Aerodynamic and Ballistic Analysis of a 155 mm Rocket-Assisted Projectile
यह अध्ययन प्रमाणित सीएफडी (CFD) सिमुलेशन और बैलिस्टिक मॉडलिंग का उपयोग यह प्रदर्शित करने के लिए करता है कि एक 155 मिमी रॉकेट-असिस्टेड प्रोजेक्टाइल का निकास प्लम (exhaust plume) बेस फ्लो एरोडायनामिक्स को महत्वपूर्ण रूप से परिवर्तित करता है, जिससे ड्रैग में 90% तक की वृद्धि होती है और अधिकतम रेंज में लगभग 720 मीटर की कमी आती है, जिससे आर्टिलरी प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए प्रणोदन प्रणालियों को अनुकूलित करने हेतु एक ढांचा प्रदान होता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक भारी पत्थर को यथासंभव दूर तक फेंकने की कोशिश कर रहे हैं। आप जानते हैं कि यदि आप इसे बहुत ज़ोर से फेंकते हैं, तो हवा इसके खिलाफ पीछे की ओर दबाव डालती है, जिससे इसकी गति धीमी हो जाती है। यह पीछे का धक्का "ड्रैग" (drag) कहलाता है, और यह तेज़ चलने वाली किसी भी चीज़ का अदृश्य दुश्मन है। अब, कल्पना कीजिए कि यदि आप उस पत्थर के पीछे एक छोटा, शक्तिशाली रॉकेट बाँध सकें ताकि हवा में उड़ान के दौरान उसे एक 'सेकंड विंड' (दूसरी ऊर्जा) मिल सके। यह एक "रॉकेट-असिस्टेड प्रोजेक्टाइल" (RAP) के पीछे का विचार है। यह ऐसा ही है जैसे किसी धावक को दौड़ के बीच में जेटपैक पहना दिया जाए। लेकिन पेचीदा हिस्सा यह है: जब वह रॉकेट चलता है, तो वह गैस का एक गर्म, अस्त-व्यled बादल बाहर निकालता है जिसे "एग्जॉस्ट प्लूम" (exhaust plume) कहा जाता है। यह प्लूम केवल पत्थर को आगे नहीं धकेलता; बल्कि यह पत्थर के पीछे हवा के भंवर को भी बिगाड़ देता है। यह वैसा ही है जैसे आप भीड़ के बीच से दौड़ने की कोशिश कर रहे हों और कोई आपके सिर के ठीक पीछे एक विशाल, अराजक पंखा चला रहा हो। वैज्ञानिकों के लिए बड़ा सवाल यह है: क्या यह बिखरा हुआ हवा का बादल रॉकेट को और दूर जाने में मदद करता है, या क्या यह वास्तव में हवा के प्रतिरोध को बढ़ा देता है, जिससे पूरी प्रक्रिया धीमी हो जाती है?
यह शोध पत्र इसी रहस्य की गहराई में उतरता है और इसके लिए 155 मिमी आर्टिलरी शैल (artillery shell) का उपयोग करता है, जो सेनाओं द्वारा उपयोग किए जाने वाले बड़े तोप के गोलों का एक प्रकार है। ब्राजील के मिलिट्री इंस्टीट्यूट ऑफ इंजीनियरिंग में काम करने वाले शोधकर्ताओं ने यह देखना चाहा कि जब आप सुपरसोनिक गति (ध्वनि की गति से तेज़) पर रॉकेट-असिस्टेड शैल चलाते हैं तो क्या होता है। उन्होंने केवल असली शैल नहीं चलाए; इसके बजाय, उन्होंने कंप्यूटर के भीतर एक अत्यंत विस्तृत आभासी दुनिया बनाई। उन्होंने "कंप्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक्स" (CFD) नामक विधि का उपयोग किया, जो मूल रूप से यह सिम्युलेट करने का एक उच्च-तकनीकी तरीका है कि हवा वस्तुओं के चारों ओर कैसे बहती है, ताकि वे देख सकें कि रॉकेट का निकास बादल (exhaust cloud) तेज़ गति से चलती हवा के साथ कैसे क्रिया करता है। उन्होंने बिना रॉकेट वाले शैल की तुलना रॉकेट चलते हुए शैल से की, यह जाँच की कि शैल के पीछे हवा का दबाव कैसे बदलता है और कितना "ड्रैग" (हवा का प्रतिरोध) पैदा होता है। फिर उन्होंने इन आंकड़ों को एक बैलिस्टिक कैलकुलेटर में डाला ताकि यह देख सकें कि वास्तविक जीवन में वह शैल कितनी दूर तक उड़ेगी।
यहाँ एक आश्चर्यजनक मोड़ है जो इस शोध पत्र में पाया गया: रॉकेट का निकास (exhaust), जिसे शैल को और दूर धकेलने के लिए नायक होना चाहिए था, वास्तव में एक खलनायक जैसा दुष्प्रभाव पैदा करता है। जब रॉकेट चलता है, तो गर्म निकास का बादल शैल के पीछे हवा के भंवर के तरीके को बदल देता है। एक सुचारू, शांत भंवर के बजाय, निकास एक अधिक सघन, अशांत (turbulent) मिश्रण बनाता है जो वास्तव में हवा के प्रतिरोध को काफी बढ़ा देता है। सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने पाया कि जब रॉकेट चल रहा था, तो रॉकेट न चलने की तुलना में वायुगतिकीय ड्रैग (aerodynamic drag) लगभग 70% से 90% तक बढ़ गया, विशेष रूप से कम गति (मैक 0.7 और 1.0 के बीच) पर। जैसे-जैसे शैल तेज़ हुई (मैक 2.5 तक), यह अतिरिक्त ड्रैग कम समस्यात्मक हो गया, लेकिन यह फिर भी मौजूद था।
इसे इस तरह समझें: रॉकेट इंजन एक मजबूत दोस्त की तरह है जो आपको पीछे से धक्का दे रहा है, लेकिन निकास का बादल उस दोस्त की तरह है जो गलती से आपके जूतों के फीतों में उलझ जाता है, जिससे आपके पैरों पर एक बड़ा खिंचाव पैदा होता है। धक्का देना अच्छा है, लेकिन उलझना बुरा है। शोध पत्र दिखाता है कि यह "उलझन" वास्तविक और मापने योग्य है। जब शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए 3,300 अलग-अलग उड़ान सिमुलेशन चलाए कि शैल कितनी दूर जाएगी, तो उन्होंने पाया कि निकास बादल के कारण हुआ यह अतिरिक्त ड्रैग वास्तव में अधिकतम दूरी को कम कर देता है। सर्वोत्तम फायरिंग कोणों के लिए, शैल उस दूरी से 720 मीटर तक कम उड़ी जो वह तब उड़ सकती थी यदि निकास बादल ने हवा के साथ इतनी छेड़छाड़ न की होती।
अध्ययन ने यह भी देखा कि यह कब होता है। अतिरिक्त ड्रैग केवल तभी मायने रखता है जब रॉकेट जल रहा होता है, जो कि उड़ान के शुरुआती चरण में एक छोटा सा समय (लगभग 3 सेकंड) होता है। यदि आप शैल को कम कोण पर दागते हैं, तो रॉकेट चालू होने से पहले ही वह ज़मीन से टकरा जाती है, इसलिए निकास का कोई महत्व नहीं रह जाता। लेकिन यदि आप इसे ऊँचाई पर दागते हैं, तो रॉकेट तब जलता है जब शैल अभी भी ऊपर चढ़ रही होती है, और वह अतिरिक्त ड्रैग जुड़कर अंतिम लैंडिंग की दूरी को कम कर देता है। शोधकर्ता अपने गणित को लेकर बहुत सावधान थे, उन्होंने अपने कंप्यूटर मॉडल की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए ज्ञात डेटा के साथ अपने मॉडलों की जाँच की। उन्होंने पाया कि उनके कंप्यूटर मॉडल विश्वसनीय थे, जिनमें त्रुटियाँ बहुत कम थीं, इसलिए वे आश्वस्त हैं कि यह "एग्जॉस्ट पेनल्टी" (निकास दंड) एक वास्तविक भौतिक घटना है, न कि केवल कोड की कोई गड़बड़ी।
तो, निष्कर्ष क्या है? यदि आप एक रॉकेट-असिस्टेड शैल का डिज़ाइन बना रहे हैं, तो आप केवल इस बात पर ध्यान नहीं दे सकते कि रॉकेट कितना थ्रस्ट (धक्का) पैदा करता है। आपको उस गर्म, बिखरे हुए बादल पर भी ध्यान देना होगा जिसे वह पीछे छोड़ देता है। वह बादल शैल के पीछे हवा के दबाव को बदल देता है, जिससे आकाश में आगे बढ़ना कठिन हो जाता है। शोध पत्र सुझाव देता है कि इस प्रभाव को अनदेखा करने से आपको लगेगा कि आपका शैल वास्तव में जितना उड़ सकता है, उससे कहीं अधिक दूर तक जाएगा। इस अंतःक्रिया को समझकर, इंजीनियर रॉकेट नोजल या इग्निशन के समय को बदलकर इस ड्रैग पेनल्टी को कम करने का प्रयास कर सकते हैं, जिससे ये हाई-टेक शैल अपनी वास्तविक क्षमता तक पहुँच सकें। यह एक याद दिलाता है कि उच्च गति वाली उड़ान की दुनिया में, वे चीजें भी जो आपको आगे धकेलती हैं, कभी-कभी रास्ते में आपके लिए थोड़ी मुसीबत भी खड़ी कर सकती हैं।
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