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profilo (aeronautica)

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Descrizione generale

Sezione della semiala di un aereo secondo un piano parallelo all'asse longitudinale del velivolo e perpendicolare al piano della semiala stessa, detta profilo d'ala o alare. I profili alari "Per alcuni tipi di profilo alare vedi disegni al lemma del 16° volume." sono figure allungate che, nel caso di aerei destinati a velocità non troppo elevate, sono caratterizzate da un muso (bordo d'attacco) tondeggiante e da una coda (bordo d'uscita) acuminata. I profili alari sono stati classificati, soprattutto in passato, essenzialmente in base alle loro caratteristiche geometriche più rilevanti (profili concavo-convessi, piano-convessi, biconvessi, lenticolari, a doppio cuneo, a cuneo). Questa classificazione non dà, però, indicazioni circa le doti aerodinamiche del profilo, che dipendono invece dalla sua linea media e dalla sua distribuzione di spessore. La prima può essere definita in diverse maniere: come luogo dei centri dei cerchi inscritti nel profilo e tangenti al suo contorno; come luogo delle mezzerie di segmenti normali alla corda che collegano intradosso a estradosso, o in altri ancora. La distribuzione di spessore si ottiene definendo le caratteristiche geometriche di un particolare profilo simmetrico; una volta stabilite le regole che definiscono la linea media di un profilo simmetrico, un generico profilo asimmetrico può ritenersi ottenuto dalla sovrapposizione di una determinata distribuzione di spessore a un'opportuna linea media. Tra le caratteristiche del profilo, determinate dalla linea media, sono da segnalarsi l'incidenza di portanza nulla e il coefficiente di momento focale, parametro quest'ultimo che determina le escursioni del centro di pressione al variare dell'incidenza. Le altre caratteristiche del profilo, e segnatamente il valore del massimo coefficiente di portanza e quello del minimo coefficiente di resistenza, dipendono invece in notevole misura anche dalla sua distribuzione di spessore. La combinazione di linea media e di distribuzione di spessore, rispondenti a particolari formulazioni matematiche, ha portato alla definizione di famiglie di profili. Le caratteristiche aerodinamiche di un profilo vengono definite dalla relazione che ne collega i valori del coefficiente di portanza all'angolo di incidenza, dalla relazione polare (che lega i valori del coefficiente di resistenza a quelli del coefficiente di portanza) e dal legame tra i valori del coefficiente di portanza e le posizioni del centro di pressione. Detto legame è solitamente espresso mediante la relazione che lega ai valori del coefficiente di portanza quelli del coefficiente di momento rispetto al bordo d'attacco, rispetto al primo quarto della corda o rispetto al fuoco del profilo. Quest'ultimo punto, usualmente situato più o meno in corrispondenza del primo quarto della corda, gode teoricamente della proprietà, verificata nella pratica con buona approssimazione, che i coefficienti di momento rispetto a esso definiti non variano al variare del coefficiente di portanza.

Profili laminari

Tra i profili in tal modo definiti i più adatti per aerei veloci sono i profili laminari, "Per i profili non laminari, laminari e supercritici vedi disegni al lemma del 16° volume." generalmente caratterizzati dalla posizione relativamente arretrata della sezione in cui il loro spessore raggiunge il valore massimo (anche fin verso il 50% della corda, e in alcuni casi anche oltre, contro il 30% ca. dei profili di tipo più tradizionale) e da un bordo d'uscita molto sottile. Distribuzione di spessore e linee medie fanno sì che i profili laminari, alle normali incidenze d'impiego, siano soggetti a un campo di sottopressioni agenti sul loro dorso il cui massimo valore viene raggiunto in corrispondenza di una ragguardevole frazione della corda, facilitando così lo stabilirsi di uno strato limite laminare (da cui la loro denominazione) su una notevole parte del contorno del profilo. Si ha quindi l'ottenimento di minori resistenze d'attrito, a differenza di quanto si verifica sui profili non laminari, dove la transizione dello strato limite da laminare a turbolento avviene più in prossimità del bordo d'attacco, per cui la resistenza d'attrito risulta corrispondentemente più elevata. La distribuzione di pressioni lungo la corda di profili laminari non presenta sul bordo d'attacco il marcato picco di depressione tipico dei profili non laminari e ha un andamento più regolare; ne consegue che le corrispondenti variazioni di velocità della corrente che lambisce il profilo sono meno marcate, ritardandosi così il raggiungersi di velocità soniche locali, e quindi del manifestarsi degli effetti dei fenomeni di comprimibilità sino a valori più elevati del numero di Mach della corrente asintotica. I profili laminari sono facilmente riconoscibili per la caratteristica configurazione della loro polare, che presenta valori del coefficiente di resistenza notevolmente ridotti entro la gamma dei coefficienti di portanza che ne definiscono la tazza, o sacca di laminarità, e che sono quelli corrispondenti alle incidenze per cui il deflusso laminare dello strato limite è, sul contorno del profilo, particolarmente esteso. Anche nel campo delle velocità nettamente supersoniche, pur essendo noto che le migliori caratteristiche aerodinamiche in questo caso sono quelle offerte da profilo a losanga di ridotto spessore, vengono quasi esclusivamente impiegati profili più prossimi a quelli laminari tradizionali, non foss'altro per le necessità del volo alle basse velocità (e segnatamente in fase di decollo e di atterraggio).

Profili supercritici

È peraltro da segnalarsi che le ricerche di profili di superiori caratteristiche aerodinamiche in campo alto subsonico e transonico hanno portato allo studio e alla realizzazione di profili detti supercritici. Su questi la compressione che il flusso d'aria che segue il dorso del profilo subisce a valle della frazione della corda per cui si raggiunge la massima depressione locale (e quindi la massima supervelocità) dovrebbe, almeno in teoria, essere isoentropica e avvenire quasi verso la formazione di onde d'urto locali. Sembra peraltro, nella pratica, che la formazione di un'onda d'urto sulla parte posteriore del dorso del profilo sia sostanzialmente inevitabile, ma la posizione arretrata lungo la corda per cui, su un profilo supercritico, si forma l'onda d'urto di ricompressione, e la sua ridotta intensità, contribuiscono a consentire ai profili supercritici numeri di Mach critici, e soprattutto di divergenza, particolarmente elevati.

Calcolo per la determinazione delle caratteristiche aerodinamiche

La determinazione per via teorica delle caratteristiche aerodinamiche di un profilo è basata sulla valutazione delle pressioni agenti nei vari punti del loro contorno, una volta note le velocità locali della corrente che li investe. Questo calcolo viene eseguito determinando il campo cinetico della corrente traslocircolatoria, ottenuta partendo da un'opportuna trasformazione di un profilo circolare, oppure, con il metodo delle singolarità, definendo il profilo mediante un'opportuna distribuzione di pozzi e sorgenti; i risultati venivano successivamente corretti per tener conto degli effetti dello strato limite. Tutto ciò, comportando la valutazione degli effetti della viscosità del fluido, considerato viceversa come perfetto nella precedente fase del calcolo, giustificava la comparsa di una resistenza aerodinamica e portava a una correzione delle distribuzioni delle pressioni. Il calcolo, assai faticoso se eseguito ricorrendo al calcolo manuale, è enormemente facilitato dall'impiego dei calcolatori numerici che consentono di adottare metodi iterativi capaci di fornire le caratteristiche aerodinamiche di profili definiti in base a un sufficiente numero di punti del loro contorno. Ai metodi di calcolo citati, che partendo dalle caratteristiche geometriche di un profilo consentono di definirne quelle aerodinamiche, se ne sono affiancati altri che permettono la soluzione del problema inverso, cioè di determinare la geometria di un profilo di caratteristiche aerodinamiche richieste.