Symmetrinen siipipurje

Olen, ainakin tässä vaiheessa, valinnut veneeni rikiksi kaksi, rinnakkaista, ei peräkkäistä, symmetristä, yksielementtistä, jäykkää, ei siis reivattavaa, siipipurjetta. Olen empinyt ratkaisun toimivuutta, mutta nyt tuntuu siltä, että merkittäviä heikkouksia ideassa ei ole löytynyt, eikä ole odotettavissakaan.

Tom Speerin selittely huolestutti eniten:

A single, symmetrical airfoil does not produce high lift and as a result the acceleration of a yacht so equipped is very poor. So rigid wing rigs typically have two or more symmetrical airfoils hinged so that they form a slotted flap when deflected.

Tom Speer's Home Page. Siis erityisesti "kiihtyvyys on hyvin huono" huolestuttaa. Olen selvitellyt sitä, mihin tämä väite perustuu. Purjeveneensuunnittelukursiilla oli viime kerralla asiaa köleistä ja peräsimistä. Nehän ovat lähes aina symmetrisiä siipiprofiileita. Siksi oppitunnin sisältö oli erittäin kiinnostava. Oletin jo etukäteen, että sisältöä voi soveltaa jotenkin myös siipipurjeen suunnitteluun. Niin tulkitsin asian olevan myös luoennon jälkeen.

Toinen kiinnostava tietolähde on John S. Denkerin siipiteoriasivu, jossa Denker mm. toteaa:

At small angles of attack, a symmetric airfoil works better than a highly cambered airfoil. Conversely, at high angles of attack, a cambered airfoil works better than the corresponding symmetric airfoil. The airfoil designated “631-012” is symmetric, while the airfoil designated “631-412” airfoil is cambered; otherwise the two are pretty much the same.9 At any normal angle of attack (up to about 12 degrees), the two airfoils produce virtually identical amounts of lift. Beyond that point the cambered airfoil has a big advantage because it does not stall until a much higher relative angle of attack. As a consequence, its maximum coefficient of lift is much greater.

Siis pienillä kohtauskulmilla, n. 12 asteen kulmaan asti, symmetrinen profiili on yhtähyvä tai parempi kuin epäsymmetrinen. Sitä suuremmoilla kulmilla, jolla toisaalta myös lift/drag -suhde alkaa huonontua, epäsymmetrinen tuottaa paremman venettä eteenpäin vievän voiman, jota voidaan siis käyttää hyväksi eteenkin kiihdytysvaiheessa, veneen pienillä nopeuksilla. Tällä on iso merkitys kilpaveneessä, mutta pienempi matkaveneessä, jossa huippunopeus on kiinnostavampi. Suurilla nopeuksilla lift/drag on tärkeä ja kohtauskulma pienempi, jolloin symmetrinen profiili on OK.

Kolmas kiinnostava lähde on Gabriel H. Elkaimin väitöskirja.

Many previous designers have come to the false conclusion that adequate lift coefficient could only be achieved with an asymmetric (cambered) wing. ...The history of both symmetrical and asymmetric designs is presented here, as well as advances in the areas of sail-assisted propulsion. Though this section is rather detailed, it shows the advancement of the wingsail from the early 1920’s to almost present day. During this span of time, almost every conceivable configuration has been built and tested. By studying the failures and successes of such a long history, advantageous choices can be made in selecting the exact type of wingsail for this specific application.

Elkaim tulee siihen tulokseen, että symmetrinen siipiprofiili on ihan hyvä, suhteessa yksinkertaiseen ja kevyeeseen rakenteeseen. Tosin hänkin lisää oman ratkaisunsa jättöreunaan yksinkertaisen laipan, hieman kuin lentokoneen siivissä. Kiinnostava on hänen huomionsa, että tunnetut, esim (NACA-) profiilit toimivat huonosti pienillä reynoldsin luvuilla ja siksi hän suunnitteli robottikatamaraaninsa siipipurjeeseen oman profiilin.

Speerin väite huonosta kiihtyvyydestä symmetrisellä profiililla perustuu ilmeisesti tuohon reynoldsinlukuongelmaan ja siihen, että ohuilla profiileilla maksimivoima saadaan hyvin kapealla kohtauskulman alueella, jonka ulkopuolella teho on huono tai siipi sakkaa. Hän on oikeassa, mutta ongelmaan on ratkaisu.

Mutta jatkan siipipurjeista lisää seuraavalla kerralla.