredményekhez. A továbbiakban felmerülhet az a lehetőség, hogy az alsó és felső körvonalat a kényes szakaszon, a hátsó részen együtt változtatjuk.

Jedelsky szerint ugyan a lapos lefolyó-rész adja a legkedvezőbb eredményt, (lásd 27/c ábra) és a domborúbb hátsó szakasz rosszabb, (27/b ábra) de könnyen lehetséges, hogy ha ugyanakkor az első szakaszt is erősebben görbítjük, kedvezőbb eredményt kapunk. (50. ábra)

1 A könyv már nem szerezhető be, a profilok közül (Grant M-2, X, X-6, X-8mod., X-9, X-10, X-12, X-14, X-16) az elsőt és az utolsót tájékoztatásul közlöm.
A szelvények mai modellek építésénél nem használatosak.