হাইপারসনিক যান—যেগুলো ম্যাক ৫ এবং তার বেশি গতিতে ভ্রমণ করে—বিমান চালনার সবচেয়ে কঠোর পরিবেশের মুখোমুখি হয়: বায়ুমণ্ডলীয় ঘর্ষণ তাদের পৃষ্ঠকে হাজার হাজার ডিগ্রি পর্যন্ত উত্তপ্ত করে। সংবেদনশীল ইলেকট্রনিক্স রক্ষা এবং কাঠামোগত অখণ্ডতা বজায় রাখার জন্য অত্যাধুনিক কুলিং সিস্টেম প্রয়োজন। কিন্তু আজকের তাপ ব্যবস্থাপনা হার্ডওয়্যার ভারী, বিশাল এবং প্রায়শই মিশন কর্মক্ষমতার একটি সীমিত কারণ। জনস হপকিন্স ইউনিভার্সিটির অ্যাপ্লায়েড ফিজিক্স ল্যাবরেটরি (এপিএল)-এর প্রকৌশলীরা একটি নতুন ধরণের হিটসিংক তৈরি করছেন যা গেম চেঞ্জার হতে পারে, অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং এবং ফেজ-চেঞ্জ উপকরণ ব্যবহার করে কুলিং সিস্টেমের আকার এবং ওজন ৫০ শতাংশেরও বেশি কমাতে।
হাইপারসনিক ফ্লাইটের তাপীয় বাধা
হাইপারসনিক গতিতে, যানের চারপাশের বায়ু কেবল প্রবাহিত হয় না—এটি সংকুচিত হয়, উত্তপ্ত হয় এবং রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়া করে। ফলে অ্যারোডাইনামিক হিটিং অগ্রবর্তী প্রান্তে তাপমাত্রা ২,০০০°C এর বেশি বাড়িয়ে দিতে পারে, যখন অভ্যন্তরীণ অ্যাভিওনিক্স মাত্র কয়েকশ ডিগ্রি অতিক্রম করলে ব্যর্থ হতে পারে। সক্রিয় রেফ্রিজারেশন লুপ বা তরল-ঠান্ডা কোল্ড প্লেটের মতো ঐতিহ্যবাহী কুলিং সমাধানগুলি প্রায়শই মসৃণ, দ্রুত প্ল্যাটফর্মের জন্য খুব বড় বা খুব ভারী। তারা মূল্যবান শক্তি খরচ করে এবং জটিলতা যোগ করে।
চ্যালেঞ্জটি ছোট হাইপারসনিক ক্ষেপণাস্ত্র, ইন্টারসেপ্টর যান এবং স্ক্র্যামজেট-চালিত ডেমোনস্ট্রেটরদের জন্য বিশেষভাবে তীব্র, যেখানে প্রতিটি কিলোগ্রাম গুরুত্বপূর্ণ। একটি যান যা কুলিং হার্ডওয়্যারের ওজন হ্রাস করে তা আরও জ্বালানী, আরও পেলোড বহন করতে পারে বা আরও দূরে এবং দ্রুত উড়তে পারে। এই কারণেই এপিএল-এর কমপ্যাক্ট, লাইটওয়েট হিটসিংকের জন্য ধাক্কা মহাকাশ এবং প্রতিরক্ষা মহলে মনোযোগ আকর্ষণ করেছে।
ফেজ-চেঞ্জ হিটসিংক কীভাবে কাজ করে
ফেজ-চেঞ্জ উপকরণ (PCM) কঠিন থেকে তরলে রূপান্তরিত হওয়ার সময় প্রচুর পরিমাণে তাপ শোষণ করে, তাপীয় স্পঞ্জের মতো কাজ করে। সাধারণ হিটসিংকের বিপরীতে যা কেবল তাপ সঞ্চালন করে এবং অপসারণ করে, PCM উল্লেখযোগ্য তাপমাত্রা বৃদ্ধি ছাড়াই তাপ শোষণ করতে পারে। এটি তাদের উচ্চ-তাপ, স্বল্প-স্থায়ী ইভেন্ট যেমন হাইপারসনিক ড্যাশের জন্য আদর্শ করে তোলে।
একটি সাধারণ PCM-ভিত্তিক হিটসিংক উপাদানটিকে একটি ধাতব কাঠামোতে, প্রায়শই অ্যালুমিনিয়াম বা তামা, এমবেড করে। যানটি উত্তপ্ত হওয়ার সাথে সাথে PCM গলে যায়, তাপীয় শক্তি সঞ্চয় করে এবং সংযুক্ত ইলেকট্রনিক্সকে গুরুত্বপূর্ণ তাপমাত্রার নীচে রাখে। কিন্তু গলনের সময় আয়তনের পরিবর্তন, অনেক PCM-এর কম তাপ পরিবাহিতা এবং শক্তিশালী ধারকটির প্রয়োজনীয়তা ঐতিহাসিকভাবে তাদের প্রয়োগকে সীমিত করেছে।
অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং একটি গেম চেঞ্জার হিসাবে
এপিএল-এর উদ্ভাবন হিটসিংক কীভাবে তৈরি হয় তার মধ্যে রয়েছে। 3D প্রিন্টিং ব্যবহার করে, প্রকৌশলীরা জটিল অভ্যন্তরীণ জাল জ্যামিতি তৈরি করতে পারেন যা প্রচলিত মেশিনিং দিয়ে অর্জন করা অসম্ভব। এই মাইক্রোআর্কিটেকচারগুলি তাপ প্রবাহকে অনুকূল করতে, PCM-এর প্রসারণ পরিচালনা করতে এবং পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল-বর্ধনকারী বৈশিষ্ট্যগুলি অন্তর্ভুক্ত করতে সুর করা যেতে পারে যা তাপীয় কর্মক্ষমতা উন্নত করে।
অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং ইন্টিগ্রেশনকেও সহজ করে। প্রচলিতভাবে নির্মিত সিস্টেমে, হিটসিংকটি আলাদাভাবে মেশিন করা, সিল করা এবং তাপের উত্সের সাথে সংযুক্ত করা আবশ্যক। এপিএল-এর ডিজাইনে, হিটসিংক, PCM ধারক এবং সংযুক্তি পয়েন্টগুলি একটি একক মনোলিথিক কাঠামো হিসাবে প্রিন্ট করা যেতে পারে। এটি জয়েন্টগুলি, সম্ভাব্য ফুটো পথ এবং সমাবেশের সময় হ্রাস করে। এটি হিটসিংককে কনফরমাল হতে সক্ষম করে—হাইপারসনিক যানের ভিতরে উপলব্ধ স্থানের সাথে আকৃতির, ডিজাইনারদের তাদের বিন্যাসকে তাপীয়ভাবে অদক্ষ বাক্সের সাথে খাপ খাইয়ে নিতে বাধ্য করার পরিবর্তে।
ওজন এবং আয়তন সাশ্রয়
গবেষকদের মতে, নতুন পদ্ধতিটি আকার এবং ওজন উভয়ই ৫০ শতাংশেরও বেশি হ্রাস করে। এই হ্রাসটি তাৎপর্যপূর্ণ কারণ কুলিং একটি হাইপারসনিক যানের অভ্যন্তরীণ আয়তনের একটি বড় অংশের জন্য দায়ী হতে পারে। একটি স্ট্যান্ডার্ড কোল্ড প্লেটকে অর্ধেক স্থান নেয় এমন একটি ফেজ-চেঞ্জ হিটসিংক দিয়ে প্রতিস্থাপন করা গাইডেন্স সিস্টেম, ওয়ারহেড বা জ্বালানীর জন্য জায়গা খালি করে। একইভাবে, তাপ ব্যবস্থাপনা সিস্টেমের ওজন অর্ধেক করা একটি বৃহত্তর পেলোড সক্ষম করতে পারে বা পরিসীমা বাড়িয়ে দিতে পারে।
দলটি ধাতব ফেজ-চেঞ্জ উপকরণ ব্যবহারেরও তদন্ত করছে, যা জৈব মোমের চেয়ে উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সরবরাহ করে এবং উচ্চ তাপমাত্রায় কাজ করতে পারে। এই উপকরণগুলি, মুদ্রিত মাইক্রোস্ট্রাকচারের সাথে মিলিত যা গরম উপাদান থেকে PCM-তে উচ্চ-পরিবাহী পথ সরবরাহ করে, আরও বেশি কর্মক্ষমতার প্রতিশ্রুতি দেয়।
পরীক্ষা এবং বৈধতা
কোনও তাপীয় প্রযুক্তি প্রমাণ করার জন্য পরীক্ষাগার পরীক্ষা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। এপিএল প্রকৌশলীরা কথিতভাবে তাদের 3D-প্রিন্টেড হিটসিংকগুলিকে সিমুলেটেড হাইপারসনিক হিটিং প্রোফাইলের অধীন করেছেন, তারা সংযুক্ত পরীক্ষার ইলেকট্রনিক্সকে নিরাপদ তাপমাত্রার সীমার মধ্যে কতটা ভাল রাখে তা পরিমাপ করেছেন। প্রাথমিক ফলাফল কম্পিউটার মডেলের সাথে মেলে বলে জানা গেছে, যা তাপ শোষণের সময় এবং তাপমাত্রা সমতা সঠিকভাবে ভবিষ্যদ্বাণী করে।
ল্যাবটি অভ্যন্তরীণ চ্যানেল এবং জালিগুলি ডিজাইন অনুসারে মুদ্রিত হয়েছে তা যাচাই করতে এক্স-রে কম্পিউটেড টমোগ্রাফি এবং অন্যান্য পরিদর্শন কৌশলও ব্যবহার করছে। একটি প্রিন্টের যে কোনও মাইক্রোস্কোপিক ত্রুটি তাপীয় কর্মক্ষমতার সাথে আপস করতে পারে বা তীব্র কম্পন এবং তাপীয় শকের সময় ব্যর্থতার দিকে নিয়ে যেতে পারে। কঠোর মান নিয়ন্ত্রণকে অ্যাডিটিভ ডিজাইনের সাথে যুক্ত করে, এপিএল ফ্লাইট-প্রস্তুত হার্ডওয়্যারের কাছাকাছি যাচ্ছে।
হাইপারসনিক্সের বাইরে: বিস্তৃত প্রতিরক্ষা অ্যাপ্লিকেশন
যদিও হাইপারসনিক যানগুলি তাৎক্ষণিক চালক, অন্তর্নিহিত প্রযুক্তিটি তীব্র, ক্ষণস্থায়ী উত্তাপ অনুভব করে এমন অন্যান্য সিস্টেমে উপকৃত হতে পারে। পুনর্ব্যবহারযোগ্য লঞ্চ যানগুলি অ্যাকুয়েটর মাউন্ট এবং অ্যাভিওনিক্স বেতে মুদ্রিত PCM হিটসিংক ব্যবহার করতে পারে। বিমান, স্যাটেলাইট এবং নৌ জাহাজের উচ্চ-শক্তি ইলেকট্রনিক্স একইভাবে ওজন এবং স্থান সাশ্রয় দেখতে পারে। প্রতিরক্ষা এবং মহাকাশ শিল্প সর্বদা ছোট, হালকা প্যাকেজে আরও ক্ষমতা প্যাক করার উপায় খুঁজছে।
ক্ষেপণাস্ত্র প্রতিরক্ষা ইন্টারসেপ্টর যা বায়ুমণ্ডলের ভিতরে হাইপারসনিক গতিতে কৌশল চালায় তাদের অবশ্যই তাপ অপসারণ করতে হবে এবং পথ পরিবর্তন করতে হবে। একটি লাইটওয়েট হিটসিংক যা অ্যারোডাইনামিক কন্ট্রোল সারফেসে হস্তক্ষেপ করে না এই জাতীয় সিস্টেমের জন্য একটি মূল্যবান সক্ষমতা। এমনকি ধীর সুপারসনিক প্ল্যাটফর্মগুলির জন্যও, ভলিউমেট্রিক দক্ষতা এবং মডুলারিটির সুবিধাগুলি আকর্ষণীয়।
একটি হাইব্রিড পদ্ধতি
এপিএল কথিতভাবে হাইব্রিড কুলিং কৌশলগুলি অন্বেষণ করছে যা ফেজ-চেঞ্জ হিটসিংকগুলিকে অন্যান্য পদ্ধতির সাথে একত্রিত করে। উদাহরণস্বরূপ, স্থির-অবস্থার অপারেশনের সময় তাপ দূরে সরিয়ে নেওয়ার জন্য একটি পাতলা তরল প্রবাহ ব্যবহার করা, তারপর উচ্চ-স্পন্দন, ক্ষণস্থায়ী শিখরের সময় PCM গলে যাওয়ায় স্যুইচ করা। একটি 3D-প্রিন্টেড ম্যানিফোল্ড একটি একক মনোলিথিক কাঠামোতে উভয় মোড সমর্থন করতে পারে। এই জাতীয় হাইব্রিড পদ্ধতিগুলি ভবিষ্যতের হাইপারসনিক ডেমোনস্ট্রেটরগুলিতে ক্রুজ এবং স্প্রিন্ট উভয় অবস্থাই পরিচালনা করতে পারে।
অধিকন্তু, অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিংয়ের নকশা নমনীয়তা প্রকৌশলীদের মাধ্যাকর্ষণ বা ত্বরণের অভিযোজনে হিটসিংকের তাপীয় বৈশিষ্ট্যগুলি তৈরি করতে দেয়। একটি হাইপারসনিক যানে যা উচ্চ G কৌশলগুলির মধ্য দিয়ে যায়, গলিত PCM-এর চলাচল কৈশিক কাঠামো দ্বারা পরিচালিত হতে পারে যা এটিকে জায়গায় রাখে। মুদ্রিত উইকিং ফাইবার এবং বাফেলগুলি যে কোনও অভিযোজনে বা উচ্চ ত্বরণে কাজ করার জন্য ডিজাইন করা যেতে পারে।
বেঞ্চ থেকে ফ্লাইট পর্যন্ত
ল্যাব বেঞ্চ থেকে ম্যাক 5 যানে একটি নতুন প্রযুক্তি নেওয়া কোনও ছোট কীর্তি নয়। হিটসিংককে কম্পন, শক এবং চরম চাপের গ্রেডিয়েন্ট থেকে বাঁচতে হবে। এটি জ্বালানী, হাইড্রলিক্স এবং অন্যান্য সিস্টেম উপকরণের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ হতে হবে। এবং এটি কঠোর নির্ভরযোগ্যতার মান পূরণ করতে হবে।
এপিএল গ্রুপটি পরবর্তী পর্যায়ে পরিবেশগত পরীক্ষা চালিয়ে যাওয়ার আশা করছে, যার মধ্যে ভ্যাকুয়াম বা উচ্চ-চাপ গ্যাসে তাপীয় সাইক্লিং অন্তর্ভুক্ত রয়েছে। অবশেষে, তারা একটি হাইপারসনিক পরীক্ষার যানে হিটসিংকটি ফ্লাইট-পরীক্ষা করতে পারে, একটি ডেডিকেটেড পরীক্ষা হিসাবে বা একটি বৃহত্তর অ্যাভিওনিক্স প্যালেটের অংশ হিসাবে। সফল হলে, 3D-প্রিন্টেড ফেজ-চেঞ্জ হিটসিংক ভবিষ্যতের হাইপারসনিক প্রোগ্রামগুলির জন্য একটি মানক বিকল্প হয়ে উঠতে পারে।
ভবিষ্যতের মহাকাশ সিস্টেমের জন্য প্রভাব
কুলিং সিস্টেমের আকার এবং ওজনে ৫০% বা তার বেশি হ্রাসের প্রতিশ্রুতি যানবাহন ডিজাইনারদের জন্য গণনা পরিবর্তন করে। এটি একটি কমপ্যাক্ট এয়ার-লঞ্চড হাইপারসনিক ক্ষেপণাস্ত্রকে আরও সক্ষম সিকার বা আরও ভাল কাউন্টারমেজার স্যুট বহন করার অনুমতি দিতে পারে। এটি একটি মনুষ্যবিহীন হাইপারসনিক গবেষণা বিমানকে একটি ছোট ফিউজলেজে আরও যন্ত্রপাতি প্যাক করতে সহায়তা করতে পারে। মহাকাশ অ্যাক্সেসের জন্য, একটি মুদ্রিত PCM হিটসিংক পুনরায় প্রবেশের সময় একটি পুনর্ব্যবহারযোগ্য বুস্টারে অ্যাভিওনিক্স শীতল করতে ব্যবহার করা যেতে পারে।
উদ্ভাবন স্পিলওভার
অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং ফেজ-চেঞ্জ উপকরণের সাথে মিলিত একটি দুর্দান্ত উদাহরণ যে কীভাবে একটি ডোমেনে উদ্ভাবন শিল্প জুড়ে তরঙ্গ তৈরি করতে পারে। একই মুদ্রিত জাল কাঠামো তাপীয় ব্যাটারি, সৌর তাপ সঞ্চয়স্থান বা এমনকি পৃথিবীতে বিল্ডিং জলবায়ু নিয়ন্ত্রণে প্রয়োগ করা যেতে পারে। শক্তি সেক্টর, উদাহরণস্বরূপ, অফ-পিক সময়ে সৌর উদ্ভিদ থেকে তাপ সঞ্চয় করতে ফেজ-চেঞ্জ উপকরণ অন্বেষণ করছে। একটি অত্যন্ত পরিবাহী, লাইটওয়েট মুদ্রিত ধারক এই জাতীয় স্টোরেজ সিস্টেমের দক্ষতা উন্নত করতে পারে।
এপিএল দলের গবেষণা এখনও বিকশিত হচ্ছে, তবে প্রাথমিক ধারণাটি মহাকাশ প্রধান ঠিকাদার এবং প্রতিরক্ষা পরিকল্পনাকারীদের মধ্যে উল্লেখযোগ্য আগ্রহ তৈরি করেছে। হাইপারসনিক্সে একটি প্রতিযোগিতামূলক প্রান্ত বজায় রাখা অনেক দেশের সামরিক এজেন্ডায় উচ্চ অগ্রাধিকার, এবং তাপ ব্যবস্থাপনা একটি গুরুত্বপূর্ণ অংশ। কুলিং সিস্টেমের আকার এবং ওজন নাটকীয়ভাবে হ্রাস করে এমন উদ্ভাবনগুলি দ্রুততর, দীর্ঘ-পরিসরের এবং আরও চালিত হাইপারসনিক যান সক্ষম করতে সহায়তা করতে পারে।
এমন একটি যুগে যেখানে প্রকৌশল চ্যালেঞ্জগুলির জন্য প্রায়শই বিদেশী, অতিরিক্ত প্রকৌশলী সমাধানের প্রয়োজন বলে মনে হয়, এই পদ্ধতিটি প্রদর্শন করে যে উপকরণ এবং উত্পাদনের একটি স্মার্ট সংমিশ্রণ—পরিচিত পদার্থবিজ্ঞান এবং 3D প্রিন্টিংয়ের নতুন সম্ভাবনাগুলি ব্যবহার করে—বড় জয় সরবরাহ করতে পারে। এই হিটসিংকগুলি হাইপারসনিক গতিতে উড়ার আগে আরও কাজ বাকি থাকলেও, দিকটি পরিষ্কার: উচ্চ-গতির মহাকাশের ভবিষ্যত উদ্ভাবকদের সাথে তৈরি হবে যারা জিনিসগুলিকে শীতল করতে এবং হালকা রাখতে পারে।
এই নিবন্ধটি ইন্টারেস্টিং ইঞ্জিনিয়ারিংয়ের রিপোর্টিংয়ের উপর ভিত্তি করে তৈরি। মূল নিবন্ধটি পড়ুন।
Originally published on interestingengineering.com