어벤져스의 헬리캐리어가 끔찍하게 설계된 이유

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:

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!

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.