فیزیک نفوذ در زره: تشکیل جت، فروپاشی آستر و فاصله بهینه در مهمات گود

در ۲۴ ژوئن ۲۰۲۴، محققان دانشگاه مهندسی هاربین (Harbin Engineering University) با انتشار یک مطالعه تجربی جامع در مورد دینامیک جفت‌شدگی زیر آب، محدودیت‌های عملیاتی مهمات گود در محیط‌های سیال را بازتعریف کردند.

این تیم با اندازه‌گیری انتقال انرژی انفجاری از طریق آب، نشان داد که چگونه محیط اطراف، فروپاشی آستر فلزی را تغییر می‌دهد و تمرکز مهندسی مهمات را از بازده انفجاری صرف به کنترل دقیق هندسی معطوف می‌کند. این مطالعه تأکید کرد که محیط خارجی هم به عنوان یک لایه متراکم‌کننده و هم به عنوان یک جذب‌کننده انرژی عمل می‌کند و اساساً شیب سرعت جت حاصله را تغییر می‌دهد.[5]

مکانیسم اصلی مهمات گود، که اغلب به اشتباه به عنوان یک سلاح حرارتی که زره را «ذوب می‌کند» درک می‌شود، کاملاً جنبشی است. هنگامی که ماده منفجره منفجر می‌شود، یک موج فشار بالا با سرعتی در حدود ۸,۰۰۰ متر بر ثانیه به جلو می‌رود.

این موج به یک حفره فلزی توخالی—که معمولاً یک مخروط مسی است—برخورد می‌کند و ماده را مجبور می‌کند در امتداد محور تقارن خود به سمت داخل فرو بریزد. فشار شدید باعث می‌شود فلز جامد به صورت هیدرودینامیکی رفتار کند، یعنی مانند یک سیال جریان یابد بدون اینکه واقعاً به نقطه ذوب خود برسد.[1][6][7]

در طول این فروپاشی، آستر به دو عنصر متمایز تقسیم می‌شود. لایه داخلی مخروط به سمت جلو فشرده شده و «جت» را تشکیل می‌دهد که تا سرعت‌های فوق‌العاده بالا بین ۷,۰۰۰ تا ۱۰,۰۰۰ متر بر ثانیه شتاب می‌گیرد.

در همین حال، لایه بیرونی مخروط، یک توده بسیار متراکم‌تر و کندتر به نام «توده دنباله‌رو» (slug) را تشکیل می‌دهد که با سرعت ۱,۰۰۰ تا ۳,۰۰۰ متر بر ثانیه عقب می‌ماند. جت تنها حدود ۲۰ درصد از جرم آستر را حمل می‌کند، اما اکثریت قریب به اتفاق انرژی جنبشی آن را در اختیار دارد.[2][6][9]

در این سرعت‌های شدید، فیزیک نفوذ از مکانیک جامدات استاندارد فاصله می‌گیرد. فشار ضربه‌ای وارد شده بر زره هدف به ۱۰۰ تا ۲۰۰ گیگاپاسکال می‌رسد. بر اساس نظریه بنیادی هیدرودینامیکی که توسط محققانی چون بیرکوف، مک‌دوگال، پوگ و تیلور در سال ۱۹۴۸ توسعه یافت، «فشار آنقدر بالاست که می‌توان از استحکام فلزات صرف نظر کرد و با آنها مانند سیالات غیرویسکوز رفتار نمود.» جت، مواد زره را به صورت شعاعی کنار می‌زند و در این فرآیند، خود نیز فرسایش می‌یابد و یک سوراخ عمیق و باریک ایجاد می‌کند.[1][8]

برای دستیابی به حداکثر عمق نفوذ، جت نیاز به زمان و فضای فیزیکی دارد تا قبل از برخورد به هدف، کاملاً کشیده و هم‌راستا شود. این فاصله حیاتی به عنوان «فاصله انفجار» (stand-off distance) شناخته می‌شود.

اگر خرج بیش از حد نزدیک به زره منفجر شود، جت به طور کامل شکل نگرفته است؛ اگر بیش از حد دور منفجر شود، شیب سرعت در طول جت باعث می‌شود که فراتر از حد انعطاف‌پذیری خود کشیده شده و به ذرات مجزا تجزیه شود. هنگامی که جت تجزیه شد، ذرات منفرد به صورت نامنظم به زره برخورد می‌کنند و نفوذ را به شدت کاهش می‌دهند.[4][6]

آزمایش‌های تجربی تأیید می‌کنند که فاصله انفجار بهینه برای یک آستر مخروطی مسی استاندارد، معمولاً ۳ تا ۶ برابر قطر خرج (CD) است. در این محدوده، عمق نفوذ در درجه اول توسط جذر نسبت چگالی جت به چگالی هدف تعیین می‌شود. از آنجا که سرعت در معادله اصلی هیدرودینامیکی حذف می‌شود، یک ماده جت متراکم‌تر مانند تانتالیوم، نفوذ عمیق‌تری نسبت به مس خواهد داشت، به شرطی که جت انسجام خود را حفظ کند.[4][8][9]

مدل‌های محاسباتی اخیر شروع به آزمایش اشکال جایگزین آستر برای دستکاری این آستانه تجزیه کرده‌اند. یک مطالعه در سال ۲۰۲۲ که در پایگاه داده PMC منتشر شد، یک مهمات گود با مقطع ذوزنقه‌ای را تجزیه و تحلیل کرد. محققان دریافتند که تغییر زاویه مخروط، شیب سرعت در طول جت را اصلاح می‌کند و خاطرنشان کردند که «شیب سرعت جت، عامل اصلی تعیین‌کننده طول کشیدگی جت است.» هندسه ذوزنقه‌ای جتی با نوک ضخیم‌تر و توزیع سرعت یکنواخت‌تر تولید کرد.[3]

این مصالحه هندسی خاص، سرعت اوج مطلق در نوک را فدای پایداری کلی بیشتر می‌کند. جت ذوزنقه‌ای در فواصل انفجار طولانی‌تر در برابر تجزیه مقاومت می‌کند، که آن را برای دینامیک جفت‌شدگی زیر آب که در آزمایش‌های هاربین ۲۰۲۴ مشاهده شد، بسیار مرتبط می‌سازد. در محیط‌های اتلاف‌کننده مانند آب، که جت به سرعت انرژی خود را از دست می‌دهد، حفظ یک توده منسجم حیاتی‌تر از دستیابی به سرعت‌های اوج ۱۰,۰۰۰ متر بر ثانیه است که در آزمایش‌های جوی مشاهده می‌شود.[3][5][9]

در حالی که مدل سیال به طور دقیق نفوذ اولیه را پیش‌بینی می‌کند، اما نمی‌تواند اثرات ثانویه استحکام هدف را در مراحل نهایی عمر جت در نظر بگیرد. هنگامی که جت فرسایش می‌یابد و سرعت آن به زیر ۲,۰۰۰ متر بر ثانیه کاهش می‌یابد، فرض هیدرودینامیکی از بین می‌رود. استحکام تسلیم مواد زره شروع به مقاومت در برابر جریان می‌کند و در نهایت نفوذ را به طور کامل متوقف می‌سازد. این آستانه‌ای است که زره‌های کامپوزیت پیشرفته و کاشی‌های واکنشی مکانیسم‌های دفاعی خود را بر آن متمرکز می‌کنند.[1][7]

ادغام این یافته‌ها نشان‌دهنده یک تغییر ساختاری در طراحی مهمات است. مهندسان در حال دور شدن از صرفاً افزایش جرم مواد منفجره هستند و در عوض، هندسه و مواد آستر را برای محیط‌های عملیاتی خاص بهینه می‌کنند. نقطه عطف قابل تأیید بعدی برای این فناوری، ادغام آسترهای ذوزنقه‌ای و با ضخامت متغیر در نسل بعدی مهمات آبی-خاکی خواهد بود تا آزمایش شود که آیا مزایای پایداری نظری در برابر زره‌های کامپوزیت غیرنیوتنی مدرن صادق است یا خیر.[5][9]