題:
為什麼模型飛機的飛行和操縱與實際飛機有很大不同?
Luca Detomi
2017-02-20 16:41:00 UTC
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我最近在YouTube上觀看了許多小型和大型飛機模型的視頻。在某些情況下,它們很小(例如,一架A330,長1米),在另一些情況下,它們卻很大(例如,一架A380,長5米)。

據我所知,最小的是似乎有電動發動機(也許是用風扇充當螺旋槳的假噴氣發動機?),但較大的發動機似乎有內燃機,即使我不知道它們如何運轉。

無論如何,總體印像是,即使距離很遠,也很明顯它們是模型而不是真實的飛機。它們太快,太敏捷,起飛時間很短,慣性很低,急轉彎等等。

您能告訴我為什麼這些處理差異存在於模型中嗎?真實飛機的其他每個細節(燈光,形狀,顏色,細節,起落架等)的精度是否很高?

關於Space.SE的非常相關的討論:[微型土星V能否到達月球並返回月球?](http://space.stackexchange.com/questions/13729/can-a-miniature-saturn-v-get-to -月亮和後面)
tl,dr;立方平方律生效。
“動態相似性”解釋了為什麼小型飛機比大型飛機移動得更快。對於RC和實際比較而言,還有其他因素(實際飛機具有穩定性增強系統和多層抗過應力保護層等)。您在那裡觀察得很好。
[相關問題](http://aviation.stackexchange.com/q/32325/8730)
問雷諾,如果您有他的電話號碼。
另一個因素:如果要縮放所有內容,還應該縮放相機。慢動作觀看模型,它將更加逼真。
^如果您以慢動作觀看飛機模型視頻,則它們肯定看起來更像真實的東西。同樣對於真正的飛機,看起來像模型飛行的方式,請查看一些超輕/特技飛機視頻(並感到驚訝!)
做一匹馬大小的家蠅,看看它是否仍能走到天花板上。用一隻像禿鷹一樣大的大黃蜂,看看它是否還能飛。長度,表面積和體積隨線性尺寸的增大或減小而以不同的速率變化。
你們似乎都忘記了時間如何縮放:與大小的平方根成反比。對於四分之一規模的飛機,所有機動都以兩倍的速度進行。
@PeterKämpf在您的上方看三個評論。
@PeterKämpf這種對“時間”的特殊換算是一個衍生的數量-它是更基本的換算律的結果或結果。如果您真的想解釋*原因*,則會發生這種情況,那麼您必須從頭開始。在其他物理系統中,“時間”無法按這種方式擴展。需要進行維度分析才能得出此結論。
九 答案:
ChrisW
2017-02-20 17:43:54 UTC
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它在某種程度上是事物縮放的固有方式。

如果將模型的長度加倍,則機翼面積(長度乘以寬度)將增加4倍,但重量和體積(長度乘以寬度乘以高度)將增加8倍...因此,將尺寸增加一倍意味著將重量與舉重的比例減半。

在最極端的情況下,小型模型會在一陣風,一個巨大的模型(比實際飛機大)根本無法起飛。

我想從理論上講,您可能會嘗試通過增加額外的重量來使小型模型更難飛行。


以上在理論上是正確的,但在實踐中可能是胡說八道:它假設在模型縮放時結構材料會變薄,實際上結構甚至不是同一材料。

所以讓我們換個角度來看:

  • 一架完整的A380重量為 500噸,長度約為 70米

  • 將其減小到1米模型和表面積已減少(70x70 =) 5000

  • 因此,對於具有與全尺寸平面相同的權重面積的模型,它需要稱重(500噸/ 5000 =) 100千克

您的1米模型重量可能遠小於100千克,因此它的重量/面積比要小得多。 QED。


考慮雷諾數也很重要,它取決於空氣的粘度和密度,以及模型的大小和速度。雷諾數會影響湍流,這對機翼的升力非常重要(例如,即使微小的變化對機翼的影響也很大,請參見用砂紙厚的冰層將升力降低30%並增加阻力)達到40%?)。

要為小型模型獲得正確的雷諾數,必須增加空氣的密度(例如壓力)或提高其速度。但是,鑑於飛機的正常速度,您無法提高(擴大)空速,因為它會變成超音速,從而改變情景。

基於對此答案的回答“了解雷諾數縮放問題”及其下面的註​​釋後,我認為70米A380的1米模型(即比例為70:1)的行為可能類似於全尺寸模型如果在以下條件下飛行:

  • 空氣密度按比例增加,則將70個大氣壓的氣壓
  • 抬升和阻力按比例減小,因此:
    • 模型的重量是7噸(而不是500噸)
    • 模型的推力是4,000 lb(而不是300,000 lbs),即約2噸
  • 空速是現實的(例如,要起飛150節)

顯然,這對於模型飛機 1 sup>來說是非常不尋常的。

1 sup> 空氣在60個大氣壓下液化;該模型將需要約100的比重,即比金或鈾重5倍)。 sub>

我想知道……如果有人製造增加重量和實際機翼負荷的模型,是否有必要進行“真實”空速飛行?
實際上,雷諾數是解決這個問題的關鍵,它影響著每個在流體中運動的物體,包括水中的船隻(水動力)和空中的飛機(空氣動力)。
Greg Taylor
2017-02-20 17:19:52 UTC
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模型飛機的建造通常具有低得多的機翼載荷和高得多的功率重量比。可以部分完成此操作,因為它們沒有真正的有效載荷,並且不必長時間飛行。

擁有一個輕載且具有更大功率的平面會導致您提到的特徵。同樣,更輕意味著陣風和其他湍流將產生更大的影響並導致更快的方向變化。

我還應該指出,在模型中需要額外的功率和較低的機翼負載,因為遠程飛行員所獲得的儀表和物理感官輸入與在飛機上所獲得的不一樣,並且有助於安全飛近飛機的極限。

Peter Green
2017-02-20 23:26:36 UTC
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物理定律不是尺度不變的。

面積與尺度的平方成比例,體積與尺度的立方成比例。空氣動力效應隨面積大致成比例。質量大致隨體積縮放。具有質量的慣性尺度。慣性矩與質量乘以尺度成比例。

最終結果是,與慣性相比,這些模型具有更強的空氣動力學效果。這使得它們比現實世界中的同行更加敏捷。 OTOH,現實世界中的飛機通常能夠更快,更遠地飛行,並且每噸英里的油耗更低。

更不用說材料強度通常也大致取決於面積,因此您可以使用在滿量程平面中所需的輕得多的支撐。大多數模型飛機的重量都比縮小飛機的重量輕得多,從而進一步減少了慣性並增加了升力。
您可能希望將時間刻度與線性刻度的平方根成反比。四分之一規模的飛機以兩倍的速度執行其機動。
@PeterKämpf:該時標屬性的名稱是什麼?谷歌讓我失望了:)
MikeD
2017-02-21 01:15:36 UTC
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我不確定您是否只是在詢問所涉及的物理學,所以希望這不是很切題-但是飛行員投入並沒有真正涉及到的一個因素。

為了應對人們已經提到的破壞性影響,模型的飛行員將不得不忽略其實際的操縱能力,並使用很多限制條件-非常非常小和精確的控制輸入,不必要的緩慢加速等等-實現令人信服的規模飛行行為。

採用這種方法(在超級冷靜條件下),我想您會對大型模型可以實現的效果感到驚訝-您可能已經看到了無線電控制模型的工作電影中沒有意識到這一點。但是,在諸如此類的應用程序之外,因為飛行很有趣,所以一定要有強烈的誘惑力,因為飛行很有趣!

當然,由於飛行器的存在,您現在不太可能在電影中看到很多飛行的模型是使用CGI令人信服地渲染的一件事。但是,從歷史的角度來看,這裡有一間小而有趣的畫廊,展出了電影《英國戰役》中的一些飛機模型,該飛機因其出色的模型作品而聞名(考慮到它是在六十年代)。

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

有趣的替代觀點。謝謝邁克! :-)
hoehne
2017-02-21 04:39:29 UTC
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這也取決於飛行員。我見過一個人在吹打Piper Cub的5英尺翼展模型,好像它是真實的一樣。尾巴抬起的起飛時間(對於模型而言)長於所需的時間,然後抬起油門以模擬標尺速度,飛出降落模式,然後將其展開。非常漂亮的飛行。但是他可以像OP的描述那樣熱狗。

出色的一點-可以快速進行機動,並不意味著該模型就可以進行這種機動。其他答案中描述的物理和空氣動力學解釋了該模型的功能,但飛行員大概仍在控制其實際功能。好的答案,歡迎來到Aviation.se!
dotancohen
2017-02-20 23:39:08 UTC
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請參閱有關Space.SE的這一非常相關的討論:微型土星V能否到達月球並返回月球?

方立方縮放問題 其他答案中已經提到了a>,但是另一個重要因素將是空氣的雷諾數與模型不成比例。從較小規模的飛機的角度來看,您可以認為這是空氣更加粘稠,這增加了阻力而沒有提供任何額外的升力(感謝註釋中的弗拉基米爾F)。

首先,*“空氣的雷諾數” *是一個非常奇怪的表述。沒有空氣的雷諾數這樣的東西。有一個描述某些物理問題的雷諾數,但這不是流體的屬性,它是某些配置的縮放參數!
其次,將較小的雷諾數的影響描述為使空氣變厚是完全錯誤的。運動粘度可能更大,但密度卻不更高!也許更高的密度可以通過同時增加升力和阻力來幫助飛行,但是增加粘度只會增加阻力。實際上,在雷諾數較低的情況下,我們會看到更高的阻力。我已經嘗試在http://aviation.stackexchange.com/a/21156/3189中解釋這種混亂,這裡的xkcd漫畫並不真正相關。更糟糕的是,指出這一點具有誤導性。
@VladimirF:感謝您的澄清。請注意,OP顯然不是AE,因此,我認為在上下文中討論運動粘度並不比簡單地說“粘稠”更為清楚。
我對密度-粘度的觀點是因為您與XKCD的鏈接具有很大的誤導性。 XKCD漫畫是關於密度的。更高的密度確實有助於飛行。這就是為什麼有服務上限。您不能飛得太高,因為在特定高度空氣密度太低。但是,粘度(雷諾數全都與粘度有關)無濟於事,尤其是在低雷諾數下。它只會造成阻力。 (不要讓Kutta條件和粘度複雜化)
您說得對,我將編輯我的答案。縮放後的飛行器阻力會增加,但升力不會增加。我完全在倒想。謝謝。
Scrontch
2017-02-21 15:13:08 UTC
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大多數先驗答案是正確的,我只是想用外行的話來說。

飛機的製造需要對形狀,材料成分,體積,質量,現在考慮所有這些元素都已針對實際比例平面進行了優化,因此它可以在為其設計的空氣動力學條件下完美飛行,即空速 strong>(涉及距離),空氣密度(涉及體積),升力,阻力(涉及區域)和重量(涉及質量)。所有這些都是航空工程和流體力學方程式的結果。

現在,如前所述,當您縮放距離時,然後區域體積質量的縮放比例不同。值得注意的是,面積與距離^ 2關聯,體積與距離^ 3關聯。質量大致與體積相關,但取決於模型平面將使用的材料,這可能與實際平面的材料不同。

因此,很明顯,縮小後的模型平面在與實際飛機完全不同的空氣動力學條件下運行。因此,處理特性完全不同。

不要忽略時間的尺度:與大小的平方根成反比。四分之一規模的飛機將“看起來”好像時間“以正常速度的兩倍飛行”。
@PeterKämpf:我知道你的意思。問題在於,時間*應該*縮放,以便適應其他尺寸的縮放比例的變化,並且仍然滿足相同的流體動力學方程式。但事實並非如此。模型飛機和真實飛機的時間是相同的。因此,即使模型飛機的飛行絕對空速肯定比實際飛機低得多,但它看起來仍然比其尺寸飛得快。
Swapnil Vargaonkar
2017-02-22 18:21:25 UTC
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縮放後的模型正在發揮其全部潛力,而實際模型卻遵循全球航空公司的安全標準以及在其安全區域內進行飛行和機動。

我們不希望我們的飛行員採取這種做法急轉彎只是因為飛機可以,是嗎?

Crowley
2017-02-22 22:49:29 UTC
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hoehne Swapnil已經指出,當模型具有出色的動作能力時,並不意味著飛行員必須執行這些動作。

模型無論採用哪種模型,都具有更高的功率重量比和更靈活的引擎,因此更加敏捷。實際飛行器的怠速和全油門之間的延遲要比模型引擎的延遲長得多。

另一個區別是體積(質量)-面積比,它不是恆定的。這樣可以使模型飛機以較低的速度飛行。

此外,襟翼和方向舵的有效面積對於模型和實際飛行器也有所不同。並且它們在模型平面上的偏轉角要比真實平面大。

要構建一個可行的模型,必須更改質心的位置。如果您按比例縮小所有內容,飛機將根本無法飛行。

以科學的方式建模是現實的,不平凡的問題,必須超級謹慎地推斷(縮小的)模型數據處理實際(高級)問題。而流體力學和空氣動力學是最困難的。



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