mini|hochkant=1.3|Geometrie eines Profils – 1: Nullauftriebslinie (zero lift line); 2: Flügelnase (leading edge); 3: Krümmungsradius der Flügelnase (nose circle); 4: Wölbung maximale Profildicke (max. thickness); 5: Wölbung (camber); 6: obere Profilseite (upper surface); 7: Profilhinterkante (trailing edge); 8: Skelettlinie (main camber line); 9: untere Profilseite (lower surface) mini|hochkant=1.3|Profillinie – 1: Profilsehne (chord), 2: Skelettlinie (Krümmung; camber), 3: Sehne, 4: Skelettlinie mini|hochkant=1.3|A: blaue Linie = Profilsehne (chord), grüne Linie = Skelettlinie (camber), B: blauer Kreis = Krümmungsradius (leading edge radius), C: x-y-Koordinatensystem für die Profilgeometrie (Profilsehne = x-Achse; y-Achse liegt an der Profilvorderkante an) Die NACA-Profile sind zweidimensionale Querschnitte von Tragflächenprofilen für Flugzeugtragflächen, die vom National Advisory Committee for Aeronautics (NACA, 1915–1958; ging 1958 in der NASA auf) für den Entwurf von Tragflächen () entwickelt wurden.
Die NACA-Profile sind Variationen eines Ursprungsprofils. Die NACA hat zur vereinheitlichten Beschreibung von Profilen zahlreiche Profiltabellen zu den verschiedenen NACA-Profilen erstellt (NACA-Katalog). Diese Tabellen enthalten geometrische Daten und die Profilbeiwerte (Auftriebskoeffizient cA, Widerstandskoeffizient cW und Momentenkoeffizient cM) für die verschiedenen Anstellwinkel.
Geschichte Während der 1930er Jahre wurden von der NACA verschiedene Variationen von Profilen und Profilkrümmungen untersucht. Dabei wurden auch die Profildicke, die Lage der Profildicke, die Lage der Profilkrümmung, der Radius der Flügelvorderkante und andere Profilparameter variiert. Die NACA untersuchte erstmals 1933 am Langley Research Center systematisch die Eigenschaften von 78 Tragflächenprofilen im Windkanal (ein „Variable Density Wind Tunnel“) für verschiedene Dickenfamilien und Krümmungsfamilien.N. Eastman, Kenneth Jacobs, E. Ward, Robert M. Pinkerton: The Characteristics of 78 Related Airfoil Sections from Tests in the Variable-Density Wind Tunnel. (PDF; 4,5 MB) NACA: Technical Report No. 460, 1933 (englisch) Dieser bahnbrechende NACA-Report Nr. 460 schuf die Grundlage für den Tragflächenbau vieler US-amerikanischer Flugzeuge aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs (DC-3, B-17, P-38).
Diese ersten NACA-Profile wurden durch eine vierstellige Zahl (4er-Serie; engl. 4-series) klassifiziert, der die Abkürzung „NACA“ beigefügt wurde. Nach den ersten vierstelligen NACA-Profilreihen wurden in den Folgejahren weitere NACA-Profilreihen errechnet und getestet: 5-, 6- und 7-stellige Klassifikationen zur Beschreibung von Profilen, sowie weitere Modifikationen.
Auch wenn noch einige NACA-Profile bei Flugzeugen, die vor 1955 konstruiert wurden, in Gebrauch sind, so wurden die NACA-Profile heute durch die Fortschritte der Rechentechnik überholt. Jedoch können mit dem Bezeichnungssystem der NACA-Profile auch noch modernere Profile näherungsweise beschrieben werden.
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 und überhaupt keine dreidimensionale Geometriedefinition vorgesehen sind (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.
Vorgeschichte
mini|Ablösung der laminaren Strömung auf der Profiloberseite Obwohl der erste Motorflug 1903 durch die Brüder Wright in den USA erfolgte, zeigte die rasante technische Entwicklung der Flugzeuge in den Folgejahren, auch während der Kriegsjahre 1914–1918, dass Europa in der Entwicklung der Flugzeuge die Führung übernommen hatte. Schließlich gab es hier seit den Arbeiten von George Cayley (1799) und den Gleitflügen von Otto Lilienthal (1895) praktische Erfahrungen und auch theoretische Vorarbeiten. Bereits 1902 hatte Kutta und 1906 Schukowski eine Formel zur Profilgenerierung entwickelt (die Kutta-Schukowski-Transformation), mit der erste auftriebserzeugende Profile entwickelt werden konnten.
Unter anderem wurde auch wegen des theoretischen und technischen Rückstandes der USA in der Luftfahrt 1915 die NACA gegründet, das „Nationale Beratungskomitee für Luftfahrt“, um die Luftfahrttechnik in den USA zu fördern und den europäischen Vorsprung aufzuholen. Die Innovationen im Flugzeug- und Antriebsbau sollten von der NACA koordiniert werden und auf eine wissenschaftliche Grundlage gestellt werden, um die amerikanische Luftfahrtindustrie zu fördern.
Vierstellige NACA-Serie
Für die vierstellige NACA-Serie wurden 78 Profile im Windkanal getestet. Die Auswahl der Profile war recht willkürlich, da es an theoretischen Grundlagen mangelte. Man konnte sich bei der Auswahl der Profile und deren systematischen Variation lediglich auf Erfahrungen aus vorherigen Experimenten mit Profilformen stützen.
Die vier Ordnungsziffern repräsentieren drei geometrische Werte des Profils (Profilwölbung, Wölbungsrücklage und maximale Profildicke), die für die Eigenschaften des Profils ausschlaggebend sind. Nicht alle 78 Profile werden unbedingt von Flugzeugen genutzt, aber die Testdaten stellten den Flugzeugherstellern eine große Auswahl an Profilen zur Verfügung. Nach der Veröffentlichung dieser systematischen Untersuchung fanden die NACA-Profile eine weite Verbreitung. Das NACA-Profil 2412 (siehe unten) wird sogar heute noch verwendet. Die Bezifferung dieser Serie erlaubt es den Aerodynamikern, direkt das Profil auszusuchen, das die von ihnen gewünschten geometrischen Daten hat.
Die Parameter der vier Ziffern, die das jeweilige NACA-Profil der NACA-Profilreihe bezeichnen, können in Gleichungen eingesetzt werden, die der Berechnung des genauen Querschnitts der Tragfläche und ihrer Eigenschaften dienen.
Diese wissenschaftliche Arbeit The Characteristics of 78 Related Airfoil Sections from Tests in the Variable-Density Wind Tunnel. zur Untersuchung der 78 Profilformen war ein Meilenstein der Entwicklung von aerodynamischen Profilen. In ihrem Bericht fanden die Autoren N. Eastman, Kenneth Jacobs, E. Ward und Robert M. Pinkerton, dass es zwischen den verschiedenen Profilen, die die besten Eigenschaften hinsichtlich Auftriebsbeiwert und Widerstandsbeiwert gezeigt hatten, gewisse Ähnlichkeiten gab. Als die beiden wichtigsten Variablen für die Eigenschaften des Profils erwiesen sich die Krümmung der Skelettlinie und die Verteilung der Profildicke oberhalb und unterhalb dieser Linie. Die Autoren entwickelten eine Reihe von Formeln, die es erlaubten, durch Einsetzen dieser beiden Variablen eine ganze Familie von Profilformen mit ähnlichen Eigenschaften zu entwerfen. Mit der Verfeinerung der Methoden zum Profil-Design (Profilentwurf) wurden immer mehr Variablen in die Berechnungen einbezogen. Diese beiden Basisvariablen blieben jedoch auch weiterhin für die NACA-Profile entscheidend.
Die NACA-Profile haben ihren Ursprung in einer Windkanalmessreihe für ein vollsymmetrisches Profil, mit einer Dickenrücklage von 30 % (größte Dicke der Tragfläche bei 30 % der Profiltiefe).
Das Konstruktionsprinzip der NACA-Profile beruht auf Kreisen, die auf einer Linie, der Profilmittellinie, gezeichnet werden. Um diese Kreise wird tangential eine Profilformlinie erstellt.
Für die Flügelwurzel und die Flügelspitze werden oft unterschiedliche NACA-Profile verwendet (aerodynamische Schränkung). So hatte beispielsweise die Paschinin I-21 das NACA-Profil: NACA-0012-0009, was bedeutet, dass NACA-0012 an der Flügelwurzel und NACA-0009 an der Flügelspitze als Profilform verwendet wurde.
Das NACA-Profil kann variiert werden, indem die Profilmittellinie um einen bestimmten Prozentwert der Profiltiefe nach oben gewölbt wird. Eine weitere Variationsmöglichkeit stellt die Verschiebung des höchsten Wölbungspunktes um einen bestimmten Prozentwert der Profiltiefe nach vorn oder hinten dar.
Die Profile der vierstelligen NACA-Serie werden manchmal auch zusammengefasst als NACA-XXXX Serie bezeichnet und die Profile mit zwei führenden Nullen als NACA-00XX Serie.
Die vierstellige NACA-Serie definiert das Profil durch: die 1. Ziffer, für die maximale Profilwölbung – angegeben in Prozent, bezogen auf die Profilsehne (also: bezogen auf die Länge der Profilsehne). die 2. Ziffer, für die Wölbungsrücklage – in Zehnteln der Profilsehne (also: in Zehnteln der Länge der Profilsehne). die 3. und 4. Ziffer bezeichnet die maximale Profildicke – angegeben in Prozent, bezogen auf die Profilsehne.
Die Dickenrücklage der vierstelligen NACA-Profile liegt immer bei 30 %.
Die Bedeutung der Ziffern kann auch zusammengefasst werden als: NACA pmxx oder NACA pmxx-ab. (Die Buchstaben pmxx-ab stehen für: p – maximale Wölbung (angegeben in % der Profiltiefe) m – Wölbungsrücklage (angegeben als 1/10 der Profiltiefe) xx – maximale Profildicke (angegeben in % Profiltiefe) a – Index für den Nasenradius b – Dickenrücklage.)
Wenn Nasenradius und Dickenrücklage nicht angegeben werden, dann sind sie eine Funktion der anderen Parameter. Bei der vierstelligen NACA-Serie liegt die maximale Profildicke definitionsgemäß als Standard bei 30 % der Profilsehne (gemessen von der Tragflächenvorderkante).
Vierstellige NACA-Profile 0006 0009 0012 0015 0018 0021 0025 (2206) 2306 2406 2506 (2606) (2706) (2209) 2309 2409 2509 (2609) (2709) 2212 2312 2412 2512 2612 2712 (2215) 2315 2415 2515 (2615) (2715) (2218) (2318) 2418 2518 (2618) (2718) (2221) (2321) 2421 2521 (2621) (2721) (4206) 4306 4406 4506 (4606) (4706) (4209) 4309 4409 4509 (4609) (4709) 4212 4312 4412 4512 4612 4712 (4215) 4315 4415 4515 (4615) (4715) (4218) 4318 4418 4518 (4618) (4718) (4221) 4321 4421 4521 (4621) (4721) (6206) 6306 6406 6506 (6606) (6706) (6209) 6309 6409 6509 (6609) (6709) 6212 6312 6412 6512 6612 6712 (6215) 6315 6415 6515 (6615) (6715) (6218) 6318 6418 6518 (6618) (6718) (6221) 6321 6421 6521 (6621) (6721) 0006T 0006B 0012T 0012B 0018T 0018B 2R112 2R212 0012F0 0012F1
Die Vorteile der Tragflächenprofile der vierstelligen NACA-Serie sind: gute Überzieh-Eigenschaften, eine nur geringe Verschiebung des Druckpunktes über große Geschwindigkeitsbereiche hinweg, Rauhigkeiten auf dem Profil haben nur geringen Einfluss auf die aerodynamischen Eigenschaften des Profils.
Die Nachteile der Tragflächenprofile der vierstelligen NACA-Serie sind: nur ein niedriger Auftriebskoeffizient, relativ hoher Luftwiderstand,
Eingesetzt wurden und werden Profile dieser Serie vorzugsweise für Tragflächen bei Flugzeugen der Allgemeinen Luftfahrt. Symmetrische Profile der Vierer-Serie werden für Höhenruder, Rotorblätter für Hubschrauber, Tragflächen für Überschallflugzeuge und Stabilisierungsflügel für Raketen verwendet.
Mit vier Ziffern lassen sich theoretisch 9999 verschiedene NACA-Profile darstellen. Die NACA hat jedoch in ihrer Untersuchung die Variation der Profile gröber abgestuft, so dass 114 Profile betrachtet wurden, von denen aber nur 78 näher im Windkanal untersucht wurden. Die in der nebenstehenden Tabelle in Klammern stehenden NACA-Profile wurden nicht im Windkanal untersucht.