हायपरसॉनिक वाहने—जी मॅक ५ आणि त्याहून अधिक वेगाने प्रवास करतात—त्यांना विमानचालनातील सर्वात भीषण परिस्थितींपैकी एकाचा सामना करावा लागतो: वातावरणीय घर्षण त्यांच्या पृष्ठभागाला हजारो अंशांपर्यंत गरम करते. संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्सचे संरक्षण करणे आणि संरचनात्मक अखंडता राखण्यासाठी अत्याधुनिक कूलिंग सिस्टमची आवश्यकता असते. परंतु आजचे थर्मल मॅनेजमेंट हार्डवेअर जड, अवजड आणि बऱ्याचदा मिशन कामगिरीमध्ये मर्यादित घटक असते. जॉन्स हॉपकिन्स युनिव्हर्सिटीच्या अप्लाइड फिजिक्स लॅबोरेटरी (एपीएल) चे अभियंते एक नवीन प्रकारचे हीटसिंक विकसित करत आहेत जे गेम चेंजर ठरू शकते, अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग आणि फेज-चेंज मटेरियल्सचा वापर करून कूलिंग सिस्टमचा आकार आणि वजन ५० टक्क्यांपेक्षा जास्त कमी करते.
हायपरसॉनिक फ्लाइटचा थर्मल अडथळा
हायपरसॉनिक वेगात, वाहनाभोवतीची हवा फक्त वाहून जात नाही—ती संकुचित होते, गरम होते आणि रासायनिक प्रतिक्रिया देते. परिणामी वायुगतिकीय गरमी अग्रभागांवर तापमान २,०००°C पेक्षा जास्त वाढवू शकते, तर आतील एव्हियोनिक्स काही शंभर अंशांपेक्षा जास्त झाल्यास निकामी होऊ शकतात. पारंपारिक कूलिंग सोल्यूशन्स जसे की सक्रिय रेफ्रिजरेशन लूप किंवा लिक्विड-कूल्ड कोल्ड प्लेट्स बऱ्याचदा सुव्यवस्थित, वेगवान प्लॅटफॉर्मसाठी खूप मोठे किंवा खूप जड असतात. ते मौल्यवान वीज देखील वापरतात आणि जटिलता वाढवतात.
ही आव्हान विशेषतः लहान हायपरसॉनिक क्षेपणास्त्रे, इंटरसेप्टर वाहने आणि स्क्रॅमजेट-चालित प्रात्यक्षिकांसाठी तीव्र आहे, जिथे प्रत्येक किलोग्रॅम महत्त्वाचा असतो. जे वाहन कूलिंग हार्डवेअरचे वजन कमी करते ते अधिक इंधन, अधिक पेलोड वाहून नेऊ शकते किंवा पुढे आणि वेगाने उडू शकते. म्हणूनच एपीएलच्या कॉम्पॅक्ट, हलक्या हीटसिंकच्या प्रयत्नांनी एरोस्पेस आणि संरक्षण क्षेत्रात लक्ष वेधले आहे.
फेज-चेंज हीटसिंक्स कसे कार्य करतात
फेज-चेंज मटेरियल्स (पीसीएम) घन ते द्रव अवस्थेत संक्रमण करताना मोठ्या प्रमाणात उष्णता शोषून घेतात, थर्मल स्पंजसारखे कार्य करतात. सामान्य हीटसिंक्सच्या विपरीत जे फक्त उष्णता वाहून नेतात आणि विसर्जित करतात, पीसीएम तापमानात लक्षणीय वाढ न करता उष्णता शोषून घेऊ शकतात. हे त्यांना उच्च-उष्णता, अल्प-कालावधीच्या घटनांसाठी आदर्श बनवते जसे की हायपरसॉनिक डॅश.
सामान्य पीसीएम-आधारित हीटसिंकमध्ये सामग्री धातूच्या संरचनेत, बहुतेकदा अॅल्युमिनियम किंवा तांब्यामध्ये एम्बेड केली जाते. वाहन गरम होताच, पीसीएम वितळते, थर्मल ऊर्जा साठवते आणि जोडलेले इलेक्ट्रॉनिक्स गंभीर तापमानाच्या खाली ठेवते. परंतु वितळताना आकारमानातील बदल, अनेक पीसीएमची कमी थर्मल चालकता आणि मजबूत आवरणाची आवश्यकता यांनी ऐतिहासिकदृष्ट्या त्यांचा वापर मर्यादित केला आहे.
अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग एक गेम चेंजर म्हणून
एपीएलची नवीनता हीटसिंक कसे बनवले जाते यात आहे. 3D प्रिंटिंगचा वापर करून, अभियंते जटिल अंतर्गत जाळी भूमिती तयार करू शकतात जी पारंपारिक मशीनिंगद्वारे साध्य करणे अशक्य आहे. या सूक्ष्म-आर्किटेक्चर्स उष्णता प्रवाह ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी, पीसीएमचा विस्तार व्यवस्थापित करण्यासाठी आणि थर्मल कामगिरी सुधारणारी पृष्ठभाग-क्षेत्र वाढवणारी वैशिष्ट्ये समाविष्ट करण्यासाठी ट्यून केली जाऊ शकतात.
अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग एकत्रीकरण देखील सोपे करते. पारंपारिकपणे तयार केलेल्या सिस्टममध्ये, हीटसिंक स्वतंत्रपणे मशीन केले पाहिजे, सील केले पाहिजे आणि उष्णता स्त्रोताशी जोडले पाहिजे. एपीएलच्या डिझाइनमध्ये, हीटसिंक, पीसीएम कंटेनमेंट आणि अटॅचमेंट पॉइंट्स एकाच मोनोलिथिक संरचनेत छापले जाऊ शकतात. हे सांधे, संभाव्य गळती मार्ग आणि असेंब्ली वेळ कमी करते. हे हीटसिंकला कन्फॉर्मल बनण्यास सक्षम करते—हायपरसॉनिक वाहनाच्या आत उपलब्ध जागेत आकार देणे, डिझाइनरांना थर्मलदृष्ट्या अकार्यक्षम बॉक्सभोवती त्यांचा लेआउट जुळवण्यास भाग पाडण्याऐवजी.
वजन आणि आकारमान बचत
संशोधकांच्या मते, नवीन दृष्टीकोन आकार आणि वजन दोन्ही ५० टक्क्यांपेक्षा जास्त कमी करतो. ही कपात महत्त्वपूर्ण आहे कारण कूलिंग हायपरसॉनिक वाहनाच्या अंतर्गत आकारमानाचा महत्त्वपूर्ण हिस्सा घेऊ शकते. मानक कोल्ड प्लेटला अर्धी जागा घेणाऱ्या फेज-चेंज हीटसिंकसह बदलल्यास मार्गदर्शन प्रणाली, वॉरहेड्स किंवा इंधनासाठी जागा मोकळी होते. त्याचप्रमाणे, थर्मल मॅनेजमेंट सिस्टमचे वजन अर्धे केल्याने मोठा पेलोड किंवा विस्तारित श्रेणी सक्षम होऊ शकते.
टीम मेटॅलिक फेज-चेंज मटेरियल्सच्या वापराची देखील तपासणी करत आहे, जे सेंद्रिय मेणांपेक्षा जास्त थर्मल चालकता देतात आणि उच्च तापमानात कार्य करू शकतात. हे साहित्य, छापील सूक्ष्म संरचनांसह एकत्रित केल्यावर जे गरम घटकापासून पीसीएमपर्यंत उच्च-चालकता मार्ग प्रदान करतात, आणखी चांगली कामगिरी देण्याचे आश्वासन देतात.
चाचणी आणि प्रमाणीकरण
कोणत्याही थर्मल तंत्रज्ञानाची सिद्धता करण्यासाठी प्रयोगशाळेतील चाचण्या महत्त्वपूर्ण आहेत. एपीएल अभियंत्यांनी कथितरित्या त्यांच्या 3D-प्रिंटेड हीटसिंक्सना सिम्युलेटेड हायपरसॉनिक हीटिंग प्रोफाइलच्या अधीन केले आहे, जोडलेले चाचणी इलेक्ट्रॉनिक्स सुरक्षित तापमान मर्यादेत कसे ठेवतात हे मोजले आहे. प्रारंभिक परिणाम संगणक मॉडेल्सशी जुळत असल्याचे सांगितले जाते, जे उष्णता शोषण वेळ आणि तापमान समीकरण अचूकपणे भाकित करते.
प्रयोगशाळा अंतर्गत चॅनेल आणि जाळी डिझाइन केल्याप्रमाणे छापल्या गेल्या आहेत याची पडताळणी करण्यासाठी एक्स-रे कॉम्प्युटेड टोमोग्राफी आणि इतर तपासणी तंत्रांचा वापर करत आहे. प्रिंटमधील कोणताही सूक्ष्म दोष थर्मल कामगिरीशी तडजोड करू शकतो किंवा तीव्र कंपन आणि थर्मल शॉक दरम्यान अपयशी ठरू शकतो. कठोर गुणवत्ता नियंत्रणासह अॅडिटिव्ह डिझाइन जोडून, एपीएल फ्लाइट-रेडी हार्डवेअरच्या जवळ जात आहे.
हायपरसॉनिक्सच्या पलीकडे: व्यापक संरक्षण अनुप्रयोग
हायपरसॉनिक वाहने तात्काळ चालक असली तरी, अंतर्निहित तंत्रज्ञान तीव्र, क्षणिक गरमी अनुभवणाऱ्या इतर प्रणालींना फायदा देऊ शकते. पुन्हा वापरता येणारी लाँच वाहने अॅक्ट्युएटर माउंट्स आणि एव्हियोनिक्स बेजवर छापील पीसीएम हीटसिंक्स वापरू शकतात. विमान, उपग्रह आणि नौदल जहाजांवरील उच्च-शक्ती इलेक्ट्रॉनिक्स देखील वजन आणि जागेची बचत पाहू शकतात. संरक्षण आणि एरोस्पेस उद्योग नेहमीच लहान, हलक्या पॅकेजमध्ये अधिक क्षमता पॅक करण्याचे मार्ग शोधत असतो.
वातावरणात हायपरसॉनिक वेगाने युक्ती करणाऱ्या क्षेपणास्त्र संरक्षण इंटरसेप्टर्सना मार्ग बदलताना उष्णता कमी करावी लागते. वायुगतिकीय नियंत्रण पृष्ठभागांमध्ये व्यत्यय न आणणारा हलका हीटसिंक अशा प्रणालींसाठी एक मौल्यवान सक्षमकर्ता आहे. अगदी हळू सुपरसॉनिक प्लॅटफॉर्मसाठी देखील, व्हॉल्यूमेट्रिक कार्यक्षमता आणि मॉड्युलॅरिटीचे फायदे आकर्षक आहेत.
एक संकरित दृष्टीकोन
एपीएल कथितरित्या फेज-चेंज हीटसिंक्स इतर पद्धतींसह एकत्र करणारी संकरित कूलिंग रणनीती शोधत आहे. उदाहरणार्थ, स्थिर-स्थिती ऑपरेशन दरम्यान उष्णता दूर करण्यासाठी पातळ द्रव प्रवाह वापरणे, नंतर उच्च-पल्स, क्षणिक शिखरांदरम्यान पीसीएम वितळण्यावर स्विच करणे. 3D-प्रिंटेड मॅनिफोल्ड एकाच मोनोलिथिक संरचनेत दोन्ही मोड समर्थन करू शकते. असे संकरित दृष्टीकोन भविष्यातील हायपरसॉनिक प्रात्यक्षिकांमध्ये क्रूझ आणि स्प्रिंट दोन्ही परिस्थिती हाताळू शकतात.
शिवाय, अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंगची डिझाइन लवचिकता अभियंत्यांना हीटसिंकचे थर्मल गुणधर्म गुरुत्वाकर्षण किंवा प्रवेगाच्या अभिमुखतेनुसार तयार करण्यास अनुमती देते. उच्च जी युक्ती करणाऱ्या हायपरसॉनिक वाहनात, वितळलेल्या पीसीएमची हालचाल केशिका संरचनांद्वारे व्यवस्थापित केली जाऊ शकते जी ती जागी ठेवतात. छापील विकिंग फायबर आणि बाफल्स कोणत्याही अभिमुखतेत किंवा उच्च प्रवेग अंतर्गत कार्य करण्यासाठी डिझाइन केले जाऊ शकतात.
बेंचपासून फ्लाइटपर्यंत
नवीन तंत्रज्ञान प्रयोगशाळेच्या बेंचवरून मॅक ५ वाहनापर्यंत नेणे ही छोटी गोष्ट नाही. हीटसिंकने कंपन, शॉक आणि अत्यंत दाब ग्रेडियंट्स सहन करणे आवश्यक आहे. ते इंधन, हायड्रॉलिक्स आणि इतर सिस्टम सामग्रीशी सुसंगत असणे आवश्यक आहे. आणि ते कठोर विश्वासार्हता मानकांची पूर्तता करणे आवश्यक आहे.
एपीएल गटाने पुढील टप्प्यांमध्ये पर्यावरणीय चाचणी सुरू ठेवण्याची अपेक्षा आहे, ज्यामध्ये व्हॅक्यूम किंवा उच्च-दाब वायू अंतर्गत थर्मल सायकलिंग समाविष्ट आहे. शेवटी, ते हायपरसॉनिक चाचणी वाहनावर हीटसिंकची फ्लाइट-चाचणी करू शकतात, एकतर समर्पित प्रयोग म्हणून किंवा मोठ्या एव्हियोनिक्स पॅलेटचा भाग म्हणून. यशस्वी झाल्यास, 3D-प्रिंटेड फेज-चेंज हीटसिंक भविष्यातील हायपरसॉनिक कार्यक्रमांसाठी एक मानक पर्याय बनू शकते.
भविष्यातील एरोस्पेस सिस्टमसाठी परिणाम
कूलिंग सिस्टमचा आकार आणि वजन ५०% किंवा त्याहून अधिक कमी करण्याचे आश्वासन वाहन डिझाइनर्ससाठी गणित बदलते. यामुळे कॉम्पॅक्ट एअर-लॉन्च केलेल्या हायपरसॉनिक क्षेपणास्त्राला अधिक सक्षम शोधक किंवा चांगला काउंटरमेजर सूट वाहून नेण्याची परवानगी मिळू शकते. हे मानवरहित हायपरसॉनिक संशोधन विमानाला लहान फ्यूजलेजमध्ये अधिक इन्स्ट्रुमेंटेशन पॅक करण्यात मदत करू शकते. स्पेस ऍक्सेससाठी, पुन्हा वापरता येणाऱ्या बूस्टरमध्ये रीएंट्री दरम्यान एव्हियोनिक्स थंड करण्यासाठी छापील पीसीएम हीटसिंक वापरला जाऊ शकतो.
नवोपचाराचा प्रसार
फेज-चेंज मटेरियल्ससह एकत्रित अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग हे एक उत्कृष्ट उदाहरण आहे की एका क्षेत्रातील नवकल्पना उद्योगांमध्ये कशा पसरू शकतात. समान छापील जाळी संरचना थर्मल बॅटरी, सौर थर्मल स्टोरेज किंवा पृथ्वीवरील इमारत हवामान नियंत्रणासाठी देखील लागू केल्या जाऊ शकतात. ऊर्जा क्षेत्र, उदाहरणार्थ, ऑफ-पीक तासांमध्ये सौर संयंत्रांमधून उष्णता साठवण्यासाठी फेज-चेंज मटेरियल्स शोधत आहे. अत्यंत प्रवाहकीय, हलके छापील कंटेनर अशा स्टोरेज सिस्टमची कार्यक्षमता सुधारू शकते.
एपीएल टीमचे संशोधन अद्याप विकसित होत आहे, परंतु प्रारंभिक संकल्पनेने एरोस्पेस प्राइम कंत्राटदार आणि संरक्षण नियोजकांमध्ये लक्षणीय स्वारस्य निर्माण केले आहे. हायपरसॉनिक्समध्ये स्पर्धात्मक धार राखणे अनेक देशांच्या लष्करी कार्यसूचीवर उच्च आहे आणि थर्मल मॅनेजमेंट हा एक गंभीर भाग आहे. कूलिंग सिस्टमचा आकार आणि वजन नाटकीयरित्या कमी करणाऱ्या नवकल्पना वेगवान, लांब पल्ल्याच्या आणि अधिक युक्ती करण्यायोग्य हायपरसॉनिक वाहने सक्षम करण्यात मदत करू शकतात.
अशा युगात जिथे अभियांत्रिकी आव्हानांना बऱ्याचदा विदेशी, ओव्हर-इंजिनियर केलेले उपाय आवश्यक वाटतात, हा दृष्टीकोन दर्शवितो की सामग्री आणि उत्पादनाचे स्मार्ट संयोजन—ज्ञात भौतिकशास्त्र आणि 3D प्रिंटिंगच्या नवीन शक्यता वापरून—मोठे विजय मिळवू शकतात. या हीटसिंक्स हायपरसॉनिक वेगाने उडण्यापूर्वी अधिक काम बाकी असले तरी, दिशा स्पष्ट आहे: उच्च-वेग एरोस्पेसचे भविष्य अशा नवोद्यांसह तयार केले जाईल जे गोष्टी थंड आणि हलक्या ठेवू शकतात.
हा लेख इंटरेस्टिंग इंजिनियरिंगच्या अहवालावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.
Originally published on interestingengineering.com