پروپیلر تھرسٹ ٹیسٹ اسٹینڈز اور ایڈوانس ریشو

تقریباً ہر یو اے وی (UAV) پروگرام پروپلشن ٹیسٹنگ کا آغاز ایک ہی طرح سے کرتا ہے: ایک موٹر اور پروپیلر جسے بینچ اسٹینڈ پر بولٹ کیا گیا ہو، ایک لوڈ سیل، ایک ٹیکو میٹر، اور تھروٹل کے مقابلے میں تھرسٹ کا ایک ٹیبل۔

یہ ایک مفید ٹیبل ہے۔ یہ پرواز کی ایک ایسی حالت کا ٹیبل بھی ہے جس میں ہوائی جہاز تقریباً بالکل وقت نہیں گزارتا — اور اس سے انڈیورنس، رینج یا کلائمب کے نتائج اخذ کرنا وہ مقام ہے جہاں بہت سے پروگرامز اپنے مہینوں ضائع کر دیتے ہیں۔

1. جامد تھرسٹ (Static thrust) ایک منحنی خط پر صرف ایک نقطہ ہے

ساکت ہوا میں ایک پروپیلر زیرو ایڈوانس ریشو پر کام کر رہا ہوتا ہے۔ ایڈوانس ریشو، جسے عام طور پر J لکھا جاتا ہے، ہوائی جہاز کی آگے بڑھنے کی رفتار کا پروپیلر کی گھومنے کی رفتار اور قطر سے تعلق جوڑتا ہے۔ ہوور (Hover) J = 0 پر ہوتا ہے۔ ٹیک آف اور کلائمب کم J پر ہوتے ہیں۔ کروز (Cruise) منحنی خط پر کافی اوپر ہوتا ہے۔

جیسے جیسے J تبدیل ہوتا ہے، پروپیلر کا تھرسٹ کوایفیشنٹ، پاور کوایفیشنٹ اور کارکردگی سب تبدیل ہوتے ہیں — اور وہ بھی تیزی سے۔ پروپلشن سسٹمز اکثر پرواز کے مقابلے میں جامد ٹیسٹوں میں بالکل مختلف برتاؤ کرتے ہیں، یہی وجہ ہے کہ ان-فلو (in-flow) ٹیسٹنگ کو سنجیدہ ڈرون ڈیولپمنٹ میں ایک اختیاری بہتری کے بجائے ایک لازمی قدم سمجھا جاتا ہے۔ شائع شدہ ونڈ ٹنل کے کام کی رپورٹس کے مطابق، جب ایڈوانس ریشو صفر نہ ہو تو ٹیسٹ کیے گئے سب سے کم اور سب سے زیادہ آر پی ایم (RPM) کے درمیان کارکردگی میں تقریباً 10% تک کا فرق ہوتا ہے۔

اس کا عملی نتیجہ: وہ پروپیلر جو بینچ پر کامیاب ہوتا ہے وہ کروز میں ناکام ہو سکتا ہے، اور جو جوڑا آپ بالآخر بھیجتے ہیں وہ اکثر وہ جوڑا نہیں ہوتا جس نے بہترین جامد نمبر دیا ہو۔

2. ایک مناسب پروپلشن ٹیسٹ کیا ناپتا ہے

ونڈ ٹنل کے اندر نصب ایک ٹیسٹ اسٹینڈ آپ کو ایک نقطے کے بجائے مکمل نقشہ فراہم کرتا ہے۔ عام طور پر دو قسم کی مہمات چلائی جاتی ہیں:

جامد کارکردگی (Static performance) — صفر ایئر اسپیڈ پر آر پی ایم (RPM) کی پوری رینج میں تھرسٹ اور ٹارک کی پیمائش۔ یہ حوالہ (reference) اور ہوور کی صورتحال ہے۔

ایڈوانسنگ فلو کارکردگی (Advancing flow performance) — آر پی ایم کو ایک مقررہ قدر پر سیٹ کیا جاتا ہے، ٹنل کی رفتار کو مرحلہ وار بڑھایا جاتا ہے، اور ہر مقام پر تھرسٹ اور ٹارک ریکارڈ کیا جاتا ہے۔ اسے کئی آر پی ایم سیٹنگز کے لیے دہرایا جاتا ہے۔ اس سے آپ ایڈوانس ریشو کے مقابلے میں کوایفیشنٹ آف تھرسٹ، کوایفیشنٹ آف پاور اور کارکردگی کے منحنی خطوط (curves) بناتے ہیں — جن کی کسی بھی حقیقی کارکردگی کے حساب کتاب کو ضرورت ہوتی ہے۔

بیک وقت ناپے جانے والے عوامل: تھرسٹ، ٹارک، گھومنے کی رفتار، الیکٹریکل پاور اِن (وولٹیج اور کرنٹ)، اور ٹنل کی ریفرنس اسپیڈ۔ الیکٹریکل ان پٹ کی پیمائش کے بغیر کارکردگی آپ کو پروپیلر کے بارے میں بتاتی ہے؛ اس کے ساتھ، آپ پوری پروپلشن چین کے بارے میں جان پاتے ہیں، جو دراصل انڈیورنس کا تعین کرتی ہے۔

3. وہ تصحیحات (corrections) جن کا ڈیٹا شیٹ میں کوئی ذکر نہیں کرتا

ایک ٹنل میں پروپیلر کے ڈیٹا کو دو اثرات آلودہ کرتے ہیں، اور دونوں کے مستند حل موجود ہیں:

بلاکیج (Blockage)۔ ٹیسٹ سیکشن کے مقابلے میں پروپیلر کوئی چھوٹی چیز نہیں ہے، اور یہ اپنے اندر سے بہاؤ کو تیز کرتا ہے۔ پروپیلر بلاکیج کے لیے کلاسیکی تصحیحات Glauert (1926) کے دور سے چلی آ رہی ہیں اور آج بھی معمول کے استعمال میں ہیں۔

ڈسک پر مقامی رفتار (Local velocity at the disc)۔ چونکہ ایک پروپیلر کو عام طور پر فیئرنگ (fairing) کے آگے ایک اسٹنگ (sting) پر ٹیسٹ کیا جاتا ہے، اس لیے بلیڈز کو درحقیقت جو رفتار ملتی ہے وہ ٹیسٹ سیکشن کے داخلی راستے پر ناپی گئی رفتار سے کم ہوتی ہے، اس لیے ایک ویلوسٹی کریکشن فیکٹر لاگو کرنا پڑتا ہے۔

ان میں سے کسی ایک کو بھی چھوڑ دیں تو آپ کا کارکردگی کا منحنی خط اس حد تک پرامید ہو جائے گا کہ اس کی حقیقت صرف فلائٹ ٹیسٹ میں ہی سامنے آئے گی، جب ہوائی جہاز اپنا انڈیورنس نمبر حاصل کرنے میں ناکام ہو جائے گا۔

4. بینچ اسٹینڈ یا ونڈ ٹنل؟

سوال	بینچ اسٹینڈ	ونڈ ٹنل میں اسٹینڈ
ہوور تھرسٹ اور آر پی ایم سویپ	ہاں	ہاں
موٹر اور ای ایس سی (ESC) کی تھرمل حدود	ہاں	ہاں
کروز پر کارکردگی	نہیں	ہاں
کلائمب اسپیڈ پر دستیاب تھرسٹ	نہیں	ہاں
حقیقی مشن کے لیے پروپیلر کا موازنہ	گمراہ کن	ہاں
روٹر-روٹر اور روٹر-ایئرفریم کا تعامل	نہیں	ہاں ، گاڑی نصب ہونے کے ساتھ
شور بمقابلہ تھرسٹ کا تبادلہ	نہیں	ہاں ، ایک ٹریٹڈ سیکشن میں

بینچ اسٹینڈ بیکار نہیں ہو جاتا — یہ انڈیورنس رنز، تھرمل سوک، اور پرزوں کی اسکریننگ کے لیے صحیح ٹول رہتا ہے۔ یہ محض ان سوالات کے جواب نہیں دے سکتا جو رینج کا تعین کرتے ہیں۔

5. یہ ایک تنصیب (facility) سے کیا تقاضا کرتا ہے

اگر پروپلشن ٹیسٹنگ ایک بنیادی استعمال کا کیس ہے، تو ٹنل کی خصوصیات مخصوص طریقوں سے تبدیل ہوتی ہیں:

کم رفتار کا معیار اور استحکام۔ ایڈوانس ریشو منحنی خط کا دلچسپ حصہ صفر کے قریب شروع ہوتا ہے، جہاں یکساں کم رفتار والا بہاؤ پیدا کرنا سب سے مشکل ہوتا ہے۔
سیکشن کا سائز بمقابلہ ڈسک کا قطر۔ بلاکیج کی حدود اس سب سے بڑے پروپیلر کا تعین کرتی ہیں جسے آپ قابل اعتماد طریقے سے ٹیسٹ کر سکتے ہیں؛ یہ وہ نمبر ہے جو اکثر پروجیکٹ کے آخری مراحل میں سیکشن کے سائز کو تبدیل کرنے پر مجبور کرتا ہے۔
ایک مضبوط، درست طریقے سے ہم آہنگ ماؤنٹ۔ تھرسٹ اور ٹارک کی پیمائش صرف اتنی ہی درست ہوتی ہے جتنا کہ موٹر کو سنبھالنے والا اسٹرکچر، اور اسٹنگ میں پیدا ہونے والی گونج (resonance) آپ کے ڈیٹا میں شور کے طور پر ظاہر ہوگی۔
ماڈل پر الیکٹریکل انفراسٹرکچر۔ ہائی کرنٹ سپلائی، بیٹری کی محفوظ ہینڈلنگ، اور ایسی اِنسترومنٹیشن جو اسے برداشت کر سکے۔
ہم آہنگ حصول (Synchronised acquisition)۔ مکینیکل، الیکٹریکل اور فلو ڈیٹا ایک ہی ٹائم بیس پر — بصورت دیگر کارکردگی صرف ایک تخمینہ ہے، پیمائش نہیں۔
اختیاری اکوسٹک صلاحیت۔ تھرسٹ فی واٹ اور شور فی تھرسٹ وہ دو منحنی خطوط ہیں جو یہ فیصلہ کرتے ہیں کہ آیا کوئی ڈیزائن سرٹیفائی ہونے کے قابل ہے یا نہیں، اس لیے بیلنس کے ساتھ مائیکروفون کی صف کو بعد میں ریٹروفِٹ کرنے کے بجائے شروع میں ہی متعین کرنا بہتر ہے۔

6. پانچ غلطیاں

جامد تھرسٹ کے ذریعے پروپیلرز کا موازنہ کرنا۔ ایڈوانس ریشو کے ساتھ درجہ بندی بدل جاتی ہے۔
بلاکیج اور ویلوسٹی کریکشنز کو نظر انداز کرنا۔ دونوں کارکردگی کو بڑھا چڑھا کر پیش کرتے ہیں۔
الیکٹریکل پاور کے بغیر تھرسٹ کی پیمائش کرنا۔ پھر انڈیورنس کی پیشین گوئیاں محض اندازے ہوتی ہیں۔
صرف ایک آر پی ایم (RPM) کی ٹیسٹنگ۔ کارکردگی کے نقشوں کے لیے کئی آر پی ایم درکار ہوتے ہیں۔
صرف پروپیلر کو ٹیسٹ کرنا اور یہ توقع کرنا کہ گاڑی اس سے مطابقت رکھے گی۔ تعامل کے اثرات حقیقی ہوتے ہیں اور بڑے ہو سکتے ہیں۔

7. صلاحیت کی تعمیر

پروپلشن کی پیمائش ایک درمیانے درجے کی ٹنل کے سب سے قیمتی استعمالات میں سے ایک ہے: سیکشن چھوٹا ہو سکتا ہے، رفتار کم ہو سکتی ہے، اور ہوائی جہاز کی کارکردگی میں اس کا فائدہ فوری ملتا ہے۔ یہ ان-ہاؤس ٹیسٹ انفراسٹرکچر بنانے والے یو اے وی (UAV) مینوفیکچرر کے لیے ایک فطری ابتدائی صلاحیت بھی ہے۔

ہم بالکل اسی قسم کے پروگرام کے لیے ٹنلز اور ٹیسٹ سیکشنز ڈیزائن کرتے ہیں، جس میں ماؤنٹنگ، اِنسترومنٹیشن اور الیکٹریکل فراہمی کی منصوبہ بندی ایروڈائنامک تصور سے ہی کی جاتی ہے۔ متعلقہ مطالعہ:

فین ایرے ونڈ جنریٹرز بمقابلہ بند سرکٹ ونڈ ٹنلز

اور

اربن ایئر موبیلٹی کے لیے ونڈ ٹنل ٹیسٹنگ

ہمیں اپنے پروپیلر کے سائز اور رفتار کی رینج بتائیں اور ہم آپ کو ایک سیکشن اور اِنسترومنٹیشن سیٹ تجویز کریں گے۔

ذرائع اور نوٹس

ونڈ ٹنلز کے اندر ٹیسٹ اسٹینڈز جو تھرسٹ، ٹارک اور گھومنے کی رفتار ناپتے ہیں؛ آر پی ایم (RPM) پر جامد مہمات اور مرحلہ وار ٹنل کی رفتار کے ساتھ مقررہ آر پی ایم پر ایڈوانسنگ فلو مہمات؛ ایڈوانس ریشو کے مقابلے میں کوایفیشنٹس اور کارکردگی کا پلاٹ؛ غیر صفر ایڈوانس ریشو پر ٹیسٹ کیے گئے سب سے کم اور سب سے زیادہ آر پی ایم کے درمیان کارکردگی میں تقریباً 10% تک کا فرق؛ Glauert (1926) کی بلاکیج کریکشنز اور فیئرنگ کے آگے اسٹنگ پر ٹیسٹ کیے گئے پروپیلر کے لیے ویلوسٹی کریکشن: "Wind Tunnel Study on Drone Propeller Thrust and Efficiency", Unmanned Systems Technology, "Measurement of Static and Dynamic Performance"۔
کم رینالڈز نمبرز (Reynolds numbers) پر پروپیلر کی کارکردگی کے ڈیٹا کا طریقہ کار: Brandt & Selig, AIAA 2011-1255; APC propeller test series, AIAA 2022-4020۔
تھرسٹ اور کارکردگی کے کوایفیشنٹس کی تعریفیں: Tyto Robotics, propeller performance coefficients۔
تنصیب کی رہنمائی (ڈسک کے قطر کے مقابلے میں سیکشن کا سائز، ماؤنٹ کی مضبوطی، ہم آہنگ حصول) TunnelTech کی انجینئرنگ پریکٹس ہے۔

پروپیلر تھرسٹ ٹیسٹ اسٹینڈز: جامد نمبرز کیوں گمراہ کرتے ہیں اور اس کے بجائے کیا ناپنا چاہیے