انرژی جنبشی در برابر انرژی شیمیایی: نفوذگرهای میله‌بلند و خرج‌های گود چگونه زره تانک را می‌شکافند

بقای یک تانک میدان نبرد اصلی مدرن نه در زمان شلیک پرتابه مهاجم تعیین می‌شود و نه در طول طی کردن مسیر، بلکه در میکروثانیه برخورد رقم می‌خورد؛ جایی که علم مواد جای خود را به دینامیک سیالات می‌دهد. در همین نقطه دقیق تماس، فشارهای عظیم تولید شده توسط سلاح‌های ضدتانک، زره فولادی جامد را وادار می‌کند تا مانند یک مایع رفتار کند و زنده ماندن یا کشته شدن خدمه را دیکته می‌کند. درک چگونگی تعیین این نتیجه نیازمند بررسی دو سازوکار کاملاً متفاوتی است که ارتش‌ها برای دستیابی به آن استفاده می‌کنند: انرژی شیمیایی یک خرج گود (HEAT) و انرژی جنبشی یک نفوذگر میله‌بلند (APFSDS).[7]

پرتابه ضدتانک شدیدالانفجار (HEAT) بر اثر مونرو متکی است؛ پدیده‌ای که در آن انرژی انفجاری در یک نقطه متمرکز می‌شود. در داخل کلاهک، یک خرج انفجاری مخروطی وارونه را احاطه کرده است که با یک فلز شکل‌پذیر، معمولاً مس، آسترکشی شده است. هنگامی که چاشنی عمل می‌کند، موج انفجار مخروط را به سمت جلو هل نمی‌دهد؛ بلکه مخروط را در امتداد محور مرکزی‌اش به سمت داخل خرد می‌کند.[1][5]

این فروپاشی، آستر مسی را به شکل یک جت فوق‌سریع با سرعتی بیش از ۱۰ کیلومتر بر ثانیه به بیرون می‌راند. یک تصور غلط رایج این است که این جت با ذوب کردن زره راه خود را باز می‌کند. در واقعیت، این سازوکار کاملاً جنبشی است. همان‌طور که ویراستاران مرجع فنی ویکی‌پدیا در این زمینه به صراحت روشن می‌کنند: «اثر نفوذ جت خرج گود در زره ماهیتی کاملاً جنبشی دارد؛ این پرتابه هیچ اثر انفجاری یا آتش‌زایی بر روی زره ندارد.»[5]

فشار اعمال شده توسط جت، که به میلیون‌ها اتمسفر می‌رسد، مس را وارد حالت سوپرپلاستیک می‌کند؛ وضعیتی که در آن با وجود جامد ماندن، مانند یک مایع جریان می‌یابد. هنگامی که این جت به تانک برخورد می‌کند، فشار موضعی بسیار فراتر از استحکام تسلیم ساختاری صفحه زره می‌رود و باعث می‌شود فولاد به صورت هیدرودینامیکی از مسیر کنار برود.[1][2]

عمق نفوذ یک خرج گود در درجه اول توسط هندسه آن، به ویژه قطر مخروط انفجاری، دیکته می‌شود. یک کلاهک HEAT مدرن و دقیق‌ساخت می‌تواند در زره همگن نورد شده (RHA) تا عمقی معادل هفت تا ده برابر قطر خرج (CD) خود نفوذ کند.[5]

برای یک توپ استاندارد ۱۲۰ میلی‌متری تانک، این امر به معنای نفوذ نظری ۸۴۰ تا ۱۲۰۰ میلی‌متر در فولاد جامد است، فارغ از اینکه پرتابه پیش از برخورد چه مسافتی را طی کرده باشد. از آنجا که انرژی از ماده منفجره تامین می‌شود و نه از سرعت گلوله، یک پرتابه HEAT شلیک شده از یک موشک دوش‌پرتاب کُند، به همان اندازه پرتابه‌ای که از لوله پرسرعت یک تانک شلیک می‌شود، مرگبار است.[5]

با این حال، سلاح‌های انرژی شیمیایی یک محدودیت فیزیکی سخت دارند: آن‌ها نمی‌توانند عریض‌تر از لوله‌ای باشند که آن‌ها را شلیک می‌کند یا لوله موشکی که آن‌ها را پرتاب می‌کند. برای غلبه بر آرایه‌های زرهی کامپوزیتی که به طور فزاینده‌ای ضخیم‌تر می‌شوند، بدون ساخت توپ‌های عظیم و غیرعملی، مهندسان به انرژی جنبشی روی آوردند. پرتابه زره‌شکاف تثبیت‌شده با باله با کفشک جداشونده (APFSDS) مواد منفجره را به طور کامل کنار می‌گذارد و به جای آن از یک دارت چگال و تثبیت‌شده با باله استفاده می‌کند که با سرعت‌های بسیار بالا شلیک می‌شود.[6]

برخلاف جت HEAT، یک نفوذگر APFSDS کاملاً به جرم و سرعت خود میله متکی است. هنگامی که دارت با سرعت‌هایی بین ۱۴۰۰ تا ۱۸۰۰ متر بر ثانیه به زره برخورد می‌کند، وارد یک منطقه گذار بین نفوذ صلب و هیدرودینامیک می‌شود. در این سرعت‌ها، هم نفوذگر و هم ماده هدف شروع به نشان دادن رفتاری شبیه به سیالات با خاصیت پلاستیکی بالا می‌کنند.[4][6]

فیزیک این نفوذ سیال دیکته می‌کند که عمق شکافتن زره تقریباً برابر است با طول نفوذگر ضرب در جذر نسبت چگالی نفوذگر به چگالی هدف. از آنجا که اورانیوم ضعیف‌شده (۱۹.۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب) بیش از دو برابر چگال‌تر از فولاد (۷.۸۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب) است، یک نفوذگر میله‌بلند به طور قابل‌توجهی عمیق‌تر از طول خود نفوذ می‌کند.[6]

این واقعیت ریاضی، مسیر تکاملی مهمات مدرن تانک را توضیح می‌دهد. برای برابری با نفوذ ۸۴۰ میلی‌متری در زره RHA توسط یک کلاهک پایه ۱۲۰ میلی‌متری HEAT، یک نفوذگر اورانیوم ضعیف‌شده APFSDS باید حداقل ۵۳۸ میلی‌متر طول داشته باشد. با بهبود زره‌ها، این دارت‌های جنبشی مجبور شده‌اند از طول تقریبی ۴۰۰ میلی‌متر در دهه ۱۹۸۰ به بیش از ۸۰۰ میلی‌متر در نسخه‌های مدرنی مانند M829A3 آمریکایی افزایش یابند.[6][7]

واکنش دفاعی به این دو تهدید، میدان نبرد مدرن را شکل داده است. برای مقابله با جت‌های HEAT، مهندسان زره واکنش‌گر انفجاری (ERA) را توسعه دادند؛ کاست‌هایی از مواد منفجره که بین صفحات فولادی قرار گرفته‌اند و در اثر برخورد منفجر می‌شوند و هندسه جت مسی را پیش از آنکه بتواند به بدنه اصلی نفوذ کند، مختل می‌سازند.[3]

با این حال، غلبه بر یک نفوذگر میله‌بلند جنبشی به مراتب دشوارتر است. از آنجا که دارت APFSDS یک توده جامد از فلز چگال است، نمی‌توان آن را به راحتی با انفجار زره‌های ERA استاندارد مختل کرد. زره‌های واکنش‌گر سنگین مدرن، مانند کنتاکت-۵ یا رلیکت روسیه، از صفحات پرتاب‌شونده ضخیم‌تر و سنگین‌تری استفاده می‌کنند که برای شکستن یا برش فیزیکی میله مهاجم طراحی شده‌اند، اما دفاع اصلی در برابر انرژی جنبشی همچنان آرایه‌های زرهی کامپوزیتی متراکمی است که از سرامیک‌ها و شبکه‌های اورانیوم ضعیف‌شده بهره می‌برند.[3][6]

رقابت مداوم میان زره و ضدزره، یک تقابل پیوسته با قوانین فیزیک است. در شرایطی که نفوذگرهای میله‌بلند به محدودیت‌های فیزیکی طول در بارگذارها و خزانه‌های توپ نزدیک می‌شوند، و خرج‌های گود به حداکثر قطر سیستم‌های تسلیحاتی قابل‌حمل می‌رسند، پیشرفت‌های آینده احتمالاً به مواد نوین و سیستم‌های حفاظت فعال متکی خواهند بود که تهدیدات را پیش از آغاز معادله هیدرودینامیکی رهگیری می‌کنند.[7]