Profil am Flugzeug

In der Strömungslehre sind Profile ein in Strömungsrichtung liegender Schnitt eines Bauteils, dessen Form eine Kraftwirkung bei bestimmter Wirkungsrichtung erzielen oder die Strömung möglichst verlustarm umlenken soll.
Das Profil verwendet man vor allem an Tragflügeln und Leitwerken von Flugkörpern, um Auftriebs- und Steuerkräfte zu erzielen. An Luftschrauben dienen sie dem Vortrieb, an Rotorblättern von Hubschraubern dem Auf- und Vortrieb, in Rotoren von Strömungsmaschinen erzielen sie eine Drehbewegung (Turbine) oder befördern und komprimieren das Medium (Verdichter oder Kompressor, Gebläse), in Statoren von Strömungsmaschinen lenken sie den Strom in eine gewünschte Richtung um.

Tragflügelprofil von Flugzeugen in ihrer geschichtlichen Entwicklung:
a − dünnes, unsymmetrisches konvexes Profil kleiner Unterschallgeschwindigkeiten für Flugzeuge vor dem ersten Weltkrieg;
b − unsymmetrisches, konvexes Profil (v < a) im ersten Weltkrieg;
c − unsymmetrisches Profil mit S-Schlag in der Zeit vor dem zweiten Weltkrieg (v < a);
d − laminarisiertes, symmetrisches Profil von Jagd­flugzeugen im zweiten Weltkrieg (v < a);
e − symmetrisches Profil von Jagdflugzeugen nach dem zweiten Weltkrieg (v = a);
f − symmetrisches, linsenförmiges Profil moderner Überschallflugzeuge (v > a);
g − symmetrisches Rhombus- und
h − unsymmetrisches Keilprofil für Flugkörper, die mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit i n großen Höhen operieren (z. B. Raumgleiter)

Die günstigste Form der Profile für bestimmte Verwendungszwecke wird mit Hilfe der Profiltheorie untersucht und in Windkanal- oder anderen Versuchen praktisch ermittelt. Von verschiedenen Instituten und Forschungszentren, die sich mit der Erforschung der Eigenschaften unterschiedlicher Profile beschäftigt haben, wurden Profilkataloge herausgegeben. Zum Kennzeichnen der Profilqualitäten enthalten diese neben den geometrischen Merkmalen vor allem die Beiwerte des jeweiligen Profiles. Besonders verdient um die Forschung und Formgebung der Profile machten sich N.J. Schukowski und L. Prandtl, die Gruppen von Profilformen entwickelten:

• Shukowski-Profil oder ZAGI-Profile (engl. TsAGI-profile); benannt nach dem Zentralen Aerohydrodynamischen Institut, (Beispiele: ZAGI-2, ZAGI-4, ZAGI-4M; russ. ЦАГИ-4М; TsAGI-541 Profil der Polikarpow Po-2)
  Shukowski-Profile sind die einzigen, die sich aufgrund einer Kreiskonstruktion entwerfen lassen (die Profilmittellinie ist der Teil eines Kreises), und bei denen der entstehende Auftrieb bereits vorher rechnerisch ohne Windkanalversuche ermittelt werden kann.
• Göttinger Profil Prandtls; Die Göttinger Profile werden mit „Gö" und einer Ordnungsnummer bezeichnet (z.B. Gö-485).
• Bekannt ist auch die Profil-Sammlung des amerikanischen „National Advisory Commitee for Aeronautics" mit der Bezeichnung „NACA" und einer anschließenden Zahl.
• Eppler-Profile und Wortman-Profile (Bezeichnung „FX“ mit fünf Ziffern) – Eppler und Wortmann führten nach 1955 Untersuchungen an Laminarprofilen durch. Jedes Profil war auf eine konkrete Aufgabe zugeschnitten. Es waren also nicht, wie die NACA-Profile, theoretische Variationen eines Ursprungsprofils.
• HQ-Profile (HQ steht für Horstmann/Quast aber auch für Helmut Quabeck): Die Profile von Horstmann und Quast entstanden am Institut für Entwurfsaerodynamik am DLR Braunschweig und werden von einer ganzen Reihe von manntragenden Flugzeugen, u.a. vielen Segelflugzeugen verwendet, so z.B. am Innenflügel der Schleicher ASH 25 (HQ17/14,38). Die Profile von Helmut Quabeck kommen eher im Modellflug zum Einsatz. Hier sei beispielsweise die HQ/ACRO-Profilserie genannt (Spezialprofile für Kunstflug), aber auch die HQ/S- (S-Schlag Profile) und die HQ/W-Profilserien (Profile für den Wölbklappeneinsatz).

Alle Profiltabellen enthalten die Beiwerte (C_A, C_W, C_M) der Profile unter verschiedenen Anstellwinkeln. Jedes Profil ist durch bestimmte geometrische Merkmale gekennzeichnet, die unter dem Begriff Profilgeometrie zusamengefaßt werden können. Die Form des gewählten Profiles ist weitgehend von Dichte und Strömungsgeschwindigkeit des Mediums sowie von der Aufgabenstellung für das Profil abhängig. Nach ihrer Aufgabenstellung werden Profile unter bestimmten Begriffen zusammengefaßt, so unterscheidet man z.B. Unterschall- und Überschallprofile für Tragflügel (Abb.) oder für Verdichter- und Turbinenschaufeln. Für den Hochleistungssegelflugzeugbau haben heute Laminarprofile besondere Bedeutung.

Profilgeometrie

Profilgeometrie
1: Nullauftriebslinie (zero lift line); 2: Flügelnase (leading edge); 3: Krümmungsradius der Flügelnase (nose circle); 4: Wölbung (camber); 5: maximale Profildicke (max. thickness); 6: obere Profilseite (upper surface); 7: Profilhinterkante (trailing edge); 8: Skelettlinie (main camber line); 9: untere Profilseite (lower surface)

Zusammenfassender Begriff für alle geometrischen Merkmale eines Profiles. Als Bezugsgröße zur Anströmrichtung wird der Anstellwinkel α verwendet, wobei definiert sein muß, ob er sich auf die innere(theoretische) oder äußere Profilsehne bezieht. Dazu gehören

• Profiltiefe t (engl. chord length) – der Abstand zwischen Vorder- und Hinterkante des Profils (identisch mit Profilsehne).
• Profildicke d und maximale Profildicke d_max – gemeint ist meist die maximale Profildicke, der maximale Abstand zwischen Profilober und -unterseite
• Radius des Nasenkreises r (engl. leading edge radius) (r_N) – der Radius des Nasenkreises an der Vorderkante; Nasenradius im Verhältnis zur Profiltiefe (r_N/t);
• Profilwölbung f
• Dickenrücklage x_d
• Wölbungsrücklage x_t
• Hinterkantenwinkel φ

Die Symbole für die einzelnen geometrischen Parameter eines Profils werden von Lehrbuch zu Lehrbuch recht uneinheitlich gehandhabt. Beispielhaft werden hier nur einige in Deutschland gebräuchliche Symbole aufgeführt:

• Nasenradius: r oder r_N oder a.
• maximale Profilwölbung: f oder p.
• Profiltiefe: t oder l₀
• Wölbungsrücklage: x_f oder m;
• Dickenrücklage: x_d/t oder b.
  Abstand zwischen Flügelnase und der maximalen Profildicke. Sie wird als Verhältnis oder in Prozent der Profiltiefe (der Länge des Flügels in Flugrichtung) angegeben. Die Dickenrücklage entspricht etwa dem Ort der maximalen Strömungsgeschwindigkeit und des kleinsten statischen Druckes.

Tendenzen

Heutzutage werden für den Profilentwurf die Profile nicht mehr aus Tabellen (mit den Abmessungen des Profils und den Druckwerten) ausgesucht, sondern das Profil wird individuell, entsprechend den vorgegebenen Leistungserwartungen, konstruiert.
Denn mit der Methode der „vorgefertigten“ Profile, zu denen auch die NACA-Profile zählen, ist keine lokal begrenzte Änderung des Profils möglich oder vorgesehen. Außerdem gehen heutzutage der Tragflügelentwicklung (Konfiguration und Auslegung) dreidimensionale Berechnungen voraus, während für die NACA-Profile nur zweidimensionale Berechnungen vorgesehen sind und überhaupt keine dreidimensionale Geometriedefinition vorgesehen ist (z. B. Pfeilung, Schränkung, Rumpf-Flächenübergang). Beim dreidimensionalen Tragflächenentwurf ist die Profilierung der Tragfläche nur ein Teilaspekt der dreidimensional optimierten Strömungsführung.
Der Prozess der Profilentwicklung hat sich gegenüber früher sozusagen umgekehrt. Das Profil wird nicht mehr einem Profilkatalog entnommen und daraus die Leistungsdaten berechnet, sondern nach Vorgabe der Leistungsdaten wird ein maßgeschneidertes Profil berechnet.