Measurements of the development of the velocity fields in a propeller wake

विमानन का भविष्य अतीत की ओर देख रहा है, प्रगति को छोड़ने के लिए नहीं, बल्कि एक अधिक टिकाऊ मार्ग खोजने के लिए। इंजीनियर प्रोपेलर (propeller) को फिर से देख रहे हैं, एक ऐसी तकनीक जिसे लंबे समय से जेट इंजन द्वारा ओझल कर दिया गया था, ताकि अगली पीढ़ी के लघु और मध्यम दूरी के विमानों को शक्ति प्रदान की जा सके। लक्ष्य एक ऐसी प्रणाली बनाना है जहाँ एक हवाई जहाज के पंखों के साथ कई प्रोपेलर वितरित किए जा सकें, एक ऐसा डिज़ाइन जो लिफ्ट और दक्षता में महत्वपूर्ण सुधार कर सकता है। हालाँकि, इसे सफल बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को उस अदृश्य हवा की नदी को समझना होगा जो एक घूमते हुए प्रोपेलर अपने पीछे छोड़ देता है। यह 'वेक' (wake) खाली स्थान नहीं है; यह ऊर्जा का एक अशांत, घूमता हुआ भंवर है जो उस पंख (wing) के साथ परस्पर क्रिया करता है जिसका यह अनुसरण करता है। यदि हवा बहुत अधिक अराजक है, तो यह ईंधन दक्षता के लिए आवश्यक सुचारू प्रवाह को बिगाड़ सकती है। यदि यह बहुत अधिक अनुमानित है, तो यह खतरनाक कंपन पैदा कर सकती है। हवा ठीक कैसे चलती है, कैसे मुड़ती है और कैसे स्थिर होती है, इसे समझना एक शांत, स्वच्छ और अधिक कुशल उड़ान के द्वार खोलने की कुंजी है।

स्टटगार्ट विश्वविद्यालय में, शोधकर्ताओं के एक दल ने इस अदृश्य परिदृश्य का मानचित्रण करने का संकल्प लिया। उन्होंने यह देखने के लिए एक विंड टनल प्रयोग बनाया कि तीन अलग-अलग दो-ब्लेड वाले प्रोपेलर से गुजरने के बाद हवा का क्या होता है। प्रत्येक प्रोपलर को विशिष्ट परिस्थितियों में संचालित होने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जिसमें अलग-अलग ब्लेड की चौड़ाई और घूमने की गति थी, फिर भी सभी का उद्देश्य समान अग्र थ्रस्ट (forward thrust) उत्पन्न करना था। टीम ने केवल परिणामों का अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने उन्हें उच्च सटीकता के साथ मापा। एक विशेष प्रोब का उपयोग करते हुए जो पांच अलग-अलग कोणों से वायु दाब को महसूस कर सकता था, वे प्रोपेलर के पीछे विभिन्न दूरियों पर हवा के माध्यम से गुजरे, और हजारों बिंदुओं पर हवा की गति और दिशा को कैप्चर किया। उन्होंने प्रोपलर और इसके सहायक ढांचे पर कार्य करने वाले भौतिक बलों को भी मापा, और अपने वास्तविक दुनिया के डेटा की तुलना ब्लेड बनाने के लिए उपयोग किए गए मूल कंप्यूटर डिजाइनों से की।

परिणामों ने एक स्पष्ट चित्र प्रस्तुत किया कि प्रोपेलर का वेक (wake) नीचे की ओर यात्रा करते समय कैसे विकसित होता है। प्रोपेलर के करीब, हवा उच्च गति के भंवरों और दिशा के तीव्र परिवर्तनों का एक अराजक मिश्रण होती है। जैसे-जैसे हवा दूर जाती है, ये तीक्ष्ण विशेषताएं धीरे-धीरे सुचारू होने लगती हैं, जिसे 'डिसिपेशन' (dissipation) कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि हवा केवल समान रूप से धीमी नहीं होती है; इसके बजाय, उच्च गति वाली हवा की जेबें फैल जाती हैं और अपनी तीव्रता खो देती हैं। सबसे उल्लेखनीय अवलोकनों में से एक यह था कि प्रोपेलर को थामने वाला सहायक ढांचा, या पाइलन (pylon), प्रवाह को कैसे प्रभावित करता है। जैसे ही प्रोपलर घूमता है, वह पाइलन पर हवा को धकेलता है, जिससे एक जटिल अंतःक्रिया उत्पन्न होती है जहाँ हवा विभाजित होती है और सपोर्ट बीम के चारों ओर घूमती है। यह अंतःक्रिया 'टिप वोर्टिसेस' (tip vortices)—ब्लेड के सिरों से निकलने वाली हवा की घूमती हुई नलिकाओं—को इस तरह से प्रभावित करती है कि वे पाइल के किस तरफ हैं, इस पर निर्भर करती हैं। पाइल के पिछले हिस्से की ओर वाला वोर्टेक्स, अगले हिस्से की तुलना में बहुत तेजी से टूट जाता है और गायब हो जाता है।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि प्रोपेलर ब्लेड का डिज़ाइन स्वयं वेक के चरित्र को निर्धारित करता है। जिस प्रोपलर के ब्लेड सबसे चौड़े थे और जो सबसे धीमा घूमता था, उसने ब्लेड के सिरों पर सबसे तीव्र अशांति (turbulence) पैदा की। हालाँकि, जिस प्रोपलर के ब्लेड सबसे संकीले थे और जो सबसे तेज़ घूमता था, उसने बहुत बड़े क्षेत्र में उच्च अशांति पैदा की। यह निष्कर्ष बताता है कि ब्लेड के गुजरने की गति, ब्लेड के आकार जितने ही महत्वपूर्ण हैं। जब ब्लेड बहुत तेज़ी से घूमते हैं, तो अगले ब्लेड के आने से पहले उनके बीच की हवा को शांत और स्थिर होने के लिए कम समय मिलता है। फलस्वरूप, पूरा वेक एक बड़े क्षेत्र में अधिक अशांत रहता है, भले ही किसी भी एकल बिंदु पर इसकी चरम तीव्रता कम हो। यह अंतर उन इंजीनियरों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है जो लैमिनार विंग्स (laminar wings) वाले विमानों को डिजाइन कर रहे हैं, जो दक्षता बनाए रखने के लिए सुचारू, निर्बाध हवा पर निर्भर करते हैं।

जबकि बल के मापों ने पुष्टि की कि प्रोपेलर्स ने अपेक्षित थ्रस्ट उत्पन्न किया, टॉर्क (torque)—प्रोपलर को घुमाने के लिए आवश्यक घुमावदार बल—का डेटा अधिक जटिल था। प्रोपलर और पाइल के बीच होने वाली अंतःक्रिया से उत्पन्न कंपन ने अन्य बलों से शुद्ध टॉर्क को अलग करना कठिन बना दिया। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि भविष्य के प्रयोगों के लिए, सहायक संरचना को काफी अधिक सख्त होना चाहिए, या मापने वाले उपकरण को प्रोपलर हाउसिंग के अंदर ले जाना होगा, ताकि एक स्पष्ट रीडिंग प्राप्त की जा सके। इस चुनौती के बावजूद, वेग (velocity) का मापन सफल रहा। टीम ने अपने भौतिक मापों की तुलना कंप्यूटर सिमुलेशन से की और पाया कि मॉडल वास्तविक दुनिया के डेटा के साथ बहुत अच्छी तरह मेल खाते हैं, विशेष रूप से इस संबंध में कि प्रोपलर से दूर जाने पर हवा की गति कैसे बदलती है। यह सहमति वैज्ञानिकों को विश्वास दिलाती है कि उनके कंप्यूटर मॉडल का उपयोग बिना हर परीक्षण के लिए भौतिक मॉडल बनाए, अधिक जटिल विमान कॉन्फ़िगरेशन के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए किया जा सकता है।

अंततः, यह शोध प्रोपलर से निकलने के बाद हवा की यात्रा का एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है। यह दिखाता है कि वेक एक गतिशील वातावरण है जहाँ ब्लेड का आकार और घूर्णन की गति मिलकर यह निर्धारित करते हैं कि कितनी अशांति पैदा होगी और वह अशांति कितनी दूर तक जाएगी। निष्कर्ष बताते हैं कि केवल ब्लेड को चौड़ा करना या उन्हें तेज़ी से घुमाना एक 'वन-साइज़-फिट्स-ऑल' समाधान नहीं है; दोनों के बीच की अंतःक्रिया हवा में एक अद्वितीय हस्ताक्षर बनाती है। विमानन उद्योग के लिए, जो नए विमान डिजाइनों में 'डिस्ट्रीब्यूटेड प्रोपल्शन सिस्टम' को एकीकृत करने का प्रयास कर रहा है, ये अंतर्दृष्टि महत्वपूर्ण हैं। वे इंजीनियरों को यह अनुमान लगाने में मदद करती हैं कि हवा कहाँ सुचारू होगी और कहाँ उबड़-खाबड़ होगी, जिससे यह सुनिश्चित होगा कि अगली पीढ़ी के प्रोपेलर-चालित विमान कुशलतापूर्वक उड़ सकें और उनका वेक पीछे के पंखों के प्रदर्शन को खराब न करे।