Рекорд с Dassault Systèmes и Lenovo

 
Екип от северноамерикански инженери с помощта на много спонсори се опитват да счупят рекорда за скорост по земя.

David Cohn

Рекорд. От 20 години, американците държат рекорда за най-висока скорост на земята, както и за най-висока скорост, постигната от сухопътно превозно средство. Но през октомври 1983 г., Richard Noble от Великобритания направи нов 633 mph модел на Thrust2. Четиринадесет години по-късно, Noble се връща към Black Rock Desert в Северозападна Невада с ново превозно средство, ThrustSSC. На 15 октомври 1997 г., точно 50 години и 1 ден след като Chuck Yeager разчупи звуковата бариера с изследователския самолет Bell X-1, пилотът от Кралските военновъздушни сили Andy Green не само достигна нов рекорд от 763 mph, но ThrustSSC стана първото земно превозно средство, официално преминало звуковата бариера.
Същата година, Ed Shadle, след като се пенсионира от управленска позиция в IBM, се залови с мечтата да върне обратно на Северна Америка рекорда за скорост. Shadle винаги се е увличал от скоростите. На 14 години той направил състезателната Soapbox Derby. Още от ранна възраст той шофира екстремно. Дори и като възрастен, влечението му към скоростите продължава - кара състезателни мотоциклети и работи като шеф на екипаж, а след това става собственик/водач на Bonneville Salt Flats.
 

Ed Shadle се надява да пилотира North American Eagle, постигайки нов рекорд със свръхзвукова скорост от 800 mph.

 
Съвместно с Keith Zanghi, мениджър на Boeing, Shadle правят North American Eagle (NAE) с единствена цел да счупят съществуващия рекорд, достигайки 800 mph. Тази задачата предоставя безброй инженерни предизвикателства, NAE подходът е уникален. Докато отборът на ThrustSSC имаше значителна финансова подкрепа, NAE работеше с екип от доброволци и нарастващ брой спонсори, които имат заслуга за всичко от компютрите и софтуера до автобусния транспорт, който използват членовете на екипа за тестови серии в пустинята Невада.
 

 NAE "автомобилът" всъщност е преобразуван реактивен изтребител F-104, закупен през 1998 г. за $ 25,000.

И докато превозните средства от предишния рекорд за земна скорост са били разработени цялостно, то авантюрата на Shadle и Zanghi се откроява като първия опит да се създаде кола от корпуса на бивш реактивен изтребител. През септември 1998 г., екипът закупили "остарелия" F-104 Starfighter за $ 25,000 и го транспортирал от Maine към щаба на екипа в Spanaway, Washington.

Да осъществиш мечтата

 
Придобиването на F-104 било само началото. Shadle и Zanghi трябвало да преработят корпуса и преценят как да го запазят стабилен на земята при скорост Mach 1 (761,2 mph). "Трябваше не само се ускорява, но и същевременно да се подтискат силите," обяснява Shadle. "Трябваше да се намери мъртвата (неутрална) точка." Екипът е трябвало да проектира специални колела, които биха могли да издържат на скорост над 15000 об./мин. А спирачната система трябвало да е такава, че да може да забави превозно средство, без да се запали. Автомобилът се нуждаел и от кормилната система и окачване, стабилни при невероятно високите скорости.
 

Изчислителна динамика на флуидите (Computational fluid dynamics - CFD) се използва за проучване на ударните вълни със скорост близка до тази на светлината, които ще започнат да се образуват около превозното средство, когато то доближи скоростта на звука. (използване на онлайн GIF изображение)

Когато започнали, Shadle и екипът му нямали CAD софтуер. Но на Конференцията за космическо изследване и проектиране в Anaheim, Калифорния, през 2006 г., Shadle разговарял с представител на Dassault Systèmes. Тази случайна среща предизвиква включването на Dassault като технически спонсор, осигуряващ екипът на NAE с копия от своя софтуер CATIA V5. След като беше поканен, за да направи презентация на събитие на Dassault Systèmes в Париж, друга такава случайна среща позволи включването на Lenovo също като технически спонсор. Те оборудват отбора с работни станции ThinkStation. FARO Technologies също се присъединяват, предоставяйки устройства за сканиране и Geomagic подписва. Това осигурява софтуер за цифрово вземане на проби и обработката им (DSSP).
Друга случайна среща добавя допълнителна експертиза. Mike Thoe от Aerodynamics Laboratory на Boeing случайно посещава NAE при обиколка със своя Ford club - Model A. Той се връща с Rex Walter и Ron Doll, други двама инженери по аеронавигация от Boeing. Тримата имали за задача да стабилизират скоростта на Eagle. Те също така осъществяват връзка между екипа на NAE и хората, които пускат суперкомпютъра Cray в Националния център за компютърна науки в Oak Ridge, Tennessee.
 

Малко е известно за шоковите вълни, генерирани от структури на 4 инча от земята. Проучванията на CFD помагат на инженерите от NAE да прогнозират поведението на превозното средство и може някой ден да бъде възможно високоскоростното пътуване над земята.

North American Eagle използва FARO Photon лазерен скенер, за да се обхване цялата дължина от 56-фута на превозното средство, като отправна точка в област, съдържаща 30 милиона точки. Инженерите на Boeing стартират изчислителните действия с помощта на CFD и крайните елементни мултифизични анализи на базата на този CATIA модел, за да се оценят ултразвуковите вълни, образувани около превозното средство Eagle при скорост по-висока от 0.7. Тези вълни могат да променят аеродинамиката на автомобила, което води до дестабилизиране и странични движения (вибрации). "Ултразвука е унищожителна сила, която може да се превърне в задвижваща (подемна) сила," казва Shadle.

В резултат на това, инженерите конструират и инсталират елементи от всяка страна на кабината, за да противодействат на земните и подемни сили. Сензори събират информацията, а бордови компютър наблюдава промените и прави настройки по-бързо, отколкото водачът може да реагира.
 
Преносимите работни станции Lenovo W700DS с двоен екран служат за съхранение на придобитите данни. Допълнителните екрани добавят 40% към визуализиращото пространство, което помага на NAE инженерите при анализът на данните.
Eagle също така има и 16 порта за въздушно налягане. Всеки път, когато отборът провежда тестове, данните от тези портове, както и други данни от още 75 канала, се събират. Изображенията от високоскоростните камери Olympus улавят поведението на превозното средство със скорост до 33000 кадъра в секунда, а трите Ecliptic Enterprises RocketCAM камери с висока резолюция, същите, които се използват при космическите совалки, улавят всеки детайл в реално време. След тестовете, данните и изображенията са изтеглени на работната станция Lenovo, така че те могат да бъдат включени в анализите на екипа. Всичко това помага на NAE инженерите да проверяват и съвпаденията на информацията в реално време с информацията, създадена от виртуалния модел на CATIA и подпомагаща фината настройка на аеродинамичната стабилност на превозното средство, както и конструирането на колелата, окачването и спирачната система.

 
Най-важните части, проектирани с CATIA

Колелата се оказват предизвикателство. Първите колела, построени от Shadle не били добри - над 600 mph. Eagle в действителност има три различни вида колела. Двете колела в средата на превозното средство играят ролята на "ролкови кънки," обяснява Shadle. "Те трябва да издържат само толкова. Но в края те се движат с близо 15000 об./мин. "Предното колело достига само 12000 об./мин., но тъй като то управлява и волана, трябва да бъде в състояние да издържа също така и на странични сили. Докато задните колела, освен, че крепят превозното средство, са част и от спирачната система.
 

Изследванията на FEA на алуминиеви автомобилни джанти, проектирани със софтуера CATIA, показват, че те ще издържат до 850 mph.

 
Екипът обмисля конструкции, комбиниращи титан и алуминий, но FEA софтуерът, работещ на многоядрените работни станции на Lenovo - ThinkStation D10 показа, че при повишаваща се скорост на колелата, титанът ще се разшири по-бързо от алуминия и колелата ще се счупят. Виртуални тестове показаха също, че центробежни сили биха предизвикали отпускане на лагерите. "Открихме, че отворът в колелото не може да бъде по-голям от три инча в диаметър, в противен случай това ще наруши целостта на колело", казва Shadle.
Необходимо е повече от една година, за да се завърши конструкцията. В крайна сметка, всяко колело беше обработено от алуминий от космически клас и проектирано да издържа до 850 mph.
 
Безконтактна магнитна спирачка, разработена от LevX Technology, част от механизма на задните колела, ще помогне за забавяне на NAE превозното средство след достигане на скорост 800 mph.

Тогава изниква задачата Eagle да се забави и спре, след достигане на рекорда от 800 mph. Оригиналните механични дискови спирачки, колела и свързаните с тях механизми изгарят напълно при 312 mph тест, след като спирачките достигат температура от 800°F.
За да се преработят спирачките, NAE инженерите оценяват много конструкции и се спират на безконтактните магнитни спирачки, патентовани от LEVX Technology. Системата използва 27 магнити за всяка задно колело. Задвижват се от три хидравлични цилиндъра в близост до алуминиевите ротори. При движението на роторите покрай магнитите, те възбуждат електроните на алуминия, като по този начин предизвикват мощен поток. Колкото по-висока е скоростта, толкова по-мощни са магнитните сили. Магнитните спирачки представляват 50% от спирачната сила. През юни 2008 г., 14000-фунтовия Eagle спирал при скорост 400 mph за една миля, използвайки само LEVX магнитни спирачки. Спирачките при този тест достигат температура 625 ° F, но новоконструираните задните колела и спирачна система могат да издържат при температури до 120 ° F.
За да спре колата в края на рекордния пробег, спиращите врати, които са част от оригиналния F-104 ще се разположат пасивно от двете страни на превозното средство. След като превозното средство се забави до около 500 mph, ще се разгъне основният парашут. Когато колата забавя достатъчно, магнитните спирачки на задните колела могат да се задействат. Ако всички или част от тези системи не се задействат, водачът може да насочи колата към специална мрежа за улавяне на самолети, която е тествана при 300 mph.
 

Всички членове са доброволци от екипа на North American Eagle и в момента финансират 90% на дейностите от собствените си джобове, докато търсенето на голям финален спонсор продължава.

Практически приложения

И ако включването на физиката, чрез свръхзвуковите скорости не е достатъчно, останалите статистики около Eagle са също толкова впечатляващи. Също като самолетите, F-104 достига скорости от 1500 mph. Eagle се захранва от един и същи тип турбореактивен J-79 като оригинала, който може да генерира 18 200 паунда тяга.
При пълно изгаряне при максимална скорост, двигателят консумира 2,6 литра гориво на всяка секунда. За пет мили той изгаря 160 галона. Това означава до 31 галона на миля или около 165 фута за галон. Екипът експериментира с биогорива и намалява емисиите на въглеводороди от двигателя.
За да се счупи сегашния рекорд, Shadle трябва да го надмине с най-малко 1%, което означава, че трябва да достигне скорост от 771 mph. Екипът на North American Eagle планира да направи тест през 2010 г. със скорости от 400 до 600 mph, за да оцени последните промени в конструкцията. Този процес се извършва на „малки стъпки" отчасти заради безопасността и защото няма основен спонсор. Shadle и екипът му все още финансират почти 90% от операцията от собствените си джобове. NAE екипът се надява да направи рекорд за земна скорост с опит на 4 юли 2010 година. 
 

В допълнение към рекорда, има и практически уроци, за да се проучи развитието на технологиите. Резултатите от тестовете с парашут могат да бъдат използвани при конструирането на въртящи се парашути при самолетите. Аеродинамичните тестове ще хвърлят светлина върху поведението на високоскоростните превозни средства, като например високоскоростния железопътен транспорт. Магнитна спирачна система също има множество приложения, които могат да бъдат използвани за подобряване на безопасността и мощността на превозни средства на висок пробег, които работят с алтернативни горива или други системи за задвижване.

* 1 галон = 3,78541178 литра

1 паунд = 0,373 кг

градуси Целзий °C = (°F – 32) / 1,8, където F  е градус по Фаренхайт