アベンジャーズのヘリキャリアが恐ろしいデザインになっている理由
Rescale を使用して SF ヘリキャリアの現実世界の物理学を調べることにより、その戦闘機パイロットは毎回着陸する必要があると判断できます。
ヘリキャリアは、1965 年にマーベルの「ストレンジ テイルズ」で初めて登場し、印象的なエンジニアリングの驚異、つまり最先端の技術を備えた空挺空母です。 2012 年の「アベンジャーズ」でのデビューを皮切りに、マーベル シネマティック ユニバースの現代の観客向けに再考されました。
他の SF 映画と同様に、良いストーリーを伝えるためには物理学を見落とさなければならない場合もあります。 ヒーローがヘリコプターの墜落から逃げられなかったら、マーベル映画は面白くないでしょう。
ただし、新しい映画の魅力の XNUMX つは、視覚効果チームが実際に物事をリアルにしようとしていることにあります。 たとえば、ヘリキャリアは現代の航空母艦の外観と雰囲気を持ちながら、クアッドローター推進システムも搭載しています。
「しかし、本物のヘリキャリアは実際に飛ぶことができるのでしょうか？ ヘリキャリアを建造することは良い考えでしょうか? 必要な電力出力を生成できる電源はありますか? 誰が気にする？ すごい見た目の船ですね。「
その推進システムが実現可能であると信じているとします。 その場合、ヘリキャリアの設計、特にファンブレードの配置に関していくつかの疑問が残ります。ファンの気流の上を飛行するパイロットは、差し迫った破滅に遭遇するでしょうか？
航空母艦には、 角度の付いた飛行甲板 そのため、離陸と着陸の操作を同時に行うことができます。 ある意味、空母の着陸は制御された墜落であり、パイロットは着陸を成功させるために尾部のフックをアレスティングワイヤーに引っ掛けようとします。 これは常に最初の試みで起こるとは限らないため、パイロットは全力で着陸し、失敗した場合に離陸できる十分な速度を確保します（「ボルター」）。 ほとんどの海軍パイロットはキャリアのある時点で退役したことがあります。
では、なぜ着陸帯の端に巨大な昇降機のファンを設置し、すべてのボルターがパイロットの死亡を保証するのでしょうか? 視覚効果チームはどこにでも配置できたはずです。
ヘリキャリアの設計を考えると、ヘリキャリアへのボルター着陸の試みからパイロットが生き残るには何が必要でしょうか?
最新のシミュレーション ツールを使用すると、これらの質問に答えることが可能になり、 、エンジニアリング、設計、または単なる楽しみのための複雑な質問に答えるシミュレーションを誰でも実行できます。 では、この SF 疑似エンジニアリングのデザインをテストして楽しんでみてはいかがでしょうか?
問題の設定: ヘリキャリアの着陸の物理学
現代の航空母艦の寸法と映画で見られるものに基づいて、上記の状況で重要な基本的な寸法から始めます。 たとえば、リフトファンはキャリア本体とほぼ同じ幅です。 リフトファンも着陸デッキからリフトファンの直径と同じ距離にあります。
私たちのパイロットの運命は、おそらくいくつかの要因によって決まります。
- ジェットの速度とピッチ
- ジェットの質量
- リフト ファンの気流にさらされる時間 (リフト ファンのサイズに基づく)
- リフト ファンによるジェットにかかる力 (リフト ファンへの流れに基づく)
また、いくつかの合理的な仮定を立てます。
- ジェット機は典型的な空母の着陸速度で飛行しています。 67 メートル/秒 (m/s) または 150 マイル/時
- ジェットボルターが出るやいなや、基本的にはデッキに触れることなく、デッキのすぐ上を着陸速度で飛行します。 転がり抵抗も気にならないでしょう。
- 分析では、F-35 戦闘機の最も軽量な構成を仮定します。 13,290のキロ。 船上などに重い荷物が積まれていないこと。
- F-35 がリフトファンの上のエアポケットに留まるのはほんのわずかであると仮定します。 1第二。 (67 m/s で飛行し、ファンの幅は 77 メートルであるため)
- リフト ファンの速度に関するすべての仮定については、次の非常にクールなブログを参照してください。 レット・アレン in 有線雑誌。 彼は揚力ファンの推力対気速度を計算します。 642 m / s シミュレーションを単純化するために、はるかに控えめな対気速度を仮定します。 134 m / s
- もちろん、滑走路のすぐ隣のリフトファンの真上に巨大な渦が発生しないように、ヘリキャリアには吸気翼が適切に配置されていると仮定します。
- 戦闘機がこれ以上落下した場合 10 m、戦闘機はリフトのファンに吸い込まれ、パイロットが死亡しました。
空気力学的な力は数値流体力学ソフトウェアでシミュレーション可能
揚力と抗力を計算するために、揚力ファンの上を飛行する F-35 をシミュレートします。 ただし、シミュレーションに入る前に、航空機の翼や翼がどのように機能するかについて基本的な復習をしておきましょう。 これは、シミュレーション結果をより深く理解し、シミュレーションによって生成される可能性のある不正確な答えを認識するのに役立ちます。
翼型が正の揚力を得るには、迎角が重要です。 迎え角が大きくなると揚力係数はある程度までは大きくなりますが、それを超えると気流が翼から離れ失速が発生します。 これは臨界迎え角として知られています。
上の図に示すように、迎角が 20 を超えると、航空機は失速し始めます。
戦闘機は巨大な揚力ファンの上を飛行できるでしょうか? ご想像のとおり、答えは迎え角 (AoA) と翼の上の空気の速度に関係します。 専門業者を利用します 計算流体力学 (CFD) ソルバー— ヘキサゴンクレイドル、AoA と F-35 上空の空気の速度の両方を計算します。
私たちのシミュレーションは可能な限り単純ですが、特定の仮定を前提として揚力と抗力を正確に計算できるほど詳細に作成されます。
- 定常状態の動作をシミュレートします
- 流れは回転していないと仮定します
F-35 戦闘機をシミュレートするには、次のことを行う必要がありました。 CADを入手する モデルを作成し、表面を適切に滑らかにします。 これに失敗するとメッシュ アルゴリズムがイライラするため、決して良い考えではありません。 F-35 の滑らかなジオメトリ表現を用意しました。 サイ以下に示すように。
F-35 がリフトファンの上のエアポケットに入るとき:
- 初速は67m/sです。 そこで、 インレット の流れの状態 67 m / s 機体の長さに沿って。
- ファンの推力速度については、より控えめな推定値を仮定します。 134 m / s (642 m/s との比較) 機体に対して垂直。 この境界条件を表す入口流れ条件を作成します。
- 静圧を次のように仮定します。 0 Paの （パスカル）で アウトレット F-35の真下の飛行機で。
- 私たちも仮定します フリースリップ 他のどこでも。
最後に、優れた正確なシミュレーションのために非常に優れたメッシュを準備しました。
そして、シミュレーションの準備が整いました。
CFD の結果が得られたら、航空機本体上の圧力分布をプロットしました (以下を参照)。 赤く塗られた領域は圧力が高くなります。 以下の矢印で示すように、圧力プロットに速度ベクトルの流線を重ねました。
最後に、F-35 に作用する全体的な下向きの力を計算しました。 リフトファンが 134 m/s で空気を吸い込むと仮定すると、全体の 下向きの力 F-35ならとんでもないことになるだろう 1.773263 x 10^7 N。
手計算に戻る!
現在わかっていることを述べます：
- 初水平速度 = 67 m/s
- 初期垂直速度 = 0 m/s (最初は水平方向に移動しているため)
- 加わる力 = 1.773263 x 10^7 N
- F-35の質量 = 13,290 kg
- 力がかかる時間 = 1 秒
- 重力加速度 (g) = 9.81 m/s²
まず、空気力による加速度を求めてみましょう。 加速度、a = F/m
a = 1.773263 x 10^7 N / 13,290 kg ≈ 1,334 m/s²
ここで、運動方程式 V= U + a .t を使用して、最終的な垂直速度 (Vy) を求めてみましょう。
力は下向きであるため、加速度は負（上向きの正方向とは逆）になります。
Vy= 0 m/s + (-1,334 m/s²)(1 秒) = -1,334 m/s
ここで、運動方程式 S= ut + 1/2 a を使用して、下方向に移動した距離 (Sy) を求めてみましょう。t2
Sy = 0 m/s(1 s) + (1/2)(-1,334 m/s²)(1 s)² = -667 m (下向き)
水平方向の動きの場合、航空機には水平方向の力が作用しないため、67 m/s の等速度で動き続けます。
水平距離 (Sx) は、単純に水平速度に時間を乗算したものです。
Sx = 67 m/秒 * 1 秒 = 67 メートル
私たちの結論：F-35は下方向に約667メートル、横方向に約67メートル移動します。 667 メートルの高さからの落下を考慮すると、パイロットはリフトのファンへの衝撃に耐えることができません。
シミュレーションの助けを借りて、戦闘機がヘリキャリアのリフトファンの上のエアポケットで揚力を失うことを示しました。 そうは言っても、パイロットはできるだけスピードを上げ、発射角度をできるだけ 45 度に近づける必要があります。
追加の注意事項:
1. AoA は 0 度のままでした。一部のパイロットは引き上げて、異なる角度でリフト ファンの上のポケットに入る可能性があります。 これにより揚力が向上し、発射体の動きがより良くなります。 私たちのシミュレーションでは、これらのシナリオは無視されます。
2. フラップや着陸装置も展開している可能性があり、これらはすべて抗力を増加させます。 私たちのシミュレーションでは、これらのシナリオも無視されます。
シミュレーションへのアクセスを民主化し、初期段階の設計を支援
シミュレーションへのアクセスを民主化するということは、計算手法に関する専門的なトレーニングを受けていない人を含む、より幅広い個人が高度なシミュレーション ツールにアクセスして使用できるようにすることです。
ユーザーインターフェースを簡素化することで、 シミュレーションの統合 設計プロセスの初期段階で、設計者はさまざまな設計コンセプトのパフォーマンスと実現可能性を迅速かつ効果的に評価できます。 この初期段階の統合は、最適ではない設計候補を特定して除外するのに役立ち、時間とリソースを節約できます。
クラウドベースのシミュレーション プラットフォーム、および改善された計算能力とアルゴリズムは、この民主化プロセスにおいて重要な役割を果たします。 これらの強力なツールに簡単にアクセスできるため、設計者はより効率的にイノベーションを起こし、より高品質で持続可能な設計につながるデータ主導の意思決定を行うことができます。
設計者やその他の非 CFD/HPC 専門家がシミュレーションに簡単にアクセスできたら、悪い設計候補を完全に回避できるでしょうか? 時間だけが教えてくれます。 良いニュースは、あまり長く待つ必要はないということです。 シミュレーション テクノロジーは、これまでにないほど急速な革新を遂げています。
最後に一つだけ。 Rescale のおかげで、このブログのシミュレーションは湖の上の小屋からセットアップされました。
Rescale を使用することで、サンディープ氏は、最先端のシミュレーション ソフトウェアからフォトリアリスティックな画像処理に適したハードウェアに至るまで、この設計問題を検討するために必要なツールに迅速かつ簡単にアクセスできるようになりました。
今日、いつでもどこでも真のエンジニアリングが実現できることを報告できることを嬉しく思います。
