L'héliporteur, introduit pour la première fois dans « Strange Tales » de Marvel en 1965, est une merveille d'ingénierie impressionnante : un porte-avions aéroporté doté d'une technologie de pointe. Il a été réinventé pour le public moderne dans l’univers cinématographique Marvel, en commençant par ses débuts dans « The Avengers » en 2012.
Comme dans tout film de science-fiction, il faut parfois négliger la physique pour raconter une bonne histoire. Les films Marvel ne seraient pas amusants si nos héros ne pouvaient pas simplement échapper à un accident d'hélicoptère.
Cependant, une partie de l'attrait des films les plus récents réside dans le fait que l'équipe des effets visuels essaie de rendre les choses réalistes. Par exemple, l’Héliporteur a l’apparence et la sensation d’un porte-avions moderne tout en arborant un système de propulsion à quatre rotors.
"Mais un véritable héliporteur pourrait-il réellement voler ? Construire un héliporteur est-il une bonne idée ? Existe-t-il une source d’énergie capable de générer la puissance requise ? Qui s'en soucie? C'est un vaisseau superbe."
Supposons que nous croyions que son système de propulsion est réalisable. Dans ce cas, certaines questions demeurent sur la conception de l'héliporteur, en particulier sur l'emplacement des pales de son ventilateur : les pilotes qui survoleraient le flux d'air des ventilateurs connaîtraient-ils une catastrophe imminente ?
Les porte-avions ont postes de pilotage inclinés afin que les opérations de décollage et d'atterrissage puissent se dérouler simultanément. D'une certaine manière, les atterrissages sur porte-avions sont des crashs contrôlés, où les pilotes tentent d'attraper leurs crochets de queue pour attraper les câbles d'arrêt pour un atterrissage réussi. Cela ne se produit pas toujours du premier coup, c'est pourquoi les pilotes atterrissent à pleine puissance pour s'assurer d'avoir suffisamment de vitesse pour décoller s'ils ratent (un « bolter »). La plupart des pilotes de la marine ont fui à un moment donné de leur carrière.
Alors pourquoi voudriez-vous installer un ventilateur géant au bout de la piste d'atterrissage et garantir que chaque bolter se solde par la disparition d'un pilote ? L’équipe des effets visuels aurait pu les placer n’importe où.
Compte tenu de la conception de l'héliporteur, que faudrait-il à un pilote pour survivre à une tentative d'atterrissage d'un bolter sur l'héliporteur ?
Les outils de simulation modernes permettent de répondre à ces questions et, grâce à l'accès à Redimensionner, n'importe qui peut effectuer des simulations répondant à des questions complexes pour l'ingénierie, la conception ou simplement pour le plaisir. Alors pourquoi ne pas s’amuser en mettant à l’épreuve cette conception de pseudo-ingénierie de science-fiction ?
Poser le problème : la physique de l'atterrissage d'un héliporteur
Nous commençons par les dimensions de base qui comptent pour la situation ci-dessus, basées sur les dimensions des porte-avions modernes et ce que nous voyons dans le film. Par exemple, le ventilateur de levage a à peu près la même largeur que le corps principal du transporteur. Le ventilateur de levage est également à la même distance du pont d'atterrissage que le diamètre du ventilateur de levage.
Le sort de notre pilote dépendra probablement de quelques facteurs :
- La vitesse et l'inclinaison du jet
- La masse du jet
- Durée d'exposition au flux d'air du ventilateur de levage (en fonction de la taille du ventilateur de levage)
- Les forces exercées sur le jet dues au ventilateur de levage (basées sur le flux dans le ventilateur de levage)
Nous ferons également quelques hypothèses raisonnables :
- Le jet vole à une vitesse d'atterrissage typique d'un porte-avions autour de 67 mètres par seconde (m/s) ou 150 mph
- Dès que le jet bolter, il vole à sa vitesse d'atterrissage juste au-dessus du pont sans le toucher. Nous ne nous soucierons pas de la résistance au roulement.
- Nous supposerons la configuration la plus légère du chasseur F-35 pour notre analyse à kg 13,290. Pas de charge utile lourde à bord, etc.
- Nous supposerons que le F-35 reste dans la poche d'air au-dessus du ventilateur de levage pendant seulement 1 secondes. (puisqu'il vole à 67 m/s et que le ventilateur fait 77 mètres de large)
- Pour toutes les hypothèses liées à la vitesse du ventilateur de levage, nous vous renverrons à un blog sympa et méchant de Rhett Allen in Magazine câblé. Il calcule la vitesse de poussée du ventilateur de portance de 642 m / s. Pour simplifier la simulation, nous supposerons une vitesse beaucoup plus conservatrice de 134 m / s.
- Nous supposerons que l'héliporteur est équipé d'aubes d'entrée d'air, bien placées bien sûr, pour ne pas créer de vortex géant juste au-dessus du ventilateur de sustentation, juste à côté de la piste !
- Si l'avion de combat chute plus que 10 mètres, l'avion de combat est aspiré par le ventilateur de levage, tuant notre pilote.
Les forces aérodynamiques peuvent être simulées avec un logiciel informatique de dynamique des fluides
Nous simulerons le vol du F-35 au-dessus d'un ventilateur de portance pour calculer les forces de portance et de traînée. Mais avant de nous lancer dans la simulation, faisons un récapitulatif de base du fonctionnement des ailes ou des profils aérodynamiques des avions. Cela nous aidera à mieux comprendre les résultats de la simulation et à reconnaître les réponses inexactes qu'une simulation peut parfois générer.
Pour qu’un profil aérodynamique connaisse une portance positive, l’angle d’attaque est important. À mesure que l'angle d'attaque augmente, le coefficient de portance augmente jusqu'à un certain point, mais au-delà, le flux d'air se sépare de l'aile et un décrochage se produit. C’est ce qu’on appelle l’angle d’attaque critique.
Comme le montre la figure ci-dessus, à des angles d'attaque supérieurs à 20, l'avion commence à décrocher.
Un avion de combat sera-t-il capable de survoler un énorme ventilateur de levage ? Comme vous l'avez peut-être deviné, la réponse concerne l'angle d'attaque (AoA) et la vitesse de l'air au-dessus du profil aérodynamique. Nous ferons appel à un professionnel Dynamique des fluides computationnelle (CFD) solveur— Berceau Hexagone, pour calculer à la fois l'AoA et la vitesse de l'air au-dessus du F-35.
Notre simulation sera la plus simple possible mais suffisamment détaillée pour faire un calcul précis de portance et de traînée compte tenu de certaines hypothèses :
- Nous simulerons le comportement en régime permanent
- Nous supposerons que le flux ne tourne pas
Pour simuler un avion de combat F-35, nous avons dû obtenir un CAD modeler et bien lisser les surfaces. Échouer cela irrite l’algorithme de maillage, et ce n’est jamais une bonne idée. Nous avons préparé une représentation géométrique lissée d'un F-35 dans Rhinocéros, comme indiqué ci-dessous.
Lorsque le F-35 entre dans la poche d'air au-dessus du ventilateur de levage :
- Sa vitesse initiale est de 67 m/s. Nous allons donc créer un entrée condition d'écoulement de 67 m/s le long de la longueur du fuselage.
- Nous supposerons une estimation beaucoup plus prudente de la vitesse de poussée du ventilateur de 134 m/s (par rapport à 642 m/s) perpendiculairement au fuselage. Nous allons créer une condition de débit d'entrée pour représenter cette condition aux limites.
- Nous supposerons une pression statique de 0 Pa (Pascal) au Entrepôt dans l'avion juste en dessous du F-35.
- Nous supposerons également glissement gratuit partout ailleurs.
Enfin, nous avons préparé un très joli maillage pour une simulation bonne et précise.
Et nous étions prêts à simuler !
Une fois que nous avons obtenu notre résultat CFD, nous avons tracé la répartition de la pression sur le corps de l'avion (illustré ci-dessous). Les zones colorées en rouge ont une pression plus élevée. Nous avons superposé le tracé de pression avec les lignes de vecteur vitesse, représentées par les flèches ci-dessous.
Enfin, nous avons calculé la force descendante globale agissant sur le F-35. En supposant que le ventilateur de levage aspire de l'air à une vitesse de 134 m/s, la force vers le bas sur le F-35 serait un énorme 1.773263 x 10 ^ 7 N.
Retour aux calculs manuels!
En précisant ce que l'on sait maintenant :
- Vitesse horizontale initiale = 67 m/s
- Vitesse verticale initiale = 0 m/s (puisqu'il se déplace initialement horizontalement)
- Force exercée = 1.773263 x 10^7 N
- Masse du F-35 = 13,290 XNUMX kg
- Temps pendant lequel la force est exercée = 1 s
- Accélération gravitationnelle (g) = 9.81 m/s²
Tout d’abord, trouvons l’accélération due à la force aérodynamique. Accélération, a = F/m
une = 1.773263 x 10^7 N / 13,290 1,334 kg ≈ XNUMX XNUMX m/s²
Maintenant, trouvons la vitesse verticale finale (Vy) en utilisant l'équation cinématique : V= U + a .t
Puisque la force est descendante, l’accélération est négative (allant à l’opposé de la direction positive ascendante).
Vy= 0 m/s + (-1,334 1 m/s²)(1,334 s) = -XNUMX XNUMX m/s
Maintenant, trouvons la distance parcourue vers le bas (Sy) en utilisant l'équation cinématique : S= ut + 1/2 a .t2
Sy = 0 m/s(1 s) + (1/2)(-1,334 1 m/s²)(667 s)² = -XNUMX m (vers le bas)
Pour le mouvement horizontal, puisqu’aucune force horizontale n’agit sur l’avion, celui-ci continuera à se déplacer à une vitesse constante de 67 m/s.
La distance horizontale (Sx) est simplement la vitesse horizontale multipliée par le temps.
Sx = 67 m/s * 1 s = 67 m
Notre conclusion : le F-35 se déplacera d'environ 667 mètres vers le bas et 67 mètres latéralement. Le Pilot ne survivra pas à l'impact sur le ventilateur de levage, étant donné la chute de 667 mètres.
À l’aide de simulations, nous avons montré que l’avion de combat perdrait sa portance dans la poche d’air au-dessus du ventilateur de portance de l’Héliporteur. Cela dit, le pilote doit accélérer autant que possible et se rapprocher le plus possible d'un angle de lancement de 45 degrés.
Quelques mises en garde supplémentaires :
1. L'AoA a été laissée à 0 degré, certains pilotes peuvent remonter et entrer dans la poche au-dessus du ventilateur de portance sous un angle différent. Cela améliorerait la portance et serait meilleur pour le mouvement des projectiles. Nos simulations ignorent ces scénarios.
2. Ils pourraient également avoir déployé leurs volets et leur train d’atterrissage, ce qui augmenterait la traînée. Nos simulations ignorent également ces scénarios.
Démocratiser l'accès à la simulation pour faciliter la conception en amont
Démocratiser l’accès à la simulation consiste à rendre les outils de simulation avancés accessibles et utilisables à un plus large éventail d’individus, y compris ceux qui n’ont pas de formation spécialisée en méthodes informatiques.
En simplifiant l'interface utilisateur et intégrer des simulations Dès les premières étapes du processus de conception, les concepteurs peuvent évaluer rapidement et efficacement les performances et la faisabilité de divers concepts de conception. Cette intégration précoce permet d'identifier et d'éliminer les conceptions candidates sous-optimales, économisant ainsi du temps et des ressources.
Les plateformes de simulation basées sur le cloud, ainsi que les capacités de calcul et les algorithmes améliorés, jouent un rôle essentiel dans ce processus de démocratisation. Avec un accès plus facile à ces outils puissants, les concepteurs peuvent innover plus efficacement et prendre des décisions fondées sur des données qui conduisent à des conceptions de meilleure qualité et plus durables.
Si les concepteurs et autres experts non-CFD/HPC avaient facilement accès à la simulation, pourrions-nous éviter complètement les mauvais candidats en matière de conception ? Seul le temps nous le dira. La bonne nouvelle est que vous n’attendrez pas trop longtemps. La technologie de simulation connaît l’innovation la plus rapide qu’elle ait jamais connue !
Une dernière chose. Grâce à Rescale, la simulation de ce blog a été mise en place depuis une cabane au bord d'un lac !
Avec Rescale, Sandeep a pu accéder rapidement et facilement aux outils dont il avait besoin pour explorer ce problème de conception, depuis un logiciel de simulation de pointe jusqu'au matériel approprié pour le traitement d'images photoréalistes.
Nous sommes heureux d’annoncer qu’aujourd’hui, la véritable ingénierie peut se produire à tout moment et en tout lieu.
