Почему модели самолетов летают и маневрируют так не так, как настоящие?

Недавно я просмотрел на Youtube много видео маленьких и гигантских моделей самолетов. В одних случаях они маленькие (например, A330 длиной 1 метр), а в других — огромные (например, A380 длиной 5 метров).

Насколько я вижу, у самых маленьких есть электрические двигатели (может быть, поддельные реактивные двигатели, в которых вентиляторы работают как пропеллеры?), но у более крупных, похоже, есть двигатели внутреннего сгорания, хотя я не знаю, как они работают.

Во всяком случае, общее впечатление такое, что даже с большого расстояния видно, что это макеты, а не настоящие самолеты. Все они слишком быстрые, слишком проворные, делают очень короткие взлеты, имеют очень низкую инерцию, делают быстрые повороты и так далее.

Можете ли вы сказать мне, почему эти различия в управлении существуют в моделях, которые в остальном стремятся с большой точностью имитировать все остальные детали реального самолета (фары, форма, цвета, мелкие детали, шасси и т. д.)?

тл, др; Закон куба-квадрата в действии.
«Динамическое подобие» объясняет, почему маленькие самолеты движутся быстрее, чем более крупные. Для RC и реального сравнения есть и другие факторы (настоящие самолеты имеют системы повышения устойчивости и несколько уровней защиты от перегрузок и т. д.). Хорошее наблюдение вы сделали там.
Спроси Рейнольдса, если у тебя есть его номер.
Еще один фактор: если вы собираетесь масштабировать все, вы также должны масштабировать свою камеру. Наблюдайте за своей моделью в замедленном темпе, и она станет более реалистичной.
^ Если вы посмотрите видео с моделями самолетов в замедленном темпе, они определенно будут больше похожи на настоящие. Также для реальных самолетов, которые выглядят так, как летают модели, посмотрите несколько видеороликов о сверхлегких / трюковых самолетах (и будете поражены!)
Сделайте комнатную муху размером с лошадь и посмотрите, сможет ли она ходить, прилипнув к потолку. Сделайте шмеля размером с стервятника и посмотрите, сможет ли он еще летать. Длина, площадь поверхности и объем изменяются с разной скоростью по мере увеличения или уменьшения линейного размера.
Вы все, кажется, забыли, как масштабируется время: обратно пропорционально квадратному корню из размера. Для самолета в четверть масштаба все маневры происходят на удвоенной скорости.
@PeterKämpf Посмотрите на три комментария выше вашего.
@PeterKämpf Это конкретное масштабирование «времени» является производной величиной - это следствие или результат более фундаментальных законов масштабирования. Если вы действительно хотите объяснить, почему происходит такое поведение, вы должны начать глубже. Существуют и другие физические системы, в которых «время» не масштабируется таким образом. Чтобы прийти к такому выводу, необходим размерный анализ.

Ответы (9)

Это частично присуще способу масштабирования вещей.

Если вы удвоите длину модели, то площадь крыла (длина, умноженная на ширину) увеличится в 4 раза, а вес и объем (длина, умноженная на ширину, умноженную на высоту) увеличатся в 8 раз... размер означает уменьшение вдвое отношения веса к подъемной силе.

В самых крайних случаях крошечную модель сдует порывом ветра, а огромная модель (больше настоящего самолета) вообще не сможет взлететь.

Я полагаю, теоретически вы могли бы попытаться сделать маленькие модели более трудными в полете, добавив дополнительный вес.

Вышеупомянутое теоретически верно, но на практике может быть абсурдом: предполагается, что конструкционные материалы становятся тоньше при масштабировании модели, в действительности структура даже не из того же материала.

Итак, давайте посмотрим на это с другой стороны:

  • Полноразмерный A380 весит скажем 500 тонн , длина около 70 метров .

  • Уменьшите это до 1 метра модели, и площадь поверхности уменьшится на (70x70=) 5000 .

  • Таким образом, чтобы модель имела такое же отношение веса к площади, как и полномасштабный самолет, она должна весить (500 тонн / 5000 =) 100 кг .

Ваша 1-метровая модель предположительно весит намного меньше 100 кг, поэтому у нее намного меньше соотношение веса к площади. КЭД.

Также важно учитывать число Рейнольдса , которое зависит от вязкости и плотности воздуха, а также от размера и скорости модели. Число Рейнольдса влияет на турбулентность, которая очень важна для подъемной силы крыла (пример того, как даже незначительное изменение оказывает большое влияние, см. в разделе Может ли слой льда толщиной с наждачную бумагу уменьшить подъемную силу на 30 процентов и увеличить сопротивление до 40 процентов). ? ).

Чтобы получить правильное число Рейнольдса для небольшой модели, вы должны увеличить плотность (например, давление) воздуха или увеличить его скорость. Но, учитывая обычную скорость самолета, вы не могли увеличить (увеличить) воздушную скорость, потому что она стала бы сверхзвуковой, что изменило бы сценарий.

Основываясь на этом ответе на «Понимание проблемы масштабирования числа Рейнольдса» и комментариях под ним, я думаю, что 1-метровая модель 70-метрового A380 (то есть масштаб 70: 1) может вести себя как полноценная модель. масштабную модель, если бы она летала при следующих условиях:

  • плотность воздуха увеличена, поэтому 70 атмосфер атмосферного давления
  • подъемная сила и сопротивление уменьшены, поэтому:
    • вес модели 7 тонн (вместо 500 тонн)
    • тяга модели 4000 фунтов (вместо 300000 фунтов), т.е. около 2 тонн
  • воздушная скорость реалистична (например, 150 узлов для взлета)

Очевидно, это было бы довольно необычно для модели самолета 1 .

1 Воздух сжижается при 60 атмосферах; и модели потребуется удельная плотность около 100, т.е. в 5 раз тяжелее золота или урана).

Мне вот интересно... а не надо ли будет летать на "реальных" скоростях, если делать модель с увеличенным весом и реальной нагрузкой на крыло?
На самом деле число Рейнольдса является ключом к этому вопросу, и оно влияет на каждое тело, движущееся в жидкости, включая лодки в воде (гидродинамика) и самолеты в воздухе (аэродинамика).

Модели самолетов обычно строятся с гораздо меньшей нагрузкой на крыло и гораздо более высоким отношением мощности к весу. Частично это можно сделать, потому что у них нет реальной полезной нагрузки и им не нужно летать в течение длительного времени.

Наличие самолета, который имеет более легкую загрузку и большую мощность, приводит к упомянутым вами характеристикам. Кроме того, более легкий вес означает, что порывы ветра и другие виды турбулентности будут иметь большее влияние и приведут к более быстрым изменениям направления.

Я также должен отметить, что в модели желательны дополнительная мощность и меньшая нагрузка на крыло, потому что удаленный пилот не имеет того же оборудования и физических сенсорных данных, которые он получает, находясь в самолете, и помогает безопасно летать ближе к пределам. самолет.

Законы физики не являются масштабно-инвариантными.

Площадь масштабируется в квадрате измерения, а объем масштабируется в кубе измерения. Аэродинамические эффекты примерно масштабируются с площадью. Масса примерно пропорциональна объему. Инерционные весы с массой. Момент инерции зависит от массы, умноженной на размерность.

Конечным результатом этого является то, что модели имеют гораздо более сильные аэродинамические эффекты по сравнению с их инерцией. Это делает их гораздо более проворными, чем их реальные аналоги. OTOH, реальные самолеты, как правило, способны летать быстрее и дальше и имеют лучший расход топлива на тонно-милю.

Не говоря уже о том, что прочность материала обычно примерно зависит и от площади, так что можно использовать гораздо более легкие опоры, которые нужны в натурной плоскости. Большинство моделей самолетов намного легче, чем самолеты уменьшенного размера, что еще больше снижает инерцию и увеличивает подъемную силу.
Возможно, вы захотите добавить, что масштабы времени обратно пропорциональны квадратному корню из линейного масштаба. Четвертьмасштабный самолет выполняет свои маневры с удвоенной скоростью.
@PeterKämpf: Как называется это свойство масштабирования времени? Гугл меня сломал :)

Я не уверен, что вы спрашиваете только о вовлеченной физике, поэтому, надеюсь, это не слишком тангенциально, но один фактор, который на самом деле не был затронут, - это ввод пилота.

В дополнение к работе с разрушительными воздействиями, о которых люди уже упоминали, пилоту модели пришлось бы игнорировать ее фактическую способность к маневрированию и использовать много ограничений - очень, очень маленькие и точные управляющие воздействия, излишне медленное ускорение и так далее. - добиться убедительного поведения в масштабе полета.

При таком подходе (и в сверхспокойных условиях) я думаю, вы будете удивлены тем, чего можно добиться с большими моделями - вы, вероятно, видели работу радиоуправляемой модели в фильмах, даже не подозревая об этом. Однако вне подобных приложений должно быть сильное искушение просто помахать моделью, потому что летать — это весело!

Конечно, сейчас вы вряд ли увидите много летающих моделей в фильмах, поскольку летательные аппараты — это одна из вещей, которые довольно легко убедительно изобразить с помощью компьютерной графики. Но для небольшого исторического контекста здесь есть небольшая, но интересная галерея, в которой представлены некоторые модели самолетов из фильма «Битва за Британию », который был известен своими выдающимися моделями (учитывая, что он был сделан в шестидесятые годы).

http://www.daveswarbirds.com/bob/models.htm

Интересная альтернативная точка зрения. Спасибо, Майк! :-)

От пилота тоже зависит. Я видел, как парень управлял 5-футовой моделью Piper Cub, как если бы это была настоящая вещь. Гораздо дольше, чем необходимо (для модели), разбег с поднятым хвостом, отжатым газом для имитации масштабной скорости, пролетел по схеме для посадки и выкатил ее. Очень красивый полет. Но он мог бы сделать это так, как в описании ОП.

Отличное замечание - возможность быстро маневрировать не означает, что модель должна так маневрировать. Физика и аэродинамика, описанные в других ответах, объясняют, на что способна модель, но пилот по-прежнему, по-видимому, контролирует то, что она на самом деле делает. Хороший ответ, и добро пожаловать в Aviation.se!

См. это очень актуальное обсуждение на Space.SE: Может ли миниатюрный Сатурн V добраться до Луны и обратно?

Проблема масштабирования квадрата-куба уже упоминалась в других ответах, но еще одним важным фактором будет то, что число Рейнольдса воздуха не масштабируется вместе с моделью. Вы можете думать об этом как о более вязком воздухе с точки зрения летательного аппарата меньшего масштаба , что увеличивает лобовое сопротивление без дополнительной подъемной силы (спасибо Владимиру Ф. в комментариях за исправления) .

Во- первых, «число Рейнольдса воздуха» — очень странная формулировка. Не существует такого понятия, как число Рейнольдса воздуха. Существует число Рейнольдса, которое описывает некоторую физическую проблему, но это не свойство жидкости, а масштабный параметр некоторой конфигурации!
Во-вторых, совершенно неправильно описывать эффект меньшего числа Рейнольдса как увеличение плотности воздуха. Может быть большая кинематическая вязкость, но не более высокая плотность! Возможно, более высокая плотность помогла бы летать за счет одновременного увеличения подъемной силы и сопротивления, но увеличение вязкости только увеличивает сопротивление. И действительно, при более низких числах Рейнольдса сопротивление будет намного выше. Я пытался объяснить эту путаницу уже в Aviation.stackexchange.com/a/21156/3189 Комикс xkcd здесь не очень актуален. Хуже того, указывать на это вводит в заблуждение.
@VladimirF: Спасибо за разъяснения. Обратите внимание, что OP явно не является AE, поэтому я утверждаю, что в контексте обсуждение кинематической вязкости было бы не более ясным, чем просто сказать «толще».
Моя точка зрения на плотность-вязкость связана с тем, что ваша ссылка на XKCD вводит в заблуждение. Комикс XKCD посвящен плотности. Более высокая плотность помогает летать. Вот почему существует потолок услуг. Вы не можете летать слишком высоко, потому что на определенной высоте плотность воздуха слишком мала. Однако вязкость (а число Рейнольдса — это все о вязкости) ничему не помогает, особенно при низких числах Рейнольдса. Это просто вызывает торможение. (не будем усложнять состоянием Кутты и вязкостью)
Вы правы, и я собираюсь отредактировать свой ответ. Масштабированный корабль увидит повышенное сопротивление, но не увеличит подъемную силу. Я думал совсем наоборот. Спасибо.

Большинство предыдущих ответов верны, я просто пытаюсь выразить это словами непрофессионала.

Конструкция самолета требует тонкой настройки формы, состава материалов, объемов, масс, площадей различных элементов, таких как корпус, крылья, поверхности управления, двигатели и т. д. Теперь представьте, что все эти элементы оптимизированы для самолета в реальном масштабе, так что он может летать идеально в аэродинамических условиях, для которых он разработан, а именно: скорость полета (которая включает расстояние ), плотность воздуха (которая включает объем ), подъемную силу, лобовое сопротивление (которая включает площадь ) и вес (который включает массу ). Все это результат авиационной техники и уравнений гидромеханики.

Теперь, как указывалось ранее, когда вы масштабируете расстояние , площади , объемы и массы масштабируются по-разному. Примечательно, что площадь зависит от расстояния ^ 2, объем от расстояния ^ 3. Масса примерно соответствует объему, но зависит от того, из каких материалов будет сделана модель самолета, которые, вероятно, отличаются от тех, из которых сделан реальный самолет.

Так что становится очевидным, что уменьшенная модель самолета работает в совершенно иных аэродинамических условиях , чем реальный самолет. Отсюда и кардинально разные характеристики управляемости.

Не забывайте, как масштабируется время: обратно пропорционально квадратному корню из размера. Самолет в масштабе четверти будет «выглядеть» так, как будто время «летит» в два раза быстрее, чем обычно.
@PeterKämpf: я понимаю, что вы имеете в виду. Проблема в том, что время должно масштабироваться, чтобы приспосабливаться к изменению масштабов других измерений и по-прежнему удовлетворять тем же уравнениям гидродинамики. Но это не так. Время одинаково для моделей самолетов и реальных. Таким образом, даже несмотря на то, что модель самолета определенно летит с гораздо меньшей абсолютной скоростью, чем реальный самолет, кажется , что он летит слишком быстро по сравнению со своими размерами.

Масштабированная модель летает в полной мере, но в то время как реальная модель соответствует мировым стандартам безопасности авиакомпаний, летает и маневрирует в своих зонах безопасности.

Мы не хотим, чтобы пилот нашей авиакомпании совершал крутые повороты только потому, что самолет мог, не так ли?

Хёне и Свапнил уже отмечали, что когда модель способна на выдающиеся маневры, это не означает, что пилот должен их выполнять.

Модели, какими бы они ни были, более маневренны благодаря более высокому соотношению мощности к весу и более маневренным двигателям. Задержки между работой на холостом ходу и полным газом у реальных кораблей намного больше, чем у модельных двигателей.

Еще одно отличие заключается в соотношении объема (массы) и площади, оно непостоянно. Это позволяет модели самолета летать с меньшей скоростью.

Также эффективная площадь закрылков и рулей направления у модели и реального корабля разная. И углы их отклонения у модельных самолетов выше, чем у реальных.

Чтобы построить гибкую модель, вы должны изменить положение центра масс. Если все уменьшить, самолет вообще не сможет летать.

Моделирование с научной точки зрения является реальной и нетривиальной проблемой, и нужно быть очень осторожным, чтобы экстраполировать (уменьшенные) модельные данные на реальные (увеличенные) проблемы. А гидродинамика и аэродинамика - самые сложные из всех.

Почему модели самолетов летают и маневрируют так не так, как настоящие?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v