You are here

पुनर्वापर करता येणाऱ्या अतिस्वनातीत वाहनांसाठी औष्णिक संकल्पन

Read time: एक मिनट
  • लीना माळवे
    लीना माळवे

पुनर्वापर करता येण्याजोगी अतिस्वनातीत (रियुझेबल हायपरसॉनिक व्हेईकल्स - आरएचवही) विमाने बांधण्यासाठी देशातील मूलभूत विद्यापीठीय संशोधनाची मदत 

मुंबई ते न्यूयॉर्क हे अंतर फक्त २.५ तासात कापता आले तर? प्रवासी अतिस्वनातीत विमाने प्रत्यक्षात अस्तित्त्वात असती तर खचाखच भरलेल्या विमानात बसून १८ तासांचा प्रदीर्घ प्रवास करण्याची गरजच पडली नसती !  अतिस्वनातीत विमाने बांधण्याचा पाया रचण्यात वायूआकाश तंत्रज्ञान विभाग, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था (आयआयटी मुंबई) येथील प्राध्यापक श्रीपाद माहुलीकर यांच्या नेतृत्वाखाली सुरू असलेल्या संशोधनाचे मोठे योगदान आहे. अत्यंत वेगाने चालू शकणारीजाणारी ही विमाने या वेगामुळे प्रचंड प्रमाणात गरम होतात. विमान कमीत कमी तापावे याकरिता संशोधकांनी विमानाच्या भूमितीत काही बदल सुचवले आहेत.

ध्वनीच्या वेगापेक्षा कितीतरी पट जास्त वेगाने प्रवास करू शकणारी अतिस्वनातीत विमाने जगभरातील अवकाश आणि लष्करी अंतराळ संशोधनातील भविष्यातला महत्त्वाचा टप्पा असणार आहेत. स्पेस-एक्स नावाच्या कंपनीने अवकाशप्रवासाकरिता पुनर्वापर करता येण्याजोगी अतिस्वनातीत प्रक्षेपके तयार करण्याचा मानस जाहीर केला आहे. चीनने अतिस्वनातीत क्षेपणास्त्रांची यशस्वी चाचणी घेतली आहे. रशिया आणि अमेरिकेतदेखील अतिस्वनातीत तंत्रज्ञानावरील संशोधन प्रकल्प जोमाने चालू आहेत.

“पुनर्वापर करता येण्याजोगी अतिस्वनातीत वाहने (आरएचव्ही) भविष्यातील अंतराळ मोहिमांसाठी कमी खर्चिक आणि आश्वासक पर्याय असतील”, असे प्राध्यापक माहुलीकर म्हणतात. “अवकाशात उपग्रह सोडताना दर किलोमागे खर्च किती कमी होतो यावर अंतराळ मोहिमांचे भविष्य अवलंबून राहील,” असेही ते सांगतात. सिंगल स्टेज टु ऑर्बिट (एसएसटीओ) (यामध्ये एकाच टप्प्यात उपग्रह कक्षेत सोडला जातो) पद्धतीचे आरएचव्ही वापरून उपग्रह सोडण्याचा खर्च कमी करता येईल असे ते पुढे सांगतात. या पद्धतीची वाहने ‘संपूर्ण पुनर्वापर’ करण्यास योग्य असतात कारण उपग्रह किंवा अधिभार इच्छित कक्षेत साोडण्यासाठी वाहनाला (सध्याच्या पद्धतीत सुरुवातीचे टप्पे गळून पडतात तसे पडायची गरज नसल्यामुळे) आपली यंत्रसामग्री नष्ट करावी लागत नाही. “अतिस्वनातीत अस्त्रांमुळे भविष्यातील लष्करी मोहिमांनादेखील प्रोत्साहन मिळेल. अस्त्रांच्या अतिजलद वेगामुळे शत्रूवर अनपेक्षित हल्ला करणे शक्य होईल.” असे प्राध्यापक माहुलीकर सांगतात.

अतिजलद अशा आरएचव्हीचा वेग प्रतितास ६००० किमी पेक्षा अधिक म्हणजेच ध्वनी च्या वेगाच्या पाचपटीपेक्षा जास्त आहे (त्यालाच माक ५ असे म्हणतात). ही वाहने साधारणपणे ३५ किमीपेक्षा अधिक उंचीवरून उडतात! त्या तुलनेत बोईंग-७४७ सारखी सध्याची लांब पल्ल्याची व्यावसायिक विमाने सबसॉनिक (म्हणजे त्यांचा वेग ध्वनीच्या वेगापेक्षा कमी असतो) असून माक ०.८ (प्रतितास १००० किमीपेक्षा कमी) वेगाने ११ किमी उंचीवर उडतात. 

अतिजलद वेगामुळे असे आरएचव्ही तयार करण्यात अभूतपूर्व आव्हाने आहेत. अतिस्वनातीत वेग साध्य करण्यासाठी या विमानांना खास इंजिनांची, तसेच हवेच्या प्रतिकारामुळे तयार होणाऱ्या उष्णतेचे योग्य व्यवस्थापन करण्याची आणि विमानाच्या बाह्यस्वरूपाच्या रचनेत बदल करण्याची आवश्यकता असते. “आरएचव्हीची रचना करताना लक्षात घ्यायची वातौष्णिक (एरोथर्मल) परिमाणे” या प्राध्यापक माहुलीकर यांच्या मूलभूत संशोधनातील निष्कर्षांवरून वर उल्लेख केलेल्या काही आव्हानांना सामोरे जाण्यासाठीचे उपाय मिळू शकतात. 

अतिस्वनातीत वेगाने उड्डाण करण्यातील अडथळे 

विमानावरील हवेच्या झोतामुळे वायुगतिक कर्षण (मागे खेचणारे बल) (एरोडायनॅमिक ड्रॅग) तयार होते. हे कर्षण विमानाला पुढे जाण्यास प्रतिबंध करते. विमानाच्या पंखांची रचना अशा रीतीने केलेली असते ज्यामुळे हवेचे कर्षण आणि इंधनाचा वापरदेखील कमी होतो. विमानाच्या वजनावर फार परिणाम न होता विमानाच्या भूमितीत बदल करून ही गोष्ट साध्य केली जाते.  

वायुगतिक बलामुळे विमान गरम होते. त्यालाच वायुगतिक तापन असे म्हणतात. अतिस्वनातीत वेगाला वायुगतिक तापनामुळे त्या वाहनाचे तापमान १६०० डिग्री सेल्सिअसपेक्षाही जास्त वाढू शकते. अशावेळेस वाहनाची रचना करणाऱ्या व्यक्तीला केवळ वायुगतिक बल कमी करण्याच्या दृष्टीने रचना करून पुरात नाही तर तीव्र स्वरूपाचे वातौष्णिक वातावरण हाताळता यावे अशी रचना करण्यावर भर द्यावा लागतो. आरएचव्हीच्या वातौष्णिक वातावरणाचा अभ्यास करून ते समजून घेतल्यास खात्रीशीर काम करणारी औष्णिक संरक्षण यंत्रणा (थर्मल प्रोटेक्शन सिस्टीम - टीपीएस) रचण्यास मदत होते. अशी यंत्रणा म्हणजे अतिस्वनातीत विमानाची जीवनरेखाच असते.

अतिस्वनातीत वाहनांच्या वायुगतिक तापनाचा प्रश्न सोडवताना

आवाजाच्या वेगापेक्षा अधिक वेगाने प्रवास करताना आणखी एका कर्षणाचा (आघात तरंग किंवा शॉक वेव्ह्जमुळे निर्माण झालेल्या बलाचा) सामना करावा लागतो. या कर्षणाला तोंड देण्यासाठी विमानाची रचना करताना त्याचे पंख ‘पार्श्वपरावृत्तीत’ करतात. म्हणजे विमानाचा पंख विमानाच्या धडाला (फ्यूजलाज) जिथे जोडलेला असतो तिथून तो मागे एका कोनात वळवतात. पंखाचा मागे वळायचा कोन शून्य अंशापासून (सरळ पंखांच्या आणि कमी वेगाने जाणाऱ्या विमानात) ते ४५ अंशापर्यंत किंवा त्याहीपेक्षा जास्त (लढाऊ विमानासारख्या स्वनातीत (सुपरसॉनिक) विमानात उदा. – एफ-१६) असू शकतो. वायुगतिक कर्षण कमीतकमी असावे यादृष्टीने पार्श्वपरावृत्त कोनाची रचना केलेली असते. कोनाची जी किंमत असता कर्षण कमीतकमी असते त्या पार्श्वपरावृत्त कोनाच्या किंमतीला ‘किमान कर्षणाची पार्श्वपरावृत्तता’ असे म्हणतात. 

आकृती १ – पार्श्वपरावृत्त कोनाची संकल्पना 

प्राध्यापक माहुलीकर म्हणतात की, वातौष्णिक कारणांमुळे अतिस्वनातीत विमानाचा पार्श्वपरावृत्त कोन ‘किमान कर्षणाच्या पार्श्वपरावृत्तते’ पेक्षा जास्त असला पाहिजे. त्यांनी पंखाच्या अग्रीय कडेच्या (लीडिंग एज) भूमितीतदेखील बदल सुचवले आहेत.

अतिस्वनातीत विमानांची भूमिती एरवीच्या विमानांपेक्षा अगदी वेगळी असते. आरएचव्हीच्या उद्वाही सांगाड्याचा आकार सर्फबोर्डसारखा असतो. त्यामुळे तरंग-कर्षण कमी होते.

नोव्हेंबर २००५ मध्ये “एरोस्पेस सायन्स अँड टेक्नोलॉजी” या नियतकालिकात प्रसिद्ध झालेल्या अभ्यासातून प्राध्यापक माहुलीकर यांनी अतिस्वनातीत विमानाच्या उद्वाही सांगाड्याच्या (पंख आणि फ्यूजलाज दोन्ही मिळून) रचनेच्या जुळणीत बदल सुचवले आहेत. आवश्यक ते गणित मांडून, योग्य त्या उदाहरणातून त्यांनी असे दाखवून दिले आहे की वातौष्णिक कारणांमुळे अतिस्वनातीत विमानाच्या उद्वाही सांगाड्याचा पार्श्वपरावृत्त कोन ‘किमान कर्षणाच्या पार्श्वपरावृत्तते’ पेक्षा जास्त असला पाहिजे. माक ७ च्या गतीने ३५ किमी उंचावर उडणाऱ्या आरएचव्हीसाठी हा पार्श्वपरावृत्त कोन मोजण्यात आला. तो होता ७९ ते ८० अंश. म्हणजेच ७३ अंश या ‘किमान कर्षणाच्या पार्श्वपरावृत्ततेच्या’ किंमतीपेक्षा जास्त. खेरीज नवीन सुचवलेल्या या पार्श्वपरावृत्त कोनाच्या रचनेत वाढलेले वायुगतिक बल अगदी किरकोळ परिणाम करणारे ठरते असे लक्षात आले.

आकृती २ मध्ये दाखवलेल्या आरएचव्हीच्या जुळणीत एका बाजूने पाहिले असता त्याच्या नाकाच्या आवरणाची (नोज कॅप) त्रिज्या लहान दिसते तर वरून पहिले असता तीच त्रिज्या बरीच मोठी दिसते. (पुढच्या बाजूचे विषममिती अक्ष असलेले द्वीवक्र आवरण)

आकृती २ : आरएचव्हीच्या बाह्य अंगाची जुळणी 

२०१७ साली ऍक्टा ऍस्ट्रोनॉटीका आणि जर्नल ऑफ एरोस्पेस इंजिनियरिंग येथे प्रसिद्ध झालेल्या शोधनिबंधात प्राध्यापक माहुलीकर आणि त्यांच्या गटाने याआधी मांडलेले सिद्धांत आकडेमोडीद्वारे सिद्ध करून दाखवले. त्यांनी आरएचव्हीच्या नासाच्या आवरणाचे आणि उद्वाही सांगाड्याच्या पार्श्वपरावृत्त कोनातल्या अग्रीय कडेचे (वाऱ्याच्या झोताला सर्वप्रथम सामोरे जाणारी कड - एसबीएलई) वायुगतिक गुणधर्म तपासले. त्यात संशोधकांना असे दिसून आले की, द्वीवक्र असलेले नाकाचे आवरण सममिती अक्ष आवरणापेक्षा (सर्वबाजूंनी सारखीच त्रिज्या असलेले म्हणजेच गोलाकार आवरण) कमी तापते.

हे सांख्यिक सदृशीकरण माक ७ वेगाने तरंगणाऱ्या आणि ३५ किमी उंचीपर्यंत उड्डाण करणाऱ्या विमानाच्या विविध पार्श्वपरावृत्त कोनासाठी करण्यात आले. त्यातून असे दिसले की, ४० अंशाचा पार्श्वपरावृत्त कोन असताना आरएचव्हीच्या पृष्ठभागाचे तापमान १३३५ अंश सेल्सियस इतके जास्त होते तर पार्श्वपरावृत्त कोन साधारण ७९ अंशाचा झाल्यावर ते ९१४ अंश सेल्सियस इतके खाली आले. ७९ अंशापेक्षा जास्त पार्श्वपरावृत्त कोन झाल्यास पृष्ठभागाचे तापमान वाढते असे लक्षात आले. ज्या पार्श्वपरावृत्त कोनाच्या वेळेस पृष्ठभागाचे तापमान सर्वात कमी असते त्याला ‘किमान उष्णतावहनाचा पार्श्वपरावृत्त कोन’ असे म्हणतात. याची संकल्पना आणि किंमत दोन्ही ‘किमान कर्षणाच्या पार्श्वपरावृत्तते’ पेक्षा वेगळी आहे. आत्तापर्यंत आरएचव्हीची वायुगतिक रचना ठरवताना ‘‘किमान कर्षणाची  पार्श्वपरावृत्तता’ विचारात घेतली गेली आहे. 

“एसबीएलईच्या पृष्ठभागाचे तापमान तसेच विमानाला उचलणाऱ्या उद्वाही सांगाड्याच्या वरच्या आणि खालच्या पृष्ठभागाचे तापमान हे ‘किमान उष्णतावहनाच्या पार्श्वपरावृत्तते’च्या बाबतीत ‘किमान कर्षणाच्या पार्श्वपरावृत्तते’ पेक्षा कितीतरी कमी असते असे प्राध्यापक माहुलीकर म्हणतात. या निष्कर्षांचा थेट परिणाम आरएचव्हीसाठी कमी वजनाची टीपीएस सामग्री निवडण्यावर होतो. “म्हणून, आरएचव्हीसाठी ७३ अंशाचा ‘किमान कर्षणाचा पार्श्वपरावृत्त कोन’ वापरण्याऐवजी सुमारे ८० अंशांचा ‘किमान उष्णतावहनाचा पार्श्वपरावृत्त कोन’ वापरला पाहिजे,” असे ते पुढे म्हणतात.  

आरएचव्हीच्या उद्वाही सांगाड्याची त्रिज्या बदलल्यास तापमान कसे कमी होते याचादेखील संशोधकांनी अभ्यास केला आहे. सर्वसाधारणपणे उड्डाणाच्या वेळेचे तापमान कमी करण्यासाठी अग्रीय कड बोथट केली जाते. ८० अंशांचा पार्श्वपरावृत्त कोन असताना कमी त्रिज्येच्या अग्रीय कडेचे (म्हणजेच अधिक धारदार अग्रीय कडेचे) तापमान कमी असते. सुमारे ६० अंशांपेक्षा मोठा पार्श्वपरावृत्त कोन असताना अग्रीय कड अधिक धारदार केल्यास एसबीएलईच्या पृष्ठभागावरील तापमान कमी होते. या निरीक्षणाला “औष्णिकदृष्ट्या अघातक असा धारदार एसबीएलई परिणाम” असे म्हणतात. 

या नवीन शोधांचा आरएचव्हीच्या रचनेवर महत्त्वाचा परिणाम होऊ शकतो. पण अतिस्वनातीत विमानाचे स्वप्न प्रत्यक्षात कधी येईल? बहुधा इतक्यात नाही! अतिस्वनातीत विमाने तयार व्हायला कदाचित आणखी काही दशके लागतील असे संशोधकांना वाटते. स्वनातीत (सुपरसॉनिक) इंजिनाच्या हवेच्या झोताने होणारे प्रज्वलन सहन करू शकेल, तसेच आतून आणि बाहेरून असलेल्या उच्च तापमानात टिकून राहू शकेल अशा इंजिनाची निर्मिती करणे हा संशोधनाचा पुढील टप्पा आहे. त्याचप्रमाणे शत-प्रतिशत कार्यरत असणारे अतिस्वनातीत वाहन प्रत्यक्षात येण्यासाठी आणखी काही सुविधा असणे आवश्यक आहे. अशा विमानांचे सुटे भाग, उपप्रणाली आणि त्यांची जुळणी करण्यासाठी लागणारी यंत्रणा यांची घाऊक प्रमाणात निर्मिती करणाऱ्या सोयी उपलब्ध होणे आवश्यक आहे. तोवर आपल्याला अमेरिकेतून भारतात येण्यासाठी १८ तासांचा दीर्घ प्रवास करावा लागणार आणि लवकरच अतिस्वनातीत वेगाने उड्डाण करायला मिळावे अशी आशा ठेवावी लागणार असे दिसते ! 

हा लेख पुढील शोधनिबंधांवर आधारित आहे – 

1. Theoretical aerothermal concepts for configuration design of hypersonic vehicles

2. Transient aero-thermal mapping of passive Thermal Protection system for nose-cap of Reusable Hypersonic Vehicle

3. Aerothermal Analysis for Configuration Design of Swept Leading Edge Hypersonic Vehicle

4. Aero-thermal analysis of lifting body configurations in hypersonic flow