Aerodynamic and Ballistic Analysis of a 155 mm Rocket-Assisted Projectile
تستخدم هذه الدراسة عمليات محاكاة ديناميكا السوائل الحسابية (CFD) والنمذجة البالستية المعتمدة لإثبات أن سحابة عادم قذيفة بقطر 155 ملم المعززة بالصواريخ تغير بشكل كبير ديناميكا تدفق القاعدة، مما يزيد من السحب بنسبة تصل إلى 90% ويقلل المدى الأقصى بنحو 720 متراً، وبالتالي توفر إطار عمل لتحسين أنظمة الدفع لتعزيز أداء المدفعية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أنك تحاول رمي حجر ثقيل لأبعد مسافة ممكنة. أنت تعلم أنه إذا رميته بقوة مفرطة، فإن الهواء سيدفع للخلف ضد الحجر، مما يبطئ حركته. هذا الدفع الخلفي يسمى "السحب" (drag)، وهو العدو الخفي لكل ما يحاول الطيران بسرعة. الآن، تخيل لو استطعت ربط صاروخ صغير وقوي في خلفية ذلك الحجر لمنحه "نفسًا ثانيًا" في منتصف الجو. هذه هي الفكرة وراء "المقذوف المعزز بالصاروخ" (RAP). الأمر يشبه منح عداءٍ حقيبة نفاثة (jetpack) في منتصف السباق. لكن الجزء الصعب هنا هو أنه عندما يعمل ذلك الصاروخ، فإنه يطلق سحابة ساخنة وفوضوية من الغاز تسمى "سحابة العادم" (exhaust plume). هذه السحابة لا تدفع الحجر للأمام فحسب؛ بل إنها تعبث أيضًا بالهواء الذي يدور حول خلفية الحجر. الأمر يشبه محاولة الركض عبر حشد بينما يقوم شخص ما بالنفخ بمروحة ضخمة وفوضوية خلف رأسك مباشرة. السؤال الكبير الذي يواجه العلماء هو: هل تساعد سحابة الهواء الفوضوية هذه الصاروخ على الذهاب لمسافة أبعد، أم أنها تجعل الهواء يدفع للخلف بقوة أكبر، مما يبطئ الحركة بأكملها؟
يتعمق هذا البحث في هذا اللغز تحديدًا باستخدام قذيفة مدفعية من عيار 155 ملم، وهي نوع من كرات المدافع الكبيرة المستخدمة في الجيوش. أراد الباحثون، الذين يعملون في المعهد العسكري للهندسة في البرازيل، معرفة ما يحدث عندما يطلقون قذيفة معززة بالصاروخ بسرعات تفوق سرعة الصوت (supersonic). لم يكتفوا بإطلاق قذائف حقيقية؛ بل قاموا ببناء عالم افتراضي فائق التفصيل داخل الكمبيوتر. استخدموا طريقة تسمى "ديناميكا الموائع الحسابية" (CFD)، وهي في الأساس طريقة تقنية عالية لمحاكاة كيفية تدفق الهواء حول الأجسام، لمراقبة كيفية تفاعل سحابة عادم الصاروخ مع الهواء سريع الحركة. قارنوا بين قذيفة يعمل فيها الصاروخ وأخرى لا يعمل فيها، وتحققوا من كيفية تغير ضغط الهواء عند خلفية القذيفة، ومدى مقدار "السحب" (مقاومة الهواء) الذي نتج عن ذلك. ثم أدخلوا هذه الأرقام في حاسبة باليستية لمعرفة المسافة التي ستطيرها القذيفة فعليًا في الحياة الواقعية.
إليك المنعطف المفاجئ الذي وجدته الورقة البحثية: عادم الصاروخ، الذي من المفترض أن يكون البطل الذي يدفع القذيفة لمسافة أبعد، يخلق في الواقع تأثيرًا جانبيًا شريرًا. فعندما يعمل الصاروخ، تغير سحابة العادم الساخنة الطريقة التي يدور بها الهواء خلف القذيفة. فبدلاً من وجود أثر (wake) سلس وهادئ، تخلق السحابة فوضى مضطربة وأكثر تكتلًا تزيد من مقاومة الهواء بشكل كبير. في عمليات المحاكاة، وجد الباحثون أنه عندما يعمل الصاروخ، يزداد السحب الديناميكي الهوائي بنسبة تتراوح بين 70% إلى 90% مقارنة بحالة عدم عمل الصاروخ، خاصة عند السرعات المنخفضة (بين ماخ 0.7 و1.0). ومع زيادة سرعة القذيفة (وصولاً إلى ماخ 2.5)، يصبح هذا السحب الإضافي أقل مشكلة، لكنه يظل موجودًا.
فكر في الأمر على هذا النحو: محرك الصاروخ يشبه صديقًا قويًا يدفعك من الخلف، لكن سحابة العادم تشبه ذلك الصديق الذي يتعثر دون قصد في أربطة حذائك، مما يخلق سحبًا هائلاً على قدميك. الدفع جيد، لكن التعثر سيء. توضح الورقة أن هذا "التعثر" حقيقي ويمكن قياسه. وعندما أجرى الباحثون 3,300 محاكاة طيران مختلفة لمعرفة المسافة التي ستقطعها القذيفة، وجدوا أن هذا السحب الإضافي الناتج عن سحابة العادم أدى في الواقع إلى تقصير المسافة القصوى التي يمكن أن تقطعها القذيفة. وبالنسبة لزوايا الإطلاق المثالية، طارت القذيفة مسافة تصل إلى 720 مترًا أقل مما كانت ستطيرها لو لم تعبث سحابة العادم بالهواء بهذا القدر.
كما درست الدراسة "متى" يحدث هذا. فالسحب الإضافي لا يهم إلا أثناء احتراق الصاروخ، وهي فترة قصيرة (حوالي 3 ثوانٍ) في بداية الرحلة. إذا أطلقت القذيفة بزاوية منخفضة، فإنها تصطدم بالأرض قبل أن يعمل الصاروخ حتى، وبالتالي لا يهم العادم. ولكن إذا أطلقتها عالياً في السماء، فإن الصاروخ يحترق بينما لا تزال القذيفة في مرحلة الصعود، وهذا السحب الإضافي يتراكم، ويسرق المسافة من نقطة الهبوط النهائية. لقد كان الباحثون دقيقين للغاية في حساباتهم، حيث تحققوا من نماذج الكمبيوتر الخاصة بهم مقابل بيانات معروفة للتأكد من دقة عمليات المحاكاة. ووجدوا أن نماذج الكمبيوتر لديهم موثوقة، مع أخطاء صغيرة جدًا، لذا فهم واثقون من أن هذا "جزاء العادم" (exhaust penalty) هو ظاهرة فيزيائية حقيقية، وليس مجرد خلل في الكود البرمجي.
إذًا، ما هي الخلاصة؟ إذا كنت تصمم قذيفة معززة بالصاروخ، فلا يمكنك فقط النظر إلى مقدار الدفع الذي يولده الصاروخ. يجب عليك أيضًا النظر إلى السحابة الساخنة والفوضوية التي يتركها خلفه. هذه السحابة تغير ضغط الهواء عند خلفية القذيفة، مما يجعل اختراقها للسماء أكثر صعوبة. تشير الورقة البحثية إلى أن تجاهل هذا التأثير سيجعلك تعتقد أن قذيفتك ستطير لمسافة أبعد مما ستفعله في الواقع. ومن خلال فهم هذا التفاعل، يمكن للمهندسين تعديل فوهة الصاروخ أو توقيت الاشتعال لمحاولة تقليل جزاء السحب هذا، مما يساعد هذه القذائف عالية التقنية على الوصول إلى إمكاناتها الحقيقية. إنه تذكير بأنه في عالم الطيران عالي السرعة، حتى الأشياء التي تدفعك للأمام يمكنها أحيانًا أن تسبب لك بعض المتاعب في طريقك.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.