어벤져스의 헬리캐리어가 끔찍하게 설계된 이유
| 항공우주 | 유체/유체역학(CFD 등)

어벤져스의 헬리캐리어가 끔찍하게 설계된 이유

공상과학 헬리캐리어의 실제 물리학을 조사하기 위해 Rescale을 사용함으로써 우리는 전투기 조종사가 매번 착륙해야 한다는 것을 결정할 수 있습니다.

1965년 Marvel의 "Strange Tales"에서 처음 소개된 헬리캐리어(Helicarrier)는 인상적인 엔지니어링 경이로움, 즉 최첨단 기술을 갖춘 공중 항공모함입니다. 2012년 '어벤져스' 데뷔를 시작으로 마블 시네마틱 유니버스(Marvel Cinematic Universe)의 현대 관객을 위해 재창조되었습니다.

다른 공상과학 영화와 마찬가지로, 좋은 스토리를 전달하기 위해 물리학을 간과해야 할 때도 있습니다. 영웅들이 헬리콥터 추락 사고에서 그냥 벗어날 수 없다면 마블 영화는 재미가 없을 것입니다.  

그러나 최신 영화의 매력 중 하나는 시각 효과 팀이 실제로 사물을 사실적으로 만들려고 노력한다는 것입니다. 예를 들어 Helicarrier는 쿼드 로터 추진 시스템을 자랑하는 동시에 현대 항공모함의 모양과 느낌을 갖고 있습니다.

"하지만 실제 헬리캐리어가 실제로 날 수 있을까요? 헬리캐리어를 만드는 것이 좋은 생각일까요? 필요한 전력 출력을 생성할 수 있는 전원이 있습니까? 무슨 상관이야? 정말 멋져 보이는 배입니다."

추진 시스템이 실현 가능하다고 믿는다고 가정해보자. 이 경우 Helicarrier의 설계, 특히 팬 블레이드의 배치에 대해 몇 가지 질문이 남아 있습니다. 팬의 기류 위로 비행하는 조종사가 임박한 운명을 맞이하게 될까요?

항공모함은 각진 비행갑판 이륙과 착륙이 동시에 이뤄질 수 있도록 말이다. 어떤 면에서, 항공모함 착륙은 통제된 충돌로, 조종사는 성공적인 착륙을 위해 꼬리 고리를 잡아서 정지 와이어를 잡으려고 합니다. 이것이 항상 첫 번째 시도에서 발생하는 것은 아니므로 조종사는 실수할 경우 이륙할 수 있는 충분한 속도를 확보하기 위해 최대 출력으로 착륙합니다("볼터"). 대부분의 해군 조종사는 경력 중 어느 시점에 볼트로 이직했습니다.

그렇다면 왜 착륙장 끝에 거대한 리프트 팬을 설치하고 모든 볼터가 조종사의 죽음으로 끝났다고 보장하겠습니까? 시각 효과 팀에서는 이를 어디에든 배치할 수 있었습니다.  

헬리캐리어 설계를 고려할 때 조종사가 헬리캐리어에 대한 볼터 착륙 시도에서 살아남으려면 무엇이 필요합니까?

최신 시뮬레이션 도구를 사용하면 이러한 질문에 답할 수 있으며 Rescale를 사용하면 누구나 엔지니어링, 설계 또는 단지 재미를 위해 복잡한 질문에 답하는 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 그렇다면 이 공상 과학 의사 공학 설계를 시험해 보는 재미를 가져보는 것은 어떨까요?

문제 설정: 헬리캐리어 착륙의 물리학

현대 항공모함의 크기와 영화에서 보는 내용을 바탕으로 위 상황에 중요한 기본 크기부터 시작합니다. 예를 들어 리프트 팬의 너비는 캐리어 본체의 너비와 거의 같습니다. 리프트 팬은 착륙 데크로부터 리프트 팬 직경과 동일한 거리에 있습니다.

우리 조종사의 운명은 다음과 같은 몇 가지 요인에 따라 달라질 것입니다.

  • 제트기의 속도와 피치
  • 제트기의 질량
  • 리프트 팬의 기류에 노출되는 시간(리프트 팬 크기 기준)
  • 리프트 팬으로 인해 제트기에 가해지는 힘(리프트 팬으로 유입되는 흐름 기준)

또한 몇 가지 합리적인 가정을 하겠습니다.

  1. 제트기는 일반적인 항공모함 착륙 속도로 비행하고 있습니다. 초당 67미터(m/s) 또는 150mph
  2. 제트 볼터가 나오자마자 기본적으로 갑판에 닿지 않고 착륙 속도로 갑판 바로 위로 날아갑니다. 우리는 구름 저항에 대해 걱정하지 않을 것입니다.  
  3. 우리는 분석을 위해 F-35 전투기의 가장 가벼운 구성을 가정할 것입니다. 13,290의 kg. 선내에 무거운 탑재량이 없습니다.
  4. 우리는 F-35가 리프트 팬 위의 에어 포켓에 1 초. (67m/s의 속도로 비행하고 팬 폭이 77m이므로)
  5. 리프트 팬 속도와 관련된 모든 가정에 대해서는 다음의 멋진 블로그를 참조하세요. 레트 알렌 in 유선 잡지. 그는 리프트 팬 추력 속도를 계산합니다. 642m / 초 시뮬레이션을 단순화하기 위해 훨씬 더 보수적인 대기 속도를 가정하겠습니다. 134m / 초 
  6. 물론 활주로 바로 옆에 있는 리프트 팬 바로 위에 거대한 소용돌이가 생성되지 않도록 헬리캐리어에 흡입 공기 베인이 적절하게 배치되어 있다고 가정하겠습니다! 
  7. 전투기가 그 이상 떨어지면 10 미터, 전투기가 리프트 팬으로 빨려 들어가 조종사가 사망했습니다.

전산유체역학 소프트웨어를 사용하여 공기역학적 힘을 시뮬레이션할 수 있습니다. 

양력과 항력을 계산하기 위해 양력 팬 위로 비행하는 F-35를 시뮬레이션하겠습니다. 하지만 시뮬레이션을 시작하기 전에 항공기 날개나 익형이 어떻게 작동하는지 기본적으로 요약해 보겠습니다. 이를 통해 시뮬레이션 결과를 더 잘 이해하고 시뮬레이션에서 때때로 생성될 수 있는 부정확한 답변을 인식하는 데 도움이 됩니다.

익형이 양력을 경험하려면 받음각이 중요합니다. 받음각이 커질수록 양력계수가 어느 정도 증가하지만, 그 이상에서는 공기 흐름이 날개에서 분리되어 실속이 발생합니다. 이를 임계 공격 각도라고 합니다.

위 그림에 표시된 대로 받음각이 20보다 높으면 항공기가 실속하기 시작합니다.

전투기가 거대한 양력 팬 위로 날아갈 수 있을까요? 짐작할 수 있듯이 대답은 받음각(AoA) 및 익형 위의 공기 속도와 관련이 있습니다. 우리는 전문가를 이용하겠습니다 전산 유체 역학 (CFD) 솔버 - 육각형 요람, F-35에 대한 AoA와 공기 속도를 모두 계산합니다. 

우리의 시뮬레이션은 가능한 한 간단하지만 다음과 같은 특정 가정을 고려하여 양력과 항력을 정확하게 계산할 수 있을 만큼 충분히 상세합니다.

  1. 정상상태 동작을 시뮬레이션하겠습니다.
  2. 흐름이 회전하지 않는다고 가정합니다.

F-35 전투기를 시뮬레이션하려면 다음을 수행해야 했습니다. CAD를 구하다 모델을 만들고 표면을 적절하게 다듬습니다. 이것이 실패하면 메싱 알고리즘이 짜증나므로 결코 좋은 생각이 아닙니다. 우리는 F-35의 매끄러운 기하학적 표현을 준비했습니다. 코뿔소, 아래 그림과 같이.

F-35가 리프트 팬 위의 에어 포켓에 들어갈 때: 

  1. 초기 속도는 67m/s입니다. 그래서 우리는 입구 흐름 상태 67m/s 동체 길이를 따라. 
  2. 우리는 팬 추력 속도에 대해 훨씬 더 보수적인 추정을 가정할 것입니다. 134m/s (642m/s와 비교) 동체에 수직. 이 경계 조건을 나타내기 위해 입구 흐름 조건을 생성하겠습니다.
  3. 우리는 다음과 같은 정압을 가정하겠습니다. 0 아빠 (파스칼)에서 콘센트 F-35 바로 아래 비행기에서.
  4. 우리는 또한 가정할 것이다 프리슬립 다른 곳.

마지막으로 우리는 훌륭하고 정확한 시뮬레이션을 위해 매우 멋진 메시를 준비했습니다. 

그리고 우리는 시뮬레이션할 준비가 되었습니다!

CFD 결과를 얻은 후 항공기 본체의 압력 분포를 표시했습니다(아래 참조). 빨간색으로 표시된 부분은 압력이 더 높습니다. 아래 화살표로 표시된 속도 벡터 유선으로 압력 플롯을 오버레이했습니다.

마지막으로 F-35에 작용하는 전반적인 하향력을 계산했습니다. 리프트 팬이 134m/s의 속도로 공기를 흡입한다고 가정하면 전체 하향력 F-35에서는 엄청난 일이 될 것이다. 1.773263 x 10^7N.

손 계산으로 돌아가기!

현재 알려진 내용을 설명하면 다음과 같습니다.

  • 초기 수평 속도 = 67m/s
  • 초기 수직 속도 = 0 m/s (처음에는 수평으로 움직이기 때문에)
  • 가해진 힘 = 1.773263 x 10^7 N
  • F-35의 질량 = 13,290kg
  • 힘이 가해지는 시간 = 1초
  • 중력 가속도(g) = 9.81m/s²

먼저 공기역학적 힘에 의한 가속도를 구해보자. 가속도, a = F/m

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

이제 운동 방정식을 사용하여 최종 수직 속도(Vy)를 찾아보겠습니다. V= U + a .t 

힘이 아래 방향이므로 가속도는 음수입니다(위 방향의 양수 방향과 반대 방향).

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

이제 운동 방정식 S= ut + 1/2 a를 사용하여 아래쪽으로 이동한 거리(Sy)를 구해 보겠습니다.t2

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

수평 운동의 경우 항공기에 수평 힘이 작용하지 않으므로 67m/s의 일정한 속도로 계속 이동합니다.

수평 거리(Sx)는 단순히 수평 속도에 시간을 곱한 값입니다.

Sx = 67m/초 * 1초 = 67m

결론: F-35는 아래쪽으로 약 667m, 옆으로 67m 이동할 것입니다. 조종사는 667미터 높이에서 리프트 팬에 대한 충격을 견디지 못할 것입니다.

시뮬레이션의 도움으로 우리는 전투기가 Helicarrier 리프트 팬 위의 에어 포켓에서 양력을 잃는다는 것을 보여주었습니다. 즉, 조종사는 가능한 한 속도를 높이고 45도 발사 각도에 최대한 가까워야 합니다.

몇 가지 추가 주의사항:

1. AoA가 0도에 남아 있으므로 일부 조종사는 위로 올라와 다른 각도로 리프트 팬 위의 포켓에 들어갈 수 있습니다. 이는 양력을 향상시키고 발사체 움직임에 더 좋습니다. 우리의 시뮬레이션은 이러한 시나리오를 무시합니다.

2. 플랩과 랜딩 기어를 전개했을 수도 있는데, 이로 인해 항력이 증가합니다. 우리의 시뮬레이션은 이러한 시나리오도 무시합니다.

초기 단계 설계를 지원하기 위해 시뮬레이션에 대한 액세스 민주화

시뮬레이션에 대한 접근을 민주화하는 것은 계산 방법에 대한 전문 교육을 받지 않은 사람들을 포함하여 더 광범위한 개인이 고급 시뮬레이션 도구에 접근하고 사용할 수 있도록 만드는 것입니다. 

사용자 인터페이스를 단순화함으로써 시뮬레이션 통합 설계 프로세스의 초기 단계에서 설계자는 다양한 설계 개념의 성능과 타당성을 빠르고 효과적으로 평가할 수 있습니다. 이러한 초기 단계 통합은 최적이 아닌 설계 후보를 식별하고 제거하여 시간과 자원을 절약하는 데 도움이 됩니다.

클라우드 기반 시뮬레이션 플랫폼과 향상된 계산 기능 및 알고리즘은 이러한 민주화 과정에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 강력한 도구에 보다 쉽게 ​​액세스할 수 있으므로 설계자는 보다 효율적으로 혁신하고 데이터 기반 결정을 내려 보다 높은 품질과 보다 지속 가능한 설계로 이어질 수 있습니다.

설계자와 CFD/HPC가 아닌 다른 전문가가 시뮬레이션에 쉽게 접근할 수 있다면 잘못된 설계 후보를 완전히 피할 수 있을까요? 단지 시간이 말해 줄 것이다. 좋은 소식은 너무 오래 기다리지 않을 것이라는 점입니다. 시뮬레이션 기술은 지금까지 본 것 중 가장 빠른 혁신을 경험하고 있습니다!

헬리캐리어 조종사가 착륙을 절대 놓치지 않는 이유

마지막 한가지. Rescale 덕분에 이 블로그의 시뮬레이션은 호수 위의 오두막에서 설정되었습니다! 

Rescale을 통해 Sandeep은 최첨단 시뮬레이션 소프트웨어부터 사실적인 이미지 처리에 적합한 하드웨어에 이르기까지 이 설계 문제를 탐구하는 데 필요한 도구에 빠르고 쉽게 액세스할 수 있었습니다. 

오늘날 실제 엔지니어링이 언제 어디서나 일어날 수 있다는 사실을 보고하게 되어 기쁘게 생각합니다.

저자

  • 산딥 우란카르

    Sandeep Urankar(산딥 우란카르)는 Rescale의 제품 마케팅 매니저입니다. 그의 업무는 엔지니어들이 보다 빠르고 깊이 있는 인사이트를 얻을 수 있도록 지원하는 것을 목표로 Rescale 메타데이터 관리 및 Rescale 전산 파이프라인에 중점을 두고 있습니다. Rescale에 합류하기 전 그는 Dassault Systems 및 Hexagon Manufacturing Intelligence 등 유수의 시뮬레이션 소프트웨어 기업에서 다양한 제품의 관리 업무를 맡은 바 있습니다.

  • 에드워드 슈

    Edward는 제품 전략, 디자인, 로드맵 및 시장 출시를 담당하고 Rescale 제품 포트폴리오의 상업적 성공을 주도하고 있습니다. Rescale 이전에 Edward는 D2IQ(이전 Mesosphere)에서 제품 및 마케팅을 담당했을 뿐만 아니라 VMware에서 제품 마케팅도 담당했습니다. 경력 초기에 Edward는 McKinsey & Company에서 컨설턴트로 근무했으며 Oracle의 CRM 부서에서 엔지니어링 책임자로 근무했습니다. Edward는 MIT에서 전기 공학 및 컴퓨터 공학 석사 및 학사 학위를 취득했으며 NYU Stern School of Business에서 MBA를 취득했습니다.

비슷한 게시물