PROBLEMY ROZWOJU PROFILI LAMINARNYCH RODZINY NN 18 maja 2013 r. w warszawskim Muzeum Techniki PKiN odbyło się spotkanie poświęcone rozwojowi profili szybowcowych serii NN, które poprowadził dr inż. Stanisław Skrzyński. OKOLICZNOŚCI POWSTANIA PROFILI Charakterystyki pierwszego szybowcowego profilu laminarnego Wortmann Fx 61-168 1 Wykład o samych profilach mógłby wielu osób nie zainteresować, jako zbyt naukowy, postanowiłem więc opisać specyfikę naszej pracy w tamtym okresie. Dziś większość młodych ludzi nie widziała suwaka logarytmicznego czy planimetru, nie mówiąc o umiejętności ich użycia, natomiast dla nas to były podstawowe narzędzia obliczeniowe. Oczywiście, nie było mowy o wsparciu badań jakimiś symulacjami obliczeniowymi wszystkie wyniki uzyskiwaliśmy na drodze eksperymentalnej. Mówię tu o czasach, kiedy prace prowadził prof. Jerzy Ostrowski; w 1988 r. pałeczkę przejął dr Krzysztof Kubryński. Z dzisiejszej perspektywy prace obu naukowców należą do innych epok: dr Kubryński kompletnie zmienił podejście do projektowania profili, wprowadził zupełnie nowe techniki, ale też i wymagania. Trzeba jednak podkreślić, że wiązało się to z ewolucją narzędzi pracy, ale też z rozwojem wiedzy o aerodynamice profili szybowcowych. Zmiany polityczne w Polsce też nie pozostały bez wpływu w latach 70., kiedy kupiliśmy od Niemców kalkulatory Spectrum, sprzedający głowili się, czy nie są one objęte embargiem NATO W latach 60. XX wieku w szybownictwie nastąpiła zmiana materiału konstrukcyjnego: kompozyty zaczęły wypierać drewno. Zmiana ta oznaczała możliwość dokładniejszego zadania geometrii płatowca, a także lepsze utrzymanie kształtu płata w czasie. Drewno, nawet najlepiej zabezpieczone, zawsze będzie podatne na wpływ atmosfery Dzięki tej zmianie, pozornie niezwiązanej z aerodynamiką, stosowanie szybowcowych profili laminarnych stało się zasadne. Muszę podkreślić, że chodzi o profile szybowcowe. Katalogi profili NA- CA były dostępne i można było znaleźć w nich charakterystyki profili laminarnych, ale raczej samolotowych. Odznaczały się one wąskim, wyraźnie zarysowanym siodłem laminarnym dla małych wartości Cz; umożliwiało to zmniejszenie oporów podczas lotu poziomego z dużą prędkością. Ponadto opublikowane charakterystyki uzyskano dla zbyt dużych liczb Reynoldsa powyżej 3 milionów, co w szybownictwie jest praktycznie górną granicą Re. Niemniej próby zastosowania profili NACA w szybownictwie były podejmowane wystarczy wspomnieć szybowiec IS-7 Osa, zbudowany na bazie Muchy w 1950 r. Pierwszym profilem specjalnie zaprojektowanym dla szybownictwa był profil Wortmann Fx-61-168. Oznaczenie profilu mówi, że był to profil o grubości 16.8%, zaprojektowany w 1961 roku. Była to ewolucja przedwojennych profili Göttingen, przeznaczona dla szybowców bezklapowych. Jak pokazu-
ją załączone charakterystyki, profil ten charakteryzował się przepływem laminarnym do ok. 60% cięciwy na dolnej powierzchni (powyżej kąta natarcia odpowiadającego krawędzi siodła laminarnego). Na powierzchni górnej strefa przejścia systematycznie przesuwa się ku noskowi profilu wraz z wzrostem kąta natarcia. Z tego względu można powiedzieć, że jest to profil pół-laminarny nie można powiedzieć, że górna powierzchnia jest bardzo zlaminaryzowana. Z drugiej strony, turbulizacja warstwy przyściennej nie może wystąpić zbyt daleko, bo to grozi gwałtownym wzrostem oporu i ewentualnym oderwaniem. Wiedzą o tym modelarze, którzy często muszą na skrzydłach szybowców swobodnie latających naklejać turbulizatory. METODYKA BADAŃ Zakład Aerodynamiki Politechniki Warszawskiej, gdzie powstawały profile NN, zajął się profilami szybowcowymi pod koniec lat 60., ale już w 1949 r. w Technice Lotniczej ukazał się artykuł prof. Bukowskiego omawiający profile laminarne NACA. Ten rok można uznać za początek naszego zainteresowania profilami laminarnymi. Wtedy też zaczęto myśleć o badaniach takich profili, ponieważ mieliśmy możliwość budowy małego tunelu laminarnego. Co ciekawe, wpływ na to mieli niemieccy marynarze, którzy w marcu 19455 r. u wejściu do portu w Gdyni zatopili pancernik Gneisenau. Z tego okrętu wydobyto kilka układów Ward-Leonarda, które wówczas były jedyną metodą zmiany obrotów silnika elektrycznego prądu stałego. Właśnie taki napęd zbudowano w tunelu, o którym mowa. Był to malutki tunel o obiegu zamkniętym, z komorą pomiarową o wymiarach 250x600 mm i maksymalnej prędkości 80 m/s. Mogliśmy w nim badać profile o cięciwie do 450 mm, co dawało liczbę Reynoldsa 2.4 mln. Te profile można jednak było badać tylko przy małych kątów natarcia; dla większych kątów dochodziło do zatkania tego tunelu, czyli konieczności wprowadzania nadmiernych poprawek. Charakterystyki dla dużych kątów natarcia były wyznaczane za pomocą profili o mniejszej cięciwie, nawet 200 mm. Z czasem, kiedy nabraliśmy biegłości w interpretacji wyników, przeszliśmy na modele o cięciwie 300 mm, które mogliśmy badać w całym zakresie kątów natarcia. To pozwoliło nam na porównanie naszych wyników z wynikami pochodzącymi z innych tuneli aerodynamicznych. W tym miejscu chciałbym zauważyć, że żaden aerodynamik nawet nie marzy, że otrzyma pełną zgodność z wynikami literaturowymi. Każdy tunel cechuje się bowiem innym poziomem turbulencji, który wpływa na położenie punktu turbulizacji warstwy przyściennej, a więc na otrzymywane charakterystyki. Można i należy zmierzyć poziom turbulencji tunelu (w naszym przypadku wynosił on ok. 0.15% dla małej prędkości, dla większej nieco więcej), ale jej regulacja jest sprawą bardzo złożoną. Można sobie to uświadomić wiedząc, że turbulencją jest m.in. hałas Podstawową metodą badawczą, jaką stosowaliśmy podczas badań profili, była metoda rozkładu ciśnienia statycznego na obwodzie profilu. W modelu zatopione były rurki połączone z manometrem wodnym mierzącym ciśnienie; oczywiście, na drugim końcu rurki był otworek zlicowany z powierzchnią modelu. Tak zmierzone ciśnienia należało następnie odpowiednio scałkować, by otrzymać współczynnik siły nośnej i współczynnik momentu pochylającego. Alternatywą był pomiar ciśnień na ścianach tunelu. Jednak na Komora pomiarowa tunelu małej turbulencji podstawie rozkładu ciśnień nie można obliczyć współczynnika oporu profilowego do tego potrzebny był pomiar rozkładu ciśnienia całkowitego w śladzie aerodynamicznym za modelem. Ciśnienie spiętrzenia jest przecież miarą pędu strumienia powietrza. Zagadnienie okazało się jednak złożone, gdyż klasyczny grzebień aerodynamiczny (który wygląda jak zwykły grzebień, ale każdym jego ząbkiem jest rurka Pitota mierząca ciśnienie spiętrzenia) okazał się zbyt mało dokładny. Początkowo radziliśmy sobie trawersując ślad pojedynczą rurką Pitota, ale me- 2
toda ta była ogromnie pracochłonna. W końcu jednak udało nam się zbudować dobrze działający grzebień, spełniający rygorystyczne wymogi. Przede wszystkim, każda z rurek musiała cechować się takim samym spadkiem ciśnienia, zaś przepływ w jej wnętrzu musiał być laminarny. Dodatkowym problemem było takie ustawianie grzebienia, by objął cały ślad za modelem; robiliśmy to tak, by ciśnienia mierzone na obu jego końcach były sobie równe. Model przystosowany do pomiaru rozkładu ciśnień Grzebień do pomiaru ciśnienia całkowitego w śladzie za modelem Pomiary ciśnienia nie były jedynymi, jakie stosowaliśmy podczas badan profili. Warstwę przyścienną analizowaliśmy m.in. przez pomiary sondą termoanemometryczną. Pierwsza z metod umożliwiała nam pomiar rozkładu prędkości w pobliżu powierzchni profilu, potrzebny do określenia grubości warstwy przyściennej. Sonda termoanemometryczna to po prostu cieniutki drucik (o średnicy kilku mikronów), przez który przepływa prąd. Zmiana prędkości powietrza opływającego sondę powodowała zmianę jego temperatury, od której z kolei zależy opór elektryczny drucika. Znając charakterystykę sondy można na podstawie zmiany parametrów prądu obliczyć prędkość powietrza. W teorii brzmi to całkiem prosto, ale w praktyce pojawiały się problemy. Otóż charakterystyka sondy jest bardzo wrażliwa na zmiany temperatury powietrza, która w tunelu o obiegu zamkniętym nieubłaganie wzrasta. Wynika to z faktu, że powietrze cyklicznie opływa w pobliżu silnika, chłodząc go. Doprowadziło to aż do zmiany konstrukcji tunelu przerobiliśmy go na tunel o obiegu otwartym. Na jego wlocie musieliśmy dodać możliwie skuteczne filtry powietrza, gdyż kurz osadzający się na sondzie zmieniał jej charakterystykę jeszcze skuteczniej, niż zmienna temperatura. Zapewnienie wiarygodnego pomiaru prędkości sondą termoanemometryczną to tylko jedna z kwestii, która przysparzała nam sporych problemów. Drugą była kwestia jej ustawienia jak najbliżej powierzchni modelu, ale unikając ich zetknięcia; kontakt sondy z modelem praktycznie równał się zerwaniu drucika. Na szczęście, opanowaliśmy technikę samodzielnego wykonywania sond tyle, że zgrubienia na końcach drucika były wykonane przez miedziowanie, a nie złocenie. Ponieważ wykonywaliśmy sondy sami, mogliśmy zaoszczędzić kilkadziesiąt dolarów za każdą sondę. Poniższa fotografia ilustracją rozwiązania kłopotu pomiaru odległości sondy od modelu. Określaliśmy ją obserwując odległość drucika od jego odbicia od politurowanej powierzchni modelu i porównując ją z wymiarami sondy. Regulację położenia sondy zapewniała śruba mikrometryczna, widoczna na zdjęciu komory pomiarowej. Na tym samym zdjęciu widać też pokrętła, za pomocą których przesuwaliśmy sondę wzdłuż osi tunelu. Aby taki ruch był możliwy, należało w ścianach komory pomiarowej wykonać nacięcia, osłonięte elastycznymi wargami. Za pomocą termoanemometrii można ocenić nie tylko grubość warstwy przyściennej, ale również jej charakter. To ostatnie można jednak łatwiej osiągnąć stosując wizualizację olejową, czyli pokrywając powierzchnię modelu olejem i obserwując jego zachowanie. Wygląd modelu po wizualizacji ilustrują poniższe fotografie porównujące opływ profilu Fx 61-168 i naszego NN-8 (dla tego samego Cz, ok. 0.85). 3
Sonda termoanemometryczna przy powierzchni modelu Wyniki wizualizacji olejowej Zdjęcia z wizualizacji ilustrują położenie pęcherzy laminarnego oderwania, które są jednym z dwóch sposobów turbulizacji warstwy przyściennej. Są one widoczne jako czarne obszary. W przypadku profilu Wortmanna taki pęcherz występuje niemal na samym nosku, ale nie ma (dla tego Cz) destrukcyjnego wpływu na charakterystyki, bo warstwa przyścienna za nim robi się turbulentna. Ogólnie warstwa turbulentna ma mniejsze tendencje do oderwania, czyli jest bardziej stateczna. Widzimy, że cały czas są naprężenia styczne na tym profilu dopiero tam, gdzie widzimy ciemny obszar, pojawia się oderwanie. W przypadku NN-8 bąbel pojawia się mniej-więcej w połowie cięciwy, zaś za nim występuje warstwa turbulentna. Sam pęcherz laminarny, jak się okazuje, może bardzo wyraźnie wpłynąć na charakterystyki profilu (zwłaszcza na Cx) w przypadku niskich liczb Reynoldsa. Przykładem mogą być pokazane poniżej biegunowe doświadczalnego, silnie zlaminaryzowanego profilu 5013M4-0. Czarna krzywa dotyczy profilu gładkiego przy liczbie Reynoldsa równej zaledwie 0.6 mln. Jej przebieg jest diametralnie różny od spodziewanego, co jest właśnie efektem pęcherza laminarnego. Sam pęcherz jest widoczny na rysunku po prawej stronie, sporządzonym na podstawie badań sondą termoanemometryczną. Przepływ zobrazowano liniami stałej prędkości potencjalnej (czyli prędkości odniesionej do prędkości na granicy warstwy przyściennej). Analiza poniższych wykresów pokazuje, że problemów z pęcherzem laminarnym można pozbyć się na dwa sposoby. Pierwszym jest zwiększenie liczby Reynoldsa jaśniejsza krzywa odnosi się do profilu gładkiego przy Re=1.56 mln. Sposób drugi (krzywa ciemniejsza) to zastosowanie turbulizatora; Biegunowe profilu doświadczalnego ilustrujące wpływ pęcherza laminarnego oderwania Rozkład prędkości potencjalnej ilustrujący pęcherz laminarnego oderwania 4
w tym przypadku występował on w 70% cięciwy na dolnej powierzchni oraz w 53% na powierzchni górnej. Aerodynamicznie jednak jest to ten sam sposób: sturbulizowanie warstwy przyściennej zanim wystąpi pęcherz oderwania laminarnego; jak wspomniałem, warstwa turbulentna jest mniej podatna na oderwanie. Tyle tylko, że położenie turbulizatora musiałoby być zmienne, przynajmniej na górnej powierzchni. Według charakterystyk profilu Wortmann Fx 61-168, które pokazano wyżej, punkt przejścia na górze modelu wędruje ze wzrostem kąta natarcia od 50% do może 10% cięciwy Znacznie łatwiej jest pozbyć się pęcherza z powierzchni dolnej, gdzie jego położenie jest stabilne; obecnie służą do tego turbulizatory w postaci przeszkód lub otworków, z których wypływa minimalna ilość powietrza. Aby dokończyć opowieść o tym, co dzieje się w warstwie przyściennej dodam, że drugim, obok pęcherza laminarnego oderwania, sposobem jej turbulizacji są tzw. plamki turbulencji, czyli takie płaskie, cienkie przepływy poprzeczne płynące Plamki turbulencji drugi model turbulizacji warstwy przyściennej na powierzchni. Przykładem są jakby wypryski piasku ku górze, jakie można czasem zaobserwować nad morzem. W tym przypadku przejście warstwy laminarnej w turbulentną następuje łagodnie, dłuższej drodze i nie ma jakiegoś wyraźnego oderwania czy wyhamowania warstwy przyściennej. Obserwacje warstwy przyściennej, których wyniki pokrótce omówiłem, miały nam posłużyć do znalezienia jakichś ogólnych wytycznych do projektowania profili. Badania te były finansowane przez Instytut Podstawowych Problemów Techniki. Bielskie SZD nie było zainteresowane badaniami podstawowymi im chodziło o stworzenie konkretnego profilu, dla konkretnego szybowca. O ile Wortmann stworzył swój pierwszy profil modyfikując profil Göttingen, tak dla nas punktem wyjścia był profil NACA 63 3-618. Profil rozbiliśmy na cztery gałęzie i sprawdzaliśmy, jak zmiana każdej z nich wpływa na charakterystyki. Niezależnie analizowaliśmy nosek profilu. Podział profilu przedstawiony jest w górnej części poniższego rysunku. W jego dolnej części jest przykład, jak górna powierzchnia tylnej części i spód noska zmienia charakterystykę. Widać przesunięcie siodła laminarnego w prawo, ale bez znaczącego wzrostu oporu aerodynamicznego. Uzyskaliśmy też niewielkie powiększenie współczynnika siły nośnej wskutek opóźnienia oderwania. Podział profilu na niezależnie analizowane gałęzie 5 Przykładowy efekt modyfikacji Po wielu próbach opracowaliśmy profil, który półżartem oznaczono NN-8. Litery NN oznaczają no name nieznany. Widać różnicę w podejściu do nazewnictwa między nami a NACA czy Wortmannem oznaczenia ich profili niosą w sobie dużo informacji o profilu. Z czasem, gdy liczba modyfikacji się zwiększyła, zaczęliśmy tej niefrasobliwości żałować
Porównanie profili NN-8, NN-27 i Fx 61-618 Jak widać na rysunku, NN-8 powstał przez jakby obniżenie krawędzi spływu i całej tylnej części profilu. Na tym samym rysunku naniesiono zarys późniejszego profilu, NN-27, zastosowanego na szybowcu SZD-55 Promyk. Profile są karykaturalnie rozsunięte w pionie, aby można było dostrzec różnice między nimi. Zmiany kształtu były subtelne, ale dały wyraźne wyniki. Zwiększyliśmy użytkowy zakres kątów natarcia o około 2, praktycznie nie zmieniaj ąc oporu dla danego Cz. Ponieważ zamawiający, a dokładniej dyrektor SZD, Jerzy Śmielkiewicz, był sceptycznie nastawiony, nasze wyniki zostały potwierdzone w niezależnych badaniach przez Instytut Lotnictwa. Różnice tych charakterystyk nie były znaczące. Otrzymaliśmy zupełnie zadowalającą zgodność pamiętajmy, że różnica poziomu turbulencji uniemożliwia uzyskanie stuprocentowej zgodności. W związku z tym Bielsko nabrało pewnego zaufania i profil NN-8 trafił na bardzo udany szybowiec Jantar Standard. Powyżej: porównanie charakterystyk profili NN-8 i Fx 61-168 Po prawej: charakterystyki profilu NN-8 wyznaczone przez Politechnikę Warszawską i Instytut Lotnictwa Profil NN-8 stał się profilem wyjściowym do dalszych prac. Jedną z nich było zmniejszenie jego grubości do 13% na dwa sposoby: względem cięciwy i względem szkieletowej. Modyfikowaliśmy też kształt noska. 6
Profil NN-8 powstał jako bezklapowy, jednak zrobiliśmy też badania z klapą bezszczelinową. Okazało się, że można zastosować go w części lotkowej skrzydła, jednak klapa prędkościowa nie będzie z nim dobrze współpracować. To jednak z punktu widzenia szybowca klasy standard, który nie może mieć klap, jest bez znaczenia. Kiedy Jantar Standard zaczął latać, niektórzy zawodnicy doszli do wniosku, że ten szybowiec ma złe właściwości na małych prędkościach. Poproszono nas, byśmy zmienili trochę charakterystykę szybowca, oczywiście bez ruszania jego podstawowej konstrukcji. Przyklejono płaską brewkę, bo trudno to nazwać klapką, dzięki której szybowiec stał się trochę krowiasty ; na małych prędkościach to było lepsze. Przy dzisiejszym stylu latania taka modyfikacja była niepotrzebna, ale wszyscy się już do Jantara przyzwyczaili. A o stylu latania świadczy opowiastka holownika, który wieczorem ściągał dwa szybowce z pola, na wysokości 500 m. Nagle holownik słyszy w radio: To co, tniemy dalej? i widzi pod sobą dwa Jantary Standard. Charakterystyki profilu NN-8 o grubości 13% (C względem cięciwy, S względem szkieletowej) Charakterystyki profilu NN-8 z klapą bezszczelinową (wychyloną o +15, -16.5 i w neutrum) Dalsze prace wiązały się z opracowaniem profili do szybowców SZD-55 i SZD-56. Tworząc go koncentrowaliśmy się na modyfikacjach noska, ale nie tylko. Efektem prac był profil NN-27, który znalazł się na szybowcu klasy standard, SZD-55 (nieoficjalnie nazywanym Promyk ). Szybowiec okazał się udany i nawet dziś jest chyba jednym z najlepszych szybowców szklanych z profilami 17%, bez turbulizacji. Ten sam profil, ale po dalszych modyfikacjach (tzn. pocienieniu do 13% oraz zmianie noska i spływu) trafił do Diany-1, czyli SZD-56. Tu takiego sukcesu nie było Diana jest szybowcem klapowym, a profil NN-27/13 nie był optymalizowany pod kątem użycia klapy prędkościowej. Troszkę powtórzyła się historia NN-8 i Jantara Standard. Trzeba też pamiętać, że kiedy powstawała Diana-1, aerodynamicy zaczęli projektować profile specjalnie pod kątem użycia klap, a także śmielej używają turbulizatorów na dolnych powierzchniach skrzydeł; o tym, ile to może dać, już wspominałem. W rezultacie Bielsko zamówiło do Diany Porównanie biegunowych profili NN-27/13 i DU138/14 (chyba nieco zbyt późno) profil DU138/14 7
u profesora Loeka Boermansa z politechniki w Delft. Okazało się, że w przypadku konfiguracji gładkiej nasz profil wcale nie ustępował profilowi Boermansa, ale wychylenie klap trochę tę relację psuło. Dalszy rozwój Diany, już za bramą SZD, to zasługa naszego młodszego kolegi z PW, Krzysztofa Kubryńskiego. Ale to, jak wspomniałem na wstępie, inna epoka. Warto też wspomnieć o profilu NN-11M, który został zastosowany na wyczynowej dwumiejscówce SZD-40x Halny. Jak wiadomo, szybowiec ten mógł powstać dzięki wypadkowi M. Królikowskiego, który w czerwcu 1968 r. w Lesznie rozbił Zefira-4 (a raczej jego kadłub). Ocalałe skrzydła postanowiono wykorzystać do nowego szybowca, którym był właśnie Halny. Przy okazji postanowiono poprawić ten profil, na ile to możliwe Zefir-4 cierpiał bowiem na niedostateczną doskonałość. Dziś wiemy, że był to efekt nieprawidłowo zaprojektowanych hamulców. Górna i dolna płyta hamulca wysuwały się ze wspólnej skrzynki, przez którą powietrze mogło przepływać, rujnując przepływ w tym rejonie. Różnica doskonałości między Zefirem-4 a jego starszym bratem, Zefirem-3 (wyposażonym w spadochronik hamujący) to niemal 10 jednostek! Ponadto Zefiry miały, co niespotykane w szybowcach, klapę Fowlera. Podczas adaptacji skrzydeł postanowiono zrezygnować z tych klap, a wstawić typową klapę prędkościową. Jednak należało zachować konstrukcję skrzydeł możliwie bez zmian, co skutecznie ograniczyło nam pole manewru. Praktycznie mogliśmy zmieniać nosek i spływ. Tak więc NN-11M bardzo przypominał nakowski profil Zefira-4 i pod względem geometrii, i charakterystyk, jednak udało nam się troszkę go poprawić. Podsumowując, profile z serii NN zostały zastosowane na szybowcach: Jantar Standard, SZD55, Perkoz, PW-5 i PW-6, na motoszybowcu AOS-71 oraz na samolocie ultralekkim JK-05. Konstrukcje te generalnie można uznać za udane; najlepszym dowodem może być fakt, że w Mistrzostwach Świata w klasie klub, rozgrywanych w Argentynie, aż 25% zawodników (wśród nich zwycięzca) startowało na Jantarach. SZD-41 Jantar Standard z profilem płata NN-8 Opracowanie tekstu: Paweł Ruchała SMIL Opracowanie graficzne: Paweł Ruchała SMIL 8