Preliminary Design of Hybrid Aircraft Thermal Management System (Tms) Experimental Test Campaign in Cira Icing Wind Tunnel (IWT)
यह शोध पत्र ईयू-वित्तपोषित AMBER परियोजना के अंतर्गत वास्तविक उड़ान स्थितियों के तहत 0.5 मेगावाट तक की शक्ति स्तरों वाले हाइब्रिड विमानों के थर्मल मैनेजमेंट सिस्टम के पूर्ण-स्तरीय प्रयोगात्मक सत्यापन को सक्षम करने के लिए CIRA के आइसिंग विंड टनल के प्रारंभिक डिजाइन और चल रहे अपग्रेडों को रेखांकित करता है।
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आसमान एक नए तरह के यात्री के लिए एक भीड़भाड़ वाली जगह बनता जा रहा है। दशकों से, विमानन उद्योग विशाल धातु के ट्यूबों को हवा में धकेलने के लिए ईंधन जलाने पर निर्भर रहा है, एक ऐसी प्रक्रिया जो वायुमंडल में कार्बन डाइऑक्साइड और अन्य गैसें छोड़ती है। वैश्विक जलवायु लक्ष्यों को पूरा करने के लिए, इंजीनियर अब ऐसे विमानों का डिजाइन तैयार कर रहे हैं जो बिजली या बिजली और ईंधन के मिश्रण पर चलते हैं। ये हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक विमान एक स्वच्छ भविष्य का वादा करते हैं, लेकिन वे एक छिपी हुई समस्या भी लेकर आते जिसका उस हवा से कोई लेना-देना नहीं है जिससे वे उड़ते हैं। वे बैटरियां, इलेक्ट्रिक मोटर और फ्यूल सेल्स जो इन नई मशीनों को शक्ति प्रदान करते हैं, भारी मात्रा में गर्मी पैदा करते हैं। जिस तरह एक लैपटॉप बहुत गर्म होने पर धीमा हो जाता है, ये शक्तिशाली घटक विफल हो सकते हैं या अपनी दक्षता खो सकते हैं यदि वे उस गर्मी को जल्दी से बाहर नहीं निकाल पाते हैं। चुनौती एक ऐसा कूलिंग सिस्टम बनाने की है जो पूरी तरह से काम करे, चाहे विमान गर्मियों की गर्मी में रनवे पर खड़ा हो या उच्च ऊंचाई पर जमी हुई हवा के बीच ऊपर चढ़ रहा हो। यदि सिस्टम बहुत छोटा है, तो इंजन ओवरहीट हो जाएगा; यदि यह बहुत बड़ा है, तो अतिरिक्त वजन और वायु प्रतिरोध विमान की रेंज को खराब कर देगा।
इतालवी एयरोस्पेस रिसर्च सेंटर, जिसे CIRA के नाम से जाना जाता है, के शोधकर्ता इस पहेली को सुलझाने के लिए एक नए प्रकार का प्रयोगशाला परीक्षण बना रहे हैं। वे अपने आइसिंग विंड टनल (Icing Wind Tunnel) को अपग्रेड कर रहे हैं, जो एक विशाल सुविधा है जिसे मूल रूप से विमान के पंखों पर बर्फ बनने के अध्ययन के लिए डिज़ाइन किया गया था, ताकि इसके बजाय इन भविष्य के इलेक्ट्रिक विमानों के थर्मल मैनेजमेंट सिस्टम का परीक्षण किया जा सके। मार्को इनविगोरिटो और उनके सहयोगियों के नेतृत्व वाली टीम ने महसूस किया कि केवल कंप्यूटर मॉडल पर्याप्त नहीं थे। जबकि सिमुलेशन यह अनुमान लगा सकते हैं कि एक कूलिंग सिस्टम कैसा व्यवहार करेगा, वे अक्सर इस जटिल वास्तविकता को समझने में चूक जाते हैं कि एक वास्तविक विमान के चारों ओर हवा कैसे बहती है। इसे हल करने के लिए, उन्होंने पहले एक हीट एक्सचेंजर का विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाया—एक ऐसा उपकरण जो गर्म तरल पदार्थ से गर्मी को बाहर की ठंडी हवा में स्थानांतरित करता है। उन्होंने एक क्षेत्रीय विमान के उड़ान पथ का मॉडल तैयार किया, जिसमें विमान के जमीन से शुरू होकर 5,500 मीटर की ऊंचाई तक जाने तक के प्रदर्शन को ट्रैक किया गया। इन सिमुलेशन के परिणामों ने इन प्रणालियों के वर्तमान डिजाइन के तरीके में एक आश्चर्यजनक और खतरनाक खामी को उजागर किया।
जब शोधकर्ताओं ने डेटा देखा, तो उन्होंने पाया कि जो कूलिंग सिस्टम जमीन पर सुरक्षित रूप से काम करने के लिए बनाया गया है, वह विमान के उड़ान भरने के बाद खतरनाक रूप से अत्यधिक शक्तिशाली हो जाता है। जैसे-जैसे विमान ऊपर चढ़ता है, बाहरी हवा ठंडी और पतली होती जाती है। उनके सिमुलेशन में, एक सिस्टम जिसे जमीन पर 300 किलोवाट गर्मी संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया था, अचानक उच्च ऊंचाई पर 900 किलोवाट से अधिक गर्मी निकालने में सक्षम पाया गया। यह भारी वृद्धि, हालांकि देखने में अच्छी लग सकती है, एक नई समस्या पैदा करती है। विमान के अंदर के फ्यूल सेल्स एक संकीर्ण तापमान सीमा के भीतर सबसे अच्छा काम करते हैं। यदि कूलिंग सिस्टम उच्च ऊंचाई पर बहुत अधिक कुशल हो जाता है, तो यह फ्यूल सेल के तरल के तापमान को 50.8 डिग्री सेल्सियस तक गिरा सकता है, जो सुरक्षित ऑपरेटिंग रेंज से बहुत नीचे है। फ्यूल सेल के लिए इस "हाइपोथर्मिया" (अत्यधिक ठंड) के कारण इसकी दक्षता कम हो सकती है या यह पूरी तरह से काम करना बंद कर सकता है। इसे रोकने के लिए, इंजीनियरों को कूलिंग को नियंत्रित करने के लिए जटिल वाल्व और नियंत्रण जोड़ने होंगे, जिससे वजन बढ़ता है और विफलता के अधिक बिंदु पैदा होते हैं। वैकल्पिक रूप से, यदि वे हीट एक्सचेंजर को केवल उच्च-ऊंचाई की स्थितियों के लिए आकार देते हैं, तो यह टेकऑफ के समय बहुत बड़ा और भारी होगा, जिससे अनावश्यक ड्रैग (वायु प्रतिरोध) पैदा होगा और ईंधन बर्बाद होगा।
यह समझने के लिए कि वास्तव में इसे कैसे हल किया जाए, टीम अपने विंड टनल को पूर्ण-पैमाने के कूलिंग सिस्टम के लिए एक परीक्षण स्थल में बदल रही है। यह सुविधा, जो मच 0.7 तक की उड़ान गति और माइनस 40 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान का अनुकरण कर सकती है, एक नए थर्मल जनरेशन सिस्टम से सुसज्जित की जा रही है। यह सिस्टम एक टेस्ट आर्टिकल के माध्यम से 1,200 लीटर प्रति मिनट तक की दर से गर्म तरल को पंप कर सकता है, जो एक वास्तविक इलेक्ट्रिक मोटर या बैटरी के ताप उत्पादन की नकल करता है। रेडिएटर के ऊपर हवा फूंकने के लिए पंखों का उपयोग करने वाले मानक टेस्ट बेंचों के विपरीत, यह विंड टनल चलती हवा के प्राकृतिक दबाव का उपयोग करके कूलिंग सिस्टम के माध्यम से हवा को धकेलता है, ठीक वैसे ही जैसे एक वास्तविक विमान करता है। यह शोधकर्ताओं को न केवल यह मापने की अनुमति देता है कि सिस्टम कितनी अच्छी तरह ठंडा करता है, बल्कि यह भी कि यह कितना एरोडायनामिक ड्रैग पैदा करता है और उड़ान के दौरान इसकी सतहों पर बर्फ कैसे जम सकती है।
अपग्रेडेड टनल टीम को क्षेत्रीय विमानों के विशिष्ट फ्लाइट प्रोफाइल के अनुरूप परीक्षण करने की अनुमति देगी, जो जमीन की स्थितियों से लेकर उच्च-ऊंचाई की चढ़ाई तक के सफर को कवर करेगा, जबकि तापमान के हर डिग्री और दबाव की हर बूंद की निगरानी करेगा। वे यह परीक्षण करने की योजना बना रहे हैं कि सिस्टम कैसा व्यवहार करता है जब विमान सीधा उड़ रहा होता है, लेकिन यह भी जब वह मुड़ रहा होता है या तिरछा फिसल रहा होता है, ऐसी स्थितियाँ जिन्हें कंप्यूटर मॉडल सटीक रूप से बताने में संघर्ष करते हैं। अपने पिछले सिमुलेशन के साथ इन भौतिक परीक्षणों को जोड़कर, शोधकर्ताओं का लक्ष्य इन कूलिंग सिस्टम के आकार निर्धारण के लिए एक विश्वसनीय तरीका बनाना है। लक्ष्य एक ऐसा डिजाइन ढूंढना है जो टेकऑफ के लिए पर्याप्त हल्का, उच्च-ऊंचाई की उड़ान के लिए पर्याप्त शक्तिशाली और सुरक्षित रहने के लिए पर्याप्त सरल हो। यह कार्य यूरोपीय संघ द्वारा वित्त पोषित बड़े AMBER प्रोजेक्ट का हिस्सा है, जिसका उद्देश्य शून्य-उत्सर्जन वाले विमानन भविष्य के लिए आवश्यक तकनीकों को प्रमाणित करना है। ये निष्कर्ष यह सुनिश्चित करने में मदद करेंगे कि अगली पीढ़ी के विमान अपने यात्रियों को सुरक्षित और कुशलतापूर्वक ले जा सकें, बिना आसमान में ओवरहीटिंग या जमने के जोखिम के।
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