वायुप्रत्यास्थितिकि

नासा स्पंदन के लिए एक पवन सुरंग में स्केल मॉडल लॉकहीड एल-188 इलेक्ट्रा का परीक्षण कर रहा है

वायु लोच भौतिकी और अभियांत्रिकी की वह शाखा है जो एक लचीले शरीर को एक तरल प्रवाह के साथ प्रकट होने वाले अभिलेखीय, लचीले और वायुगतिकीय बलों के बीच उत्पन्न होने वाले अंतरक्रियाओ का अध्ययन करती है। वायु लोच का अध्ययन दो विशिष्ट क्षेत्रों में व्यापक रूप से वर्गीकृत किया जा सकता है: स्थैतिक वायु लोच, जो लचीले शरीर के स्थिर या स्थिर अवस्थिति पर एक तरल प्रवाह के प्रति प्रतिक्रिया का अध्ययन करती है, और गतिज वायु लोच, जो शरीर की गतिशीलता प्रतिक्रिया के साथ संबंधित है।

विमान वायु लोच प्रभावों के प्रति संवेदनशील होते हैं क्योंकि उन्हें हल्के वजन वाले होने की आवश्यकता होती है और उन्हें बड़े वायुगतिकीय बोधनों का सामना करना पड़ता है। विमानों को निम्नलिखित वायु लोच समस्याओं से बचाने के लिए प्रारूपित किया जाता है:

1. विखंडन, जहाँ वायुगतिकीय बल एक पंख के प्राधिकरण को बढ़ाते हैं जो पुनः बल को और बढ़ाता है;
2. नियंत्रण परिवर्तन, जहाँ नियंत्रण सक्रियकरण एक विपरीत वायुगतिकीय पल्लव उत्पन्न करता है जो नियंत्रण प्रभावकता को कम करता है, या अत्यधिक स्थितियों में, नियंत्रण प्रभावकता को बदल देता है;
3. स्पंदन यह अवयस्थित विचलन होता है जो विमान के विनाश की ओर ले जा सकता है।।

संरचनाओं के द्रव्यमान, कठोरता या वायुगतिकीय को समायोजित करके वायु लोच समस्याओं को रोका जा सकता है जिसे गणना, ज़मीन कंपन परीक्षण और उड़ान स्पंदन परीक्षण के उपयोग के माध्यम से निर्धारित और सत्यापित किया जा सकता है। उड़ान नियंत्रण सतहों का स्पंदन सामान्यतः द्रव्यमान संतुलन के सावधानी पूर्वक प्लेसमेंट से समाप्त हो जाता है।

वायु लोच का ऊष्मप्रवैगिकी के साथ संघटन को वायु ऊष्म प्रत्यास्थता के रूप में जाना जाता है, और इसके नियंत्रण सिद्धांत के साथ संघटन को वायुतापीयप्रत्यास्थिकी के रूप में जाना जाता है।

इतिहास

सैमुअल लैंगली के प्रोटोटाइप विमान की पोटोमैक पर हुई दूसरी असफलता को वायु_लोच प्रभावों का कारण माना गया था। इस इस विषय पर एक प्रारंभिक वैज्ञानिक काम जॉर्ज ब्रायन की "रिजिड एयरोप्लेन की स्थिरता का सिद्धांत" था, जो 1906 में प्रकाशित हुआ था। टॉर्शनल विचलन की समस्याएँ प्रथम विश्व युद्ध में विमानों को प्रभावित करती थीं और इसे बड़े पैमाने पर परीक्षण-और-त्रुटि और तदर्थ पंख की कठोरता से हल किया गया था।

एक विमान में स्पंदन का पहला दर्जन किया और प्रलिखित रूप में दस्तावेज़ किया गया विषय था जो 1916 में एक हैंडले पेज O/400 बॉम्बर को प्रभावित किया, जब उसे तीव्र पूंछ की उल्लसन हुआ, जिससे पीछे की बड़ी भाग को अत्यधिक विकृति हुई और हिलने वाले पत्तों की असमेत्रता बढ़ गई। यद्यपि विमान सुरक्षित रूप से लैंडिंग की, आनुवंशिक जांच में फ्रेडरिक वेल्डन लैंचेस्टर से परामर्श लिया गया। उनकी एक सिफ़ारिश थी कि बाईं और दाईं पत्तियाँ एक कठिन दलदल से कठोरता से जुड़ी होनी चाहिए, जो फिर एक डिज़ाइन की आवश्यकता बन गया। इसके अतिरिक्त, नेशनल फिजिकल लेबोरेटरी (एनपीएल) से मांग की गई कि विमान में यह घटना सिद्धांतिक रूप से जांची जाए, जो बाद में लियोनार्ड बेयरस्टो और आर्थर फ़ेज़ द्वारा किया गया।

1926 में, हंस रीस्नर ने विंग विचलन का एक सिद्धांत प्रकाशित किया, जिससे इस विषय पर और अधिक सैद्धांतिक शोध हुआ।वायुलोच शब्द का प्रयोग रॉक्सबी कॉक्स, बैरन किंग्स नॉर्टन और अल्फ्रेड पगस्ले द्वारा 1930 के दशक की शुरुआत में शाही विमान प्रतिष्ठान (आरएई), फार्नबोरो, हैम्पशायर में किया गया था।

कैलटेक में वैमानिक अभियांत्रिकी के विकास में थियोडोर वॉन कारमन ने "एलैसिटी एप्लाइड टू एरोनॉटिक्स" नामक एक पाठ्यक्रम प्रारंभ किया। एक सत्र के लिए पाठ्यक्रम पढ़ाने के बाद, कार्मन ने इसे अर्नेस्ट एडविन सेक्लर को सौंप दिया, जिन्होंने उस पाठ्यक्रम में और विषय पर पाठ्यपुस्तकों के प्रकाशन में वायु लोच विकसित की।

1947 में, आर्थर रोडरिक कॉलर ने वायु लोच को हवाई धारा के संपर्क में आने वाले संरचनात्मक सदस्यों पर कार्य करने वाले जड़त्वीय, लचीला और वायुगतिकीय बलों के त्रिकोण के भीतर होने वाली पारस्परिक बातचीत के अध्ययन और प्रारूप पर इस अध्ययन के प्रभाव के रूप में परिभाषित किया।

स्थैतिक वायु लोच

विमान में, दो महत्वपूर्ण स्थिर वायु लोच प्रभाव हो सकते हैं। विचलन एक प्रकार का प्रभाव है जिसमें पंखों की लचीला मोड़ अचानक सैद्धांतिक रूप से अनंत हो जाता है, जिससे सामान्यतः पंख विफल हो जाता है। नियंत्रण परिवर्तन एक प्रभाव है जो केवल विमानों के पंखों में सहपक्ष या अन्य नियंत्रण पृष्ठों के साथ होता है, जिसमें ये नियंत्रण पृष्ठ अपने सामान्य कार्यों को विपरीत कर देते हैं उदाहरण स्वरूप, किसी विशिष्ट सहपक्ष मोमेंट से जुड़े रोलिंग दिशा को विपरीत कर दिया जाता है।

विचलन

विचलन तब होता है जब एक उठाने वाली सतह वायुगतिकीय भार के अंतर्गत एक दिशा में विक्षेपित हो जाती है जो सकारात्मक प्रतिक्रिया लूप में लिफ्ट को और बढ़ा देती है। बढ़ी हुई लिफ्ट संरचना को और अधिक विक्षेपित करती है, जो अंततः संरचना को विचलन के बिंदु पर लाती है।

एक साधारण किरण के विचलन के लिए समीकरण

Divergence can be understood as a simple property of the differential equation(s) governing the wing deflection. For example, modelling the airplane wing as an isotropic Euler–Bernoulli beam, the uncoupled torsional equation of motion is $GJ{\frac {d^{2}\theta }{dy^{2}}}=-M',$ where y is the spanwise dimension, θ is the elastic twist of the beam, GJ is the torsional stiffness of the beam, L is the beam length, and M’ is the aerodynamic moment per unit length. Under a simple lift forcing theory the aerodynamic moment is of the form $M'=CU^{2}(\theta +\alpha _{0}),$ where C is a coefficient, U is the free-stream fluid velocity, and α0 is the initial angle of attack. This yields an ordinary differential equation of the form ${\frac {d^{2}\theta }{dy^{2}}}+\lambda ^{2}\theta =-\lambda ^{2}\alpha _{0},$ where $\lambda ^{2}=C{\frac {U^{2}}{GJ}}.$ The boundary conditions for a clamped-free beam (i.e., a cantilever wing) are $\theta |_{y=0}=\left.{\frac {d\theta }{dy}}\right|_{y=L}=0,$ which yields the solution $\theta =\alpha _{0}[\tan(\lambda L)\sin(\lambda y)+\cos(\lambda y)-1].$ As can be seen, for λL = π/2 + nπ, with arbitrary integer number n, tan(λL) is infinite. n = 0 corresponds to the point of torsional divergence. For given structural parameters, this will correspond to a single value of free-stream velocity U. This is the torsional divergence speed. Note that for some special boundary conditions that may be implemented in a wind tunnel test of an airfoil (e.g., a torsional restraint positioned forward of the aerodynamic center) it is possible to eliminate the phenomenon of divergence altogether.

नियंत्रण उत्क्रमण

Main article: नियंत्रण उत्क्रमण

नियंत्रण सतह उत्क्रमण मुख्य उठाने वाली सतह के विरूपण के कारण नियंत्रण सतह की अपेक्षित प्रतिक्रिया का नुकसान या उत्क्रमण है। सरल प्रारूपों के लिए नियंत्रण उत्क्रमण गति को टॉर्सनल विचलन की तरह विश्लेषणात्मक रूप से प्राप्त किया जा सकता है। नियंत्रण उत्क्रमण का उपयोग वायुगतिकीय लाभ के लिए किया जा सकता है, और यह कामन सर्वो-फ्लैप रोटर प्रारूपों का भाग बनता है।

गतिशील वायु लोच

गतिशील वायु लोच वायुगतिकीय, लचीला और जड़त्वीय बलों के बीच पारस्परिक प्रभाव का अध्ययन करती है। गतिशील वायु लोच घटना के उदाहरण हैं:

स्पंदन

स्पंदन द्रव प्रवाह में एक लचीला संरचना की एक गतिशील अस्थिरता है, जो शरीर के विक्षेपण और द्रव प्रवाह द्वारा लगाए गए बल के बीच सकारात्मक प्रतिक्रिया के कारण होती है। एक रेखीय प्रणाली में, स्पंदन बिंदु वह बिंब होता है जिस पर संरचना सरल हार्मोनिक गति - शून्य नेट डंपिंग अनुपात - से गुजर रही होती है और इसलिए नेट डंपिंग में किसी भी और कमी के परिणामस्वरूप स्व-दोलन और अंततः विफलता होगी। नेट डंपिंग को संरचना की प्राकृतिक सकारात्मक डंपिंग और वायुगतिकीय बल के नकारात्मक डंपिंग के योग के रूप में समझा जा सकता है। स्पंदन को दो प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है: कठोर स्पंदन, जिसमें नेट डंपिंग बहुत अचानक कम हो जाती है, स्पंदन बिंदु के बहुत करीब; और नरम स्पंदन, जिसमें नेट डैम्पिंग धीरे-धीरे कम हो जाती है।

पानी में फ़ॉइल की पिच जड़ता और तरल पदार्थ के परिचालित सिलेंडर की पिच जड़ता का द्रव्यमान अनुपात सामान्यतः बाइनरी स्पंदन होने के लिए बहुत कम होता है, जैसा कि सबसे सरल पिच और भारी स्पंदन स्थिरता निर्धारक के स्पष्ट समाधान द्वारा दिखाया गया है।

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वायु_लोच स्पंदन के माध्यम से नष्ट किए जा रहे टैकोमा नैरो ब्रिज का वीडियो

वायुगतिकीय बलों के संपर्क में आने वाली संरचनाएं - जिनमें पंख और एयरोफ़ॉइल परंतु चिमनी और पुल भी सम्मिलित हैं । सामान्यतः स्पंदन से बचने के लिए ज्ञात मापदंडों के भीतर सावधानी पूर्वक प्रारूपित किए जाते हैं। कुंद आकृतियाँ, जैसे कि चिमनी, भंवरों की एक सतत धारा छोड़ सकती हैं जिन्हें कार्मन भंवर सड़क के रूप में जाना जाता है, जो संरचनात्मक दोलनों को प्रेरित कर सकती है। इन भंवरों के निर्माण को रोकने के लिए स्ट्रेक को सामान्यतः चिमनियों के चारों ओर लपेटा जाता है।

जटिल संरचनाओं में जहां संरचना के वायुगतिकीय और यांत्रिक गुणों दोनों को पूरी तरह से समझा नहीं गया है, स्पंदन को केवल विस्तृत परीक्षण के माध्यम से छूट दी जा सकती है। यहां तक ​​कि किसी विमान के बड़े पैमाने पर वितरण या एक घटक की कठोरता को बदलने से स्पष्ट रूप से असंबंधित वायुगतिकीय घटक में स्पंदन उत्पन्न हो सकता है। अपने सबसे हल्के रूप में, यह विमान संरचना में एक "बज" के रूप में प्रकट हो सकता है, परंतु अपने सबसे हिंसक रूप में, यह अत्यधिक गति के साथ अनियंत्रित रूप से विकसित हो सकता है और विमान को गंभीर क्षति पहुंचा सकता है या उसके विनाश का कारण बन सकता है, जैसे कि 1938 में नॉर्थवेस्ट एयरलाइंस की उड़ान 2, 1959 में ब्रैनिफ़ फ़्लाइट 542, या 1940 के दशक के प्रारंभ में फ़िनलैंड के वीएल तूफ़ान लड़ाकू विमान के प्रोटोटाइप प्रसिद्ध रूप से, मूल टैकोमा नैरो ब्रिज (1940) वायु_लोच स्पंदन के परिणामस्वरूप नष्ट हो गया था।

वायुतापीयप्रत्यास्थिकी

कुछ स्थितियों में, स्वचालित नियंत्रण प्रणालियों का प्रदर्शन किया गया है कि वे स्पंदन से संबंधित संरचनात्मक आलोचना को रोकने या सीमित करने में मदद कर सकती हैं।।

नोदक घूर्णन स्पंदन

नोदक घूर्णन स्पंदन का का विशेष प्रकार है जिसमें घूमने वाले नोदक के वायुगतिकीय और अद्भुत प्रभाव और समर्थन नैकेले संरचना की कठोरता सम्मिलत होती है। नोदक गतिशील अस्थिरता नोदक और इंजन समर्थन की पिच और यॉ डिग्री की स्वतंत्रता सम्मिलित होती है, जिससे नोदक के अस्थायी परिवर्तन की अस्थिर पूर्वनिर्धारण हो सकती है। इंजन सपोर्ट की विफलता के कारण दो लॉकहीड एल-188 इलेक्ट्रा विमानों में, 1959 में ब्रैनिफ़ फ़्लाइट 542 में और फिर 1960 में नॉर्थवेस्ट ओरिएंट एयरलाइंस की उड़ान 710 में बवंडर उत्पन्न हुआ।इंजन समर्थन की असफलता ने 1959 में ब्रैनिफ़ फ्लाइट 542 पर और फिर 1960 में नॉर्थवेस्ट ओरिएंट एयरलाइंस की उड़ान 710 पर दो लॉकहीड L-188 इलेक्ट्रा विमानों पर घूर्णन स्पंदन को उत्पन्न किया।

ट्रांसोनिक वायु_लोच

ट्रांसोनिक परिप्रेक्ष्य में फ्लो अत्यधिक गैर-रैखिक होता है, जो चलती हुई शॉक तरंगों पर हावी होता है। ट्रांसोनिक मैक संख्या के माध्यम से उड़ान भरने वाले विमानों के लिए स्पंदन से बचना मिशन-महत्वपूर्ण होता है। शॉक तरंगों की भूमिका का विश्लेषण सबसे पहले होल्ट एशले ने किया था। एक घटना जो विमान की स्थिरता को प्रभावित करती है जिसे ट्रांसोनिक डिप के रूप में जाना जाता है, जिसमें स्पंदन गति उड़ान की गति के नजदीक पहुंच सकती है, यह मई 1976 में लैंग्ली अनुसंधान केंद्र के फार्मर के फार्मर और हैंसन ने रिपोर्ट किया था।

बफ़ेटिंग

NASA उच्च अल्फा अनुसंधान वाहन F/A-18 विंग पर भंवर के टूटने के कारण पंख का फटना।

ट्रांसोनिक बुफ़े एक उच्च-आवृत्ति अस्थिरता है, जो एक वस्तु से दूसरे वस्तु से टकराने से वायु प्रवाह पृथक्करण या शॉक वेव दोलन के कारण होती है। यह अचानक लोड बढ़ने के कारण होता है। यह एक यादृच्छिक मजबूर स्पंदन है। सामान्यतः यह पंख के नीचे की ओर हवा के प्रवाह के कारण विमान संरचना की पिछली इकाई को प्रभावित करता है।

बुफ़े का पता लगाने की विधियाँ हैं:

1. दबाव गुणांक आरेख
2. अनुगामी किनारे पर दबाव विचलन
3. मैक संख्या के आधार पर अनुगामी किनारे से पृथक्करण की गणना
4. सामान्य बल अस्थिर वाला विचलन

पूर्वानुमान और उपचार

स्पंदन को दबाने के लिए उपयोग किए जाने वाले एलेरॉन से निकलने वाला द्रव्यमान संतुलन

1950-1970 की अवधि में, अगार्ड ने वायु लोचि पर मैनुअल विकसित किया, जिसमें विमानीय लचीलता समस्याओं को हल करने और सत्यापन करने के प्रक्रियाओं का विवरण दिया गया है, साथ ही मानक उदाहरण भी दिए गए हैं जिन्हें संख्यात्मक समाधानों की परीक्षण के लिए उपयोग किया जा सकता है।

वायु लोच में केवल बाह्य वायुयान भार और उनके परिवर्तन ही नहीं सम्मिलित होते, बल्कि वायुयान की संरचनात्मक, अतिघोरण और भार विशेषताएँ भी सम्मिलित होती हैं। पूर्वानुमानन में विमान का एक गणनात्मक प्रारूप बनाने की सम्मिलित होती है जो विमान संरचना की संरचनात्मक गतिशीलता का प्रतिनिधित्व करने के लिए ट्यून किया गया है। प्रारूप में लागू वायुयानिक बलों की विवरण और उनके परिवर्तन की जानकारी सम्मिलित होती है।

इस प्रारूप का उपयोग स्पंदन सीमा की पूर्वानुमान के लिए किया जा सकता है और यदि आवश्यक हो, संभावित समस्याओं के समाधान की परीक्षण के लिए भी मास वितरण और स्थानिक संरचनात्मक कठोरता में छोटे से सतर्कता से चयनित परिवर्तन वायु लोच समस्याओं को हल करने में बहुत प्रभावी सिद्ध हो सकते हैं।

रैखिक संरचनाओं में स्पंदन की भविष्यवाणी करने के विधियों में p-विधि, k-विधि और p-k विधि सम्मिलित हैं।

अरेखीय प्रणाली के लिए, स्पंदन की व्याख्या सामान्यतः एक सीमा चक्र दोलन (एलसीओ) के रूप में की जाती है, और गतिशील प्रणालियों के अध्ययन के विधियों का उपयोग उस गति को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है जिस पर स्पंदन होता है।

मीडिया

ये वीडियो एक्टिव वायु_लोच विंग दो-चरणीय संयुक्त राज्य वायु सेना उड़ान अनुसंधान कार्यक्रम के बारे में हैं, जिसका उद्देश्य वायुमंडलीय ट्विस्ट के संवर्धनशील पंखों की संभावना की जांच करना था जिससे उच्च प्रदर्शन वाले विमानों की चालन योग्यता को ट्रांसोनिक और पराध्वनिक गतियों पर सुधारा जा सके, पारंपरिक नियंत्रण सतह जैसे कि एलेरॉन और लीडिंग-एज फ्लैप के रूप में मोड़ को प्रेरित करने के लिए उपयोग किया जाता है।

• एक्टिव एरोइलास्टिक विंग (एएडब्ल्यू) विंग लोड परीक्षण की टाइम लैप्स फिल्म, दिसंबर, 2002

• एफ/ए-18ए (अब एक्स-53) सक्रिय एरोइलास्टिक विंग (एएडब्ल्यू) उड़ान परीक्षण, दिसंबर, 2002

उल्लेखनीय वायु_लोच विफलताएँ

• मूल टैकोमा नैरो ब्रिज वायु लोच स्पंदन के परिणामस्वरूप नष्ट हो गया था*
• ब्रैनिफ़ फ़्लाइट 542 पर लॉकहीड एल-188 इलेक्ट्रा का स्पंदन चक्कर।
• 1931 ट्रांसकॉन्टिनेंटल और वेस्टर्न एयर फोकर एफ-10 दुर्घटना।
• जीएएफ अजेय ड्रोन की बॉडी फ्रीडम स्पंदन।

यह भी देखें

• अनुकूली अनुपालन विंग
• अंतरिक्ष इंजिनीयरिंग
• कार्मन भंवर सड़क
• गणितीय मॉडलिंग
• दोलन
• पार्कर वेरिएबल विंग
• भ्रमिल अलगन
• भंवर-प्रेरित कंपन
• X-53 एक्टिव एरोइलास्टिक विंग

अग्रिम पठन

• Bisplinghoff, R. L., Ashley, H. and Halfman, H., Aeroelasticity. Dover Science, 1996, ISBN 0-486-69189-6, 880 p.
• Dowell, E. H., A Modern Course on Aeroelasticity. ISBN 90-286-0057-4.
• Fung, Y. C., An Introduction to the Theory of Aeroelasticity. Dover, 1994, ISBN 978-0-486-67871-9.
• Hodges, D. H. and Pierce, A., Introduction to Structural Dynamics and Aeroelasticity, Cambridge, 2002, ISBN 978-0-521-80698-5.
• Wright, J. R. and Cooper, J. E., Introduction to Aircraft Aeroelasticity and Loads, Wiley 2007, ISBN 978-0-470-85840-0.
• Hoque, M. E., "Active Flutter Control", LAP Lambert Academic Publishing, Germany, 2010, ISBN 978-3-8383-6851-1.
• Collar, A. R., "The first fifty years of aeroelasticity", Aerospace, vol. 5, no. 2, pp. 12–20, 1978.
• Garrick, I. E. and Reed W. H., "Historical development of aircraft flutter", Journal of Aircraft, vol. 18, pp. 897–912, Nov. 1981.
• Patrick R. Veillette (Aug 23, 2018). "Low-Speed Buffet: High-Altitude, Transonic Training Weakness Continues". Business & Commercial Aviation. Aviation Week Network.

बाहरी संबंध

• Aeroelasticity Branch – NASA Langley Research Center
• DLR Institute of Aeroelasticity
• National Aerospace Laboratory
• The Aeroelasticity Group – Texas A&M University
• NACA Technical Reports – NASA Langley Research Center
• NASA Aeroelasticity Handbook