विमानाचे उड्डाण – भाग १ (नियंत्रण)

विमान आकाशात अधांतरी कसे तरंगत राहू शकते या मला वाटणा-या कुतुहलाचे समाधानकारक उत्तर वाचकांचे समोर मांडणे इतक्याच उद्देशाने हा लेख लिहायला सुरुवात केली होती. माणसाने आकाशात उडण्यासाठी कशा प्रकारचे असफल प्रयत्न केले ते थोडक्यात सांगून, राइट बंधूंना या यक्षप्रश्नाचे उत्तर कसे मिळाले ते दाखवायचे होते. परंतु हा शोध घेता घेता अलीबाबाच्या गुहेतील नेत्रदीपक हिरे माणकांच्या राशी पाहून दिपून गेल्यासारखे वाटावे इतकी मनोरंजक नवी माहिती मला मिळाली. ती पाहता थोडा तांत्रिक भाग सांगून अधिक विस्तारपूर्वक लिहायचे ठरवले. विमानाच्या हवेत उड्डाणामागील मूलभूत तत्वे, त्यामधील अडचणी आणि आव्हाने आज ही पूर्वीसारखीच राहिली असली तरी त्यांना सामोरे जाण्यात व त्यांवर मात करण्याच्या पद्धतीत मात्र गेल्या शंभर वर्षांत बराच फरक झाला आहे. विमानांचे नियंत्रण, आकारमान व वेग यामध्ये कशी प्रगती होत गेली याचा थोडक्यात आढावा आता तीन भागात घेण्याचा प्रयत्न करीत आहे.

विमान बनवून उडवण्याचा नाद लागण्यापूर्वी विल्बर आणि ऑर्विल या राइट बंधूद्वयांनी सायकली दुरुस्त करण्यापासून सुरू करून त्याच्या सुधारित आवृत्या तयार करून विकण्यापर्यंत मजल मारली होती. याच काळात विमाने उडवण्याचे जे प्रयोग जगभर सुरू होते त्याच्या बातम्यांकडे त्यांचे लक्ष वेधले गेले. यातील बहुतेक सारी उड्डाणे अयशस्वी होऊन अल्पावधीत खाली कोसळत असत. याची कारणे समजून घेऊन त्यावर उपाय शोधून काढण्याचे आव्हान नजरेसमोर ठेऊन ते या क्षेत्रात उतरले. त्या काळात रेडीमेड विमाने बनवून विकणा-या कंपन्या नव्हत्या. हा छंद जोपासणारे लोक स्वतःच जमवलेली माहिती आणि तीवरून सुचलेल्या कल्पनांनुसार वर्कशॉप्समधून हवी त्या आकाराची विमाने मुद्दाम बनवून घेत. तशाच प्रकारे राइट बंधूंनी अनेक विमाने बनवली, त्यात फेरफार केले, लक्षात आलेल्या चुका सुधारल्या आणि सुचत गेलेल्या सुधारणा अंमलात आणल्या. त्या काळातील विमाने म्हणजे फक्त पोलादाच्या सळ्यांचा एक सांगाडा असायचा. त्याभोवती कापड गुंडाळून त्याचे पंख बनवले जात. उड्डाण जेमतेम कांही मिनिटेच टिकायचे. विमान चालवणारा माणूस या सांगाड्यालाच धरून तेवढा काळ तिथे बसायचा किंवा त्यावर आडवा पडायचा.
 
त्या काळची बहुतेक सर्व विमाने जमीनीवरून हवेत उड्डाण केल्यानंतर इकडे तिकडे भरकटत जाऊन अखेर खाली कोसळत. सायकल चालवायला न शिकलेला माणूस कसा तोल जाऊन अचानकपणे खाली पडतो या गोष्टीबरोबर याचे खूप साम्य आहे असे राइट बंधूंच्या लक्षात आले व विमान उडत असतांना त्याचा तोल कसा सांवरला पाहिजे याचा विचार ते करू लागले. विमानाच्या रचनेत त्यांनी इतर अनेक क्रांतिकारक सुधारणा केल्या असल्या तरी आभाळात उडत असतांना विमानाचा तोल सांवरण्यायाठी त्यांनी केलेल्या उपाययोजना ही त्यांनी जगाला दिलेली सर्वात महत्वाची देण आहे. तीन चाकाच्या सायकली किंवा रिक्शा व त्याहून मोठी सारी वाहने यांचा गुरुत्वमध्य त्यांची चाके जेथे जमीनीला टेकलेली असतात त्या बिंदूंना जोडून बनणा-या त्रिकोण किंवा चौकोन या आकृत्यांच्या आत असतो यामुळे ती वाहने  जमीनीवर स्थिर उभी राहतात. कोठल्याही कारणाने हा गुरुत्वमध्य चाकांच्या बाहेर गेला की ते वाहन त्या बाजूला कलंडून उलटते. दुचाकीचा गुरुत्वमध्य त्याच्या दोन चाकांना जोडणा-या एका सरळ रेषेत नेमका आणणे शक्य नसते. त्यामुळे ती स्थिर उभी राहू शकत नाही आणि ती चालवतांना डाव्या किंवा उजव्या बाजूला कलंडू नये म्हणून ती चालवणा-या माणसाला सतत डाव्या किंवा उजव्या बाजूला झुकून तिचा तोल सांवरावा लागतो. एक चाकी सायकलीवर कसरत करणारा सर्कशीतील कलाकार चारी बाजूने आपला तोल सांवरतो कारण ती जमीनीला एकाच बिंदूवर टेकलेली असते. विमान तर जमीनीला कुठे टेकलेलेच नसते, त्याचा कसला तोल सांवरायचा असा प्रश्न कदाचित पडेल.

आकाशात अधांतरी उडणारे विमान तीन प्रकारे स्वतःभोवती फिरू शकते. यांना ‘रोल’, ‘पिच’ व ‘यॉ’ अशी नांवे दिली आहेत. आपण गादीवर झोपून डाव्या उजव्या कुशीवर वळत लोळतो तसे विमानाच्या एका बाजूचा पंख खाली आणि दुसरा वर गेला तर ते रोल झाले. विमानाच्या समोरील डोके खाली किंवा वर आणि मागील शेपूट त्याच्या विरुद्ध जाण्याला पिच म्हणतात. मोटारीचे स्टिअरिंग फिरवल्यासारखे एकाच आडव्या पातळीत राहून घड्याळाच्या कांट्याप्रमाणे फिरणे हे यॉ झाले. विमानाचे सारेच भाग त्यांच्या वजनांच्या प्रमाणात गुरुत्वाकर्षणामुळे जमीनीकडे खाली ओढले जात असतात. गुरुत्वाकर्षणाचा सारा जोर विमानाच्या गुरुत्वमध्यावर लावला जातो असे तांत्रिकदृष्ट्या समजता येते व नेमका त्या ठिकाणी आधार दिल्यास ते तोलले जाईल. प्रत्यक्षात विमानाला वर उचलणारी लिफ्ट मुख्यतः दोन्ही पंखामधून मिळते. कांही कारणामुळे एका पंखाला जास्त लिफ्ट मिळाली तर तो वर उचलला जाईल व दुसरा खाली जाईल, तसेच जर विमानाचा गुरुत्वमध्य बरोबर मधोमध नसला, एक बाजू थोडी जड असेल तर विमान त्या बाजूला कलेल. या दोन्ही कारणाने ते रोल होईल. तशाच प्रकारचा असमतोल येण्याने ते पुढे किंवा मागे झुकून पिच करेल. वाहता वारा किंवा हवेचा प्रतिकार यामुळे ते यॉ होऊन त्याची दिशा बदलेल. विमानाची बांधणी करतांना सिमेट्री साधून शक्य तितका समतोल साधण्याचा प्रयत्न केला जातो. तरीही हवेत उडल्यावर त्यावरील लिफ्ट व ड्रॅग यामध्ये बदल होतच असतात. शिवाय विमानाचे कांही प्रमाणात कलणे त्याच्या उड्डाणासाठी आवश्यक सुद्धा असते. जमीनीवरून हवेत झेप घेतांना विमानाचे समोरील नाक वर करणे आवश्यक असते आणि खाली उतरतांना तोंडघशी पडणे टाळण्यासाठी तसेच करणे शहाणपणाचे असते. विमानाला त्याच्या सुनिश्चित मार्गावरून क्रमण करण्यासाठी त्याला डाव्या उजव्या बाजूला वळणे भागच आहे व कोणतेही वळण घेतांना विमान विरुद्ध बाजूला उचलले जाऊन रोल होणारच. यामुळे तीन्ही बाजूंना कलंडणे हा विमानाच्या उडण्याच्या क्रियेचा एक अविभाज्य भाग आहे. ते टाळता येणार नाही.

सुरुवातीच्या काळात जमीनीवरून कांही मीटर उंचावर उडणे याचेच मोठे अप्रूप होते आणि शंभर दोनशे मीटर उडल्यानंतर त्या परिसरात कुठेही व कसेही खाली पडण्याची त्या साहसी वीरांच्या मनाची तयारी असायची. त्यामुळे आभाळात गेल्यावर अधांतरी झालेले विमान इतस्ततः भरकटणार हे गृहीतच धरलेले असायचे. राइट बंधूंनी मात्र वेगळा विचार करून हे सर्व बदलायचे असे ठरवले. रोल, पिच व यॉ या क्रिया कशामुळे होतात याचा अभ्यास करून त्यांवर नियंत्रण ठेवायचे असेल तर त्या आपल्याला पाहिजे तशा घडवून आणाव्या लागतील हे पाहिले. सायकलवर बसलेला माणूस स्वतःच्या शरीराची हालचाल करून हँडलच्या आधारे जसा आपला व सायकलचा तोल सांभाळतो, पॅडल मारून वेग वाढवतो, ब्रेक लावून तो कमी करतो, तशाच प्रकारे विमान चालवणा-या माणसाला आवश्यक त्या सर्व कृती स्वतः कशा नियंत्रित करता येतील याचा विचार त्यांनी केला. विमानाच्या चारी बाजूला हवाच हवा असल्याने हे सर्व काम हवेकडूनच करवून घेणे आवश्यक आहे हे ही त्यांनी जाणले. यासाठी हवेकडून लिफ्ट आणि ड्रॅग या प्रतिक्रिया कशा होतात हे थोडे समजून घेतले पाहिजे.

भाकरी भाजण्यासाठी वापरतो तसा एक खोलगट तवा घेऊन त्याच्या कडेवरून एक गोटी घरंगळत सोडली तर ती गुरुत्वाकर्षणाने गडगडत खाली जाईल, पण तव्याच्या मध्यभागी पोचेपर्यंत तिला वेग आलेला असल्यामुळे तेथे गेल्यावर तेथेच न थांबता आधी विरुद्ध बाजूला थोडी वर चढेल. सुरुवातीलाच तिला टिचकी मारून वेग दिला तर ती तव्याच्या दुस-या कडेपर्यंत वर चढून तेथून हवेत झेपावेल. याचा अर्थ आपण जरी तिला टिचकी मारून खाली ढकलले असले तरी तव्याच्या आकाराप्रमाणे दिशा बदलून ती वेगळ्या दिशेने तवा सोडेल. कांचेच्या गोटीऐवजी आपण एका नलिकेतून तव्यावर त्याच्या पृष्ठभागालगत हवेचा झोत सोडला तर तो आपल्या डोळ्याला दिसणार नाही पण त्यावर कागदाचे कपटे किंवा भुश्याचे कण टाकले तर ते सुद्धा असेच विरुद्ध बाजूने हवेत वर उडतांना दिसतील. फक्त तिकडे जाईपर्यंत हवेचा प्रवाह थोडा पसरलेला व संथ झालेला दिसेल. एखादा वक्र पृष्ठभाग जेंव्हा वाहत्या हवेच्या मार्गात येतो तेंव्हा हवेचा प्रवाह त्याच्या आकारानुसार वळण घेतो. तिच्या वहनाच्या दिशेत हा जो बदल होतो त्याची प्रतिक्रिया त्या पृष्ठभागावर त्याला काटकोनात जोर लावण्यात होते. विमान पुढे जात असतांना त्याचे वक्राकृति पंख हवेचा मार्ग बदलतात व त्यातून अधिक लिफ्ट निर्माण होते. या क्रियेमध्ये
 वाहणारी हवा व तो पृष्ठभाग यामध्ये जे घर्षण होते त्यामधून ड्रॅग तयार होतो. अशी क्रिया घडवून आणणा-या वस्तूंना एअरोफॉइल म्हणतात. विमानाच्या उडण्यामध्ये त्यांना अनन्यसाधारण महत्व आहे. विमानाच्या पंखाचा आकार एअरोफाइलच्या तंत्राद्वारेच ठरवतात.

राइट बंधूंच्या काळात वैज्ञानिक किंवा तांत्रिक दृष्टीकोनातून एअरोफॉइल्सचा फारसा अभ्यास झालेला नव्हता. पण राइट बंधूंना त्यामागील मूलभूत तत्वांची चांगली जाण होती. त्यांनी आपल्या विमानांच्या पंखांना थोडा बाक आणला, त्यांच्या कडा व कोपरे दुमडले, अशा प्रकारचे अनेक प्रयोग करून पाहिले. या विषयावर छापून आलेली माहिती पुरेशी नसल्याचे ध्यानात आल्यावर त्यांनी स्वतःचे विंड टनेल बनवून घेतले. त्यात हवेचे प्रवाह सोडून व त्याच्या मार्गात वेगवेगळ्या आकारांचे अडथळे घालून त्यांचा एकमेकावर काय प्रभाव पडतो याचे निरीक्षण केले. या प्रयोगातून मिळालेल्या माहितीचा उपयोग करून त्यांनी अनेक त-हेचे पतंग व ग्लाइडर बनवले व त्यांच्या उडण्यात अपेक्षेप्रमाणे फरक पडतो की नाही हे निरखून पाहिले.

या सगळ्या संशोधनाच्या आधारे त्यांनी आपल्या विमानाच्या मुख्य पंखांपासून मिळणारी लिफ्ट तर वाढवलीच पण त्याशिवाय त्याचा तोल सांवरण्याच्या खास उद्देशाने त्याच्या मागच्या व पुढच्या बाजूला वेगवेगळे आडवे आणि उभे पंख लावले. यांना नियंत्रक पृष्ठभाग म्हणता येईल. त्यांना जोडलेल्या तारा ओढून केंव्हाही त्यांचा आकार हवा त्या प्रकारे बदलता येईल अशा प्रकारची या पंखांची रचना होती. हवेत उडल्यानंतर वैमानिकाच्या हातात ही सारी सूत्रे असत. एखादा दांडा वर खाली किंवा मागे पुढे केल्याने आपल्याला पाहिजे त्या डाव्या वा उजव्या बाजूला किंवा मागच्या वा पुढच्या बाजूला बसवलेला पंख वळवून किंवा वाकवून त्यापासून मिळणारी लिफ्ट किंवा होणारा ड्रॅग कमी अधिक करता येत असे. अशा प्रकारे विमानाचा तोल राखून ते समतोल अवस्थेत ठेवणे शक्य झाले.

जसजशी औद्योगिक प्रगति होत गेली तसतसा या मूळ कल्पनेचा विकास होत गेला. आजकाल विमानाच्या मागील टोकावर एक उभा व दोन आडवे पंख असलेला मोठा स्टॅबिलायजर असतो. त्यांमुळे आकाशात उडत असतांना विमानाला स्थिरता येते. वातावरणात घडणा-या छोट्या फरकामुळे निर्माण होणारे तरंग त्यांच्याकडून दाबले जातात. स्टॅबिलायजरच्या तीन्ही पृष्ठभागावर तसेच विमानाच्या दोन्ही मुख्य पंखावर आडव्या उभ्या सरकणा-या किंवा हिंजभोवती फिरणा-या स्लॅट्स व फ्लॅप्स नांवाच्या पट्ट्या असतात. या पट्ट्या मागे पुढे करण्याने विमानाला लिफ्ट देणा-या पृष्ठभागांचे क्षेत्रफळ बदलते त्यामुळे एका बाजूची लिप्ट कमी व दुस-या बाजूची जास्त करता येते. उड्डाणाच्या वेळेस दोन्ही वाढवून आकाशातील ठरलेली उंची गांठल्यावर दोन्ही कमी करता येतात. तसेच योग्य त्या पट्ट्या वर खाली फिरवून हवेला अडथळा आणता येतो किंवा तो कमी करता येतो. मागील बाजूची पट्टी फिरवून दिशेमधील सुधारणा करता येते. हल्लीच्या विमानाचा आकारच मोठा असल्याने या वजनदार पट्ट्या हाताने किंवा साखळीने ओढून हलवणे शक्य नसते. यामुळे हायड्रॉलिक पिस्टन सिलिंडर किंवा मोटरच्या सहाय्याने त्या पाहिजे तेंव्हा पाहिजे तशा सरकवता किंवा फिरवता येतात. त्यासाठी  हायड्रॉलिक सिस्टिम मधील द्रवाचे नियंत्रण करणारी एक वेगळी यंत्रणा असते. त्यातील उपकरणे चालवण्यासाठी एक इलेक्ट्रिकल सिस्टिम असते. हातातील जॉयस्टिकने किंवा पॅनेलवरील बटने दाबून त्यासाठी आवश्यक ते विद्युतसंदेश दिले जातात. विमानाच्या सर्व अत्यंत सूक्ष्म हालचालीची बिनचूक माहिती अनेक प्रकारच्या सेंसर्सने नियंत्रणकक्षाला मिळते. कुठला डिस्टर्बन्स आला तर कोणती पट्टी किती प्रमाणात हलवायची हे सगळे ठरलेले असते. उत्तम प्रशिक्षण घेऊन तरबेज झालेला वैमानिक आपल्या कौशल्यानुसार त्यांचे नियंत्रण करतो. संगणकाच्या विकासानंतर त्याचे बरेचसे काम आपल्याआप होण्याची व्यवस्था झाली. वैमानिकाने फक्त डोळ्यात तेल घालून ते पहात रहायचे व गरज पडल्यास ताबडतोब त्यात हस्तक्षेप करायचा. त्याचेसमोरील पॅनेलवर सर्व माहिती व्यवस्थितपणे सारखी दाखवली जात असते व आवश्यक हालचाली करण्यासाठी पर्यायी बटने दिलेली असतात.

मुलकी वाहतूक करणारी विमाने व सैनिकी कामासाठी लागणारी विमाने जशी वेगळी असतात तशाच त्यांच्या गरजा वेगवेगळ्या प्रकारच्या असतात. प्रवाशांच्या सोयीसाठी प्रवासी विमाने शक्य तितकी स्थिर ठेवली जातात तर आकाशातील युद्धात चपळाईने हालचाली करण्यासाठी किंवा गरजेनुसार मुद्दाम कोलांट्या घेण्यासाठी सैनिकी विमानांना अधिक शक्तिशाली नियंत्रण यंत्रणा बाळगावी लागते. त्यासाठी वेगळ्या प्रकारचे स्टॅबिलायजर आणि इतर नियंत्रक पृष्ठभाग द्यावे लागतात. अग्निबाणांच्या जमान्यात आता लढाऊ विमानांचे महत्व कमी झाले असले तरी छोट्या प्रमाणातील लढायांसाठी त्यांची आवश्यकता अद्याप शिल्लक आहेच.

विमानांचा वाढता आकार व वेग यांचा आढावा पुढील भागांत घेऊ.
                                         (क्रमशः)

प्रतिक्रिया व्यक्त करा

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  बदला )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  बदला )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  बदला )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  बदला )

Connecting to %s

%d bloggers like this: