वायुप्रत्यास्थितिकि

वायुप्रत्यास्थिकी 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।

वायुप्रत्यास्थिकी का अध्ययन दो विशिष्ट क्षेत्रों में व्यापक रूप से वर्गीकृत किया जा सकता है: स्थैतिक वायुप्रत्यास्थिकी, जो लचीले शरीर के स्थिर या स्थिर अवस्थिति पर एक तरल प्रवाह के प्रति प्रतिक्रिया का अध्ययन करती है, और गतिज वायुप्रत्यास्थिकी, जो शरीर की गतिशीलता प्रतिक्रिया के साथ संबंधित है।

विमान एयरोइलास्टिक 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 वायुप्रत्यास्थिकी समस्याओं से बचाने के लिए डिज़ाइन किया जाता है:
 * 1) विचलन जहां वायुगतिकीय बल एक पंख के हमले के कोण को बढ़ाते हैं जो बल को और बढ़ाता है;
 * 2) नियंत्रण उत्क्रमण जहां नियंत्रण सक्रियण एक विपरीत वायुगतिकीय क्षण उत्पन्न करता है जो कम कर देता है, या चरम मामलों में, नियंत्रण प्रभावशीलता को विपरीत  देता है; और
 * 3) स्पंदन जो अनियंत्रित कंपन है जो किसी विमान के विनाश का कारण बन सकता है।

संरचनाओं के द्रव्यमान, कठोरता या वायुगतिकीय को समायोजित करके वायुप्रत्यास्थिकी 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 सावधानीपूर्वक प्लेसमेंट से समाप्त हो जाता है।

वायुप्रत्यास्थिकी 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
पोटोमैक पर सैमुअल लैंगली के प्रोटोटाइप विमान की दूसरी विफलता को वायुप्रत्यास्थिकी प्रभाव (विशेष रूप से, टॉर्सनल विचलन) के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था। इस विषय पर एक प्रारंभिक वैज्ञानिक काम जॉर्ज ब्रायन की "रिजिड एयरोप्लेन की स्थिरता का सिद्धांत" था, जो 1906 में प्रकाशित हुआ था। प्रथम विश्व युद्ध में विमान में मरोड़ वाले विचलन की समस्या उत्पन्न हुई थी और इसे बड़े पैमाने पर परीक्षण-और-त्रुटि और विंग के तदर्थ सख्तीकरण द्वारा हल किया गया था।

सैमुअल लैंगली के प्रोटोटाइप विमान की पोटोमैक पर हुई दूसरी असफलता को वायुप्रत्यास्थिकी 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।

किसी विमान में फड़फड़ाहट का पहला दर्ज और प्रलेखित विषय 1916 में एक उड़ान के दौरान हैंडली पेज टाइप O/400 बमवर्षक के साथ हुआ था, जब उसे एक हिंसक पूंछ दोलन का सामना करना पड़ा, जिससे पीछे के धड़ में अत्यधिक विकृति आ गई। और लिफ्टों को असममित रूप से चलने लगे। यद्यपि विमान सुरक्षित रूप से उतर गया, बाद की जांच में फ्रेडरिक डब्ल्यू. लैंचेस्टर|एफ. डब्ल्यू लैंचेस्टर से परामर्श लिया गया। उनकी सिफ़ारिशों में से एक यह थी कि बाएँ और दाएँ लिफ्ट को एक कठोर शाफ्ट द्वारा मजबूती से जोड़ा जाना चाहिए, जो बाद में एक डिज़ाइन आवश्यकता बन गई। इसके अतिरिक्त, राष्ट्रीय भौतिक प्रयोगशाला (एनपीएल) को सैद्धांतिक रूप से घटना की जांच करने के लिए कहा गया था, जिसे बाद में लियोनार्ड बेयरस्टो और आर्थर फ़ेज़ द्वारा किया गया था।

1926 में, हंस रीस्नर ने विंग विचलन का एक सिद्धांत प्रकाशित किया, जिससे इस विषय पर और अधिक सैद्धांतिक शोध हुआ। वायुप्रत्यास्थिकी 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 वायुप्रत्यास्थिकी विकसित की।

1947 में, आर्थर रोडरिक कॉलर ने वायुप्रत्यास्थिकी 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 डिजाइन पर इस अध्ययन के प्रभाव के रूप में परिभाषित किया।

स्थैतिक वायु लोच
विमान में, दो महत्वपूर्ण स्थिर वायुप्रत्यास्थिकी 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।

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 वायुप्रत्यास्थिकी
गतिशील वायुप्रत्यास्थिकी वायुगतिकीय, लचीला और जड़त्वीय बलों के बीच पारस्परिक प्रभाव का अध्ययन करती है। गतिशील वायुप्रत्यास्थिकी 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। 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) एयरोइलास्टिक स्पंदन के परिणामस्वरूप नष्ट हो गया था।

एरोसर्वोइलास्टिसिटी
कुछ मामलों में, स्पंदन-संबंधी संरचनात्मक कंपन को रोकने या सीमित करने में मदद के लिए स्वचालित नियंत्रण प्रणालियों का प्रदर्शन किया गया है।

प्रोपेलर चक्कर फड़फड़ाना
प्रोपेलर व्हर्ल स्पंदन स्पंदन का एक विशेष मामला है जिसमें घूमने वाले प्रोपेलर के वायुगतिकीय और जड़त्वीय प्रभाव और सहायक नैकेले संरचना की कठोरता शामिल है। प्रोपेलर और इंजन सपोर्ट की स्वतंत्रता की पिच और यॉ डिग्री को शामिल करते हुए गतिशील अस्थिरता उत्पन्न हो सकती है, जिससे प्रोपेलर की अस्थिर प्रगति 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।

ट्रांसोनिक वायुप्रत्यास्थिकी
ट्रांसोनिक शासन में प्रवाह 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 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 करीब पहुंच सकती है, मई 1976 में लैंगली रिसर्च सेंटर के फार्मर और हैनसन द्वारा रिपोर्ट की गई थी।

बफ़ेटिंग
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 कंपन है. आम तौर पर 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 उतार-चढ़ाव वाला विचलन

भविष्यवाणी और इलाज
1950-1970 की अवधि में, AGARD ने एयरोइलास्टिकिटी पर मैनुअल विकसित किया, जिसमें मानक उदाहरणों के साथ एयरोइलास्टिक समस्याओं को हल करने और सत्यापित करने में उपयोग की जाने वाली प्रक्रियाओं का विवरण दिया गया है, जिनका उपयोग संख्यात्मक समाधानों का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है। वायुप्रत्यास्थिकी में न केवल बाहरी वायुगतिकीय भार और उनके बदलने का तरीका शामिल है, बल्कि विमान की संरचनात्मक, भिगोना और द्रव्यमान विशेषताएं भी शामिल हैं। भविष्यवाणी में स्प्रिंग्स और डैम्पर्स से जुड़े द्रव्यमानों की एक श्रृंखला के रूप में विमान का एक गणितीय मॉडल बनाना शामिल है जो विमान संरचना की संरचनात्मक गतिशीलता का प्रतिनिधित्व करने के लिए ट्यून किया गया है। मॉडल में लागू वायुगतिकीय बलों का विवरण और वे कैसे भिन्न होते हैं, इसका विवरण भी शामिल है।

मॉडल का उपयोग स्पंदन मार्जिन की भविष्यवाणी करने और, यदि आवश्यक हो, संभावित समस्याओं के समाधान का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है। बड़े पैमाने पर वितरण और स्थानीय संरचनात्मक कठोरता के लिए सावधानीपूर्वक चुने गए छोटे परिवर्तन एयरोइलास्टिक समस्याओं को हल करने में बहुत प्रभावी हो सकते हैं।

रैखिक संरचनाओं में स्पंदन की भविष्यवाणी करने के तरीकों में पी-विधि, के-विधि और पी-के विधि शामिल हैं।

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

मीडिया
ये वीडियो पारंपरिक नियंत्रण सतहों के साथ ट्रांसोनिक और पराध्वनिक  गति पर उच्च प्रदर्शन वाले विमानों की गतिशीलता में सुधार करने के लिए वायुगतिकीय रूप से मुड़ने वाले लचीले पंखों की क्षमता की जांच करने के लिए X-53 सक्रिय एयरोइलास्टिक विंग दो-चरण नासा-संयुक्त राज्य वायु सेना उड़ान अनुसंधान कार्यक्रम का विवरण देते हैं। एलेरॉन और लीडिंग-एज फ्लैप के रूप में मोड़ को प्रेरित करने के लिए उपयोग किया जाता है।

उल्लेखनीय एयरोइलास्टिक विफलताएँ

 * मूल टैकोमा नैरो ब्रिज (1940) एयरोइलास्टिक स्पंदन के परिणामस्वरूप नष्ट हो गया था। *ब्रैनिफ़ फ़्लाइट 542 पर लॉकहीड एल-188 इलेक्ट्रा का प्रोपेलर 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.

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