अंतरिक्ष
रैम-रोटर डिटोनेशन इंजन (RRDE) के साथ हाइपरसोनिक यात्रा पर पुनर्विचार
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विमान प्रोपल्शन की तीसरी पीढ़ी
Since the Wright brothers’ first flight, the central concept of mechanized flying has been compressing air to generate propulsion. This was first done with the ever-larger propellers in WWI and WW2 planes.
अगला कदम जेट इंजन था, जिसमें पहला जेट‑पावर्ड विमान, Heinkel He 178, 1939 में लॉन्च किया गया। जेट इंजन में, चलती भागें हवा को संपीड़ित करती हैं और ईंधन इंजेक्ट करती हैं ताकि एक शक्तिशाली दहन प्रभाव उत्पन्न हो, जिसे फिर टर्बाइन और जेट नोज़ल की ओर निर्देशित किया जाता है जिससे प्रोपल्शन बनता है।
स्रोत: Wikipedia
बाद में इसे रामजेट के साथ सुधारा गया, जहाँ विमान की गति हवा को संपीड़ित करती है, जिससे और भी अधिक गति संभव हो जाती है। एक निश्चित गति के बाद, टर्बोजेट के चलते भाग बहुत तेज़ी से चलेंगे और टूट जाएंगे। रामजेट का उपयोग करने वाला पहला विमान 1949 में Leduc 0.10 था।
स्रोत: Tech Brief
रामजेट का एक उन्नत संस्करण मौजूद है, जिसे स्क्रैमजेट (सुपरसोनिक रामजेट) कहा जाता है। इस इंजन को दहन के लिए आने वाली हवा को धीमा करने की आवश्यकता नहीं होती, बल्कि यह सुपरसोनिक प्रवाह बनाए रखता है और उच्च ईंधन दक्षता प्राप्त करता है।
स्क्रैमजेट की अवधारणा 1958 तक पहुँची थी, लेकिन इसे 2001 में NASA के X-43A में परीक्षण किया गया। तीन साल बाद, प्रयोगात्मक विमान ने Mach 6.8 (5,217 mph या 8,396 km/h) और Mach 9.6 (7,366 mph या 11,854 km/h) की गति हासिल की।
यह प्रभावशाली था, लेकिन जेट तकनीक कुछ हद तक अपनी सीमाओं तक पहुँच रही है, ठीक उसी तरह जैसे 20वीं सदी की शुरुआती प्रोपेलर एक निश्चित गति से आगे नहीं जा सकी।
यह कारण है कि वैज्ञानिक और इंजीनियर अब पूरी तरह अलग अवधारणा की ओर देख रहे हैं: रोटेटिंग डिटोनेशन इंजन।
रोटेटिंग डिटोनेशन इंजन
थर्मोडायनामिक दृष्टिकोण से, डिटोनेशन क्लासिक दहन (डिफ्लैगरेशन) की तुलना में अधिक कुशल होते हैं। इसलिए, सिद्धांत रूप में, इन्हें ईंधन को अधिक कुशलता से जलाने और/या उच्च उड़ान गति प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।
बेशक, विस्फोटों को विमान इंजन में वास्तविक प्रोपल्शन में बदलना बहुत कठिन है… बिना उड़ान के दौरान विस्फोटित हुए।
रोटेटिंग डिटोनेशन इंजन में यह निरंतर रिंग‑आकार के दहन कक्ष के चारों ओर डिटोनेशन वेव्स को लगातार प्रसारित करके हासिल किया जाता है। क्योंकि डिटोनेशन उच्च आवृत्ति पर होता है, यह लगभग निरंतर थ्रस्ट उत्पन्न करता है।
ऐसे इंजन को NASA द्वारा 2020 में पहली बार सफलतापूर्वक परीक्षण किया गया।
इस प्रकार के इंजन को “सामान्य” दहन‑आधारित जेट इंजनों की तुलना में 25% तक अधिक कुशल होने की उम्मीद है। इन्हें दहन कक्ष के अपस्ट्रीम बड़े कंप्रेसर की भी आवश्यकता नहीं होती, जिससे भारी मात्रा में वजन बचता है, और यह संभवतः विमान की समग्र दक्षता को और बढ़ाएगा।
इन प्रकार के इंजनों को केवल उन्नत सामग्रियों की वजह से ही हाल ही में संभव बनाया गया है। मुख्य सीमा कारक था सामग्री की अत्यधिक तापमान, निरंतर शॉकवेव्स, और ऑक्सीजन‑रिच प्रवाह को एक साथ सहन करने की क्षमता।
डिटोनेशन रामजेट?
रोटेटिंग डिटोनेशन इंजनों की एक गंभीर कमी यह है कि वे वायुमंडलीय दबाव पर बहुत कम दक्षता से काम करते हैं। इसलिए रामजेट और स्क्रैमजेट की तरह, इन्हें सक्रिय करने से पहले सुपरसोनिक या हाइपरसोनिक गति तक पहुँचना आवश्यक है।
अब एक और अधिक उन्नत अवधारणा उभर रही है, राम‑रोटर डिटोनेशन इंजन। इसे बीजिंग के त्सिंगहुआ विश्वविद्यालय के स्कूल ऑफ़ एयरोस्पेस इंजीनियरिंग में काम करने वाले चीनी वैज्ञानिकों ने विकसित किया। उन्होंने अपना कार्य “Primary Investigation on Ram‑Rotor Detonation Engine” शीर्षक वाले चीनी जर्नल ऑफ़ एयरोनॉटिक्स में प्रकाशित किया।
Ram‑Rotor Detonation Engine (RRDE)
RRDE का मुख्य विचार उच्च‑गति वाले रोटर के भीतर डिटोनेशन को स्थिर करना है। प्रवाह चैनल हवा‑ईंधन मिश्रण को डिटोनेशन के आदर्श स्थितियों तक संपीड़ित करता है, चाहे इनटेक गति कुछ भी हो।
डिटोनेशन वेव को इनटेक हवा की सापेक्ष गति और निकास से निकलने वाले विस्तारित गैसों व शॉकवेव्स के संतुलन द्वारा जगह पर रखा जाता है।
इस प्रक्रिया के माध्यम से, डिटोनेशन वेव ब्लेड्स के सापेक्ष स्थिर रहती है।
RRDE के लाभ
लचीलापन
क्योंकि इंजन हवा के संपीड़न को मोड्यूलेट कर सकता है, यह पारंपरिक टर्बोजेट की तरह अधिक व्यवहार करता है, न कि रामजेट की तरह, जिसे हवा के संपीड़न के लिए विमान की गति की आवश्यकता होती है।
इसका मतलब है कि RRDE सभी गति पर काम कर सकता है, और एक स्वतंत्र इंजन के रूप में कार्य कर सकता है। ऐसे में, RRDE को उपयुक्त इनटेक और एग्जॉस्ट घटकों, जैसे समायोज्य डिफ्यूज़र, गाइड वेन, और नोज़ल, के साथ मिलाना होगा ताकि इसका स्थिर संचालन रेंज और परिदृश्य विस्तारित हो सके।
संभावित रूप से, इसे टर्बोजेट के साथ भी संयोजन में उपयोग किया जा सकता है, जैसा कि आज अधिकांश रामजेट और स्क्रैमजेट डिज़ाइन किए जाते हैं।
हाइपरसोनिक विमान इंजन
परिभाषा के अनुसार, डिटोनेशन वेव्स ध्वनि की गति से तेज़ चलती हैं, अक्सर बहुत तेज़। RRDE से अपेक्षा है कि वह स्थिर डिटोनेशन वेव्स उत्पन्न करेगा जो इनकमिंग प्रवाह के सापेक्ष Mach 4 से 6 तक की गति प्राप्त कर सकते हैं।
यह RRDE‑सुसज्जित विमानों को Mach 5+ (3,836 mph / 6,174 km/h) से ऊपर हाइपरसोनिक उड़ान की क्षमता प्रदान कर सकता है, और अन्य डिटोनेशन इंजनों की तुलना में काफी अधिक दक्षता के साथ।
उच्च दक्षता न केवल ईंधन लागत को घटाएगी बल्कि समान ईंधन से अधिक रेंज भी देगी। या समान रेंज के लिए कम भारी ईंधन ले जाने की आवश्यकता के कारण अधिक पेलोड क्षमता भी संभव होगी।
सिद्धांत से व्यवहार तक
अब तक, RRDE केवल एक डिज़ाइन के रूप में मौजूद है और केवल सैद्धांतिक एवं सिमुलेशन लैब परीक्षणों में सिद्ध हुआ है।
इसलिए व्यावहारिक प्रोटोटाइप तक पहुँचने में अभी भी काफी लंबा रास्ता है, और व्यावसायिक, बड़े‑पैमाने पर निर्मित RRDE तक पहुँचने का मार्ग और भी लंबा है।
यह वास्तविक‑विश्व समस्याओं को हल करने की आवश्यकता होगी, जो सिमुलेशन में शायद ध्यान में नहीं आए हों। उदाहरण के लिए, रोटेटिंग डिटोनेशन इंजनों के लिए स्थिर रिंग चैनल में डिटोनेशन वेव को बनाए रखने में बहुत समय लगा। उच्च‑गति वाले रोटर में डिटोनेशन वेव को स्थिर रखना और भी कठिन होगा।
इंजीनियरिंग और धातु विज्ञान में चुनौतियाँ भी अपेक्षित हैं, क्योंकि उपयोग की जाने वाली सामग्री को अल्ट्रा‑कुशल होना पड़ेगा।
रोटर ब्लेड्स को इतनी हल्की होना चाहिए कि वे तेज़ और कुशलता से घूम सकें, लेकिन इतनी मजबूत भी कि हाइपरसोनिक इनटेक एयरफ़्लो … साथ ही ब्लेड्स के बीच निरंतर विस्फोटक डिटोनेशन को संभाल सके।
रोटेटिंग एक्सप्लोजन इंजन कंपनी
अब तक, इस नई प्रकार के इंजन पर अधिकांश शोध सार्वजनिक अनुसंधान संस्थानों द्वारा किया गया है, मुख्यतः अंतरिक्ष और सैन्य एजेंसियों द्वारा, जैसे NASA, US Air Force, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Russian Energomash आदि।
हालाँकि एक निजी कंपनी है जिसने 2023 में रोटेटिंग डिटोनेशन इंजन बनाने की अपनी क्षमता का प्रदर्शन किया: General Electric (GE.TO ).
GE मूल्य चार्ट
General Electric Aerospace 2024 में GE समूह के 3 भागों में विभाजन का परिणाम है: GE Aerospace (GE ), GE HealthCare (GEHC ), और GE Vernova (ऊर्जा) (GEV )।
यह कंपनी को कोर कॉम्पिटेंस पर पुनः केंद्रित करने के लिए किया गया, कई दशकों की वित्तीयकरण के बाद जो अंततः शुद्ध नकारात्मक साबित हुआ।
कंपनी एयरोनॉटिक उद्योग की एक केंद्रीय आपूर्तिकर्ता है, जहाँ लगभग 3 बिलियन लोग प्रति वर्ष GE Aerospace तकनीक का उपयोग करके यात्रा करते हैं, और लगभग 9,00,000 लोग किसी भी समय GE‑पावर्ड विमानों में उड़ते हैं (4 में से 3 वाणिज्यिक उड़ानें)। यह सभी विमान आकारों और अनुप्रयोगों के लिए इंजन की श्रृंखला पर आधारित है।
स्रोत: GE Aerospace
दीर्घकालिक रूप से, इस इंजन श्रृंखला को नई पीढ़ी के साथ प्रतिस्थापित किया जाएगा, जिसमें उच्च ईंधन दक्षता होगी, जो दीर्घकालिक R&D प्रयासों के माध्यम से हासिल की जाएगी। यह नागरिक विमानों के लिए 10‑15% ईंधन दक्षता सुधार और सैन्य विमानों के लिए 25% तक हो सकता है।
स्रोत: GE Aerospace
इंजनों के अलावा, कंपनी सिलिकॉन कार्बाइड तकनीक को इलेक्ट्रिकल पावर सिस्टम और एवियोनिक्स (विमान इलेक्ट्रॉनिक्स और कंप्यूटर) के लिए भी प्रदान करती है।
कंपनी लंबे समय से विमान प्रोपल्शन सिस्टम में अग्रणी रही है। इसका अधिकांश कार्य नागरिक क्षेत्र ($23.9B राजस्व 2023 में) द्वारा संचालित है, उसके बाद रक्षा खंड ($9B)।
कंपनी के 70% राजस्व सेवा से प्राप्त होते हैं, विशेषकर इंजन रखरखाव और मरम्मत, जिससे यह बहुत स्थिर आय स्रोत बनता है।
स्रोत: GE Aerospace
कंपनी भविष्य की तकनीकों में निवेश कर रही है ताकि अपनी बढ़त बनाए रखे, विशेष रूप से 3D प्रिंटिंग के साथ GE Additive, जो धातु एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में पूर्ण एंड‑टू‑एंड समाधान प्रदान करने वाला एकमात्र OEM है।
स्रोत: GE Aerospace
GE का रोटेटिंग डिटोनेशन इंजन
जैसा कि पहले चर्चा की गई, GE ने विश्व‑पहला हाइपरसोनिक ड्यूल‑मोड रामजेट (DMRJ) रिग परीक्षण रोटेटिंग डिटोनेशन कंबशन (RDC) के साथ सुपरसोनिक प्रवाह धारा में हासिल किया।
यह GE की उच्च‑तापमान सिरेमिक मैट्रिक्स कंपोज़िट्स (CMCs), सिलिकॉन कार्बाइड पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, एडिटिव तकनीकों, और उन्नत थर्मल मैनेजमेंट में महारत के कारण संभव हुआ।
“अब तक हमारे पास जो महत्वपूर्ण परिणाम आए हैं, वे हमें इस दिशा में आगे बढ़ने का भरोसा देते हैं।
टीम ने बहुत तेज़ी से काम किया, DMRJ के साथ RDC डेमोंस्ट्रेशन को शुरू से अंत तक केवल 12 महीने लगे। टीम अगले साल स्केल पर पूर्ण DMRJ के साथ RDC प्रदर्शित करने के लक्ष्य पर है।”
ऐसे हाइपरसोनिक इंजन पहले उन्नत सैन्य अनुप्रयोगों में उपयोग किए जा सकते हैं, जैसे युद्ध विमान और मिसाइल। लेकिन यह एक दिन नागरिक हाइपरसोनिक विमानों में भी प्रवेश करेगा, और GE की दोनों बाजारों में उपस्थिति इस उभरती तकनीक का लाभ उठाने में मदद करेगी।
कुल मिलाकर, एक लंबे समय तक दिशा‑हीन समूह रहने और वित्तीय इंजीनियरिंग पर ध्यान केंद्रित करने के बाद, ऐसा लगता है कि GE फिर से अमेरिकी इंजीनियरिंग और विनिर्माण के केंद्र के रूप में स्थापित हो रहा है, जब पुनः‑औद्योगिकीकरण और री‑शोरिंग मजबूत प्रवृत्तियों के रूप में उभरे हैं।
