क्षेत्र नियम

व्हिटकोम्ब क्षेत्रीय नियम, जिसका नाम नासा (एनएसीए) इंजीनियर रिचर्ड विटकोम्ब के नाम पर रखा गया है और जिसे ट्रांसोनिक क्षेत्र नियम भी कहा जाता है, यह एक डिजाइन प्रक्रिया है जिसका उपयोग ट्रांसोनिक गति पर किसी विमान के ड्रैग (भौतिकी) को कम करने के लिए किया जाता है और इस प्रकार यह लगभग 0.75 और 1.2 मॅच संख्या के बीच होती है। सुपरसोनिक गति के लिए एनएसीए वायुगतिकी रॉबर्ट थॉमस जोन्स (इंजीनियर) द्वारा विकसित सुपरसोनिक क्षेत्र नियम है और इस क्षेत्र नियम को अलग प्रक्रिया में उपयोग किया जाता है।

ट्रांसोनिक आज वाणिज्यिक और सैन्य उड़ान विमान के लिए सबसे महत्वपूर्ण गति सीमाओं में से एक है, जिसमें ट्रांसोनिक गतिवृद्धि के साथ फाइटर विमानों के लिए महत्वपूर्ण प्रदर्शन की आवश्यकता होती है और जो ट्रांसोनिक ड्रैग में कमी के कारण सुधार हुआ है।

विवरण
उच्च-सबसोनिक उड़ान गति पर वायु प्रवाह की स्थानीय गति ध्वनि की गति तक पहुंच सकती है और इस प्रकार जहां विमान के बॉडी और पंखों के चारों ओर प्रवाह तेज हो जाता है। इस प्रकार की गति भिन्न-भिन्न होती है और इसे क्रांतिक मॅच संख्या के रूप में जाना जाता है। ध्वनि प्रवाह के इन क्षेत्रों में उत्पन्न होने वाली प्रघात तरंगों ड्रैग (भौतिकी) में अचानक वृद्धि हो जाती है, जिसे तरंगों  ड्रैग कहा जाता है। इन प्रघाती तरंगों की संख्या और शक्ति को कम करने के लिए आगे-पीछे के क्रॉस सेक्शन (ज्यामिति) क्षेत्र में जितनी सुगमता से हो सके, वायुगतिकी आकार का परिवर्तन कर देना चाहिय था।

ट्रांसोनिक क्षेत्र नियम
क्षेत्र नियम कहता है कि दो हवाई जहाज़ों में एक ही देशान्तरीय अनुप्रस्थ काट वाले क्षेत्र का वितरण समान तरंगों ड्रैग हेतु होता है, जो यह नहीं जानते कि किस प्रकार क्षेत्र को बाद में किस प्रकार वितरित किया जाना चाहिए अर्थात पार्श्ववर्ती भाग या पंख के रूप में वितरित किया जाना चाहिए। इसके अतिरिक्त प्रबल आघात तरंगों  के निर्माण से बचने के लिए विमान के बाहरी आकार को सावधानी से व्यवस्थित किया जाना चाहिए जिससे कि आगे से पूंछ तक क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र जितना संभव हो उतना सुचारू रूप से बदल सके। पंख के स्थान पर फूसिलेज संकुचित या वेस्टेड रूप में बनाई जाती है। फ्यूजलेज क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र को बुलबुला कैनोपी के नीचे और पूंछ की सतहों के किनारों को सपाट करके कम करने की आवश्यकता होती है और जिससे कि उनकी उपस्थिति की भरपाई हो सके और इस प्रकार दोनों जिनमें से हॉकर सिडली बुकेनेर पर किए गए थे।

सुपरसोनिक क्षेत्र नियम
सुपरसोनिक गति पर विंग बॉडी ड्रैग के सिद्धांत में एनएसीए वायुगतिकी रॉबर्ट जोन्स द्वारा विकसित सुपरसोनिक क्षेत्र नियम के रूप में जाना जाने वाला अलग क्षेत्र नियम जिसे सुपरसोनिक क्षेत्र नियम के रूप में जाना जाता है। और इस स्थितियों में, डिजाइन गति के लिए मैक शंकु के कोण के संबंध में क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र की आवश्यकता के रूप में स्थापित की जाती है। उदाहरण के लिए, विचार करें कि मैक 1.3 पर विमान की नोज़ द्वारा उत्पन्न मैक शंकु का कोण कोण μ = arcsin(1/M) = 50.3 डिग्री होता है, जहां μ मैक शंकु का कोण है, जिसे मैक कोण के रूप में, और M मैक संख्या के रूप में जाना जाता है। इस स्थितियों में पूर्ण आकार पीछे की ओर झुका हुआ होता है; इसलिए सुपरसोनिक गति पर निचली तरंगों ड्रैग के लिए डिजाइन किए गए विमान में सामान्यतः पीछे की ओर पंख होते हैं।

सियर्स-हैक बॉडी
सतही रूप से संबंधित अवधारणा सियर्स-हैक बॉडी है, जिसका आकार दी गई लंबाई और दी गई मात्रा के लिए न्यूनतम तरंगों ड्रैग की अनुमति देता है। चूंकि, सियर्स-हैक बॉडी का आकार प्रोन्डल ग्लैएर्ट समीकरण से आरंभ होता है, जो लगभग छोटे-छोटे अव्यवस्थित सबसोनिक प्रवाहों साथ ही एकरेट सिद्धांत को भी नियंत्रित करता है, जो सुपरसोनिक प्रवाह का बारीकी से वर्णन करता है। .इन दोनों विधियों ने व्युत्पत्ति में मान्यताओं के कारण ट्रान्सोनिक प्रवाह की वैधता समाप्त कर दी जहां क्षेत्र का नियम लागू होता है। चूंकि सियर्स-हैक बॉडी का आकार चिकना होने के कारण क्षेत्र के नियम के अनुसार अनुकूल तरंगों  ड्रैग गुण होते हैं और इस प्रकार यह सैद्धांतिक रूप से इष्टतम नहीं होते है।

जर्मनी
क्षेत्र नियम की खोज ओटो फ्रेंज़ल डी द्वारा की गई थी, जब स्वेप्ट पंख की तुलना डब्ल्यू-पंख से अत्यधिक हाई तरंगों ड्रैग के साथ की जाती है 1943 और 1945 के बीच जर्मनी में जंकर्स (एयरक्राफ्ट) में ट्रांसोनिक विंड टनल पर काम करते हुए। उन्होंने 17 दिसंबर 1943 को एक विवरण लिखा, जिसका शीर्षक एनोर्डनंग वॉन वर्द्रांगंगस्कोर्पर्न बेइम हॉचगेस्चविंडिगकेट्सफ्लग विस्थापन-निकायों के लिए उच्च गति वाली उड़ान में रखा गया था और इस प्रकार 1944 में इस पेटेंट में इसका प्रयोग किया गया था। इस शोध के परिणाम मार्च 1944 में डॉयचे एकेडेमी डेर लुफ्फ्फाहर्टफॉरचुंग जर्मन एकेडमी ऑफ एरोनॉटिक्स रिसर्च में थियोडोर ज़ोबेल द्वारा उच्च गति वाले विमानों के प्रदर्शन को बढ़ाने के मौलिक रूप से नए विधियों के व्याख्यान में प्रस्तुत किए गए थे।

बाद के जर्मन के युद्धकाल के वायुयान डिजाइन ने इस खोज को ध्यान में रखा जिसमें मेसर्सचमिट P.1112, मेसर्सचमिट P.1106 और फॉक-वुल्फ 1000x1000x1000 प्रकार के एक लंबी दूरी के बमवर्षक सहित विमान के पतले मध्य-फूसिलेज के रूप में सम्मलित है, लेकिन यह स्पष्ट है कि डेल्टा विंग डिज़ाइन में हेन्शेल एचएस 135 सहित सम्मलित है। डाइट्रीच कुचेमन ने ऐसे सिद्धांत के विकसित होने के बहुत नजदीक आ गये है और इस प्रकार विशेषकर डाइट्रीच कुशेमैन ने एक पतला लड़ाकू डिज़ाइन किया था जिसे जिसे 1946 में हमारी सेनाओं ने कुचेमैन कोक बोतल करार दिया था। में कुचेमन वायु प्रवाह का अध्ययन करते हुए इस सिद्धांत पर पहुंचे, विशेष रूप से हस्तक्षेप अथवा स्थानीय प्रवाह एक फ्यूसलेज़ और स्वेप्ट पंख के बीच के स्थल पर असरदार होता है और इस प्रकार प्रवाह से मेल खाने के लिए फूसिलेज को कटोरेड या वेस्टेड किया गया था। इस निकट क्षेत्र दृष्टिकोण के आकार देने की आवश्यकता उसकी ध्वनि क्षेत्र नियम का उपयोग करके कमी को कम करने के लिए व्हिटकोम्ब के बाद के दूर के क्षेत्र के दृष्टिकोण के परिणामस्वरूप रूप में होते है

संयुक्त राज्य
सुपरसोनिक उड़ान के अग्रणी वालेस डी हेस ने 1947 में कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान में पी. एच. डी. थीसिस के साथ प्रकाशनों में ट्रांसोनिक क्षेत्र नियम विकसित किया है।

रिचर्ड टी. विटकोम ने सन् 1952 में राष्ट्रीय सलाहकार समिति के एरोनॉटिक्स के लिए राष्ट्रीय सलाहकार समिति (एनएसीए) में काम करते हुए स्वतंत्र रूप से इस नियम की खोज की थी, रिचर्ड टी. व्हिटकोम्ब जिनके नाम पर इस नियम का नाम रखा गया है।। एनएसीए के लैंगली रिसर्च सेंटर में मैक 0.95 के प्रदर्शन के साथ नई आठ-फुट हाई-स्पीड विंड सुरंग का उपयोग करते समय प्रघात तरंगों निर्माण के कारण ड्रैग में वृद्धि से वह हैरान थे। व्हिटकोम्ब ने अनुभव किया कि विश्लेषणात्मक उद्देश्यों के लिए हवाई जहाज को क्रांति के सुव्यवस्थित बॉडी में कम किया जा सकता है जितना संभव हो सके और इस प्रकार अचानक असंतोष को कम करने के लिए समान रूप से अचानक ड्रैग वृद्धि होती है और इस प्रकार के झटकों को श्लेयरन फोटोग्राफी का उपयोग करते हुए देखा जा सकता था, लेकिन इनकी गति ध्वनि की गति से बहुत नीचे होने के कारण कभी-कभी 0.70  मॅच के रूप में कम एक रहस्य बना रहा।

प्रयोगशाला ने 1951 के अंत में एक प्रसिद्ध जर्मन वायुगतिकी एडोल्फ ब्यूसमैन के एक व्याख्यान की मेजबानी की जो द्वितीय विश्व युद्ध के बाद लैंग्ली चले गए थे। उन्होंने एक हवाई जहाज के चारों ओर वायु प्रवाह के व्यवहार के बारे में बात की क्योंकि इसकी गति महत्वपूर्ण मैक संख्या तक पहुंच गई थी और इस प्रकार वायु एक संपीड़ित तरल पदार्थ के रूप में व्यवहार नहीं करती थी। जहां इंजीनियरों को यह सोचने के लिए प्रयोग किया जाता था कि विमान की तेज रफ्तार से बहने वाली हवा उसके चारों ओर सुचारू रूप से बह रही है या उसके पास रास्ते से निकलने का समय नहीं था और इसके अतिरिक्त प्रवाहित होना प्रारंभ हो गया जैसे कि यह प्रवाह के कठोर पाइप के रूप में था और इस प्रकार अवधारणा बुसेमैन स्ट्रीमलाइन्स स्ट्रीकलाइन्स और पाथलाइन्स के विपरीत स्ट्रीमपाइप्स के रूप में संदर्भित होती है और मजाक में सुझाव दिया कि इंजीनियरों को खुद को पाइपफिटर मानना ​​​​चाहिए।

कई दिनों बाद व्हिटकोम्ब के पास यूरेका (शब्द) के रूप में क्षण था। उच्च खिंचाव का कारण यह था कि वायु के पाइप तीन आयामों में एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप कर रहे थे। कोई केवल विमान के 2डी क्रॉस-सेक्शन पर बहने वाली वायु पर विचार नहीं करता था जैसा कि अतीत में अन्य लोग कर सकते थे; अब उन्हें विमान के किनारों की वायु पर भी विचार करना था जो इन स्ट्रीमपाइप्स के साथ संपर्क करता था। व्हिटकोम्ब ने अनुभव किया कि आकार देने के लिए केवल हवाई जहाज़ के फ्रेमवर्क के अतिरिक्त पूरे विमान पर लागू होना था। इसका अर्थ था कि पंखों और पूंछ के अतिरिक्त क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र को समग्र आकार देने के लिए उत्तरदायी ठहराया जाना चाहिए और फूसिलेज को वास्तव में संकुचित किया जाना चाहिए जहां वे आदर्श से अधिक निकटता से मिलते हैं।

अनुप्रयोग
पहला विमान जहां क्षेत्र नियम लागू किया गया था, वह जर्मन बॉम्बर टेस्टबेड विमान जंकर्स जू 287 (1944) था। अन्य संबंधित जर्मन डिजाइन युद्ध की समाप्ति के कारण पूरे नहीं हुए थे या योजना के चरण में भी बने रहे।

जब व्हिटकोम्ब द्वारा क्षेत्र नियम की फिर से खोज की गई, तो इसे 1952 से सैन्य कार्यक्रमों के लिए गुप्त आधार पर अमेरिकी विमान उद्योग के लिए उपलब्ध कराया गया था। और इस प्रकार यह 1957 में नागरिक कार्यक्रमों के लिए रिपोर्ट किया गया था। कॉनवेयर और ग्रुम्मन व्हिटकोम्ब की मदद से ग्रुम्मन एफ -11 टाइगर को डिजाइन करने के लिए और कॉन्वेयर F-102 को फिर से डिज़ाइन करने के लिए समवर्ती रूप से इसका उपयोग किया गया था। ग्रुम्मन F-11 टाइगर उड़ान भरने वाले दो विमानों में से पहला था और शुरुआत से ही क्षेत्र के नियम का उपयोग करके डिजाइन किया गया था। कॉनवैर F-102 डेल्टा डैगर को फिर से डिज़ाइन करना पड़ा क्योंकि यह मॅच 1 तक पहुँचने में असमर्थ था, चूँकि इसकी डिज़ाइन गति 1.2  मॅच थी और उम्मीद है कि यह डिजाइन की गति तक पहुंच जाएगी और इस प्रकार आशावादी विंड -सुरंग ड्रैग भविष्यवाणियों पर आधारित थी।  संशोधन जिसमें पंखों के बगल में फ्यूजलेज को इंडेंट करना और विमान के पिछले भाग में अधिक वॉल्यूम के रूप में जोड़ना सम्मलित था और इस प्रकार ट्रांसोनिक ड्रैग को बहुत कम कर दिया और मैक 1.2 डिजाइन की गति तक पहुंच गया। इन लड़ाकू विमानों पर क्षेत्र नियम का उपयोग करने का कारण मैक 1 पर होने वाले ड्रैग के चरम मूल्य को कम करना था और इसलिए सुपरसोनिक गति को बिना किसी दबाब की जरूरत के कम महत्व में सक्षम बनाना था।

1957 में परिवहन विमान की सबसोनिक क्रूज गति को 50 मील प्रति घंटे तक बढ़ाने के लिए एक संशोधित क्षेत्र नियम उपलब्ध था। क्रूज गति ड्रैग में अचानक वृद्धि से सीमित है जो पंख के शीर्ष पर स्थानीय सुपरसोनिक प्रवाह की उपस्थिति को इंगित करता है। व्हिटकोम्ब के संशोधित नियम ने झटके से पहले सुपरसोनिक गति को कम कर दिया, जिससे यह कमजोर हो गया और इससे जुड़े ड्रैग को कम कर दिया। कॉन्वेयर 990 में आवश्यक क्रूज गति प्राप्त करने के उद्देश से पंख की शीर्ष सतह पर जोड़ा गया था और इसे एंटी- प्रघात बॉडी भी कहा जाता है। चूंकि नैकेले पाइलॉन पंख सतहों द्वारा निर्माण चैनलों के क्षेत्र वितरण के रूप में सुपरसोनिक वेग का कारण बना और महत्वपूर्ण ड्रैग का स्रोत था। आवश्यक क्रूज गति प्राप्त करने के लिए एक क्षेत्र-नियम प्रोद्योगिकीय के रूप में होते है और इस प्रकार तथाकथित चैनल क्षेत्र-शासन को लागू किया गया था।

आर्मस्ट्रांग-व्हिटवर्थ के डिजाइनरों ने ध्वनि क्षेत्र नियम को अपने प्रस्तावित M-पंख में एक कदम आगे बढ़ाया, जिसमें पंख को पहले आगे और फिर पीछे की ओर घुमाया गया था। इसने फ्यूजलेज को रूट के सामने और साथ ही इसके पीछे संकुचित करने की अनुमति दी थी, जिससे एक चिकनी फ्यूजलेज के रूप में हो गई, जो क्लासिक स्वेप्ट पंख का उपयोग करके औसतन एक से अधिक व्यापक रूप में बनी रही थी।

रॉकवेल बी-1 लांसर और बोइंग 747 पर उड़ान डेक के पीछे के विस्तार को क्षेत्र नियम के अनुसार क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र वितरण में सुधार के लिए जोड़ा गया था।

व्हिटकोम्ब के क्षेत्र नियम के अनुसार डिजाइन किए गए विमान पहली बार दिखाई देने पर अजीब लगते थे जैसे F-102 डेल्टा डैगर और नॉर्थ्रॉप F-5 की रूपरेखा के अनुसार डिजाइन अजीब लगे और जब वे पहली बार प्रकट हुए और उन्हें कभी-कभी "उड़न कोक की बोतलें" भी कहा गया, लेकिन ये किसी ट्रांसोनिक विमानों की उपस्थिति का एक अपेक्षित हिस्सा बन गया। हवाई जहाज़ के आकार को क्षेत्र नियम ने स्पष्ट रूप से परिभाषित किया है, जैसे नॉर्थ्रॉप F-5 पर फ्यूजलेज वेस्टिंग और टिप-टैंक शेपिंग और बॉम्बार्डियर ग्लोबल एक्सप्रेस के रूप में होते है, जैसे रियर इंजन वाले बिजनेस जेट्स पर रियर फ्यूजलेज थिनिंग नियम के अनुसार रॉकेट की बूस्टर और कार्गो बे-रेज और F-22 रैप्टर पर कैनोपी का आकार और स्थान की सावधानीपूर्वक स्थिति की भी आवश्यकता होती है।

प्रोटोटाइप कॉनकॉर्ड पर सुपरसोनिक क्षेत्र नियम मैक 2 पर लागू किया गया था। पिछले फूसिलेज का निर्माण विमान पर 3.73 मीटर तक बढ़ाया गया था और तरंगों ड्रैग को 1.8% कम कर दिया था।

यह भी देखें

 * एंटी- प्रघात बॉडी के रूप में होती है
 * ध्वनि बूम
 * ध्वनि अवरोध के रूप में होती है
 * वायुगतिकी सुपरसोनिक के रूप में होती है

बाहरी संबंध

 * Area rule explained, Aerospace Web.
 * Whitcomb Area Rule and Küchemann Carrots, Aerospace Web.
 * DGLR document
 * German patent search system – look for Patent DE 932410 filed March 21, 1944.
 * 2004: Overuse increases drag but still reduces boom heard on the ground NASA
 * See Image 4 for an extreme example: fuselage before wing, PBS.
 * The Whitcomb Area Rule: एनएसीए Aerodynamics Research and Innovation, History Nasa.
 * (1.31 MB), Whitcomb, Richard T, एनएसीए Report 1273, 1956.
 * Contemporary reporting and explanation of area rule, Flight global archives