Типовые профили крыла имеют разную толщину: 6%, 9%, 12%, 21% - для чего это разнообразие? Как выбрать подходящий профиль?
Профиль прямоугольного сечения
Начну с худшего варианта: плоская пластина формально относится к гидродинамическим профилям и иногда используется на практике. Конструктивные достоинства шверта такого профиля: простота и низкая трудоёмкость изготовления; возможность защитить грани шверта от ударов металлической полосой в полную ширину.
При множестве недостатков такой профиль даже имеет одно гидродинамическое достоинство: срыв потока на пластине развивается постепенно с равномерным ростом сопротивления, в то время как на правильных гидродинамических профилях (особенно толстых) срыв происходит резко, вызывая взрывной (почти вертикальный) рост сопротивления при увеличении угла атаки (позднее увидите это на графиках).
Платой за равномерный рост сопротивления является турбулентный характер потока даже на малых скоростях и углах атаки и, следовательно, высокое полное гидродинамическое сопротивление. За острыми кромками образуются зоны турбулентности даже при нулевом угле атаки.
На спокойной воде за пером руля плоской формы можно наблюдать водовороты, которые образуются при повороте пера даже на 1-2 градуса. Это значит, что на формирование водоворотов затрачивается энергия и судно движется медленнее, чем могло бы.
Типовые профили NACA
Всем известное аэрокосмическое агентство NASA (National Aeronautics and Space Administration) до 1958 года носило другое название — комитет по аэронавтике NACA (National Advisory Committee for Aeronautics). Этот комитет в свою бытность разработал множество профилей, которые по сей день применяются в авиа- и судостроении. Прелесть использования профилей NACA заключается в том, что исчерпывающая информация по ним (отчёты об испытаниях, геометрия и т. д.) выложена в интернет в свободном доступе.
Рассматриваемые далее профили обозначаются 4-мя или 6-ю символами. Обозначения из 4-х символов содержат только цифры и имеют вид: NACA 0009, NACA 0012, NACA 0021. Обозначения из 6-ти символов содержат 5 цифр и символ-разделитель (дефис): NACA 63-009, NACA 64-012. Иногда вместо дефиса можно обнаружить символ, например: NACA 63A009 — это «серия 6A» (но в статье вы её не встретите).
Структура 4-х символьных обозначений NACA
- Максимальная кривизна профиля (f) в процентах от длины хорды. Для симметричных профилей это значение равно 0.
- Расстояние от передней кромки профиля до области максимальной кривизны измеренное в десятых долях хорды. Для симметричных профилей это значение равно 0.
- и 4. Две цифры, обозначающие максимальную толщину в процентах от длины хорды.
Структура 6-ти символьных обозначений NACA
- Номер серии, например: "1" или "6".
- Расстояние до зоны минимального давления, представленное в десятых долях длины хорды.
- Дефис (реже буква).
- Коэффициент подъемной силы, представленный в десятых долях.
- и 6. Две цифры, обозначающие максимальную толщину в процентах от длины хорды.
Сравним?
А давайте разберемся, чем же отличаются более современные 6-ти символьные профили от «старых» 4-х символьных? Сразу скажу: новые не лучше, они дают выигрыш только при определённых условиях, а выбор между ними — это классический аэродинамический компромисс: улучшаем одно за счёт ухудшения другого.
Распределение давления
На графике ниже приведена форма профилей NACA 0009 и NACA 65-009, а так же кривые распределения давления. Кривая со сноской CL=0 отображает распределение давления при нулевой подъемной силе (нулевой угол атаки). Кривая CL=0.06 (верх) - давление на верхней поверхности профиля при коэффициенте подъемной силы 0.06. Поток сверху профиля ускоряется, а давление падает (Cp принимает отрицательные значения), что создает основную часть подъемной силы. Кривая CL=0.06 (низ) - давление на нижней поверхности.
Профили NACA 6-серии имеют форму, которая дольше поддерживает благоприятный градиент давления, отодвигая область минимального давления назад по хорде, благодаря чему достигается меньшее сопротивление при малых углах атаки, а смещенная назад максимальная толщина обеспечивает профилю лучшую стабильность, чем у NACA 00хх.
Коэффициент полного сопротивления
Профиль NACA 63-009 обладает на 20% меньшим сопротивлением чем NACA 0009 в диапазоне углов атаки от 0 до 2 градусов. Диапазон указан для крыла (шверта) бесконечного удлинения, а при удлинении 3 (длина крыла в 3 раза превышает длину хорды) он будет примерно вдвое больше: от 0 до 4 градусов.
Это объясняется тем, что профили NACA 6-серии имеют смещение максимума толщины назад по хорде и, следовательно, более резкое изменение кривизны в носовой части при увеличении угла атаки. Угол чуть больше — и происходит отрыв пограничного слоя с образованием отрывного пузыря и увеличением сопротивления.
Кстати, вы заметили, что я перескочил с NACA 65 на NACA 63? Это потому, что у NACA 63 зона минимального давления ближе к передней кромке и он работает в большем диапазоне углов атаки, т.е. лучше применим для небольших швертботов, чем NACA 65.
Влияние формы носика
Изготавливая шверт ручными инструментами, легко исказить форму профиля, особенно в передней части. Давайте посмотрим, как влияет чрезмерное заострение или затупление передней кромки?
Судя по графикам, скруглять предпочтительнее, чем заострять. А ещё лучше максимально точно реализовать профиль. И уж точно не следует изобретать свой собственный :)
Влияние толщины профиля
Оценим влияние толщины профиля на сопротивление: график ниже показывает, что толстые профили в диапазоне углов атаки 3–6 градусов имеют меньшее сопротивление, чем их тонкие братья по серии. А толстые профили со смещенной назад областью минимального сопротивления имеют очень резкий рост сопротивления на углах атаки более 6 градусов (NACA 65-021).
А дальше нас ждёт самое интересное: влияние толщины профиля на подъемную силу. Следующий график показывает, что старые-добрые 4-х символьные профили имеют максимальную подъёмную силу при относительной ширине 12% (т.е. NACA 0012), профили 63 серии при 13%, профили 65 серии при 15%. Круглыми, квадратными и треугольными "точками" отмечены углы сваливания - это такие углы атаки, после которых подъемная сила начинает снижаться. Например: 9% профиль NACA 0009 имеет максимальный коэффициент подъемной силы CLmax=1.3 и угол сваливания 13 градусов.
Разница в коэффициентах подъёмной силы между толстыми и тонкими профилями исчезающе мала на углах атаки до 6 градусов, но сваливание (потеря подъемной силы) у тонких профилей происходит значительно раньше, чем у толстых.
Влияние величины удлинения
Все представленные выше графики построены для крыла бесконечного удлинения. Чтобы перейти к крылу (шверту) более-менее реального удлинения AR=3 (длина крыла в 3 раза превышает длину хорды), необходимо значения углов атаки увеличить на два. Иными словами, если выбранный профиль по графикам имеет преимущество в диапазоне углов атаки 3-5 градусов, то для реального шверта это будет соответствовать 6-10 градусам.
Этот график следует читать так: пусть нас интересует угол дрейфа 5 градусов, тогда шверт при удлинении AR=1 будет иметь примерно 1/3 подъемной силы, достижимой при AR=∞, а при AR=3 — половину. В отношении угла дрейфа: CL=1 достигается при 10 градусах, если AR=∞, и при 20 градусах, если AR=3.
Примечание: угол дрейфа примерно соответствует углу атаки, точное равенство нарушается из-за скоса потока и прочих факторов.
Практические рекомендации
Шверт и перо руля работают в разных условиях: шверт на малых углах атаки, и для него может хорошо подойти 63-я серия с шириной профиля 12–13% — NACA 63-012 (при этой ширине будет достигнута максимальная подъёмная сила при минимальной площади поверхности шверта).
Перо руля работает под большими углами атаки, чем шверт, и для него лучше подойдет 4-символьная серия. Подходящая ширина для тихоходных парусных судов может быть 12% — NACA 0012. Для более быстрых 9% — NACA 0009. На моём «Огоньке» перо руля как раз 9%.
Более толстые профили, например 21%, могут использоваться для швертов с заполнением внутреннего объёма балластом или построения высокопрочных швертов большого удлинения.
Примечание: профили 65-ой серии максимально требовательны к шероховатости поверхности и точности соблюдения формы, 63-я серия чуть менее требовательна, а 4-х символьная классика терпима к погрешностям изготовления.
Дополнение от 25.07.2025
Ниже представлен профиль швертбота "Луч". Ширина 34 мм, хорда 340 мм - то есть 10%, максимум ширины смещён от передней кромки на 30%. Этот профиль напоминает мне NACA 63-010. Удлинение AR=2. Хороший вариант для повторения.
Спасибо за внимание!
Как вам кажется - интересная тема? Взглянули лишь одним глазком, но кто захочет — найдёт возможность углубиться :)