सार:
कोलोराडो बोल्डर विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक नई विधि प्रस्तावित की है जो वायु प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए सामग्रियों के अंदर छोटे कंपन का उपयोग करती है। भविष्य में, विमान के आकार को बदले बिना अशांति और खिंचाव को कम करने की उम्मीद है, जिससे ईंधन दक्षता में सुधार होगा।
यात्री विमान लगभग 640 मील प्रति घंटे की गति से उड़ान भर सकता है। पंख की सतह के पास की हवा एक अशांत सीमा परत बनाती है, जिससे उड़ान प्रतिरोध बढ़ जाता है, उड़ान दक्षता कम हो जाती है और परिणामस्वरूप ईंधन की खपत बढ़ जाती है। एक वाणिज्यिक विमान क्रॉस-कंट्री उड़ान पर 10,000 गैलन से अधिक ईंधन की खपत कर सकता है, इसलिए दक्षता में थोड़ी सी वृद्धि से भी एयरलाइंस के लिए महत्वपूर्ण लागत बचत हो सकती है।
कोलोराडो बोल्डर विश्वविद्यालय में एयरोस्पेस इंजीनियरिंग विज्ञान विभाग में प्रोफेसर महमूद आई. हुसैन और उनकी टीम एक और रास्ता तलाश रही है: ड्रैग को नियंत्रित करने के लिए विमान के बाहरी आकृति को फिर से आकार देने के बजाय, वे सतह के नीचे इंजीनियर सिंथेटिक सामग्री रख सकते हैं और वायु प्रवाह को प्रभावित करने के लिए सामग्री द्वारा उत्पन्न सूक्ष्म कंपन का उपयोग कर सकते हैं, जिससे अशांति कम हो सकती है और ईंधन अर्थव्यवस्था में सुधार हो सकता है।
हुसैन की टीम ने हाल ही में "फिजिकल रिव्यू
" में पेपर प्रकाशित किए हैंहुसैन ने कहा कि विमानन उद्योग के जन्म के बाद से, ड्रैग को नियंत्रित करने का मुख्य विचार विमान के आकार को बदलना रहा है। अब, शोधकर्ताओं ने एक नई अवधारणा प्रस्तावित की है: ऐसी सामग्रियों का उपयोग करना जो सतह के खिंचाव को प्रभावित करने के लिए वायु प्रवाह के साथ गतिशील रूप से बातचीत करती हैं, जिससे अभूतपूर्व तरीके से विमान के प्रदर्शन में सुधार होता है। एयरोस्पेस इंजीनियरिंग विज्ञान विभाग में अपनी नियुक्ति के अलावा, हुसैन के पास भौतिकी विभाग में एक समवर्ती नियुक्ति है और वह सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग कार्यक्रम से संबद्ध हैं।
इस शोध का मूल "फोनन" है। फ़ोनन संपूर्ण संरचना की स्थूल हलचलें नहीं हैं, बल्कि सामग्री के भीतर होने वाले अत्यंत छोटे कंपन हैं। हालाँकि ये हलचलें आकार में छोटी हैं, लेकिन अगर इन्हें नियंत्रित किया जा सके, तो यह सामग्री की सतह और बहती हवा के बीच संपर्क के तरीके को बदल सकती है।
इन आंतरिक कंपनों के आसपास के शोध को ध्वनिविज्ञान कहा जाता है। हुसैन दो दशकों से अधिक समय से इस क्षेत्र के विकास को बढ़ावा देने में शामिल हैं और उन्होंने 2011 में "फोनोनिक्स 20xx" सम्मेलन श्रृंखला की स्थापना में मदद की, जो अब इस क्षेत्र में शोधकर्ताओं के लिए एक महत्वपूर्ण अंतरराष्ट्रीय विनिमय मंच बन गया है।
2015 में, हुसैन ने "फोनन सबसरफेस" की अवधारणा का प्रस्ताव रखा, जिसका उद्देश्य सामग्रियों की सतह के नीचे विशेष रूप से डिजाइन की गई संरचनाओं को व्यवस्थित करना है ताकि वे सतह और तरल पदार्थ के बीच इंटरफेस पर कंपन को निष्क्रिय रूप से नियंत्रित कर सकें। अतीत में, उनकी टीम और अन्य शोधकर्ताओं द्वारा विकसित डिज़ाइन अक्सर केवल एक ही आवृत्ति पर काम करते थे।
नवीनतम शोध से पता चलता है कि फोनन उपसतह को एक कुंडलित संरचना में डिजाइन करने से इसके प्रभाव को आवृत्तियों की एक श्रृंखला तक बढ़ाया जा सकता है। यह घटना, जिसे "सुपररेज़ोनेंस" के रूप में जाना जाता है, पहले के डिज़ाइनों की एक प्रमुख सीमा को हल करती है: यह संरचना को वास्तविक अशांति में पाए जाने वाले आवृत्ति घटकों की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ बातचीत करने में सक्षम बनाती है।
हुसैन ने कहा कि टीम शुरू में केवल एक आवृत्ति को संभाल सकती थी, लेकिन बाद में आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला को कवर करना चाहती थी, क्योंकि इस ब्रॉडबैंड तरीके से वास्तविक दुनिया में अशांति उत्पन्न होती है। आज यह लक्ष्य पूरा हो गया है. कुंडलित फोनन संरचना लामिना प्रवाह नियंत्रण रणनीतियों की लंबे समय से चली आ रही सीमाओं को तोड़ती है।
"बिखराव-मुक्त हस्तक्षेप" एक अन्य समस्या का समाधान करता है। केवल एक ही स्थान पर फोनन उपसतह रखने के बजाय, शोधकर्ता एक ग्रिड या जाली में कई संरचनाओं की व्यवस्था कर सकते हैं, जो एक बड़े क्षेत्र में वायु प्रवाह के नीचे की ओर अपना प्रभाव बढ़ा सकते हैं, जैसे कि विमान का पंख या हाइपरसोनिक वाहन धड़ की सतह।
हुसैन ने कहा कि यह दृष्टिकोण प्रभावी डाउनस्ट्रीम नियंत्रण को सक्षम बनाता है। एक दशक से भी अधिक समय पहले इसकी शुरूआत के बाद से डाउनस्ट्रीम नियंत्रण और ब्रॉडबैंड नियंत्रण प्रौद्योगिकी की दो प्रमुख सीमाएं रही हैं, और टीम ने अब इन दोनों मुद्दों को हल कर लिया है।
हुसैन की प्रयोगशाला में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग में डॉक्टरेट छात्र और दोनों पत्रों के सह-लेखक एडम हैरिस ने कहा कि दोनों प्रगति एक दूसरे के पूरक हैं। प्रकीर्णन-मुक्त हस्तक्षेप फ़ोनन उपसतह के नीचे की ओर अस्थिर प्रवाह क्षेत्रों के स्थानिक व्यवहार को क्षीण करने का एक तरीका प्रदान करता है; सुपररेज़ोनेंस आवृत्ति रेंज को विस्तृत करता है जिस पर नियंत्रण प्रभावी हो सकता है। दोनों का संयोजन मूल फोनन उपसतह अवधारणा को वास्तविक प्रवाह वातावरण में आवश्यक लचीलेपन के करीब लाता है।
वर्तमान में, ये परिणाम मुख्य रूप से कम्प्यूटेशनल अध्ययनों से आते हैं, लेकिन फ़ोनन उपसतहें अब पूरी तरह से सैद्धांतिक चरण में नहीं हैं। दुनिया भर की अनुसंधान टीमों ने कार्यशील भौतिक प्रोटोटाइप बनाए हैं और पवन सुरंग परीक्षण की ओर बढ़ रहे हैं।
हुसैन ने कहा कि टीम पारंपरिक सोच को तोड़ने की उम्मीद करती है कि "प्रवाह नियंत्रण केवल उजागर सतह के आकार को बदलने पर निर्भर हो सकता है, या हाल के वर्षों में, सक्रिय एक्ट्यूएटर्स पर निर्भर हो सकता है।" फोनन उपसतहों का उपयोग करते हुए, एक पंख या धड़ अपने मूल आकार, सपाटता और निष्क्रिय गुणों को बरकरार रखता है, जबकि नीचे की सामग्री को अत्यधिक लक्षित तरीके से वायु प्रवाह के साथ बातचीत करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।
हालाँकि वर्तमान अनुसंधान मुख्य रूप से एयरोस्पेस क्षेत्र की ओर केंद्रित है, सुपररेज़ोनेंस और स्कैटर-मुक्त हस्तक्षेप के संभावित उपयोग विमान तक सीमित नहीं हैं। हुसैन का मानना है कि जहाजों, पाइपलाइनों, टरबाइन मशीनरी और अशांति से प्रभावित किसी भी प्रणाली को फायदा हो सकता है; वास्तव में, दोनों विचारों में प्रवाह नियंत्रण से परे भी अनुप्रयोग हो सकते हैं।
प्रासंगिक अनुसंधान में हाइपरसोनिक प्रवाह मुद्दे भी शामिल हैं और यह अमेरिकी रक्षा विभाग के नौसेना अनुसंधान कार्यालय के 7.5 मिलियन अमेरिकी डॉलर, पांच-वर्षीय बहु-विषयक विश्वविद्यालय अनुसंधान कार्यक्रम द्वारा समर्थित है।
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