A szárnynak tehát az a rendeltetése, hogy a repülőgép levegőben tartásához szükséges felhajtóerőt termeljen (Végtelen szárny aerodinamikája). Ennek az erőnek a létrejötte és nagysága a szárny geometriai kialakításától függ. A szárnyszelvények lehetnek szimmetrikusak, aszimmetrikusak, íveltek, S-formájúak és mind más-más tulajdonságokkal bírnak. Bár sok modellkészítő nem tartja feltétlenül szükségesnek egy új profil keresését a modellje számára, különösen, ha túl van motorizálva a masina, mert az nagyszerűen repül a régi szárnyprofillal és annak nagy ellenállása még hasznos is lehet leszállás közben. Azonban a vitorlázó gépeknél – ahol az egyetlen hajtóerő a gravitáció –, fontos szerepet kap a hatékonyság. Különösen igaz a megállapítás, ha még versenyeznek is a modellel.

Poláris diagram. Ahogy azt láttuk, hallottuk, éreztük már, eltérő állásszögeknél a levegőben haladó testen ébredő eredő erő is más. A profilok tulajdonságainak ilyen jellegű vizsgálatát először Otto Lilienthal kutató naplójában figyelhettük meg egy diagram formájában, mely egy ívelt szárny felhajtóerő nagyságának alakulását ábrázolta a légellenállás függvényében eltérő állásszögek mellett. Az állásszög sajnos nem mindenhol jelenti ugyanazt. Leggyakrabban a légáramlás irányvonala és a profil húrja által bezárt szöget értik, néha azonban a húr helyett az alsó alátámasztó vonalat veszik figyelembe. Ezért mindig tisztázni kell, mielőtt belefogunk a számolásokba, még ha az eltérés nem is olyan nagy.

Légcsatornás mérések eredményeként általában három grafikont kapunk melyek a felhajtóerő C_y, (néha C_f, C_l-ként jelölik ), ellenállás C_x (C_e, C_d) és nyomaték C_m alakulását ábrázolják különböző állásszögek függvényében. Mivel az ellenállás és a felhajtóerő változása nagyságrendekkel eltér, ezért a felhajtóerőt egy nagyságrenddel nagyobb skálán ábrázolják. A nyomaték ábrázolásánál a skála úgy van felvéve, hogy a pozitív értékek a belépő él felfelé, a negatív értékek pedig lefelé való tolásának mértékét mutatják.
Gyakran a felhajtó erő és az ellenállás viszonyát egy görbén ábrázolják. Ilyenkor a légerők eredőinek vektorait (F_r – jobb oldali képen szürke nyíl) rajzoljuk fel értelemszerűen úgy, hogy minden kezdőpontja az origóban legyen. Összekötve a különböző állásszegüknél kapott vektorok végpontjait, egy poláris görbét kapunk. Zsúfoltság elkerülése végett a C_x, és a C_y itt is eltérő léptekkel viszik fel a tengelyekre (általában 1:10-hez arány követendő). Így a diagram áttekinthető és jól kezelhető. Az előző cikkben bemutatottak alapján belátható, hogy vektorok vízszintes tengelyre dobott vetülete adja a C_x, függőleges tengelyre pedig a C_y tényezőket.

Ezen diagramokból sok hasznos információt nyerhetünk ki. Első ránézésre meg tudjuk állapítani, mi a felhajtóerő legnagyobb és legkisebb tényezője (C_y=f(α) minimuma és maximuma), milyen állásszögeknél kapjuk ezeket az értékeket (α_kr). Azonnal szembetűnik az is, hogy a példában vett aszimmetrikus szárny legkisebb ellenállását nem 0°-nál kapjuk, hanem szimmetrikus szárnyprofiloktól ellentétben, attól kisebb állásszögnél. Az is megfigyelhető, hogy az állásszög növelésével a szárny ellenállása eleinte csak kis mértékben, utána körülbelül 6°-8° környékén elkezd fokozatosan, α_kr kritikus szög közelében pedig meredeken nőni. Eközben a felhajtó erő meredek, majdnem lineáris növekedést mutat, és csak a kritikus szögnél lapul. Minél meredekebben emelkedik a görbe, annál nagyobb az 1° állásszögváltozásra jutó felhajtóerő változás. Kritikus szöget elérve az áramlások a szárny nagy felületéről leválnak. Ekkor a felhajtó erő hirtelen lecsökken, az ellenállás megnő, a szárny átesik. A legjobb siklószám és merülősebesség ugyanazon szárny esetében nincs ugyanannál az állásszögnél és egy pár extra vonal megszerkesztését igényli majd.

A legkisebb merülősebességet nagyobb állásszögnél érjük el, mint a legjobb siklószámot. Egy adott profil alkalmazása esetén elérhető legjobb siklószám értékét a kezdőponttól a polárgörbéhez húzott érintő adja meg. Az érintkezési ponthoz tartozó c_x és c_y értékeket elosztva kapjuk a legjobb siklószámot, a c_y/c_x itt a legnagyobb, a eredő légerő vektora ezen a ponton zár be a legnagyobb szöget az áramlás irányához képest. A legkisebb merülősebesség (és ezzel együtt a legkisebb siklószöget) úgy kapjuk, hogy egy érintőt keresünk a görbéhez, melynek a C_y metszési pontja pont 1/3-a az érintkezési pont c_y értékének. Ezen a ponton a c_y³/c_x² emelkedési szám éri el a maximumát.

Negatív tartományban ugyanez a helyzet, ugyanúgy megtalálhatók a “jelentős” pontok. Csak más értékeknél, mert a vizsgált profil aszimmetrikus. Szimmetrikus profilok esetében a pozitív és negatív tartományok grafikonjai tükörképei egymásnak. Megvizsgálva a leggyakrabban alkalmazott profiljainkat észrevesszük, hogy állásszög-tartományunk igen korlátozott, nagyjából 3° és 15°közé esik mindkét irányba. Az igazán jó teljesítmények sávja még ennél is sokkal szűkebb.

A szárnyszelvények légerőtani tulajdonságait elsősorban a geometriai kialakítása határozza meg, de ezen kívül számos olyan tényező játszik még közre, amelyeket közelebbről meg kell vizsgálni. Ilyen például a határréteg jellege, szárnyfelület simasága. Megvizsgálva a polárgörbék alakulását lényegében a repülőgép jóságát is megkörnyékezzük. Eltérő profilok grafikonjait összehasonlítva számos fontos megállapítást tehetünk profiljainkkal kapcsolatosan, azonban ezen erők összehasonlítását csak azonos megfúvási sebességnél célszerű elvégezni. Ezen ismeretek hasznosak lehetnek, ha kisebb mértékben igazítani szeretnénk a meglévő profilunkon.

d– a szelvény vastagsága; xd– a szelvény legnagyobb vastagságának a helye; τ– kilépő él kialakítása.

f – a szelvény íveltsége; xf– az íveltség legnagyobb értékének helye; r0– belépő él lekerekítésének sugara;

A profil geometriai paramétereit általában százalékban adják meg a húr hosszúságának viszonylatában. Vagyis, ha a szárnyunk profilja 100 cm hosszú, akkor a 18%-os (vagy c=0,18) vastagság abszolút értékben 18 centiméteres vastagságot jelent. Különböző alakú szárnyszelvények légerőtani jellemzőit szélcsatorna kísérletekkel állapítják meg és profilcsaládokat alakítanak ki. A szelvények a nevüket általában az aerodinamikai intézet, néha a kutató személy után kapják: CAGI, NACA, Gö, Benedek. A szelvényeket családon belül számértékekkel jelölik, melyek a főbb geometriai jellemzőket adják meg. Így a NACA23012 nevéből a következő tulajdonságokat olvashatjuk le: íveltség 2%, íveltség maximuma 30%-on, vastagsága 12%, de a számozás családfüggő!

Felhajtó erő, ellenállás, nyomásközéppont és a Reynolds szám kapcsolata. (Re) – egy dimenzió nélküli szám, mely a kísérletben kialakított, és a gyakorlatban alkalmazott szelvény geometriai és áramlástani hasonlóságát adja meg. Profilok összehasonlításában nagyon fontos szerepet játszik, hiszen eltérő Re számoknál nem csak mennyiségi, de minőségi változásokat is figyelhetünk meg a szárny reakciójában. Mivel a szám sok paramétertől függ, és minden minden pontra figyelembe venni szinte lehetetlen, így közelítő számolást érdemes csak elvégezni nagyságrend meghatározása céljából, figyelembe véve, hogy a levegő átlag sűrűsége =14,4·10^-6 m²/s (15°C, 1013,2 mbar). Ezt követően a számot a test hossza (húr hossz) és áramlási sebesség (repülési sebesség) ismeretében könnyedén meghatározható. Belátható, hogy a modellrepülőgépek szempontjából a Re szám tartománya körülbelül 50 000 és 700 000 érték közé esik.

   

ahol – a közeg (levegő) sűrűsége (kg/m³); – az anyagra jellemző dinamikus viszkozitás (Pa·s), – a kinematikai viszkozitás (m²/s), – a húr hossza (m), – az áramlás sebessége (m/s).

Aerodinamikai kutatások korai szakaszában már kimutatták (1937, NACA rep.: 586), hogy a hasonlósági mutató értéke jelentősen befolyásolja a maximálisan elérhető felhajtóerő értékét, a szárny ellenállását és a profil átesés körüli viselkedését. A kísérletekben megfigyelték, hogy az állásszög növelésével a felhajtóerő azonos sebességgel növekszik ugyanazon profil esetében (függvény görbéje ugyanolyan meredek). Azonban nagyobb Re számnál a felhajtóerő maximuma és az átesés is nagyobb állásszögnél következik be. Általában elmondható, hogy ha a profil jól teljesít alacsony Re számnál, akkor a magasabb tartományban sem lesz vele gond.

A geometriai kialakítás és a tulajdonságok alakulása. Egy szárnyszelvény olyan jellemzői, mint vastagság (d), íveltség (f), azok maximumának relatív helyei (x_d, x_f) és a belépő él lekerekítésének sugara döntően befolyásolják a profil légerőtani tulajdonságait. Ezek közül talán a profil vastagságának a hatása a legegyértelműbb, hiszen ha vastagabb a profil, akkor a homlokprofilja, vagyis az áramlással merőleges vetülete nagyobb. A vastagság növekedésével azonban az ellenállással együtt a felhajtó erő maximuma is nő. A vastágsággal és annak maximális értékének helyét változtatva megváltozik a profil orrának lekerekítési sugara is, és ez elsősorban az α_k – kritikus állásszög környékén érezteti hatását. Ha ugyanis a lekerekítési sugár nagy, akkor az áramlatok nem válnak le hirtelen a szárny egész felületén, hanem a leválási pont fokozatosan halad a profil orra felé. A hegyesorrú, és általában vékonyabb profilokon, az áramlás zavartalan egy bizonyos szögig, utána lavinaszerűen leválik az egész felületen, hirtelen ellenállás növekedést és felhajtóerő csökkenést idézve elő. NACA 0006 profil esetén Re 70 000 számnál átesés körülbelül 5°-nál következik be. Átesés utáni felhajtó erő növekedés a szárny alatti nyomásnövekedéssel magyarázható.

A kísérletek tisztább képet nyújtottak arról is, miként viselkedik a szárny átesés előtt és legfőképpen utána. Lényegében átesés három főbb formáját különböztettek meg: hirtelen, éles és fokozatos átesés és természetesen ezek között számos átmenet létezik (lásd N60 profil tulajdonságait különböző Re számoknál). Eközben megfigyelték az átesés hiszterézis tulajdonságát is, mely azokra a profilokra jellemző, amelyeknél hirtelen felületi vonalvezetés változás (másként fogalmazva kis sugarú lekerekítés) található. A hiszterézis lényege, hogy az átesés után vissza is visszük a szárnyat az átesés előtti szögbe, az áramlások, és ezzel a felhajtóerő nem nyeri vissza eredeti értékét, míg a kritikus állásszög alá nem visszük a szárnyat. Egyes profilok különösen hajlamosak erre a “hisztire”, különösen, ha egy felületi maximumot egy hosszabb egyenes, vagy süllyedő (konkáv) szakasz követi.

Szimmetrikus profilokkal viszonylag alacsony maximális felhajtóerő érhető el, ezért csak a műrepülő repülőknél alkalmazzák illetve stabilizátorok kialakításánál. Az íveltség kialakításával, és annak értékének növelésével az elérhető felhajtóerő értéke is arányosan nő. Egy ilyen profil ellenállás-tényezője is kisebb, mint a hasonló vastagságú szimmetrikus profilé. Ezért a felhajtóerő növelése érdekében a középvonal íveltségének növelése gazdaságosabb megoldás. Hogyha különösen nagy felhatóerő-tényezőre van szükségünk kis sebességnél, akkor az íveltség maximumát célszerű a húrhossz utolsó harmadába helyezni. Az erősen ívelt profilok hátránya, hogy maximum elérése után erőteljesen átesnek és nagy a nyomásközéppont vándorlásuk.

Összegezve elmondható, hogy a profil vastagságának növelésével megnyújtja a felhajtóerő görbét C_y irányában, így nagyobb felhajtóerőt érhetünk el. Maximum pontjának előretolásával a görbe meredekebbé válik, és kisebb mértékben veszítünk a felhajtóerőből. Mindkét módosítás azonban alaki ellenállás növekedéssel jár előrehozott örvények miatt. Eközben a profil “nyugodtabbá” válik, ami az irányítást könnyebbé, kiszámíthatóbbá teszi. De hogy a vékony profilokat is dicsérjük, meg kell jegyezni, hogy alacsony Re számnál (30 000 környékén) és kis állásszögeknél a vékony profilú (~6%) vagy lapszárnyú gépek jobban teljesítenek, mint a gömbölyded társai. Analitikai módszerrel összehasonlítva sikerül kimutatni, hogy 200 000 értékig a vastag, 14-18% szelvények használhatóak sikeresen, de kezdve a 100 000 értéktől a többszázas tartományig a 8-12% vastagságú profil a preferált. Az íveltség fokozása pedig felfelé tolja a polárist, így a negatív tartományban kedvezőtlenebbül viselkednek. Ezért az ívelt profilok kevésbé alkalmasak a műrepülő gépek szárnyainak kialakítására. Mivel egyik érték sem növelhető korlátlanul tulajdonságok romlása nélkül, ezért az optimális választás körülbelül 10% vastagság és 2% íveltség környékén van, ahol c_y/c_x a legnagyobb értékeket vesz fel.

Minél nagyobb az íveltsége a profilnak, annál nagyobb a nyomásközéppont vándorlása, és annál nagyobb fogatónyomaték ébred a szárnyon, ami nagyobb stabilizátorokat igényel a kompenzáláshoz illetve változó megfúvásnál jelentős minőségi változást okoz. Nagyon ritka az egyszerű körszegmens formájú középvonal, általában bizonyos célnak megfelelően alakítják ki. Matematikai modellekre épülő profilok középvonala általában valamilyen szabályt követ. Például a NACA négyjegyű sorozata profiljainak középvonala két parabola szegmensből van képezve, melyek tangenciálisan vannak összekapcsolva a legmagasabb íveltség pontjában. Ezert a NACA profilokat nem csak íveltség magassága és helye alapján osztályozzák, hanem a középvonal sorozatokra is bontják. A legnépszerűbb a A=1 középvonal, mely egyenletes terheléseloszlást biztosít a profil mentén. A téma mélyebb megismeréséhez érdemes saját profilokat készíteni és elemezni tulajdonságaikat profilszerkesztő és elemző szoftverek segítségével (MacFoil, Airfoilplot, Compufoil, Xfoil, Profili).

A vastagság helyének módosításáról annyit kell tudni, hogy hatással van a lamináris áramlás megmaradására, ugyanis ez az áramlás marad, míg csökken a nyomás (vastagszik a profil). Nyomás növekedésével átvált turbulensé, melynek ellenállása nagyobb. Hagyományos szelvényeknél a lamináris áramlás a maximum a húrhossz 30%-áig tart ki. Ha azonban a maximális magasságot hátrább toljuk, a lamináris határréteg akár a húrhossz 40-60%-áig is kitart. Arra a kérdésre, hogy hol helyezkedjen el az íveltség maximuma,  a legnagyobb vastagság helye adja meg a választ. A gyakorlat azt mutatja, hogy ha a profil 30%-nál a legvastagabb, akkor az íveltség legkedvezőbb helye körülbelül a húrhossz 40%-ánál keresendő, a profil vastagsága a húrhossz 50%-ánál tetőzik, akkor az optimális íveltség helye 45% környékén keresendő.

Egy-két konklúzió az elméleti anyagból: 1. A jó átlagteljesítményt a minimális merülési sebességre való törekedéssel, vagyis minimális terheléssel és maximális c_y³/c_x² – emelkedési szám elérésével tudjuk biztosítani. Az emelkedési szám csak profil, állásszög és Reynolds szám függvénye. Ezért a vitorlázó modellek teljesítménynövelő lehetőségei a megfelelő profil, maximális c_y/c_xértékhez tartozó állásszög beállítása és hogy a modell a kritikus fölötti Reynolds-számmal repüljön. 2. Vitorlázók számára alacsony ellenállás és forgatónyomaték alacsony Rn szám mellet nélkülözhetetlenek. Műrepülő gépek számára szimmetrikus profil alacsony C_m értékkel a jó választás fokozatos átesési tulajdonsággal a szűk fordulók miatt. Emellett maximális C_y értéket kell keresni, ami csak elérhető.