Warum fliegen und manövrieren Modellflugzeuge so anders als echte Flugzeuge?

Es liegt teilweise an der Art und Weise, wie die Dinge skaliert werden.

Wenn Sie die Länge des Modells verdoppeln, dann erhöht sich die Flügelfläche (Länge mal Breite) um den Faktor 4, aber Gewicht und Volumen (Länge mal Breite mal Höhe) nehmen um den Faktor 8 zu ... also die Verdoppelung Größe bedeutet Halbierung des Verhältnisses Gewicht zu Auftrieb.

In den extremsten Fällen wird ein winziges Modell von einem Windstoß weggeblasen, und ein riesiges Modell (größer als das echte Flugzeug) kann überhaupt nicht abheben.

Ich nehme an, Sie könnten theoretisch versuchen, kleine Modelle schwerer zu fliegen, indem Sie zusätzliches Gewicht hinzufügen.

Das Obige ist theoretisch richtig, aber in der Praxis vielleicht Unsinn: Es wird davon ausgegangen, dass Strukturmaterialien dünner werden, wenn das Modell skaliert wird, in Wirklichkeit ist die Struktur nicht einmal das gleiche Material.

Betrachten wir es also mal anders:

• Ein vollwertiger A380 wiegt sagen wir 500 Tonnen und ist etwa 70 Meter lang .

• Verringern Sie das auf ein 1-Meter-Modell und die Oberfläche hat sich um (70x70=) 5000 verringert .

• Damit das Modell also das gleiche Flächengewicht wie das Flugzeug in Originalgröße hat, müsste es (500 Tonnen / 5000 =) 100 kg wiegen .

Ihr 1-Meter-Modell wiegt vermutlich viel weniger als 100 kg und hat daher ein viel geringeres Verhältnis von Gewicht zu Fläche. QED.

Es ist auch wichtig, die Reynolds-Zahl zu berücksichtigen , die von der Viskosität und Dichte der Luft sowie von der Größe und Geschwindigkeit des Modells abhängt. Die Reynolds-Zahl beeinflusst die Turbulenz, die für den Auftrieb eines Flügels sehr wichtig ist (ein Beispiel dafür, wie selbst eine winzige Änderung einen großen Effekt hat, finden Sie unter Kann eine sandpapierdicke Eisschicht den Auftrieb um 30 Prozent verringern und den Luftwiderstand um bis zu 40 Prozent erhöhen). ? ).

Um die richtige Reynolds-Zahl für ein kleines Modell zu erhalten, müssen Sie die Dichte (z. B. den Druck) der Luft erhöhen oder ihre Geschwindigkeit erhöhen. Angesichts der normalen Geschwindigkeit von Flugzeugen könnten Sie die Luftgeschwindigkeit jedoch nicht erhöhen (skalieren), da sie Überschall werden würde, was das Szenario ändern würde.

Basierend auf dieser Antwort auf „Das Reynolds-Zahlen-Skalierungsproblem verstehen“ und den Kommentaren darunter denke ich, dass sich ein 1-Meter-Modell eines 70-Meter-A380 (also ein Maßstab von 70:1) wie das Voll- Maßstabsgetreues Modell, wenn es unter folgenden Bedingungen geflogen würde:

• Luftdichte wird hochskaliert, also 70 Atmosphären Luftdruck
• Auftrieb und Widerstand werden verkleinert, also:
  • Gewicht des Modells beträgt 7 Tonnen (statt 500 Tonnen)
  • Schub des Modells beträgt 4.000 lb (statt 300.000 lbs), also etwa 2 Tonnen
• Luftgeschwindigkeit ist realistisch (z. B. 150 Knoten zum Abheben)

Offensichtlich wäre dies für ein Modellflugzeug ziemlich ungewöhnlich ¹ .

¹ _{Luft verflüssigt sich bei 60 Atmosphären; und das Modell würde eine spezifische Dichte von etwa 100 benötigen, dh 5-mal schwerer als Gold oder Uran).}

Modellflugzeuge werden im Allgemeinen mit einer viel geringeren Flächenbelastung und einem viel höheren Verhältnis von Leistung zu Gewicht gebaut. Dies ist teilweise möglich, weil sie keine wirkliche Nutzlast haben und nicht lange fliegen müssen.

Ein Flugzeug zu haben, das leichter beladen ist und mehr Leistung hat, führt zu den von Ihnen erwähnten Eigenschaften. Leichter zu sein bedeutet auch, dass Windböen und andere Turbulenzen eine größere Wirkung haben und zu schnelleren Richtungsänderungen führen.

Ich sollte auch anmerken, dass die zusätzliche Leistung und die geringere Flächenbelastung in einem Modell wünschenswert sind, da ein Fernpilot nicht über die gleiche Instrumentierung und den gleichen physischen sensorischen Input verfügt, der im Flugzeug gewonnen wird, und hilft, sicher näher an die Grenzen des Fliegens zu fliegen Flugzeug.

Die Gesetze der Physik sind nicht skaleninvariant.

Die Fläche wird mit dem Dimensionsquadrat skaliert, während das Volumen mit dem Dimensionswürfel skaliert wird. Aerodynamische Effekte skalieren ungefähr mit der Fläche. Die Masse skaliert grob mit dem Volumen. Trägheitswaage mit Masse. Trägheitsmoment skaliert mit Masse mal Dimension.

Das Endergebnis davon ist, dass die Modelle im Vergleich zu ihrer Trägheit weitaus stärkere aerodynamische Effekte haben. Das macht sie viel wendiger als ihre realen Gegenstücke. OTOH-Flugzeuge aus der realen Welt können im Allgemeinen schneller und weiter fliegen und haben einen besseren Treibstoffverbrauch pro Tonnenmeile.

Ich bin mir nicht sicher, ob Sie nur nach der beteiligten Physik fragen, also ist das hoffentlich nicht zu tangential - aber ein Faktor, der nicht wirklich viel berührt wurde, ist der Input des Piloten.

Neben den bereits erwähnten Störeinflüssen müsste der Pilot eines Modells seine eigentliche Manövrierfähigkeit ignorieren und viel Zurückhaltung an den Tag legen - sehr, sehr kleine und präzise Steuereingaben, unnötig langsame Beschleunigung und so weiter - überzeugendes Scale-Flugverhalten zu erreichen.

Mit diesem Ansatz (und bei superruhigen Bedingungen) wären Sie überrascht, was mit großen Modellen erreicht werden kann - Sie haben wahrscheinlich funkgesteuerte Modellarbeit in Filmen gesehen, ohne es zu merken. Aber außerhalb solcher Anwendungen muss die Versuchung groß sein, das Modell einfach herumzuwirbeln, denn Fliegen macht Spaß!

Natürlich werden Sie in Filmen jetzt nicht mehr viel Modellflug sehen, da Flugmaschinen zu den Dingen gehören, die sich mit CGI recht einfach überzeugend darstellen lassen. Aber für ein bisschen historischen Kontext gibt es hier eine kleine, aber interessante Galerie mit einigen Modellflugzeugen aus dem Film The Battle of Britain , der für seine hervorragende Modellarbeit bekannt war (wenn man bedenkt, dass er in den sechziger Jahren hergestellt wurde).

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

Kommt auch auf den Piloten an. Ich habe einen Typen gesehen, der ein Piper Cub-Modell mit einer Spannweite von 5 Fuß flog, als wäre es das Original. Viel länger als nötig (für das Modell) Startlauf mit angehobenem Heck, zurückgehaltenes Gas, um die maßstabsgetreue Geschwindigkeit zu simulieren, flog das Muster für die Landung und rollte es aus. Sehr schöner Flug. Aber er hätte es wie die Beschreibung des OP mit Hot Dogs behandeln können.

Sehen Sie sich diese sehr relevante Diskussion auf Space.SE an: Kann ein Miniatur-Saturn V zum Mond und zurück gelangen?

Das Problem der quadratischen Würfelskalierung wurde bereits in anderen Antworten erwähnt, aber ein weiterer wichtiger Faktor wird sein, dass die Reynolds-Zahl der Luft nicht mit dem Modell skaliert. Sie können sich das so vorstellen, dass die Luft aus Sicht des kleineren Fahrzeugs viskoser ist, was den Luftwiderstand erhöht, ohne zusätzlichen Auftrieb zu bieten (Dank an Vladimir F in den Kommentaren für Korrekturen) .

Die meisten der Präzedenzfall-Antworten sind richtig, ich versuche nur, dies in Laien-Worten auszudrücken.

Der Bau eines Flugzeugs erfordert eine Feinabstimmung von Form, Materialzusammensetzung, Volumen, Massen, Bereichen verschiedener Elemente wie Körper, Flügel, Steuerflächen, Triebwerke usw. Stellen Sie sich nun vor, dass all diese Elemente für das reale Flugzeug optimiert werden Es kann perfekt unter den aerodynamischen Bedingungen fliegen, für die es ausgelegt ist, nämlich Fluggeschwindigkeit (was Entfernung beinhaltet ), Luftdichte (was Volumen beinhaltet ), Auftrieb, Luftwiderstand (was Fläche beinhaltet ) und Gewicht (was Masse beinhaltet ). All dies ist das Ergebnis der Luftfahrttechnik und der Gleichungen der Strömungsmechanik.

Wie bereits erwähnt, werden beim Skalieren von Abstand Flächen , Volumen und Massen unterschiedlich skaliert. Insbesondere die Fläche passt zur Entfernung^2, das Volumen zur Entfernung^3. Die Masse passt ungefähr zum Volumen, hängt jedoch davon ab, aus welchen Materialien das Modellflugzeug hergestellt wird, die sich wahrscheinlich von denen des echten Flugzeugs unterscheiden.

So wird deutlich, dass das verkleinerte Modellflugzeug unter völlig anderen aerodynamischen Bedingungen operiert als das reale Flugzeug. Daher die radikal anderen Fahreigenschaften.

Das maßstabsgetreue Modell schöpft sein volles Potenzial aus, während das eigentliche Modell den globalen Airline-Standards für Sicherheit, Fliegen und Manövrieren in seinen Sicherheitszonen folgt.

Wir wollen nicht, dass unser Airline-Pilot scharfe Kurven nimmt, nur weil das Flugzeug könnte, oder?

hoehne und Swapnil stellten bereits fest, dass, wenn das Modell zu den herausragenden Manövern fähig ist, das nicht bedeutet, dass der Pilot sie ausführen muss.

Modelle, was auch immer sie sind, sind agiler dank eines höheren Leistungsgewichts und agilerer Motoren. Die Verzögerungen zwischen Leerlauf und Vollgas sind bei echten Fahrzeugen viel länger als bei Modellmotoren.

Ein weiterer Unterschied besteht im Verhältnis von Volumen (Masse) zu Fläche, es ist nicht konstant. Dadurch kann das Modellflugzeug mit langsameren Geschwindigkeiten fliegen.

Auch die effektive Fläche der Klappen und des Ruders ist für Modell und echtes Fahrzeug unterschiedlich. Und ihre Ablenkwinkel sind bei Modellflugzeugen höher als bei echten.

Um ein fliegendes Modell zu bauen, müssen Sie die Position des Massenmittelpunkts ändern. Wenn Sie alles verkleinern, kann das Flugzeug überhaupt nicht fliegen.

Die Modellierung auf wissenschaftliche Weise ist ein reales und nicht triviales Problem, und man muss äußerst vorsichtig sein, um (herunterskalierte) Modelldaten auf reale (hochskalierte) Probleme zu extrapolieren. Und Hydrodynamik und Aerodynamik sind die schwierigsten von allen.