Question:
Pourquoi les modèles réduits d'avion volent-ils et manœuvrent-ils si différemment des avions réels?
Luca Detomi
2017-02-20 16:41:00 UTC
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J'ai récemment visionné sur Youtube de nombreuses vidéos de petits et géants modèles d'avions. Dans certains cas, ils sont petits (par exemple un A330, 1 mètre de long) et dans d'autres, ils sont énormes (par exemple un A380, 5 mètres de long).

Pour autant que je sache, les plus petits semblent avoir des moteurs électriques (peut-être de faux moteurs à réaction dans lesquels les ventilateurs agissent comme des hélices?) mais les plus gros semblent avoir des moteurs à combustion interne, même si je ne sais pas comment ils fonctionnent.

Quoi qu'il en soit, le l'impression générale est que même de loin, il est évident que ce sont des modèles et non de vrais avions. Ils sont tous trop rapides, trop agiles, font des décollages très courts, ont une très faible inertie, font des virages rapides et ainsi de suite.

Pouvez-vous me dire pourquoi ces différences de maniabilité existent dans des modèles qui auraient autrement tendance à simuler une grande précision tous les autres détails de l'avion réel (lumières, forme, couleurs, détails fins, train d'atterrissage, etc.)?

Discussion très pertinente sur Space.SE: [Une Saturne V miniature peut-elle aller sur la lune et revenir?] (Http://space.stackexchange.com/questions/13729/can-a-miniature-saturn-v-get-to -la-lune-et-retour)
tl, dr; Loi Cube-Square en vigueur.
La «similitude dynamique» explique pourquoi les petits avions se déplacent plus rapidement que les plus gros. Pour la RC et la comparaison réelle, il existe également d'autres facteurs (les avions réels ont des systèmes d'augmentation de stabilité et plusieurs couches de protection contre les surcharges, etc.). Bonne observation que vous avez faite là-bas.
[Question connexe] (http://aviation.stackexchange.com/q/32325/8730)
Demandez à Reynold, si vous avez son numéro.
Autre facteur: si vous comptez tout mettre à l'échelle, vous devez également mettre à l'échelle votre appareil photo. Regardez votre modèle au ralenti et il sera plus réaliste.
^ Si vous regardez des vidéos de modèles réduits d'avions au ralenti, elles ont certainement tendance à ressembler davantage à la réalité. Aussi pour les vrais avions qui ressemblent un peu à la façon dont les modèles volent, regardez quelques vidéos d'avion ultraléger / cascadeur (et soyez surpris!)
Fabriquez une mouche domestique de la taille d'un cheval et voyez si elle peut encore marcher collée au plafond. Faites un bourdon de la taille d'un vautour et voyez s'il peut encore voler. La longueur, la surface et le volume changent à des taux différents à mesure que la taille linéaire augmente ou diminue.
Vous semblez tous oublier comment le temps s'échelonne: à l'inverse de la racine carrée de la taille. Pour un avion à l'échelle quart, toutes les manœuvres se produisent à deux fois la vitesse.
@PeterKämpf Regardez trois commentaires au-dessus du vôtre.
@PeterKämpf Cette mise à l'échelle particulière du «temps» est une quantité dérivée - c'est une conséquence, ou un résultat, de lois de mise à l'échelle plus fondamentales. Si vous voulez vraiment expliquer * pourquoi * ce problème se produit, vous devez commencer plus profondément. Il existe d'autres systèmes physiques où le «temps» ne s'adapte pas de cette façon. Une analyse dimensionnelle est nécessaire pour arriver à cette conclusion.
Neuf réponses:
#1
+50
ChrisW
2017-02-20 17:43:54 UTC
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C'est en partie inhérent à la façon dont les choses évoluent.

Si vous doublez la longueur du modèle, la surface de l'aile (longueur multipliée par la largeur) augmente d'un facteur 4, mais le poids et le volume ( longueur fois largeur fois hauteur) augmentera d'un facteur 8 ... donc doubler la taille signifie diviser par deux le rapport poids / portance.

Dans les cas les plus extrêmes, un petit modèle va exploser une bouffée de vent, et un énorme modèle (plus gros que l'avion réel) ne peut pas du tout décoller.

Je suppose que vous pourriez théoriquement essayer de rendre les petits modèles plus difficiles à piloter, en ajoutant du poids supplémentaire.


Ce qui précède est théoriquement vrai mais peut-être absurde en pratique: cela suppose que les matériaux de structure deviennent plus minces lorsque le modèle est mis à l'échelle, en réalité la structure n'est même pas le même matériau.

Voyons donc les choses autrement:

  • Un A380 à grande échelle pèse disons 500 tonnes , longueur environ 70 mètres

  • Diminuer cela à 1 mètre de modèle et la surface a diminué de (70x70 =) 5000

  • Donc, pour que le modèle ait le même poids-surface que l'avion à grande échelle, il devrait peser (500 tonnes / 5000 =) 100 kg .

Votre modèle de 1 mètre pèse probablement beaucoup moins de 100 kg, donc il a un rapport poids / surface beaucoup moins élevé. QED.


Il est également important de tenir compte du nombre de Reynolds, qui dépend de la viscosité et de la densité de l'air, ainsi que de la taille et de la vitesse du modèle. Le nombre de Reynolds affecte la turbulence, ce qui est très important pour la portance d'une aile (pour un exemple de la façon dont même un petit changement a un effet important, voir Une couche de glace épaisse de papier de verre peut-elle réduire la portance de 30% et augmenter la traînée vers le haut? à 40%?).

Pour obtenir le bon nombre de Reynolds pour un petit modèle, vous devez augmenter la densité (par exemple la pression) de l'air, ou augmenter sa vitesse. Mais étant donné la vitesse ordinaire des avions, vous ne pouviez pas augmenter (augmenter) la vitesse de l'air car elle deviendrait super-sonique, ce qui changerait le scénario.

Basé sur cette réponse à ' Comprenant le problème de mise à l'échelle du nombre de Reynolds ', et les commentaires ci-dessous, je pense qu'un modèle de 1 mètre d'un A380 de 70 mètres (donc une échelle de 70: 1) pourrait se comporter comme le modèle à grande échelle s'il volait dans les conditions suivantes:

  • la densité de l'air est augmentée, donc 70 atmosphères de pression atmosphérique
  • la portance et la traînée sont réduites, donc:
    • le poids du modèle est de 7 tonnes (au lieu de 500 tonnes)
    • la poussée du modèle est de 4 000 lb (au lieu de 300 000 lb), soit environ 2 tonnes
  • la vitesse de l'air est réaliste (par exemple 150 nœuds pour décoller)

De toute évidence, ce serait assez inhabituel pour un modèle réduit d'avion 1 .

1 L'air se liquéfie à 60 atmosphères; et le modèle aurait besoin d’une densité spécifique d’environ 100, soit 5 fois plus lourde que l’or ou l’uranium).

Je me demande ... ne serait-il pas nécessaire de piloter à des vitesses "réelles" si l'on voulait fabriquer un modèle avec un poids accru et une charge alaire réelle?
En fait, le nombre de Reynolds est la clé de cette question et il affecte tous les corps en mouvement dans un fluide, y compris les bateaux dans l'eau (hydrodynamique) ainsi que les avions dans les airs (aérodynamique).
#2
+30
Greg Taylor
2017-02-20 17:19:52 UTC
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Les modèles réduits d'avions sont généralement construits avec une charge alaire beaucoup plus faible et des rapports puissance / poids beaucoup plus élevés. Cela peut être fait en partie parce qu'ils n'ont pas de véritable charge utile et n'ont pas à voler pendant de longues durées.

Avoir un avion plus léger et plus puissant donne les traits que vous mentionnez. De plus, être plus léger signifie que les rafales de vent et autres turbulences auront un impact plus important et entraîneront des changements de direction plus rapides.

Je dois également noter que la puissance supplémentaire et la charge alaire inférieure sont souhaitables dans un modèle car un pilote à distance n'a pas la même instrumentation et la même entrée sensorielle physique que celle acquise en étant dans l'avion et aide à en toute sécurité volez plus près des limites de l'avion.

#3
+24
Peter Green
2017-02-20 23:26:36 UTC
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Les lois de la physique ne sont pas invariantes d'échelle.

L'aire s'échelonne avec le carré de la dimension tandis que le volume évolue avec le cube de la dimension. Les effets aérodynamiques évoluent à peu près avec la zone. La masse évolue à peu près avec le volume. Échelles inertielles avec masse. Le moment d'inertie échelles avec la masse multipliée par la dimension.

Le résultat final est que les modèles ont des effets aérodynamiques bien plus forts que leur inertie. Cela les rend beaucoup plus agiles que leurs homologues du monde réel. OTOH, les avions du monde réel sont généralement capables de voler plus vite et plus loin et ont une meilleure consommation de carburant par tonne-mile.

Sans oublier que la résistance du matériau dépend généralement de la surface, vous pouvez donc utiliser des supports beaucoup plus légers qui sont nécessaires dans le plan à grande échelle. La plupart des modèles réduits d'avions sont beaucoup plus légers qu'un avion à échelle réduite, ce qui réduit encore l'inertie et augmente la portance.
Vous voudrez peut-être ajouter ces échelles de temps inversement à la racine carrée de l'échelle linéaire. Un avion à l'échelle quart effectue ses manœuvres à deux fois la vitesse.
@PeterKämpf: Quel est le nom de cette propriété de mise à l'échelle temporelle? Google est tombé en panne sur moi :)
#4
+13
MikeD
2017-02-21 01:15:36 UTC
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Je ne sais pas si vous posez uniquement des questions sur la physique impliquée, donc j'espère que ce n'est pas trop tangentiel - mais un facteur qui n'a pas vraiment été abordé est la contribution du pilote.

De plus pour faire face aux influences perturbatrices que les gens ont déjà mentionnées, le pilote d'un modèle devrait ignorer sa capacité de manœuvre réelle et utiliser beaucoup de retenue - entrées de commande très, très petites et précises, accélération inutilement lente, etc. obtenir un comportement de vol à l'échelle convaincant.

Avec cette approche (et dans des conditions super calmes), je pense que vous seriez surpris de ce qui peut être réalisé avec de grands modèles - vous avez probablement vu le travail de modèle radiocommandé dans les films sans s'en rendre compte. Cependant, en dehors des applications comme celles-là, il doit y avoir une forte tentation juste de secouer le modèle, car voler est amusant!

Bien sûr, il est peu probable que vous voyiez beaucoup de modèles voler dans les films maintenant, depuis les machines volantes sont l'une des choses qu'il est assez facile de rendre de manière convaincante en utilisant CGI. Mais pour un peu de contexte historique, il y a une petite mais intéressante galerie ici avec quelques-uns des modèles réduits d'avions du film La bataille d'Angleterre , qui a été noté pour son travail de modèle exceptionnel (étant donné qu'il a été réalisé en les années 60).

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

Point de vue alternatif intéressant. Merci Mike! :-)
#5
+10
hoehne
2017-02-21 04:39:29 UTC
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Cela dépend aussi du pilote. J'ai vu un gars voler un modèle d'envergure de 5 pieds de Piper Cub comme si c'était la vraie chose. Course au décollage beaucoup plus longue que nécessaire (pour le modèle) avec la queue relevée, retenue sur la manette des gaz pour simuler la vitesse à l'échelle, a suivi le modèle pour l'atterrissage et l'a déroulé. Très joli vol. Mais il aurait pu le mettre en hot dog comme la description du PO.

Excellent point - être ** capable de ** manœuvrer rapidement ne signifie pas que le modèle ** doit ** manœuvrer comme ça. La physique et l'aérodynamique décrites dans les autres réponses expliquent ce que le modèle est capable de faire, mais le pilote est toujours, vraisemblablement, en contrôle de ce qu'il fait réellement. Bonne réponse et bienvenue sur aviation.se!
#6
+6
dotancohen
2017-02-20 23:39:08 UTC
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Voir cette discussion très pertinente sur Space.SE: Une Saturne V miniature peut-elle aller sur la lune et en revenir?

Le problème de mise à l'échelle du cube carré a déjà été mentionné dans d'autres réponses, mais un autre facteur important sera que le nombre de Reynolds de l'air n'est pas à l'échelle du modèle. Vous pouvez voir cela comme l'air étant plus visqueux du point de vue de l'engin plus petit , ce qui augmente la traînée sans fournir de portance supplémentaire (Merci à Vladimir F dans les commentaires pour les corrections) .

Premièrement, * "le nombre de Reynolds de l'air" * est une formulation très étrange. Le nombre de Reynolds de l'air n'existe pas. Il existe un nombre de Reynolds qui décrit un problème physique, mais ce n'est pas une propriété du fluide, c'est un paramètre d'échelle d'une configuration!
Deuxièmement, il est tout à fait faux de décrire l'effet d'un plus petit nombre de Reynolds comme rendant l'air plus épais. Une viscosité cinématique plus grande peut-être, mais pas une densité plus élevée! Peut-être qu'une densité plus élevée aiderait à voler en augmentant la portance et la traînée en même temps, mais l'augmentation de la viscosité ne fait qu'augmenter la traînée. Et en effet, à des nombres de Reynolds inférieurs, nous verrons une traînée beaucoup plus élevée. J'ai déjà essayé d'expliquer cette confusion dans http://aviation.stackexchange.com/a/21156/3189 La bande dessinée xkcd n'est pas vraiment pertinente ici. Pire encore, il est trompeur de le signaler.
@VladimirF: Merci pour vos clarifications. Notez que l'OP n'est clairement pas un AE, donc je soumets que dans le contexte, discuter de la viscosité cinématique ne serait pas plus lucide que de dire simplement "plus épais".
Mon point avec la densité-viscosité est que votre lien avec XKCD est très trompeur. La bande dessinée XKCD parle de densité. Une densité plus élevée aide à voler. C'est pourquoi il y a un plafond de service. Vous ne pouvez pas voler trop haut car la densité de l'air est trop faible à une certaine hauteur. Cependant, la viscosité (et le nombre de Reynolds est une question de viscosité) n'aide rien, surtout à de faibles nombres de Reynolds. Cela provoque juste une traînée. (ne compliquons pas les choses avec l'état et la viscosité de Kutta)
Vous avez raison, et je vais modifier ma réponse. L'engin à l'échelle verra une traînée accrue, mais pas d'augmentation de la portance. Je pensais complètement à l'envers. Merci.
#7
+3
Scrontch
2017-02-21 15:13:08 UTC
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La plupart des réponses précédentes sont justes, j'essaie juste de le dire avec des mots simples.

La construction d'un avion nécessite un réglage fin de la forme, de la composition des matériaux, des volumes, des masses, des zones de divers éléments tels que la carrosserie, les ailes, les gouvernes, les moteurs etc. Maintenant, pensez à tous ces éléments étant optimisés pour l'avion à l'échelle réelle, afin qu'il puisse voler parfaitement dans les conditions aérodynamiques pour lesquelles il est conçu, à savoir la vitesse (ce qui implique la distance ), la densité de l'air (ce qui implique le volume ), la portance, la traînée (ce qui implique surface ) et poids (qui implique masse ). Tout cela est le résultat de l'ingénierie aéronautique et des équations de la mécanique des fluides.

Maintenant, comme indiqué précédemment, lorsque vous mettez à l'échelle distance , puis zones , les volumes et les masses sont mis à l'échelle différemment. La zone va notamment avec la distance ^ 2, le volume avec la distance ^ 3. La masse va à peu près avec le volume, mais dépend des matériaux dont le plan du modèle sera fait, qui sont probablement différents de ceux dont le plan réel est fait.

Il devient donc évident que le plan du modèle réduit fonctionne dans des conditions aérodynamiques complètement différentes de celles de l'avion réel. D'où les caractéristiques de manipulation radicalement différentes.

N'oubliez pas comment le temps s'échelonne: à l'inverse de la racine carrée de la taille. Un avion à l'échelle quart "aura l'air" comme si le temps "vole" à deux fois sa vitesse normale.
@PeterKämpf: Je sais ce que vous voulez dire. Le problème est que le temps * devrait * s'échelonner afin de s'adapter au changement d'échelle des autres dimensions et de toujours remplir les mêmes équations dynamiques fluides. Mais ce n'est pas le cas. Le temps est le même pour les modèles réduits d'avions et le réel. Ainsi, même si l'avion modèle vole certainement à une vitesse absolue beaucoup plus faible que l'avion réel, il * semble * qu'il vole trop vite par rapport à sa taille.
#8
  0
Swapnil Vargaonkar
2017-02-22 18:21:25 UTC
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Le modèle réduit vole à son plein potentiel, mais alors que le modèle actuel suit les normes mondiales des compagnies aériennes en matière de sécurité, de vol et de manœuvre dans ses zones de sécurité.

Nous ne voulons pas que notre pilote de ligne prenne virages serrés juste parce que l'avion pourrait, n'est-ce pas?

#9
  0
Crowley
2017-02-22 22:49:29 UTC
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hoehne et Swapnil ont déjà noté que lorsque le modèle est capable des manœuvres exceptionnelles, cela ne signifie pas que le pilote doit les effectuer.

Modèles , quel que soit leur modèle, sont plus agiles grâce à un rapport puissance / poids plus élevé et à des moteurs plus agiles. Les délais entre le ralenti et le plein régime pour les vraies embarcations sont beaucoup plus longs que les délais pour les modèles de moteurs.

Une autre différence est dans le rapport volume (masse)-surface, il n'est pas constant. Cela permet au modèle réduit de voler avec des vitesses plus lentes.

De plus, la zone efficace des volets et du gouvernail est différente pour le modèle et le bateau réel. Et leurs angles de déflexion sont plus élevés pour les plans de modèle que pour les plans réels.

Pour construire un modèle fyable, vous devez modifier la position du centre de gravité. Si vous réduisez tout, l'avion ne pourra pas voler du tout.

La modélisation, de manière scientifique, est un problème réel et non trivial et il faut être extrêmement prudent pour extrapoler (à l'échelle réduite) le modèle données à des problèmes réels (à grande échelle). Et l'hydrodynamique et l'aérodynamique sont les plus difficiles de tous.



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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