Design optimization of a box-wing for a foldable drone

उड़ान की दुनिया में, हवा में रहने की आवश्यकता और आगे बढ़ने की आवश्यकता के बीच एक निरंतर खींचतान चलती रहती है। दशकों से, इंजीनियर विमानों को अधिक कुशल बनाने के तरीके खोज रहे हैं, जिसका अर्थ है कि वे कम ऊर्जा का उपयोग करके अधिक वजन ले सकें या अधिक दूरी तय कर सकें। इस खोज में इस तरह के प्रयास के लिए एक सदी पुराने विचार से आया सबसे स्थायी विचारों में से एक 'बॉक्स विंग' (box wing) के रूप में जाना जाता है। एक एकल सपाट पंख के बजाय, इस डिज़ाइन में दो पंख होते हैं जो एक के ऊपर एक स्थित होते हैं और ऊर्ध्वाधर स्ट्रट्स (vertical struts) द्वारा उनके सिरों पर जुड़े होते हैं, जिससे एक बंद बॉक्स का आकार बनता है। यह विन्यास एक ऐसी संरचना बनाता है जो स्वाभाविक रूप से मजबूत है और महत्वपूर्ण लिफ्ट (lift) उत्पन्न कर सकती है, लेकिन यह वायुगतिकी विशेषज्ञों (aerodynamicists) के लिए एक जटिल पहेली भी पेश करता है। चुनौती हर वक्र और कोण को इस तरह से आकार देने में है ताकि ऊपरी और निचले पंखों के ऊपर बहने वाली हवा एक-दूसरे के खिलाफ लड़ने के बजाय मिलकर काम करे। हालांकि इस विचार का अध्ययन उच्च गति वाले विमानों के लिए किया गया है, लेकिन इसे छोटे, बैटरी से चलने वाले ड्रोन पर लागू करना नई कठिनाइयों का एक सेट पेश करता है। ये छोटी मशीनें बहुत कम गति पर उड़ती हैं, जहाँ हवा अलग तरह से व्यवहार करती है, जो अक्सर अशांति (turbulence) के ऐसे पॉकेट बना देती है जो पंखों को अचानक हवा पर अपनी पकड़ खोने के लिए मजबूर कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार के ड्रोन विंग को डिजाइन करके इस पहेली को हल करने का संकल्प लिया जो न केवल कुशल है बल्कि ले जाने में भी व्यावहारिक है। उनका लक्ष्य एक ऐसा बॉक्स-विंग विन्यास बनाना था जिसे मोड़ा जा सके, जिससे ड्रोन का उपयोग न होने पर वह एक बैकपैक या एक छोटे कंटेनर में फिट हो सके। इसे हासिल करने के लिए, उन्होंने अनुमान या सरल परीक्षण और त्रुटि (trial and error) पर भरोसा नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने एक परिष्कृत कंप्यूटर प्रणाली का उपयोग किया जो एक अथक खोजकर्ता की तरह कार्य करती थी, जिसने सर्वोत्तम प्रदर्शन करने वाले आकार को खोजने के लिए हजारों विभिन्न आकारों का परीक्षण किया। इस प्रणाली ने सभी संभावित डिजाइनों की व्यापक खोज को सबसे आशाजनक क्षेत्रों पर तीक्ष्ण ध्यान के साथ जोड़ा, और आकार को धीरे-धीरे परिष्कृत किया। उन्होंने इस प्रकार के मशीन के लिए एक विशिष्ट क्रूजिंग गति, 50 किलोमीटर प्रति घंटा की गति पर ड्रोन की उड़ान का अनुकरण (simulation) किया, जिसमें उच्च-सटीकता वाले सॉफ्टवेयर का उपयोग किया गया जो हवा को पंख के चारों ओर घूमते हुए एक तरल पदार्थ के रूप में मॉडल करता है। उद्देश्य स्पष्ट था: उस लिफ्ट को अधिकतम करना जो ड्रोन को हवा में रखती है और उस ड्रैग (drag) को न्यूनतम करना जो इसे धीमा करता है।

शोधकर्ताओं ने समस्या को चरणों में विभाजित करते हुए, जटिल त्रि-आयामी आकार को छोटे, प्रबंधनीय टुकड़ों में बांटा। सबसे पहले, उन्होंने स्वयं विंग के क्रॉस-सेक्शन (cross-section) को अनुकूलित किया, वह आकार जो आप पंख के माध्यम से सामने से पीछे तक काटते समय देखेंगे। उन्होंने पाया कि ऊपरी और निचले पंखों के लिए आदर्श आकार मानक हवाई जहाज के पंख जैसा नहीं था; इसे दो परतों के बीच के सीमित स्थान में काम करने के लिए सावधानीपूर्वक ट्यून करना आवश्यक था। इसके बाद, उन्होंने उस ऊर्ध्वाधर हिस्से पर ध्यान केंद्रित किया जो ऊपर और नीचे के पंखों को जोड़ता है। यह हिस्सा महत्वपूर्ण है क्योंकि यह पंखों के ऊपर और नीचे के विक्षोभ (wake) में स्थित होता है। इस कनेक्टर को नया आकार देकर, वे विंग की समग्र दक्षता को थोड़े लेकिन सार्थक स्तर तक सुधारने में सक्षम रहे, जिससे यह सिद्ध हुआ कि डिजाइन के छोटे से छोटे हिस्से भी मायने रखते हैं।

सबसे महत्वपूर्ण सफलता तब आई जब उन्होंने पूरे त्रि-आयामी ढांचे को एक साथ अनुकूलित किया। उन्होंने कंप्यूटर को पंखों की लंबाई, जोड़ने वाले हिस्से की चौड़ाई और कोनों के कोण को बदलने की अनुमति दी। परिणाम एक ऐसा विन्यास था जो उनके शुरुआती बिंदु से आश्चर्यजनक रूप से भिन्न दिखता था। अंतिम डिजाइन में एक निचला पंख था जो ऊपरी पंख की तुलना में काफी संकरा था, एक विरोधाभासी विकल्प जो सफलता की कुंजी साबित हुआ। इस विषमता (asymmetry) ने पूरी संरचना पर हवा को अधिक सुचारू रूप से बहने में मदद की, जिससे उस ड्रैग को कम किया गया जो आमतौर पर बॉक्स-विंग डिजाइनों को प्रभावित करता है। सिमुलेशन में परीक्षण करने पर, इस पूर्णतः अनुकूलित विंग ने मूल डिजाइन की तुलना में एरोडायनामिक दक्षता में सोलह प्रतिशत का सुधार दिखाया। इसके अलावा, जब शोधकर्ताओं ने लिफ्ट की शक्ति और दक्षता के लक्ष्यों को प्रदर्शन के एक एकल माप में जोड़ा, तो नए डिजाइन ने बाईस प्रतिशत की वृद्धि दिखाई। इसका अर्थ है कि ड्रोन सैद्धांतिक रूप से बिना बड़ी बैटरी की आवश्यकता के अधिक समय तक उड़ सकता है या अधिक भार वहन कर सकता है।

परिणाम विश्वसनीय हों, यह सुनिश्चित करने के लिए, टीम ने विभिन्न विवरण स्तरों पर सिमुलेशन चलाया, यह जांचा कि जैसे-जैसे कंप्यूटर मॉडल अधिक जटिल होता गया, संख्याएँ सुसंगत बनी रहीं या नहीं। उन्होंने यह भी पता लगाया कि ड्रोन उड़ान में बदलावों को कैसे संभालता है, इसके लिए पंखों के पिछले हिस्से में छोटे फ्लैप्स (flaps) जोड़े और एक अलग पैरामीट्रिक अध्ययन में यह परीक्षण किया कि उनके झुकने से उड़ान पर क्या प्रभाव पड़ता है। उन्होंने पाया कि लिफ्ट में मामूली वृद्धि के लिए, केवल ऊपरी पंख को झुकाना सबसे अच्छा है। हालांकि, यदि ड्रोन को तेजी से ऊपर चढ़ने या भारी भार उठाने की आवश्यकता है, तो दोनों फ्लैप्स का एक साथ उपयोग किया जाना चाहिए। कंप्यूटर ने दक्षता बनाए रखने के लिए इन फ्लैप्स को चलाने के लिए एक विशिष्ट क्रम का सुझाव दिया, जिससे यह पता चला कि ऊपरी पंख अधिकांश भारी काम करता है जबकि निचला पंख मांग बढ़ने पर उसका समर्थन करता है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह फोल्डेबल बॉक्स-विंग डिजाइन अगली पीढ़ी के ड्रोनों के लिए एक व्यवहार्य और अत्यधिक कुशल समाधान है। हालांकि शोध पूरी तरह से कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से किया गया था, परिणाम इतने मजबूत हैं कि वे सुझाव देते हैं कि डिजाइन के सिद्धांत सही हैं। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि उन्नत कंप्यूटिंग शक्ति को पारंपरिक आकारों को फिर से सोचने की इच्छा के साथ जोड़कर, इंजीनियर ऐसी मशीनें बना सकते हैं जो न केवल अधिक सक्षम हैं बल्कि रोजमर्रा के उपयोग के लिए अधिक व्यावहारिक भी हैं। प्रदर्शन से समझौता किए बिना पंखों को मोड़ने की क्षमता ऐसे ड्रोन के लिए द्वार खोलती है जो आसानी से दूरस्थ स्थानों तक ले जाए जा सकते हैं, और किसी भी समय उड़ान भरने के लिए तैयार रहते हैं। यह शोध भविष्य के विकास के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है, जो भविष्य की पीढ़ियों के फोल्डेबल ड्रोन के डिजाइन के लिए एक शुरुआती बिंदु के रूप में कार्य करता है।