हाइपरसोनिक वाहन—जो मैक 5 और उससे अधिक गति से यात्रा करते हैं—विमानन के सबसे कठोर वातावरणों में से एक का सामना करते हैं: वायुमंडलीय घर्षण उनकी सतहों को हजारों डिग्री तक गर्म कर देता है। संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्स की सुरक्षा और संरचनात्मक अखंडता बनाए रखने के लिए परिष्कृत कूलिंग सिस्टम की आवश्यकता होती है। लेकिन आज के थर्मल प्रबंधन हार्डवेयर भारी, बोझिल और अक्सर मिशन प्रदर्शन में एक सीमित कारक होते हैं। जॉन्स हॉपकिन्स विश्वविद्यालय के एप्लाइड फिजिक्स लेबोरेटरी (एपीएल) के इंजीनियर एक नए प्रकार का हीटसिंक विकसित कर रहे हैं जो खेल बदल सकता है, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग और फेज़-चेंज सामग्री का उपयोग करके कूलिंग सिस्टम के आकार और वजन में 50 प्रतिशत से अधिक की कटौती कर सकता है।
हाइपरसोनिक उड़ान की थर्मल बाधा
हाइपरसोनिक गति पर, वाहन के चारों ओर की हवा केवल बहती नहीं है—यह संपीड़ित होती है, गर्म होती है, और रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करती है। परिणामी वायुगतिकीय ताप अग्रणी किनारों पर तापमान को 2,000°C से अधिक धकेल सकता है, जबकि आंतरिक एवियोनिक्स विफल हो सकते हैं यदि वे केवल कुछ सौ डिग्री से अधिक हो जाएं। पारंपरिक शीतलन समाधान जैसे सक्रिय प्रशीतन लूप या तरल-ठंडा कोल्ड प्लेट अक्सर चिकने, तेज़ प्लेटफार्मों के लिए बहुत बड़े या बहुत भारी होते हैं। वे बहुमूल्य शक्ति भी खपत करते हैं और जटिलता जोड़ते हैं।
यह चुनौती विशेष रूप से छोटे हाइपरसोनिक मिसाइलों, इंटरसेप्टर वाहनों और स्क्रैमजेट-संचालित प्रदर्शकों के लिए विकट है, जहां हर किलोग्राम मायने रखता है। एक वाहन जो कूलिंग हार्डवेयर का वजन कम करता है वह अधिक ईंधन, अधिक पेलोड ले जा सकता है, या आगे और तेज उड़ सकता है। यही कारण है कि एपीएल का कॉम्पैक्ट, हल्के हीटसिंक के लिए प्रयास एयरोस्पेस और रक्षा हलकों में ध्यान आकर्षित कर रहा है।
फेज़-चेंज हीटसिंक कैसे काम करते हैं
फेज़-चेंज सामग्री (पीसीएम) ठोस से तरल में संक्रमण के दौरान बड़ी मात्रा में गर्मी अवशोषित करती हैं, थर्मल स्पंज की तरह कार्य करती हैं। साधारण हीटसिंक के विपरीत जो केवल गर्मी का संचालन और अपव्यय करते हैं, पीसीएम महत्वपूर्ण तापमान वृद्धि के बिना गर्मी को सोख सकते हैं। यह उन्हें उच्च-गर्मी, अल्प-अवधि की घटनाओं जैसे हाइपरसोनिक डैश के लिए आदर्श बनाता है।
एक विशिष्ट पीसीएम-आधारित हीटसिंक सामग्री को धातु संरचना में एम्बेड करता है, अक्सर एल्यूमीनियम या तांबा। जैसे ही वाहन गर्म होता है, पीसीएम पिघलता है, थर्मल ऊर्जा संग्रहीत करता है और संलग्न इलेक्ट्रॉनिक्स को महत्वपूर्ण तापमान से नीचे रखता है। लेकिन पिघलने के दौरान आयतन परिवर्तन, कई पीसीएम की कम तापीय चालकता, और मजबूत रोकथाम की आवश्यकता ने ऐतिहासिक रूप से उनके अनुप्रयोग को सीमित किया है।
एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग एक गेम चेंजर के रूप में
एपीएल का नवाचार इस बात में निहित है कि हीटसिंक कैसे बनाया जाता है। 3D प्रिंटिंग का उपयोग करके, इंजीनियर जटिल आंतरिक जाली ज्यामिति बना सकते हैं जो पारंपरिक मशीनिंग के साथ असंभव हैं। इन माइक्रोआर्किटेक्चर को गर्मी प्रवाह को अनुकूलित करने, पीसीएम के विस्तार को प्रबंधित करने और सतह-क्षेत्र-बढ़ाने वाली विशेषताओं को शामिल करने के लिए ट्यून किया जा सकता है जो थर्मल प्रदर्शन में सुधार करते हैं।
एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग एकीकरण को भी सरल बनाती है। पारंपरिक रूप से निर्मित प्रणाली में, हीटसिंक को अलग से मशीन किया जाना चाहिए, सील किया जाना चाहिए, और गर्मी स्रोत से जोड़ा जाना चाहिए। एपीएल के डिजाइन में, हीटसिंक, पीसीएम रोकथाम, और लगाव बिंदु एक एकल अखंड संरचना के रूप में मुद्रित किए जा सकते हैं। यह जोड़ों, संभावित रिसाव पथ, और असेंबली समय को कम करता है। यह हीटसिंक को अनुरूप बनाने में भी सक्षम बनाता है—हाइपरसोनिक वाहन के अंदर उपलब्ध स्थान के आकार का, बजाय डिजाइनरों को थर्मल रूप से अक्षम बॉक्स के आसपास अपने लेआउट को अनुकूलित करने के लिए मजबूर करने के।
वजन और आयतन की बचत
शोधकर्ताओं के अनुसार, नया दृष्टिकोण आकार और वजन दोनों में 50 प्रतिशत से अधिक की कटौती करता है। यह कमी महत्वपूर्ण है क्योंकि कूलिंग हाइपरसोनिक वाहन के आंतरिक आयतन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा हो सकती है। मानक कोल्ड प्लेट को फेज़-चेंज हीटसिंक से बदलना जो आधा स्थान लेता है, गाइडेंस सिस्टम, वारहेड, या ईंधन के लिए जगह खाली करता है। इसी तरह, थर्मल प्रबंधन प्रणाली के वजन को आधा करने से बड़ा पेलोड या विस्तारित रेंज सक्षम हो सकती है।
टीम धातु फेज़-चेंज सामग्री के उपयोग की भी जांच कर रही है, जो कार्बनिक मोम की तुलना में उच्च तापीय चालकता प्रदान करते हैं और उच्च तापमान पर काम कर सकते हैं। ये सामग्री, मुद्रित माइक्रोस्ट्रक्चर के साथ संयुक्त होकर जो गर्म घटक से पीसीएम तक उच्च-चालकता मार्ग प्रदान करते हैं, और भी अधिक प्रदर्शन का वादा करते हैं।
परीक्षण और सत्यापन
किसी भी थर्मल तकनीक को साबित करने के लिए प्रयोगशाला परीक्षण महत्वपूर्ण हैं। एपीएल इंजीनियरों ने कथित तौर पर अपने 3D-प्रिंटेड हीटसिंक को अनुकरणीय हाइपरसोनिक हीटिंग प्रोफाइल के अधीन किया है, यह मापते हुए कि वे संलग्न परीक्षण इलेक्ट्रॉनिक्स को सुरक्षित तापमान सीमा के भीतर कितनी अच्छी तरह रखते हैं। प्रारंभिक परिणाम कंप्यूटर मॉडल से मेल खाते हैं, जो गर्मी अवशोषण समय और तापमान समीकरण की सटीक भविष्यवाणी करते हैं।
प्रयोगशाला यह सत्यापित करने के लिए एक्स-रे कंप्यूटेड टोमोग्राफी और अन्य निरीक्षण तकनीकों का भी उपयोग कर रही है कि आंतरिक चैनल और जाली डिजाइन के अनुसार मुद्रित हैं। प्रिंट में कोई भी सूक्ष्म दोष थर्मल प्रदर्शन से समझौता कर सकता है या तीव्र कंपन और थर्मल सदमे के दौरान विफलता का कारण बन सकता है। कठोर गुणवत्ता नियंत्रण को एडिटिव डिजाइन के साथ जोड़कर, एपीएल उड़ान-तैयार हार्डवेयर के करीब पहुंच रहा है।
हाइपरसोनिक्स से परे: व्यापक रक्षा अनुप्रयोग
जबकि हाइपरसोनिक वाहन तत्काल चालक हैं, अंतर्निहित तकनीक अन्य प्रणालियों को लाभ पहुंचा सकती है जो तीव्र, क्षणिक हीटिंग का अनुभव करते हैं। पुन: प्रयोज्य लॉन्च वाहन एक्चुएटर माउंट और एवियोनिक्स बे पर मुद्रित पीसीएम हीटसिंक का उपयोग कर सकते हैं। विमान, उपग्रहों और नौसेना के जहाजों पर उच्च-शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स समान रूप से वजन और स्थान की बचत देख सकते हैं। रक्षा और एयरोस्पेस उद्योग हमेशा छोटे, हल्के पैकेजों में अधिक क्षमता पैक करने के तरीकों की तलाश में रहता है।
मिसाइल रक्षा इंटरसेप्टर जो वातावरण के अंदर हाइपरसोनिक गति से युद्धाभ्यास करते हैं, उन्हें पाठ्यक्रम बदलते समय गर्मी को बहाना चाहिए। एक हल्का हीटसिंक जो वायुगतिकीय नियंत्रण सतहों में हस्तक्षेप नहीं करता है, ऐसी प्रणालियों के लिए एक मूल्यवान सक्षमकर्ता है। यहां तक कि धीमी सुपरसोनिक प्लेटफार्मों के लिए, वॉल्यूमेट्रिक दक्षता और मॉड्यूलरिटी के लाभ आकर्षक हैं।
एक हाइब्रिड दृष्टिकोण
एपीएल कथित तौर पर हाइब्रिड कूलिंग रणनीतियों की खोज कर रहा है जो फेज़-चेंज हीटसिंक को अन्य तरीकों के साथ जोड़ती हैं। उदाहरण के लिए, स्थिर-अवस्था संचालन के दौरान गर्मी दूर ले जाने के लिए एक पतली तरल प्रवाह का उपयोग करना, फिर उच्च-पल्स, क्षणिक चोटियों के दौरान पीसीएम पिघलने पर स्विच करना। एक 3D-प्रिंटेड मैनिफोल्ड एक अखंड संरचना में दोनों मोड का समर्थन कर सकता है। इस तरह के हाइब्रिड दृष्टिकोण भविष्य के हाइपरसोनिक प्रदर्शकों में क्रूज और स्प्रिंट दोनों स्थितियों को संभाल सकते हैं।
इसके अलावा, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग की डिजाइन लचीलापन इंजीनियरों को गुरुत्वाकर्षण या त्वरण के उन्मुखीकरण के लिए हीटसिंक के थर्मल गुणों को अनुकूलित करने की अनुमति देता है। एक हाइपरसोनिक वाहन में जो उच्च जी युद्धाभ्यास से गुजरता है, पिघले हुए पीसीएम की गति को केशिका संरचनाओं द्वारा प्रबंधित किया जा सकता है जो इसे जगह में रखते हैं। मुद्रित विकिंग फाइबर और बाफल्स को किसी भी अभिविन्यास में या उच्च त्वरण के तहत काम करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है।
बेंच से उड़ान तक
एक नई तकनीक को प्रयोगशाला बेंच से मैक 5 वाहन तक ले जाना कोई छोटी उपलब्धि नहीं है। हीटसिंक को कंपन, सदमे और अत्यधिक दबाव ढाल से बचना चाहिए। यह ईंधन, हाइड्रोलिक्स और अन्य प्रणाली सामग्री के साथ संगत होना चाहिए। और इसे कठोर विश्वसनीयता मानकों को पूरा करना चाहिए।
एपीएल समूह से अगले चरणों में पर्यावरणीय परीक्षण जारी रखने की उम्मीद है, जिसमें वैक्यूम या उच्च दबाव गैस के तहत थर्मल साइक्लिंग शामिल है। अंततः, वे एक हाइपरसोनिक परीक्षण वाहन पर हीटसिंक का उड़ान परीक्षण कर सकते हैं, या तो एक समर्पित प्रयोग के रूप में या एक बड़े एवियोनिक्स पैलेट के हिस्से के रूप में। यदि सफल होता है, तो 3D-प्रिंटेड फेज़-चेंज हीटसिंक भविष्य के हाइपरसोनिक कार्यक्रमों के लिए एक मानक विकल्प बन सकता है।
भविष्य के एयरोस्पेस सिस्टम के लिए निहितार्थ
कूलिंग सिस्टम के आकार और वजन में 50% या उससे अधिक की कमी का वादा वाहन डिजाइनरों के लिए गणना बदल देता है। यह एक कॉम्पैक्ट एयर-लॉन्च हाइपरसोनिक मिसाइल को अधिक सक्षम सीकर या बेहतर काउंटरमेशर्स सूट ले जाने की अनुमति दे सकता है। यह एक मानवरहित हाइपरसोनिक अनुसंधान विमान को एक छोटे धड़ में अधिक इंस्ट्रूमेंटेशन पैक करने में मदद कर सकता है। अंतरिक्ष पहुंच के लिए, एक मुद्रित पीसीएम हीटसिंक का उपयोग पुन: प्रवेश के दौरान पुन: प्रयोज्य बूस्टर में एवियोनिक्स को ठंडा करने के लिए किया जा सकता है।
नवाचार स्पिलओवर
एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग को फेज़-चेंज सामग्री के साथ जोड़ना एक उत्कृष्ट उदाहरण है कि कैसे एक डोमेन में नवाचार उद्योगों में लहर पैदा कर सकते हैं। समान मुद्रित जाली संरचनाएं थर्मल बैटरी, सौर थर्मल भंडारण, या यहां तक कि पृथ्वी पर भवन जलवायु नियंत्रण पर लागू की जा सकती हैं। उदाहरण के लिए, ऊर्जा क्षेत्र, ऑफ-पीक घंटों के दौरान सौर संयंत्रों से गर्मी संग्रहीत करने के लिए फेज़-चेंज सामग्री की खोज कर रहा है। एक अत्यधिक प्रवाहकीय, हल्का मुद्रित कंटेनर ऐसी भंडारण प्रणालियों की दक्षता में सुधार कर सकता है।
एपीएल टीम का शोध अभी भी विकसित हो रहा है, लेकिन प्रारंभिक अवधारणा ने एयरोस्पेस प्रधान ठेकेदारों और रक्षा योजनाकारों के बीच महत्वपूर्ण रुचि पैदा की है। हाइपरसोनिक्स में प्रतिस्पर्धात्मक बढ़त बनाए रखना कई देशों के सैन्य एजेंडे में उच्च है, और थर्मल प्रबंधन एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। नवाचार जो नाटकीय रूप से कूलिंग सिस्टम के आकार और वजन को कम करते हैं, तेज, लंबी दूरी और अधिक गतिशील हाइपरसोनिक वाहनों को सक्षम करने में मदद कर सकते हैं।
एक युग में जहां इंजीनियरिंग चुनौतियों को अक्सर विदेशी, ओवर-इंजीनियर समाधानों की आवश्यकता होती है, यह दृष्टिकोण प्रदर्शित करता है कि सामग्री और विनिर्माण का एक स्मार्ट संयोजन—ज्ञात भौतिकी और 3D प्रिंटिंग की नई संभावनाओं का उपयोग करके—बड़ी जीत दे सकता है। जबकि इन हीटसिंक को हाइपरसोनिक गति से उड़ान भरने से पहले और अधिक काम किया जाना बाकी है, दिशा स्पष्ट है: उच्च गति वाले एयरोस्पेस का भविष्य उन नवप्रवर्तकों के साथ बनाया जाएगा जो चीजों को ठंडा और हल्का रख सकते हैं।
यह लेख इंटरेस्टिंग इंजीनियरिंग की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।
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