Der Helicarrier, der 1965 in Marvels „Strange Tales“ erstmals vorgestellt wurde, ist ein beeindruckendes technisches Wunderwerk – ein fliegender Flugzeugträger mit modernster Technologie. Im Marvel Cinematic Universe wurde er für das moderne Publikum neu interpretiert, beginnend mit seinem Debüt in „The Avengers“ im Jahr 2012.

Wie bei jedem Science-Fiction-Film muss man manchmal die Physik außer Acht lassen, um eine gute Geschichte zu erzählen. Marvel-Filme wären nicht unterhaltsam, wenn unsere Helden einen Hubschrauberabsturz nicht einfach überleben könnten.  

Ein Teil des Reizes der neueren Filme liegt jedoch darin, dass das Team für visuelle Effekte tatsächlich versucht, die Dinge realistisch zu gestalten. Beispielsweise hat der Helicarrier das Aussehen und die Haptik eines modernen Flugzeugträgers und verfügt gleichzeitig über ein Vierrotor-Antriebssystem.

"Aber könnte ein echter Helicarrier tatsächlich fliegen? Ist der Bau eines Helicarriers überhaupt eine gute Idee? Gibt es eine Energiequelle, die die erforderliche Leistung erzeugen kann? Wen interessiert das? Es ist ein fantastisch aussehendes Schiff."

Angenommen, wir glauben, dass das Antriebssystem realisierbar ist. In diesem Fall bleiben einige Fragen zum Design des Helicarriers offen, insbesondere zur Platzierung der Lüfterblätter: Würden Piloten, die über den Luftstrom der Lüfter fliegen, unmittelbar dem Untergang geweiht sein?

Flugzeugträger haben abgewinkelte Flugdecks so dass Start und Landung gleichzeitig erfolgen können. Trägerlandungen sind gewissermaßen kontrollierte Abstürze, bei denen die Piloten versuchen, mit ihren Fanghaken die Fangseile zu erreichen, um erfolgreich zu landen. Dies gelingt nicht immer beim ersten Versuch, daher landen die Piloten mit voller Kraft, um bei einem Fehlversuch (einem „Bolter“) genügend Geschwindigkeit zum Abheben zu haben. Die meisten Marinepiloten haben im Laufe ihrer Karriere schon einmal einen Bolter erlebt.

Warum also sollte man am Ende der Landebahn einen riesigen Hubventilator platzieren und garantieren, dass jeder Bolter mit dem Tod eines Piloten endet? Das Team für visuelle Effekte hätte ihn überall platzieren können.  

Was wäre angesichts des Helicarrier-Designs nötig, damit ein Pilot einen Bolter-Landeversuch auf dem Helicarrier überlebt?

Moderne Simulationswerkzeuge ermöglichen die Beantwortung dieser Fragen und mit dem Zugriff auf Neu skalierenJeder kann Simulationen durchführen, die komplexe Fragen aus den Bereichen Technik, Design oder einfach nur zum Spaß beantworten. Warum also nicht ein bisschen Spaß haben und dieses Science-Fiction-Pseudo-Engineering-Design auf die Probe stellen?

Problemstellung: Die Physik einer Helicarrier-Landung

Wir beginnen mit den grundlegenden Abmessungen, die für die obige Situation relevant sind. Diese basieren auf den Abmessungen moderner Flugzeugträger und dem, was wir im Film sehen. Beispielsweise ist der Hubventilator ungefähr so breit wie der Hauptrumpf des Trägers. Der Hubventilator hat außerdem den gleichen Abstand vom Landedeck wie sein Durchmesser.

Das Schicksal unseres Piloten wird wahrscheinlich von einigen Faktoren abhängen:

• Die Geschwindigkeit und Neigung des Jets
• Die Masse des Jets
• Dauer der Einwirkung des Luftstroms des Liftlüfters (abhängig von der Größe des Liftlüfters)
• Die durch den Hubventilator auf den Strahl wirkenden Kräfte (basierend auf der Strömung in den Hubventilator)

Außerdem werden wir einige vernünftige Annahmen treffen:

1. Der Jet fliegt mit einer typischen Flugzeugträger-Landegeschwindigkeit um 67 Meter pro Sekunde (m/s) oder 150 mph
2. Sobald der Jetbolter losgeht, fliegt er quasi mit Landegeschwindigkeit knapp über dem Deck, ohne es zu berühren. Über den Rollwiderstand machen wir uns keine Gedanken.  
3. Wir gehen für unsere Analyse von der leichtesten Konfiguration des F-35-Kampfjets aus. Ladefähigkeit bis zu 13,290 Kg. Keine schwere Nutzlast an Bord usw.
4. Wir gehen davon aus, dass die F-35 nur für 1 Sekunden. (da es mit 67 m/s fliegt und der Fächer 77 Meter breit ist)
5. Für alle Annahmen bezüglich der Hubventilatorgeschwindigkeit verweisen wir auf einen wahnsinnig coolen Blog von Rhett Allen in Wired-MagazinEr berechnet die Schubgeschwindigkeit des Hubgebläses von 642 m / s. Um die Simulation zu vereinfachen, gehen wir von einer deutlich konservativeren Fluggeschwindigkeit von 134 m / s. 
6. Wir gehen davon aus, dass der Helicarrier über Luftleitbleche verfügt, die natürlich richtig platziert sind, um nicht direkt über dem Hubgebläse neben der Landebahn einen riesigen Wirbel zu erzeugen! 
7. Wenn der Kampfjet mehr als 10 Meter, der Kampfjet wird in den Hubventilator gesaugt, wodurch unser Pilot stirbt.

Aerodynamische Kräfte können mit Software zur numerischen Strömungsdynamik simuliert werden 

Wir simulieren den Flug der F-35 über einen Hubventilator, um Auftrieb und Widerstand zu berechnen. Bevor wir jedoch mit der Simulation beginnen, wollen wir kurz die Funktionsweise von Flugzeugflügeln rekapitulieren. Dies hilft uns, die Simulationsergebnisse besser zu verstehen und ungenaue Ergebnisse zu erkennen, die eine Simulation manchmal liefert.

Damit ein Tragflügel positiven Auftrieb erfährt, ist der Anstellwinkel wichtig. Mit zunehmendem Anstellwinkel steigt der Auftriebskoeffizient bis zu einem gewissen Punkt an, darüber hinaus löst sich der Luftstrom jedoch vom Flügel und es kommt zum Strömungsabriss. Dies wird als kritischer Anstellwinkel bezeichnet.

Wie in der Abbildung oben gezeigt, beginnt das Flugzeug bei Anstellwinkeln über 20 Grad abzuwürgen.

Wird ein Kampfjet in der Lage sein, über einen riesigen Liftfan hinwegzufliegen? Wie Sie vielleicht schon vermutet haben, hängt die Antwort mit dem Anstellwinkel (AoA) und der Geschwindigkeit der Luft über dem Tragflügel zusammen. Wir verwenden einen professionellen Computational Fluid Dynamics (CFD)-Solver— Sechseck-Wiege, um sowohl den Anstellwinkel als auch die Luftgeschwindigkeit über der F-35 zu berechnen. 

Unsere Simulation wird so einfach wie möglich sein, aber ausreichend detailliert, um unter bestimmten Annahmen eine genaue Berechnung von Auftrieb und Luftwiderstand durchzuführen:

1. Wir simulieren stationäres Verhalten
2. Wir gehen davon aus, dass die Strömung nicht rotiert

Um einen F-35 Kampfjet zu simulieren, mussten wir ein CAD erhalten Modell und glätten Sie die Oberflächen. Andernfalls wird der Vernetzungsalgorithmus irritiert, und das ist nie eine gute Idee. Wir haben eine geglättete Geometriedarstellung einer F-35 in Nashorn, Wie nachfolgend dargestellt.

Wenn die F-35 in die Luftblase über dem Hubgebläse eintritt: 

1. Es hat eine Anfangsgeschwindigkeit von 67 m/s. Wir erstellen also eine Einlass Strömungszustand von 67 m / s entlang der Rumpflänge. 
2. Wir gehen von einer viel konservativeren Schätzung der Fan-Schubgeschwindigkeit von aus 134 m / s (im Vergleich zu 642 m/s) senkrecht zum Rumpf. Wir erstellen eine Einlassströmungsbedingung, um diese Randbedingung darzustellen.
3. Wir gehen von einem statischen Druck von 0 Pa (Pascal) bei der outlet auf das Flugzeug direkt unter der F-35.
4. Wir gehen auch davon aus Freischlupf überall sonst.

Schließlich haben wir ein sehr schönes Netz für eine gute und genaue Simulation vorbereitet. 

Und wir waren bereit zur Simulation!

Nachdem wir unser CFD-Ergebnis erhalten hatten, stellten wir die Druckverteilung auf dem Flugzeugrumpf dar (siehe unten). Rot markierte Bereiche weisen einen höheren Druck auf. Überlagert haben wir das Druckdiagramm mit Geschwindigkeitsvektor-Stromlinien, die unten als Pfeile dargestellt sind.

Abschließend berechneten wir die Gesamtabwärtskraft, die auf die F-35 wirkt. Unter der Annahme, dass das Hubgebläse Luft mit 134 m/s ansaugt, Abwärtskraft auf der F-35 wäre eine satte 1.773263 x 10^7 N.

Zurück zu den Handberechnungen!

Zur Feststellung, was derzeit bekannt ist:

• Anfangs-Horizontalgeschwindigkeit = 67 m/s
• Anfängliche vertikale Geschwindigkeit = 0 m/s (da es sich anfänglich horizontal bewegt)
• Ausgeübte Kraft = 1.773263 x 10^7 N
• Masse der F-35 = 13,290 kg
• Zeit, für die die Kraft ausgeübt wird = 1 s
• Erdbeschleunigung (g) = 9.81 m/s²

Bestimmen wir zunächst die Beschleunigung aufgrund der aerodynamischen Kraft. Beschleunigung, a = F/m

a = 1.773263 x 10^7 N / 13,290 kg ≈ 1,334 m/s²

Berechnen wir nun die endgültige vertikale Geschwindigkeit (Vy) mithilfe der kinematischen Gleichung: V= U + a .t 

Da die Kraft nach unten gerichtet ist, ist die Beschleunigung negativ (entgegen der positiven Aufwärtsrichtung).

Vy= 0 m/s + (-1,334 m/s²)(1 s) = -1,334 m/s

Berechnen wir nun die nach unten zurückgelegte Strecke (Sy) mithilfe der kinematischen Gleichung: S= ut + 1/2 a.^t2

Sy = 0 m/s(1 s) + (1/2)(-1,334 m/s²)(1 s)² = -667 m (abwärts)

Da bei der horizontalen Bewegung keine horizontale Kraft auf das Flugzeug einwirkt, bewegt es sich weiterhin mit einer konstanten Geschwindigkeit von 67 m/s.

Die horizontale Entfernung (Sx) ist einfach die horizontale Geschwindigkeit multipliziert mit der Zeit.

Sx = 67 m/s * 1 s = 67 m

Unser Fazit: Die F-35 wird sich etwa 667 Meter nach unten und 67 Meter seitwärts bewegen. Der Pilot wird den Aufprall auf das Hubgebläse angesichts der 667 Meter Fallhöhe nicht überleben.

Mithilfe von Simulationen konnten wir zeigen, dass der Kampfjet in der Luftblase über dem Helicarrier-Hubgebläse an Auftrieb verliert. Der Pilot sollte jedoch so viel Geschwindigkeit wie möglich aufnehmen und einen möglichst nahe an 45 Grad liegenden Startwinkel erreichen.

Einige zusätzliche Vorbehalte:

Demokratisierung des Zugangs zur Simulation zur Unterstützung der frühen Entwurfsphase

Bei der Demokratisierung des Zugangs zur Simulation geht es darum, fortgeschrittene Simulationstools für einen größeren Personenkreis zugänglich und nutzbar zu machen, auch für diejenigen ohne spezielle Ausbildung in rechnergestützten Methoden. 

Durch die Vereinfachung der Benutzeroberfläche und Integration von Simulationen Bereits in den frühen Phasen des Designprozesses können Designer die Leistung und Machbarkeit verschiedener Designkonzepte schnell und effektiv bewerten. Diese frühzeitige Integration hilft, suboptimale Designkandidaten zu identifizieren und auszusortieren und spart so Zeit und Ressourcen.

Cloudbasierte Simulationsplattformen sowie verbesserte Rechenkapazitäten und Algorithmen spielen in diesem Demokratisierungsprozess eine entscheidende Rolle. Durch den einfacheren Zugriff auf diese leistungsstarken Tools können Designer effizienter Innovationen entwickeln und datenbasierte Entscheidungen treffen, die zu qualitativ hochwertigeren und nachhaltigeren Designs führen.

Könnten wir schlechte Designkandidaten gänzlich vermeiden, wenn Designer und andere Nicht-CFD/HPC-Experten einfachen Zugang zur Simulation hätten? Nur die Zeit wird es zeigen. Die gute Nachricht ist, dass Sie nicht mehr lange warten müssen. Die Simulationstechnologie erlebt die rasanteste Innovation aller Zeiten!

Eine letzte Sache. Dank Rescale wurde die Simulation in diesem Blog von einer Hütte an einem See aus aufgebaut! 

Mit Rescale konnte Sandeep schnell und einfach auf die Tools zugreifen, die er zur Untersuchung dieses Designproblems benötigte, von modernster Simulationssoftware bis hin zur richtigen Hardware für die fotorealistische Bildverarbeitung. 

Wir freuen uns, berichten zu können, dass echte Ingenieursarbeit heute jederzeit und überall möglich ist.