Hydrodynamic Propulsive Performance of a Hybrid Aquatic-Aerial Rotor-Wing System under Collective Pitch and Rotational Speed Matching

एक ऐसे वाहन की कल्पना करें जो हवा में उड़ सकता है और फिर लहरों के नीचे तैरने के लिए गोता लगा सकता है, जो दोनों यात्राओं के लिए घूमने वाले ब्लेडों (रोटर) के एक ही सेट का उपयोग करता है। यह हाइब्रिड एक्वाटिक-एरियल वाहनों का वादा है, जो आकाश और समुद्र के बीच के अंतर को पाटने के लिए डिज़ाइन किए गए यंत्र हैं। हालांकि एक ही प्लेटफॉर्म का दो इतने अलग दुनियाओं के लिए उपयोग करना आकर्षक विचार है, लेकिन हवा और पानी के माध्यम से चलने की भौतिकी बहुत अलग है। हवा विरल और हल्की होती है; पानी सघन और भारी होता है। एक रोटर ब्लेड जो वायुमंडल को कुशलतापूर्वक काटता है, वह अक्सर समुद्र के माध्यम से प्रभावी ढंग से धकेलने में संघर्ष करता है, और घूमते हुए ब्लेडों के पीछे एक स्थिर पंख (विंग) की उपस्थिति जटिलता की एक और परत जोड़ देती है। जब एक रोटर पानी के नीचे एक विंग के सामने घूमता है, तो पानी जिसे रोटर पीछे धकेलता है, वह विंग से टकराता है, जिससे एक अराजक अंतःक्रिया पैदा होती है जो या तो वाहन की आगे बढ़ने की गति में मदद कर सकती है या बाधा डाल सकती है। यह समझना कि ये दो भाग आपस में कैसे संवाद करते हैं, आवश्यक है यदि इंजीनियरों को उम्मीद है कि वे ऐसी मशीनें बना सकें जो गोता लगाने के लिए पूरी तरह से नए प्रोपेलर की आवश्यकता के बिना कुशलतापूर्वक पानी के नीचे चल सकें।

वुहान यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि एक घूमता हुआ रोटर और एक स्थिर विंग पानी के नीचे मिलकर कैसे व्यवहार करते हैं, इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया। उन्होंने दो विशिष्ट नियंत्रणों पर ध्यान केंद्रित किया जिन्हें पायलट या कंप्यूटर समायोजित कर सकते हैं: ब्लेड का कोण, जिसे 'कलेक्टिव पिच' कहा जाता है, और ब्लेड के घूमने की गति। लक्ष्य इन दोनों सेटिंग्स के सटीक संयोजन को खोजना था ताकि वाहन कम से कम बर्बाद ऊर्जा के साथ आगे बढ़ सके। शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, जिसने ब्लेड और विंग के चारों ओर घूमते पानी का मॉडल तैयार किया, टीम ने संयोजनों की एक विस्तृत श्रृंखला का परीक्षण किया। उन्होंने न केवल अकेले रोटर या अकेले विंग को देखा, बल्कि पूरे सिस्टम को एक एकल इकाई के रूप में अध्ययन किया, यह देखते हुए कि रोटर से निकलने वाला पानी विंग पर लगने वाले बलों को कैसे बदलता है, और विंग बदले में रोटर पर लगने वाले बलों को कैसे बदलता है।

अध्ययन से पता चला कि केवल ब्लेडों को तेज़ या धीमा घुमाना पर्याप्त नहीं है; सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त करने के लिए ब्लेड के कोण को गति के साथ सावधानीपूर्वक मिलाना आवश्यक है। जब शोधकर्ताओं ने विशिष्ट थ्रस्ट आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए ब्लेड के कोण और घूर्णन गति को एक साथ समायोजित किया, तो उन्होंने पाया कि वे एक मानक सेटिंग की तुलना में रोटर की दक्षता को 16.2 प्रतिशत तक सुधार सकते हैं। यह सुधार इसलिए हुआ क्योंकि कोण और गति को एक साथ बदलने से ब्लेड के पीछे घूमने वाले पानी का आकार, जिसे 'वेक' (wake) कहा जाता है, बदल गया। हालांकि, सबसे आश्चर्यजनक खोज केवल रोटर के बारे में नहीं थी, बल्कि रोटर और विंग के बीच के संबंध के बारे में थी। टीम ने पाया कि घूमते हुए ब्लेड एक ऐसा वेक बनाते हैं जो वास्तव में पानी को इस तरह धकेलता है जिससे विंग पर लगने वाला ड्रैग (drag), यानी प्रतिरोध, कम हो जाता है। कुछ मामलों में, इस अंतःक्रिया ने विंग के ड्रैग को आधे से अधिक कम कर दिया और साथ ही इसके लिफ्ट (lift) को बढ़ा दिया।

ड्रैग में यह कमी पूरे सिस्टम के लिए एक बड़ी जीत है। भले ही रोटर और विंग के बीच की अंतःक्रिया ने अकेले रोटर के घूमने की दक्षता को बहुत अधिक नहीं बदला, लेकिन इसने पूरे वाहन को आगे बढ़ने में बहुत अधिक कुशल बना दिया। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इस अंतःक्रिया का लाभ उठाकर, सिस्टम की कुल प्रणोदन दक्षता (propulsive efficiency) में 5.2 प्रतिशत तक सुधार किया जा सकता है। यह लाभ ब्लेड का कोण बढ़ने के साथ बढ़ता गया, लेकिन इसकी एक सीमा भी थी। यदि ब्लेड का कोण बहुत अधिक तीव्र होता, तो रोटर स्वयं अक्षम हो जाता, और विंग के साथ होने वाली अंतःक्रिया से होने वाला लाभ, रोटर के नुकसान की भरपाई करने के लिए पर्याप्त नहीं होता। अध्ययन ने दिखाया कि सर्वोत्तम समग्र प्रदर्शन एक विशिष्ट मध्य मार्ग पर पाया गया जहाँ ब्लेड का कोण इतना पर्याप्त था कि वह विंग के लिए एक सहायक वेक बना सके, लेकिन इतना अधिक नहीं था कि रोटर को घूमने में संघर्ष करना पड़े।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि विभिन्न सेटिंग्स के तहत सिस्टम कितना स्थिर है। उन्होंने पाया कि जब ब्लेल का कोण बहुत अधिक रखा जाता है, तो रोटर पर बल बहुत अनिश्चित हो जाते हैं, जिससे पानी का प्रवाह अस्थिर हो जाता है और तेज कंपन पैदा होता है। यह अस्थिरता ब्लेड के सिरों से पानी के अलग होने से जुड़ी थी, जिससे एक अव्यवस्थित वेक बनता था जो रोटर को हिला देता था। इसके विपरीत, कम कोणों पर, प्रवाह सुचारू और स्थिर बना रहता है। टीम ने निष्कर्ष निकाला कि जबकि रोटर और विंग के बीच की अंतःक्रिया ऊर्जा बचाने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, यह उस रोटर को ठीक नहीं कर सकती जो काम के लिए खराब तरीके से डिज़ाइन किया गया हो। सबसे अच्छा दृष्टिकोण वह संतुलन ढूँढना है जहाँ रोटर अपने आप में कुशलतापूर्वक घूमे और साथ ही एक ऐसा वेक बनाए जो विंग को कम प्रतिरोध के साथ पानी को काटने में मदद करे।

ये निष्कर्ष भविष्य के हाइब्रिड वाहनों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करते हैं। इंजीनियरों को अब रोटर और विंग को दो अलग-अलग हिस्सों के रूप में नहीं देखना चाहिए जो बस एक दूसरे के पास हैं, बल्कि उन्हें एक ऐसी टीम के रूप में देखना चाहिए जहाँ एक हिस्सा सक्रिय रूप से दूसरे की मदद करता है। स्पिन की गति को ब्लेड के कोण के साथ सावधानीपूर्वक मिलाकर, वाहन को आगे धकेलने के लिए आवश्यक प्रयास को कम करने वाला पानी का प्रवाह बनाया जा सकता है। इसके लिए नई सामग्रियों या जटिल नए आकारों की आवश्यकता नहीं है, बल्कि पहले से मौजूद नियंत्रणों के स्मार्ट उपयोग की आवश्यकता है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि एक घूमते हुए रोटर और एक स्थिर विंग के बीच पानी का यह जटिल नृत्य केवल परेशानी का स्रोत नहीं है, बल्कि यात्रा को अधिक कुशल बनाने का एक छिपा हुआ अवसर है, बशर्ते सेटिंग्स को सटीकता के साथ ट्यून किया जाए।