Thermal Performance of Additively Manufactured Lattice and Honeycomb Sandwich Cores for Heat Shielding

एयरोस्पेस इंजीनियरिंग की उच्च-दांव वाली दुनिया में, वायुमंडलीय पुन: प्रवेश (reentry) की भीषण गर्मी से किसी वाहन की रक्षा करना जीवन और मृत्यु का मामला है। जब कोई अंतरिक्ष यान या हाइपरसोनिक विमान वायुमंडल में वापस गिरता है, तो उसके सामने की हवा संकुचित हो जाती है और हजारों डिग्री तक गर्म हो जाती है, जिससे एक तापीय अवरोध (thermal barrier) बन जाता है जो कुछ ही सेकंड में मानक धातुओं को पिघला सकता है। इससे बचने के लिए, इंजीनियर थर्मल प्रोटेक्शन सिस्टम (ताप सुरक्षा प्रणालियों) पर भरोसा करते हैं, जिन्हें अक्सर सैंडविच पैनल के रूप में बनाया जाता है। इन संरचनाओं में दो पतली, मजबूत बाहरी परतें होती हैं जो एक हल्के कोर (core) द्वारा अलग की जाती हैं। कोर का काम वाहन का भार उठाना नहीं, बल्कि एक थर्मल इंसुलेटर के रूप में कार्य करना है, ताकि बाहरी त्वचा की तपिश अंदर के नाजुक इलेक्ट्रॉनिक्स और ईंधन टैंकों तक न पहुँच सके। दशकों से, इस कोर के लिए उद्योग का मानक एक हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते जैसी) संरचना रही है, जो आपस में चिपकी हुई पतली धातु की पन्नियों से बनी एक हेक्सागोनल आकृति है। यह एक प्रमाणित, विश्वसनीय डिजाइन है, लेकिन यह इसे बनाने वाले उपकरणों द्वारा सीमित है; हनीकॉम्ब का आकार निश्चित होता है, और सामग्री पूरी तरह से एक समान होती है।

भारत में मल्ला रेड्डी डीम्ड टू बी यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अलग मार्ग तलाशा है, जो 3D प्रिंटिंग, या एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग की तीव्र प्रगति द्वारा संभव हुआ है। पारंपरिक हनीकॉम्ब के साथ बंधे रहने के बजाय, उन्होंने पूछा कि क्या वे एक ऐसे कोर को डिजाइन कर सकते हैं जिसमें अधिक जटिल, त्रि-आयामी आंतरिक वास्तुकला हो जो गर्मी को और भी प्रभावी ढंग से रोक सके। उन्होंने एक विशिष्ट ज्यामितीय पैटर्न पर ध्यान केंद्रित किया जिसे ऑक्टेट-ट्रस लैटिस (octet-truss lattice) कहा जाता है, जो आपस में जुड़े हुए स्ट्रट्स (struts) के एक दोहराव वाले ढांचे जैसा दिखता है, जो एक सूक्ष्म मचान (scaffold) के समान है। कंप्यूटर का उपयोग करके अत्यधिक गर्मी की स्थितियों का अनुकरण (simulate) करते हुए, उन्होंने इस नए लैटिस डिजाइन की सीधे पुराने हनीकॉम्ब मानक के विरुद्ध तुलना की, और यह देखने के लिए विभिन्न स्तरों के सामग्री घनत्व (material density) पर परीक्षण किया कि कौन सा पैनल पिछले हिस्से को अधिक ठंडा और स्थिर रख सकता है।

शोधकर्ताओं ने दोनों सैंडविच पैनलों के विस्तृत डिजिटल मॉडल बनाए, जिसमें सामग्री के रूप में एल्युमीनियम मिश्र धातु का उपयोग किया गया, और उन्हें दो प्रकार के तीव्र ताप परिदृश्यों के अधीन किया। पहले परिदृश्य में, उन्होंने एक स्थिर, निरंतर ऊष्मा स्रोत का अनुकरण किया, जिसमें ऊपरी सतह को 500 डिग्री सेल्सियस पर रखा गया जबकि निचला हिस्सा ठंडा रहा। दूसरे, अधिक गतिशील परिदृश्य में, उन्होंने ऊपरी सतह पर पांच मिनट के लिए गर्मी के एक विशाल विस्फोट (heat flux) का प्रहार किया, जो एक उच्च गति वाली उड़ान के दौरान वाहन द्वारा अनुभव की जाने वाली अचानक, हिंसक गर्मी की नकल करता है। उन्होंने इन सिमुलेशन को विभिन्न घनत्वों (बहुत हल्के और हवादार से लेकर थोड़े घने तक) की एक श्रृंखला में चलाया, ताकि उस 'स्वीट स्पॉट' को खोजा सके जहाँ सामग्री व्यावहारिक रूप से पर्याप्त हल्की हो लेकिन गर्मी को रोकने के लिए पर्याप्त मोटी हो।

इन सिमुलेशन के परिणाम स्पष्ट और अनुकूल थे। एडिटिवली मैन्युफैक्चरर्ड लैटिस कोर, पारंपरिक हनीकॉम्ब की तुलना में एक बेहतर इंसुलेटर साबित हुआ। स्थिर ताप परीक्षण में, लैटिस संरचना ने पैनल के माध्यम से गर्मी को हनीकॉम्ब की तुलना में लगभग 26 प्रतिशत कम कुशलता से प्रवाहित किया। प्रदर्शन में यह अंतर सीधे पैनल के सुरक्षित पिछले हिस्से के तापमान में परिवर्तित हुआ। जब ऊपरी सतह पर पांच मिनट के तीव्र ताप विस्फोट किया गया, तो हनीकॉम्ब पैनल का पिछला हिस्सा 315 डिग्री सेल्सियस तक पहुँच गया। हालांकि, लैटिस पैनल काफी ठंडा रहा, जिसका पिछला हिस्सा 5% घनत्व पर 287 डिग्री सेल्सियस और सबसे कम परीक्षण किए गए 3% घनत्व पर न्यूनतम 256 डिग्री सेल्सियस तक पहुँचा। यह लगभग 30 डिग्री का अंतर है, जो एक मिशन के दौरान किसी सेंसर के जीवित रहने या विफल होने के बीच का निर्णायक कारक हो सकता है।

गर्मी को बाहर रखने के अलावा, लैटिस संरचना ने ऊष्मीय तनाव (thermal stress) को भी बेहतर तरीके से संभाला। जैसे-जैसे सामग्रियां गर्म होती हैं, वे फैलती हैं और मुड़ या झुक सकती हैं, जिससे वाहन की संरचनात्मक अखंडता से समझौता हो सकता है। हनीकॉम्ब पैनल थर्मल लोड के तहत 2.34 मिलीमीटर तक मुड़ गया, जबकि लैटिस पैनल केवल 1.94 मिलीमीटर मुड़ा। झुकने में यह 17 प्रतिशत की कमी यह सुझाव देती है कि लैटिस डिजाइन न केवल एक बेहतर थर्मल शील्ड है, बल्कि एक अधिक स्थिर शील्ड भी है, जो अत्यधिक तापमान परिवर्तन से होने वाले विरूपण (distortion) का विरोध करती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि लैटिस का लाभ इसके आकार से आता है; हनीकॉम्ब के विपरीत, जिसमें सीधी, ऊर्ध्वाधर दीवारें होती हैं जो गर्मी को सीधे ऊपर से नीचे तक जाने देती हैं, लैटिस तिरछे स्ट्रट्स (angled struts) से बना है। ये तिरछे मार्ग गर्मी को एक लंबा, घुमावदार रास्ता तय करने के लिए मजबूर करते हैं, जिससे इसकी गति धीमी हो जाती है। इसके अतिरिक्त, लैटिस की खुली प्रकृति आंतरिक विकिरण विनिमय (radiation exchange) के लिए अधिक स्थान देती है, जो गर्मी को सीधे गुजरने देने के बजाय कोर के भीतर उसे फैलाने में मदद करती है।

अध्ययन ने उन विशिष्ट घनत्व श्रेणियों की भी पहचान की जहाँ यह लैटिस डिजाइन सबसे अच्छा प्रदर्शन करता है। हालांकि हल्के कोर आमतौर पर गर्मी को बेहतर तरीके से रोकते हैं क्योंकि उनमें कंडक्शन (चालन) के लिए कम ठोस धातु होती है, शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि कोर बहुत हल्का है, तो गर्मी हवा के अंतराल के माध्यम से विकिरण (radiation) द्वारा यात्रा कर सकती है। उन्होंने निर्धारित किया कि कंडक्शन और रेडिएशन के बीच के विशिष्ट समझौतों के संदर्भ में, बैक-फेस तापमान को न्यूनतम करने के लिए 7 और 10 प्रतिशत के बीच सापेक्ष घनत्व (relative density) एक इष्टतम संतुलन प्रदान करता है, हालांकि 3% के न्यूनतम घनत्व पर सबसे कम बैक-फेस तापमान 256°C देखा गया। इन घनत्वों पर, लैटिस कोर ने अपना लाभ बनाए रखा, जिससे पिछला हिस्सा हनीकॉम्ब के समकक्ष की तुलना में लगभग 20 से 30 डिग्री ठंडा रहा। यह निष्कर्ष उन इंजीनियरों के लिए एक ठोस दिशा-निर्देश प्रदान करता है जो इन नई सामग्रियों को अपनाना चाहते हैं, जिससे यह पता चलता है कि अनावश्यक वजन बढ़ाए बिना सर्वोत्तम सुरक्षा प्राप्त करने के लिए कितनी सामग्री की आवश्यकता है।

हालांकि ये निष्कर्ष भौतिक विंड टनल परीक्षणों के बजाय कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित हैं, विभिन्न ताप स्थितियों और घनत्वों में परिणामों की निरंतरता इन संरचनाओं की क्षमता के लिए एक मजबूत मामला पेश करती है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि लैटिस डिजाइन अनुकूलन (customization) का एक ऐसा स्तर प्रदान करता है जो पारंपरिक विनिर्माण के साथ असंभव है, जैसे कि प्रदर्शन को और अधिक अनुकूलित करने के लिए विभिन्न परतों में अलग-अलग घनत्व वाले कोर बनाना। यद्यपि यह अध्ययन एल्युमीनियम तक सीमित था और इसमें सतह की खुरदरापन या दोषपूर्ण बॉन्डिंग जैसे हर वास्तविक दुनिया के चर को शामिल नहीं किया गया था, डेटा बताता है कि 3D-प्रिंटेड लैटिस कोर जल्द ही पुराने हनीकॉम्ब मानक की जगह ले सकते हैं। अगली पीढ़ी के अंतरिक्ष यानों और हाइपरसोनिक वाहनों के लिए, इसका अर्थ हल्का, ठंडा और अधिक विश्वसनीय थर्मल प्रोटेक्शन सिस्टम हो सकता है, जो एक जटिल ज्यामितीय पैटर्न को पुन: प्रवेश की आग के विरुद्ध एक महत्वपूर्ण ढाल में बदल देता है।