Design and Numerical Verification of an Electric Ducted-Fan Propulsion Experimental Platform with Two Configurations

शांत, स्वच्छ उड़ान का भविष्य अक्सर एक ट्यूब के भीतर छिपे पंखे जैसा दिखता है। यह इलेक्ट्रिक डक्टेड फैन (electric ducted fan) है, एक ऐसी प्रणोदन प्रणाली (propulsion system) जहाँ एक शक्तिशाली मोटर एक सावधानीपूर्वक आकार दिए गए सिलेंडर के भीतर ब्लेड को घुमाती है। एक मानक हवाई जहाज के प्रोपेलर के विपरीत, जो खुली हवा में स्थित होता है, यह डिज़ाइन हवा को निर्देशित करने के लिए ट्यूब का उपयोग करता है, उसे दबाता है और थ्रस्ट (thrust) उत्पन्न करने के लिए उसकी गति बढ़ाता है। इंजीनियर इन प्रणालियों की ओर इसलिए आकर्षित होते हैं क्योंकि इन्हें पंखों या फ्यूजलेज (fuselage) के भीतर छिपाया जा सकता है, जो अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रिक विमानों को शक्ति देने का एक लचीला तरीका प्रदान करता है। हालाँकि, एक ऐसी मशीन बनाना जो ड्राइंग बोर्ड पर अच्छी तरह काम करती है, वास्तविक दुनिया में काम करने वाली मशीन बनाने से बहुत अलग है। यह जानने के लिए कि एक पंखा और उसका ट्यूब वास्तव में कितना कुशल है, वैज्ञानिकों को यह मापना होगा कि हवा इस प्रणाली के माध्यम से गुजरते समय कितनी ऊर्जा खो देती है। यदि ट्यूब का आकार खराब है, तो हवा घूमने लगेगी और रुक जाएगी (stalls), जिससे शक्ति नष्ट हो जाएगी। यदि इसका आकार अच्छा है, तो हवा सुचारू रूप से प्रवाहित होगी, जिससे विमान को आगे धकेलने के लिए इसकी ऊर्जा सुरक्षित रहेगी।

इस समस्या को हल करने के लिए, शंघाई जियाओ टोंग यूनिवर्सिटी और चाइना एयरोस्पेस साइंस एंड टेक्नोलॉजी कॉर्पोरेशन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया, बड़े पैमाने पर परीक्षण स्थल (testing ground) डिजाइन किया। उन्होंने एक विशेष प्रयोगात्मक प्लेटफॉर्म बनाया जो दो अलग-अलग प्रकार के फैन सेटअप को रखने में सक्षम है: एक जहाँ पंखा सीधे एक हवाई जहाज के पंख के हिस्से पर लगा होता है, और दूसरा जहाँ पंखा एक स्वतंत्र ट्यूब के भीतर स्थित होता है। लक्ष्य एक विश्वसनीय वातावरण बनाना था जहाँ वे हवा के व्यवहार का परीक्षण कर सकें, बिना हवा के प्रभाव या ज़मीनी प्रभावों (ground effects) के हस्तक्षेप के जो आमतौर पर मापों को बिगाड़ देते हैं। चूंकि भौतिक प्रोटोटाइप बनाना महंगा और समय लेने वाला होता है, इसलिए टीम ने पहले शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके सत्यापित किया कि उनका नया टेस्ट बेंच सही ढंग से काम करेगा या नहीं। उन्होंने परीक्षण कक्ष के माध्यम से हवा के प्रवाह का मॉडल तैयार किया, यह जाँचने के लिए कि पंखे तक पहुँचने से पहले हवा स्थिर और समान बनी रहे।

शोधकर्ताओं ने पाया कि उनका नया प्लेटफॉर्म इस कार्य के लिए सक्षम था। जब उन्होंने परीक्षण कक्ष के माध्यम से एक मंद हवा से लेकर 100 किलोग्राम प्रति सेकंड की शक्तिशाली गति तक हवा के प्रवाह का सिमुलेशन किया, तो वायु प्रवाह सुचारू और स्थिर रहा। यह स्थिरता अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि परीक्षण कक्ष से आने वाली कोई भी विक्षोभ (turbulence) परिणामों को विकृत कर सकती है, जिससे यह बताना असंभव हो जाएगा कि एक पंखा अच्छा प्रदर्शन कर रहा है या खराब। सिमुलेशन ने दिखाया कि पंखे में प्रवेश करने वाली हवा स्वच्छ और सुसंगत थी, चाहे पंखा एक विंग मॉडल से जुड़ा हो या एक स्वतंत्र ट्यूब में खड़ा हो। इसने पुष्टि की कि उनके द्वारा डिजाइन किया गया भौतिक टेस्ट बेंच भविष्य के प्रयोगों के लिए सटीक डेटा प्रदान करेगा।

प्लेटफॉर्म के सत्यापन के बाद, टीम ने दो फैन कॉन्फ़िगरेशन के प्रदर्शन पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने एक विशिष्ट मीट्रिक मापा जिसे 'टोटल प्रेशर रिकवरी कोएफिशिएंट' (total pressure recovery coefficient) कहा जाता है, जो अनिवार्य रूप से इंजीनियरों को यह बताता है कि प्रणाली के माध्यम से यात्रा करते समय हवा की कितनी ऊर्जा संरक्षित रहती है। एक उच्च संख्या का अर्थ है कम ऊर्जा की हानि। परिणाम प्रभावशाली थे। पंख पर लगे पंखे के लिए, प्रणाली ने हवा की 99 प्रतिशत से अधिक ऊर्जा को संरक्षित किया। स्टैंडअलोन ट्यूब मॉडल के लिए, दक्षता और भी थोड़ी अधिक थी, जिसने 99 प्रतिशत से अधिक ऊर्जा को संरक्षित किया। ये संख्याएँ दर्शाती हैं कि दोनों डिज़ाइन हवा को बहुत कम हानि के साथ प्रवाहित होने देते हैं, जो एक अच्छी तरह से इंजीनियर की गई प्रणोदन प्रणाली का संकेत है।

टीम केवल डिज़ाइनों के काम करने की पुष्टि करने तक ही नहीं रुकी; उन्होंने उन्हें बेहतर बनाने के तरीके भी खोजे। उन्होंने महसूस किया कि ट्यूब के प्रवेश द्वार का आकार, जहाँ हवा सबसे पहले प्रवेश करती है, इस बात में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है कि हवा कितनी सुचारू रूप से चलती है। प्रवेश द्वार को एक फले हुए (flared) आकार से बदलकर एक अधिक सुव्यवस्थित, घुमावदार लिप (curved lip) में बदलकर, वे हवा को पंखे में अधिक कोमलता से निर्देशित करने में सक्षम हुए। इस छोटे से ज्यामितीय परिवर्तन का मापने योग्य प्रभाव पड़ा। उनके सिमुलेशन में, अनुकूलित ट्यूब प्रवेश द्वार ने ऊर्जा की हानि को और भी कम कर दिया, जिससे दक्षता रेटिंग बढ़कर लगभग 99.3 प्रतिशत हो गई। यह सुधार सिद्ध करता है कि इनटेक (intake) के आकार में सूक्ष्म परिवर्तन भी प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा सकते हैं।

अध्ययन ने एक व्यावहारिक प्रश्न का भी समाधान किया जो किसी भी परीक्षण सुविधा बनाने वाले व्यक्ति के लिए महत्वपूर्ण है: कमरे के भीतर पंखे को कहाँ रखा जाना चाहिए? शोधकर्ताओं ने अपने परीक्षण कक्ष के सामने, मध्य और पीछे के स्थानों पर पंखे का सिमुलेशन किया। उन्होंने पाया कि स्थिति से कोई फर्क नहीं पड़ता। जब तक कमरे में हवा सुचारू रूप से बह रही है, पंखा अपनी जगह के बावजूद एक ही तरह से प्रदर्शन करता है। यह निष्कर्ष इंजीनियरों को अपने स्वयं के परीक्षण स्थानों को डिजाइन करने के लिए बहुत लचीलापन प्रदान करता है, क्योंकि उन्हें वैध परिणाम प्राप्त करने के लिए सटीक प्लेसमेंट की चिंता करने की आवश्यकता नहीं है।

अंततः, यह कार्य इलेक्ट्रिक विमान प्रणोदन के विकास के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है। एक मजबूत परीक्षण मंच डिजाइन करके और विस्तृत कंप्यूटर मॉडलिंग के माध्यम से इसके प्रदर्शन को सत्यापित करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो विश्वसनीय रूप से माप सकता है कि इलेक्ट्रिक डक्टेड फैन कितनी अच्छी तरह काम करते हैं। उनके निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि ये प्रणालियाँ उच्च दक्षता प्राप्त कर सकती हैं और हवा के इनटेक के आकार पर सावधानीपूर्वक ध्यान देने से प्रदर्शन को और भी बढ़ाया जा सकता है। जैसे-जैसे विमानन उद्योग हरित प्रौद्योगिकियों की ओर बढ़ रहा है, इन शक्तिशाली पंखों को परीक्षण करने और परिष्कृत करने का एक विश्वसनीय तरीका होना इलेक्ट्रिक उड़ान के वादे को वास्तविकता में बदलने के लिए आवश्यक होगा।