Warum unterscheiden sich RC-Rotorblätter von Helikopterblättern?

Warum haben Spielzeughubschrauber (RC) gekrümmte flache Oberflächen und größere Rotoren bei echten Hubschraubern haben eine solide Tragflächenform?

Wenn der Rotor mechanisch stark genug war, um das gewünschte Gewicht zu heben, gibt es dann einen (aerodynamischen) Vorteil für das massive Tragflügelprofil gegenüber der einfacheren gekrümmten Oberfläche?

Sicherlich könnten Spielzeughersteller den Boden des Rotors (entspricht der Tragflächenform) "schließen", selbst wenn er hohl wäre, mit vernachlässigbarer Gewichtszunahme.

Ich verstehe, dass der Bernoulli-Effekt nicht unbedingt auf die RC-Rotoren zutrifft, und es kann sich einfach um einen Coanda-Effekt handeln, aber sie scheinen sich nur mit Elektromotoren gut anzuheben.

Ich habe Diskussionen darüber gesehen, dass es einen "Scale-Up" -Effekt gibt, aber warum und wenn ja, bei welcher Größe beginnt der einfache Rotor zu versagen ... ein Fuß, drei Fuß, zehn Fuß? Gibt es Daten, die darauf hindeuten, wann der Übergang von dieser einfacheren Konstruktion zu einem vollständig extrudierten Vollrotor erforderlich ist?

Willkommen bei Aviation.SE! Ich glaube, ich verstehe Ihre Frage, aber das Hinzufügen von Bildern (oder Links zu einigen) wäre sehr hilfreich
Ein Faktor, der mir in den Sinn kommt, ist, dass bei einem Hubschrauber in voller Größe der vordere und der hintere Rotor abhängig von der Geschwindigkeit des Hubschraubers unterschiedliche Anstellwinkel haben müssen. Während dies mit einem RC-Hubschrauber möglich sein mag, wären die Kosten unerschwinglich.
Danke für deine Rückmeldung. Der erste und der zweite Absatz sind wirklich die gleiche Frage aus verschiedenen Aspekten. Warum passt das typisch gebogene Kunststoffblatt eines RC-Hubschraubers nicht zu größeren Hubschraubern oder umgekehrt, warum haben RC-Hubschrauber keine flügelförmigen Rotoren wie größere Hubschrauber, oder sie haben die effizienteste Form? Wenn die Erklärung darin besteht, dass es einen Effekt gibt, der „einsetzt“, wenn die Skala zunimmt, was könnte das sein und wann tritt er ein?
Vielen Dank. Ich stimme zu, dass es ein Problem mit dem Differenzialauftrieb geben würde, wenn sich der RC-Hubschrauber in einem Einzelrotordesign schnell genug vorwärts bewegen würde, aber es ist nicht die Form des Rotors, die dies verursacht. Viele sind koaxial, um das Problem zu lösen, genau wie bei einigen Hubschraubern in Originalgröße.

Antworten (2)

Wenn der Rotor mechanisch stark genug war, um das gewünschte Gewicht zu heben

Das wäre es nicht. Aufgrund des Quadratwürfelgesetzes wachsen Auftrieb und mechanische Festigkeit mit der zweiten Potenz der linearen Größe, aber das Gewicht wächst mit der dritten Potenz. Das Ergebnis ist, dass im RC-Maßstab alles viel Kraft und Stärke hat, selbst wenn es schlampig (und damit billig) aus gewöhnlichen Materialien hergestellt wird, während die menschliche Tragfähigkeit die Fähigkeiten der Materialien und Motoren, die wir haben, wirklich ausdehnt.

Ein stark gewölbtes Tragflächenprofil wäre für ein Helikopterblatt in Originalgröße nicht stark genug.

Gibt es einen (aerodynamischen) Vorteil des massiven Tragflügels gegenüber der einfacheren gekrümmten Oberfläche?

Ich glaube, das gibt es. Kein modernes Flugzeug verwendet stark gewölbte Flügel.

Sicherlich könnten Spielzeughersteller den Boden des Rotors (entsprechend der Tragflächenform) "schließen", selbst wenn er hohl wäre, mit vernachlässigbarer Gewichtszunahme.

Nein. Effizienz ist im RC-Maßstab nicht so wichtig und hohler Kunststoff ist viel schwieriger herzustellen (denken Sie daran, Kunststoff wird durch Einspritzen in eine Form hergestellt).

Ich verstehe, dass der Bernoulli-Effekt nicht unbedingt für die RC-Rotoren gilt

Tragflächen sind Tragflächen, egal ob sie gerade fliegen oder sich drehen. Und da das Bernoulli-Prinzip nur die Energieerhaltung für den Flüssigkeitsfluss ist, gilt es immer für es. Dies bedeutet jedoch nicht, dass eine konkave untere Oberfläche eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und einen geringeren Auftrieb bedeuten würde, da die Länge des Pfads nichts mit dem Auftrieb zu tun hat. Die Luft über dem Flügel ist schneller – und erreicht die Hinterkante lange vor der Luft darunter – aus ganz anderen Gründen. Stark gewölbte Flügel haben einen höheren Auftrieb. Sie haben nur einen noch höheren Luftwiderstand.

es kann einfach ein Coanda-Effekt sein

Beim Coandă-Effekt handelt es sich um einen Flüssigkeitsstrahl, der von stiller Flüssigkeit umgeben ist, aber hier sind keine Luftstrahlen beteiligt, daher kann es sich nicht um den Coandă-Effekt handeln.

aber sie scheinen sich nur mit Elektromotoren gut zu heben

Das ist wieder das Quadratwürfelgesetz , das die aerodynamische Leistung im Verhältnis zum Gewicht im RC-Maßstab so viel besser macht.

Ich habe Diskussionen darüber gesehen, dass es einen "Scale-Up" -Effekt gibt, aber warum und wenn ja, bei welcher Größe beginnt der einfache Rotor zu versagen

Es ist nicht nur eine Skalierung ( Quadratwürfelgesetz ):

  • Quad-Copter mit Fixed-Pitch-Rotoren (typisch für Spielzeug) sind mit ausgefallenem Motor nicht steuerbar. Menschentragende Fahrzeuge müssen sein.
  • Rotoren mit fester Steigung gehen schlecht mit horizontaler Geschwindigkeit um, weil die Auftriebsasymmetrie große Lasten erzeugt. Große Rotoren müssen voreilen und schlagen, um dies auszugleichen.

Beides macht Quadcopter im großen Maßstab unpraktisch.

Normalerweise werden Quad-Copter bis zu einem maximalen Gewicht von mehreren zehn Kilogramm hergestellt. Aber wo genau die Grenze ist, kann schwer zu sagen sein, da größere möglicherweise nicht hergestellt werden, einfach weil es nicht viel Nutzen für sie gibt.

Es sollte berücksichtigt werden, dass die Zentrifugalkraft die Schaufeln steifer macht. Bei den frühen Zeppelinen bestanden die Propellerblätter manchmal aus Segeltuch, und sie nahmen ihre "Arbeitsform" nur beim Drehen an ...
@xxavier, ich glaube nicht, dass sich das auf den Querschnitt der Blätter (bei Hubschraubern) auswirken würde.
Nein, aber es ist nicht notwendig, die Klinge aus einem sehr widerstandsfähigen Material zu bauen, da sie nur unter Spannung funktioniert.
Danke nochmal. Wissen wir, an welcher Stelle wir vom stark gewölbten Flügel zum massiven Rotor übergehen müssen? Ich versuche auch nicht, widersprüchlich zu sein, aber als ich bei der NASA war, sah ich einige überzeugende Daten, dass der Bernoulli-Effekt tatsächlich gering ist und es tatsächlich die durch den Coanda-Effekt "heruntergeworfene" Luft ist, die tatsächlich in fast allen Flügelformen Auftrieb verursacht . Wenn dies der Fall ist, hätte das Extrudieren eines Kunststoffflügels gegenüber der Herstellung einer einfachen gekrümmten Klinge keinen Vorteil. Ich stimme den Kommentaren zum festen Pitch zu, aber das bezieht sich wiederum nicht auf die Rotorform, ein festes Tragflügel würde das gleiche erleiden.
Vielen Dank. Ja, rotierende Flügel sind komplexer als die Regeln, die die Stärke in anderen technischen Bereichen bestimmen. Parasails sind flexible Flügel, die Verankerung und Luftdruck verwenden. Eine sich drehende Oberfläche (wie ein Gartentrimmerfaden), die der Zentrifugalkraft ausgesetzt und oben und unten von dynamischen Luftdruckkräften umgeben ist, hat eine größere mechanische Festigkeit als wenn sie statisch ist. Aber es ist immer noch schwer vorstellbar, dass man einen Rotor aus Stoff machen könnte, aber wir sehen Flügel aus Stoff, die jeden Tag fliegen, und ein Rotor ist ein Flügel, der sich im Kreis bewegt ... interessantes Experiment. Vielleicht hatte Da Vinci Recht.
Leider befindet sich das Papier, auf das ich hier verweise, hinter einer Paywall, aber es wurde eine bedeutende experimentelle und rechnerische Studie durchgeführt, die zeigt, dass unter einer Reynoldszahl von etwa 80.000 (in die die Rotoren einiger dieser Quadrotoren fallen) , eine 3-6% dicke, gewölbte flache Platte ist tatsächlich wesentlich effizienter (in Bezug auf das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand) als herkömmliche Formen. Ich glaube jedoch nicht, dass dies die eigentliche Designmotivation war. Das Papier ist hier: vtol.org/store/product/…
@CAerospace, der Auftrieb liegt in der Tat daran, dass die Luft dem Flügel folgt und dabei nach unten dreht. Dies ist jedoch kein Coandă-Effekt, sondern nur ähnlich, da dies davon spricht, dass sich der Strom relativ zur Umgebungsluft bewegt, und es hier keinen separaten Strom gibt. Es gibt auch keinen separaten Beitrag vom „Bernoulli-Effekt“. Bernoullis Prinzip, sondern ist einfach Teil des einen Phänomens. Siehe auch diese Antwort .
@CAerospace, Sowohl stark gewölbte dünne Tragflächen als auch dickere Tragflächen erzeugen Auftrieb. Der Unterschied besteht darin, wie viel Luftwiderstand sie haben. Und wie Marius feststellt, hängt dies von der Reynolds-Zahl ab , sodass das stark gewölbte dünne Schaufelblatt bei kleineren Maßstäben besser sein kann, aber nicht größer. Es gibt keine scharfe Grenze; Mit zunehmendem Maßstab ändern sich sowohl die aerodynamischen als auch die strukturellen Einschränkungen kontinuierlich.
Für Zweifler zeigen diese beiden Fotos, dass Stoffpropeller existierten und funktionierten. Es stammt von einem 'Parseval'-Luftschiff von 1906 ... imgur.com/5IvtcpR
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Die beiden Hauptunterschiede sind die Scheibenbelastung (Auftrieb pro Rotorscheibenfläche) und die Reynolds-Zahl. Die Reynolds-Zahl ist das Verhältnis zwischen Trägheits- und viskosen Kräften.

Modellhubschrauber arbeiten mit Reynolds-Zahlen, die für kleine Vögel typisch sind. Wenn Sie sich ihre Flügel ansehen, haben sie einen dünnen, gewölbten Querschnitt. In dieser Größenordnung sind die Lasten gering und sie können es sich leisten, dünne Flügel zu haben. Dies verringert die Beschleunigung der Strömung durch den Verdrängungseffekt und hilft, die Strömungsablösung zu verzögern, da die Druckgradienten bei gleichem Auftrieb geringer sind. Bei der niedrigen Reynolds-Zahl kleiner Modellhubschrauberrotoren ist die Grenzschicht vollständig laminar.

Großhubschrauber hingegen benötigen aufgrund ihrer höheren Scheibenbelastung und Zentrifugallasten viel stärkere Rotorblätter. Sie können es sich nicht leisten, die dünnen Flügel kleiner Vögel zu verwenden, und die Grenzschicht kann viel höhere Druckanstiege tolerieren, da die Betriebs - Reynolds-Zahl eines Hubschrauberrotors in voller Größe groß genug ist, um einen turbulenten Übergang zu gewährleisten .

Rotoren haben gegenüber Flügeln einen großen Vorteil: Eine Strömungsablösung ist nahezu unmöglich. Durch die Fliehkräfte wird eine verlangsamte Grenzschicht herausgedrückt, wo die höhere Umfangsgeschwindigkeit dafür sorgt, dass die Strömung an der Wand nie zu dem für die Strömungsablösung erforderlichen Stillstand kommt.

Ein weiterer Grund für die flache Form besonders günstiger Indoor-Modellhelikopter mit spritzgegossenen Blättern ist der geringere Materialeinsatz und kürzere Zykluszeiten, die mit einem dünnen Blatt möglich sind – sie sind deutlich günstiger in der Herstellung.

Danke dir. Einige Arbeiten, die in den 80er Jahren in Langley durchgeführt wurden, zeigten, dass die Reynolds-Zahl bei Rotoren immer über dem kritischen Wert liegt (Millionen), aber dass skalierte Modelle verwendet werden könnten, um den vollen Maßstab sehr genau vorherzusagen. Die Frage, die ich habe, ist, wo wir vom Kolibri-Flügel zum Blackhawk-Rotor übergehen.
Tatsächlich sind sogar Versuche mit Turbulatorstreifen an Rotorblättern selten.
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