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Technische Beschreibung
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Gekröpfte, strömungsadaptiv und profilvariabel ausgeführte Tragfläche mit Plattenprofil in Differentialbauweise für Surfbrettfinnen.
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Die Erfindung betrifft eine profilierte Arbeitstragfläche zur Erzeugung von Querkraft oder Auftrieb, welche in einem Tragflächenteil, ausschließlich beaufschlagt durch Strömungskräfte, selbständig und ohne Ansteuerung und Regelung ein Strömungsprofil mit einer Wölbgeometrie ausbildet. Es entsteht ein fluidmechanisch wirksames, vorteilhaftes Surfbrettfinnentragflächensystem. Das Beaufschlagungs-Bewegungsgebaren der strömungsadaptiv und profilvariabel ausgeführten Surfbrettfinnenfläche ist für unterschiedliche und wechselseitige Anströmungsrichtungen wirksam. Das gelenkige Surfbrettfinnentragflächensystem ist in einer Differentialbauweise ausgeführt.
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Stand der Technik. Leitflächen am Heck von Surfbrettern.
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Bei Surfbrettern in Fahrt und beim Manövrieren ist neben der hohen mechanischen Belastung der strömungsmechanisch wirksamen Bauteile im Bereich des Unterwasserschiffes die optimale und an Strömungswiderständen arme Funktionsweise entscheidend für höchste Fahrleistungen. Grundsätzlich sind bei leistungsoptimierten Segelfahrzeugen, Yachten und Jollen nach Stand der Technik und all ihren Bauteilen Robustheit, Formhaltigkeit, Funktion und Lebensdauer bei geringem Gewicht von Bedeutung. Zu den fluidmechanisch wirksamen Leitflächen im Unterwasserbereich von Segelfahrzeugen gehören der Yachtkiel, das Jollenschwert, die Ruderanlage, bzw. die Ruderblattfläche im Allgemeinen, bei Surfbrettern insbesondere und in vielen rezenten Konstruktionen einzig die als Leitflächen ausgeführten Finnen am Heck des Segelfahrzeuges. In Fahrt bilden fluidmechanisch wirksamen Leitflächen im Unterwasserbereich mit symmetrischen Profil nach Stand der Technik dann einen fluiddynamisch wirksamen Tragflügel aus, wenn eine nicht axiale Anströmung gegeben ist. Dies gilt insbesondere für Surfbrettfinnen. Die aus dem hydrodynamischen Auftriebsgebaren der Surfbrettfinnen resultierende Querkraft wird beim Manövrieren genutzt. Surfbrettfinnen nach Stand der Technik sind üblicherweise aus symmetrisch profiliertem Vollmaterial. Für die Kontur des vom Surfbrettkörper abweisenden, freien Surfbrettfinnenflächenendes (Randbogen) sind unterschiedliche Formen bekannt.
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Stand der Wissenschaft und Technik.
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Die aus dem Energieumsatz am Surfsegel hervorgerufene und zum Segeln erforderliche Vortriebskraftkomponente bildet mit der bei Segelsurfbrettem durch die hydrodynamisch wirksamen Unterwasserteile des Surfbrettes erzeugte Querkraft ein Kräftesystem aus dem die Vortriebsbewegung resultiert. Die Projektion der hydrodynamisch wirksamen Unterwasserteile des Surfbrettes und der Anbauten wird Lateralplan genannt. Bei Segelsurfbrettern stellt das Schwert und ddie heckfinne den überwiegenden Anteil des Lateralplans. Von Bedeutung für die unten beschriebenen und auf die Erfindung Bezug nehmenden hydrodynamischen Vorgänge ist (1) der Umstand einer nichtzentrischen Anströmung des Finnenblattprofils in Fahrt und beim Manövrieren und (2) die für das Segelsurfen typische (verfahrensbedingte) beidseitig wechselnde Strömungs-Beaufschlagungsrichtung. Die dem entsprechenden hydrodynamischen Vorgänge sind Ursache dafür, dass die Strömungsprofile von Segelsurffinnen nach Stand der Technik symmetrisch sind und die Finnentragflächen aus (symmetrisch profiliertem) Vollmaterial bestehen. Derartige Profile sind aus physikalischer Sicht bei nicht zentrischer Anströmung durchaus zur Generierung von Querkräften geeignet. Sie bilden einen „Tragflügel” aus. Segelsurfbretter ohne Schwerttragfläche sind Stand der Technik. Surfbretter, die nicht zum Segelsurfen benutzt werden besitzen generell keine Schwerttragfläche. Wölbbare mithin flexibele, nichtsymmetrische Leit- und Steuerflächen, (gegebenenfalls klappbare) Surffinnenblattprofile sind Gegenstand experimenteller und theoretischer Untersuchungen und Stand der Forschung, der Entwicklung und der Technik bei Surfbrettern. Grundsätzlich gilt, dass die Beiträge flexibel, nichtsymmetrischer Leitflächen zur Leistungs- und Effizienzsteigerung von Seefahrzeugen relevant sind. Den aus dem Yachtdesign im Speziellen und aus Konstruktionen von Seefahrzeugen im Allgemeinen bekannt gewordenen Konstruktionen ist gemeinsam, dass die Wölbung, die Klappbewegung bzw. die Strömungsprofilvariabilität von außen angesteuert oder zwangskinematisch erzwungen werden muss.
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Stand der Wissenschaft. Biologie, Kinematiken.
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Eine Vielzahl von Gelenken rezenter Wirbeltierskelette, wie beispielsweise die Mittelhandknochen und die Ellenbogengelenke, bilden komplexe, mehrachsige, räumlich wirksame Getriebesysteme aus. Das Handgelenk rezenter Lebewesen und dessen evolutionsbiologisch relevante Frühstadien die als Fossilen vorliegen, können als biologisches Vorbild für eine vierachsige (technische) Kinematik dienen. Das kinematische Wirkprinzip dieser technischen Vierachsen-Scharnier-Kinematik ist jenes von vier dreidimensional-räumlich verbundenen, zwangsbewegten Klappen, deren Scharnier-Drehachsen einen gemeinsamen Schnittpunkt besitzen. Je nach Zuordnung der Freiheitsgrade der im Sinne einer kinematischen Kette ein räumliches Getriebe bildenden Scharniere, stellen die zwangskinematischen dreidimensionalen Winkelbewegungen der Plattenebenen des kinematischen Systems ein Untersetzung- oder eine Übersetzung dar. Bei mechanischer Beaufschlagung bilden die beschriebenen Gelenkplattenkinematiken abhängig von der Anordnung der Gelenk- und Fixationsebenen(Knick-)Gewölbeformen aus.
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Problembeschreibung
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Bei Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen und anderen fluidmechanisch wirksamen, Querkraft erzeugenden Tragflächen taucht das Problem der beidseitigen fluidischen Beaufschagbarkeit auf. Deshalb haben Leit- und Steuerflächen, Rudertragflächen von Seefahrzeugen, Schwerttragflächen von Segeljollen und Finnen von Segelsurfbrettern im Allgemeinen symmetrische Profile. Allerdings erfordern in einer Achse vertikal zur Hauptströmungsrichtung wölbbare oder scharnierartig Leit- und Steuerflächen nach Stand der Technik einen hohen Steuer- und Kontrollaufwand. Auf dem Gebiet der Surfbrettfinnen sind wölbbare oder scharnierartig ausgeführte Konstruktionen und Bauweisen gänzlich unbekannt. In Fahrt und beim Manövrieren von Surfbrettern sind flexible, nichtsymmetrische Profile wünschenswert.
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Problemlösung
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Die fluiddynamisch wirksame Finnentragfläche eines Surfbrettes wird als strömungsadaptive und profilvariabel ausgeführte fluiddynamisch wirksames Tragflächensystem ausgeführt.
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Der Tragflügel ist in seiner Grundgeometrie eine ebene und gekröpfte Fläche ausgeführt derart, dass es eine Pfeilung (positiv gepfeilt hinsichtlich der Bewegungsrichtung des Seefahrzeugs) aufweist. Die Lage des Pfeilungsknies, der Wurzelwinkel und der Kröpfungswinkel im Pfeilungsknie legen die Grundgeometrie des Tragflächensystems fest. An oder in der Nähe der Kröpfung besitzt das Tragflügelsystem eine Dreiachsen-Scharnier-Kinematik in der Wirkungsweise eines Winkelgelenks. Das Segment des fluiddynamisch wirksamen Tragflächensystems zwischen Tragflügelwurzel und Kniegelenk ist dabei in einer Ebene vertikal zur Strömungshauptrichtung angeordnet. Weitere Segmente des Tragflügelsystems sind als bewegliche, passiv vom Strömungsdruck beaufschlagbare, also strömungsadaptive Tragflächen ausgeführt derart, dass diese bei nichtaxialer Anströmung der fluiddynamisch wirksamen Finnentragfläche eines Surfbrettes automatisch nach Lee (auf die der Strömung abgewandte Seite) um wenige Winkelgrade ausgelenkt wird und durch eine Zweiachsen-Scharnier-Kinematik dem in vertikaler Achse beweglichen Finnentragfläche zwangskinematisch eine fluidmechanisch günstige Form im Sinne einer Wölbverformung aufprägen. Die leewärtige Passivbewegung der strömungsadaptiven Finnentragfläche folgt der Hauptströmungsrichtung des Fluids. Die Dreigelenkkinematik ist in zwei Ebenen als Gelenklager ausgeführt. Die den Finnentragflügel ausbildenden Tragflächenteile hingegen werden in einer stofflichen Verbindung als Biegebauteil ausgeführt, welches eine, die Gesamtfläche in ihre Ruhelage zwingendes rückstellendes Moment bereitstellt. Das Finnentragflächensystem ist in einer Differentialbauweise gelenkig und schlaff ausgeführt.
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Erreichbare Vorteile
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Durch die leewärtige Passivbewegung der Finnentragfläche wird erreicht, dass – vermittelt über die beschriebene zwangskinematischen Wölbverformung die Profilkontur der Surfbrettfinnentragflügelfläche eine strömungsgünstige, den Formwiderstand mindernde und den dynamischen Vortrieb steigernde Gestalt automatisch, d. h. geometrisch autoadaptiv und energetisch autonom annimmt. Die resultierende Widerstandsminderung im Bereich des Unterwasserschiffs beeinflusst die Energiebilanz des Gesamtsystems positiv. Die Fluidmechanische Wirksamkeit einer strömmungsadaptiven und profilvariabel ausgeführten Finnentragfläche eines Surfbrettes ist höher als jener einer Finnentragfläche nach Stand der Technik. Das die stofflichen Verbindung als Biegebauteil herstellende und das die Gesamtfläche in ihre Ruhelage zwingende Rückstellkraft bereitstellende Gestaltungsmerkmal führt zu einer sehr kompakten und Kostengünstigen Konstruktion.
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Aufbau, bauliche Ausführung und Wirkungsweise
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Fluidmechanisch wirksame Finnentragflächen von Surfbrettern sind in der Regel wohlprofiliert ausgeführt. Für Finnentragflächen von Surfbrettern nach Stand der Technik sind unterschiedliche Profile und Profilkombinationen bekannt. Übliche Profilkonturen sind Plattenprofile, NACA-Profile oder NACA-Modifikationen. Die gekröpfte, strömungsadaptiv und profilvariabel ausgeführte Finnentragfläche für Surfbretter nach Anspruch 1 ist mit einem mit Plattenprofil ausgeführt und von seiner Bauart her eine Differentialkonstruktion. Das dem Schiffskörper zugewandte Finnentragfläche für Surfbretter ist die mit dem Surfbrettrumpf gefügte Tragflächenwurzel. Bauweisen und Bauausführungen der Anmontage einer Finnentragfläche an ein Surfbrett sind nicht Gegenstand der Erfindung. Der Ausschluss einer Finnentragfläche an ein Surfbrett ist sinngemäß und schematisch dargestellt in Abbildung, 1 zu ersehen als schematisch angedeutete Tragflächenwurzel W zur Anmontage an eine gegebenenfalls standardisierte Montagebucht eines Surfbrettes B mit der schematisch angedeuteten Befestigungsschraube BS. Das vom Surfbrett abgewandte Finnentragflächenende ist der Tragflächenrandbogen. Dieser ist typenbedingt geformt und mit unterschiedlichen Randkonturen ausgebildet.
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Aufbau und Geometrie
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Die Spannweite L der fluidmechanisch wirksamen Surfbrettfinnentragfläche ist der Abstand zwischen dem Surfbrett zugewandten Surfbrettfinnenflächenende (Tragflächenwurzel) und dem vom Surfbrett abgewandten Surfbrettfinnenflächenende (Tragflächenrandbogen). Siehe hierzu die schematische Skizze, 3. Im Abstand K von der Tragflügelwurzel befindet sich die Kröpfung der Surfbrettfinnentragfläche. Die Kröpfung der Surfbrettfinnentragfläche wird durch den Winkel βw an der Wurzel der Tragfläche und βk an der Kröpfung der Tragfläche determiniert. Dazu ist (von einem Konstrukteur oder anwender) eine Tragflächenlinie zu bestimmen, deren Punkte mit einem Abstand dx eines Tragflächenprofils mit der Tiefe t zusammenfallen. Siehe hierzu die schematische Skizze, 3. Bei einem Tragflächenprofil das keiner ebenen Platte entspricht, also im Unterschied zu dem hier dargestellten Profil beispielsweise aus einer NACA-Profilreihe entnommen ist, entspräche der Abstand dx der so genannten Dickenrücklage des Profils. Bei einer ebenen Platte ist ein entsprechender Abstand deklatorisch vorzuwählen.
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Bauliche Ausführung
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Die Tragflächenwurzel W, das Surfbrettfinnentragflächenteil F1 das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F2, das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F3 und das das Surfbrettfinnentragflächenteil, das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil und das das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil zu einem Dreigelenkgetriebe verbindenden Scharniergelenke S12 und S13 bilden zusammen eine konstruktive und funktionale Einheit.
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Die schematische Skizze, 1 zeigt den Gesamtaufbau der Erfindung nach Anspruch 1. Die Gelenkebene (Gelenkachse) E12 die das Surfbrettfinnentragflächenteil F1 und das Surfbrettfinnentragflächenteil F2 mechanisch koppelt, die Gelenkebene (Gelenkachse) E23 die das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F2 und das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F3 koppelt, die Gelenkebene (Gelenkachse) E13 die das Surfbrettfinnentragflächenteil F1 und das Surfbrettfinnentragflächenteil F3 mechanisch koppelt besitzen einen gemeinsamen Schnittpunkt Z. Das Gelenk S12, welches die Surfbrettfinnentragflächenteil F1 und das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F2 verbindet, liegt in der der Gelenkebene (Gelenkachse) E12 bildet ein Scharniergelenk aus. Das Gelenk S23, welches das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F2 und das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F3 verbindet, liegt in der der Gelenkebene (Gelenkachse) E23 bildet ein Scharniergelenk aus mit dem gemeinsamen Schnittpunkt Z. Das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F2 und das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F3 besitzen an der dem Surfbrett abgewandten Seite (Randbogen) eine stoffschlüssige Fügung, die mechanisch wie ein Biegegelenk mit über konstruktive Parameter determinierbarer Biegesteifigkeit wirkt. Das Gelenk S13, welches die Surfbrettfinnentragflächenteil F1 und das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F2 verbindet, liegt in der der Gelenkebene (Gelenkachse) E13 bildet ein Scharniergelenk aus. Das Gelenk S12, welches die Surfbrettfinnentragflächenteil F1 und das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F2 verbindet und das Gelenk S23, welches das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F2 und das heckwärtige Surfbrettfinnenflächenteil F3 verbindet, wird durch eine Phase von nur wenigen Winkelgraden (Alpha < 5°) in seiner Beaufschlagbarkeit begrenzt. Diese Begrenzung determiniert die Winkelbeweglichkeit in den anderen Gelenkebenen. Das Surfbrettfinnentragflächenteil F1, das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F1, das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F3 sind nach Stand der Technik gegebenenfalls urformend aus Kunststoff zu fertigen. Die Gelenke S12, S23, und S13 in den Gelenkebenen (Gelenkachsen) E12, E23 und E13 sind form- und stoffschlüssig im Sinne von Verbindungselementen zu platzieren und zu fügen. Größe und Steifigkeit der Gelenke S12, S23, und S13 sind Konstruktionsparameter und skalierbar. In 1 ist skizzenhaft ein Schnittbild der Surfbrettfinnenprofilgeometrie dargestellt.
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Geometrie des räumlich beweglichen Tragflügels in Ruhelage
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In Ruhelage und in einem nicht durch Querströmung beaufschlagten Zustand bilden das Surfbrettfinnentragflächenteil F1, das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F1, das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F3 nach Anspruch 1 gemeinsam ein symmetrisches Surfbrettfinnentragflächenprofil aus. Die Gelenkachsen E12, E23 und E13 bilden einen gemeinsamen Schnittpunkt; die Winkelsumme aller Gelenkebenen ist 360°. In Ruhelage und in einem nicht durch Querströmung beaufschlagten Zustand liegen die Gelenklinien E12, E23 und E13 in einer gemeinsamen Ebene; die Ebene fällt in Ruhelage zusammen mit der Vertikalebene der Hauptbewegungsrichtung des Seefahrzeugs und damit zusammen mit der Hauptanströmrichtung der Surfbrettfinnentragfläche.
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Geometrie des räumlich beweglichen Tragflügels unter nichtzentraler fluidischer Beaufschlagung
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Während des bestimmungsgemäßen Betriebs, insbesondere bei Störströmung tritt am Unterwasserschiff des Surfbrettes eine nicht zentralsymmetrische fluidische Beaufschlagung der Surfbrettfinnentragfläche auf. Die auf das Unterwasserschiff wirkende, resultierende Strömungsbewegung lässt sich in einen parallel zur Symmetrieachse des Seefahrzeugs liegenden Anteil und in einen quer zur Symmetrieachse liegenden Anteil beschreiben, was für die Erklärung der physikalisch-fluidmechanischen Wirkungsweise strömungsbeaufschlagter, räumlich Leitflächen an Surfbrettfinnentragflächen von Bedeutung ist. Eine Surfbrettfinnentragfläche mit symmetrischem Tragflächenprofil nach Stand der Technik besitzt auch bei nichtzentraler fluidischer Beaufschlagung einen Betriebsbereich, in dem das Verhältnis aus erlittenem Widerstand und der für das Voranbewegen und Manövrieren erforderlicher erzeugter Querkraft vertretbar ist, oder kurz: auch symmetrische Profile erzeugen bei nicht zentraler Beaufschagung „Auftrieb”. Der Betriebsbereich (Anströmwinkel, Geschwindigkeit) eines nichtsymmetrischen Tragflächenprofils kann in einem günstigen Auslegungsfall erheblich größer sein, als jener eines vergleichbaren symmetrischen Tragflächenprofils. Bei fluidischer Beaufschlagung (also im nicht symmetrischen Anströmungsfall) vollführt das aus den Tragflächenteilen F2 und F3 repräsentierte Tragflächenteilsystem eine zwangskinematische Klappbewegung. Gleichzeitig erfolgt, zwangskinematisch, dass das von bugwärtigen Surfbrettfinnentragflächeteil F2 und dem heckwärtigen Surfbrettfinnentragflächenteil F3 gebildete Tragflächensystem eine Klappbewegung (gestaltungsbedingt kleineren Winkels) ausführt. Die Gelenkebene E12 und das scharnierartig ausgeführte Gelenk S12 bewirken, dass das bugwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F2 und das heckwärtige Surfbrettfinnentragflächenteil F3 zwangskinematisch ein nicht symmetrisches Tragflächenprofil ausbilden.
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Fluidmechanische Wirkungsweise
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Bei nichtaxialer Anströmung arbeitet eine reguläre Surfbrettfinnentragfläche als fluiddynamische und querkrafterzeugende Auftriebsfläche. Durch die bei nicht axialer Auslenkung infolge fluidischer Beaufschlagung erzwungene Wölbgeometrie entsteht ein fluidmechanisch wirksames, vorteilhaftes Surfbrettfinnentragflächensystem.
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Bibliographie und Quellen
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[Abbo-59] Ira H. Abbott, Albert E. von Doenhoff: Theory of Wing Sections: Including a Summary of Airfoil Data. Dover Publications, New York 1959,
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[Katz-01] Joseph Katz, Allen Plotkin: Low-Speed Aerodynamics (Cambridge Aerospace Series) Cambridge University Press; 2 edition (February 5, 2001)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- [Katz-01] Joseph Katz, Allen Plotkin: Low-Speed Aerodynamics (Cambridge Aerospace Series) Cambridge University Press; 2 edition (February 5, 2001) [0018]