Geometric Optimization and Penetration Performance of Explosively Formed Projectiles

في عالم الدفاع الحديث، يوجد نوع محدد من الأسلحة المصممة لاختراق الدروع الثقيلة من مسافة آمنة. وبخلاف الشحنات المشكلة التقليدية التي تخلق نفثاً مستمراً من المعدن فائق السخونة لاختراق الفولاذ، تعمل هذه الأسلحة بشكل مختلف؛ فهي تستخدم انفجاراً محكماً لقلب كوب معدني مجوف إلى الداخل، محولة إياه إلى مقذوف واحد صلب وعالي السرعة. هذا المقذوف، المعروف باسم "المقذوف المتشكل انفجارياً"، يطير نحو هدفه بسرعات هائلة، معتمداً على الطاقة الحركية الصرفة لاختراق دفاعات الهدف. وتعتمد فعالية هذا السلاح تماماً على كيفية تشكيل الكوب المعدني قبل إطلاقه؛ فإذا كان المعدن سميكاً جداً، فلن يتمكن الانفجار من تسريعه بالسرعة الكافية، وإذا كان رقيقاً جداً، فقد يتفكك المقذوف قبل أن يصطدم بالهدف. لقد حاول المهندسون طويلاً إيجاد الشكل المثالي، لكن العلاقة بين سمك المعدن وحجم الشحنة الانفجارية والسرعة النهائية للمقذوف هي علاقة معقدة وغير متوقعة، حيث يؤدي تغيير جزء واحد من التصميم غالباً إلى الإضرار بجزء آخر من الأداء، مما يجعل من الصعب العثور على أفضل تكوين بمفرده باستخدام أسلوب التجربة والخطأ التقليدي.

لقد تصدى باحث مؤخراً لهذه المشكلة عبر بناء مختبر رقمي متطور لاختبار الآلاف من تنويعات التصميم دون إطلاق رصاصة واحدة. وبدلاً من التخمين، استخدم محاكاة حاسوبية قوية لنمذجة فيزياء الانفجار وطيران المقذوف. بدأ بتدقيق دقة نموذجه الحاسوبي، من خلال إجراء عمليات محاكاة لاختبارات واقعية حيث أطلق مقذوفات فعلية على ألواح فولاذية. وقد تطابقت تنبؤات الحاسوب مع النتائج الفيزيائية بدرجة عالية من الدقة، مما أثبت أن النموذج الرقمي يمكن الوثوق به لاستكشاف أفكار جديدة. ومع امتلاك هذه الأداة الموثوقة، شرع الباحث في البحث عن الهندسة المثلى للبطانة المعدنية والشحنة الانفجارية، حيث ركز على أربعة قياسات رئيسية: ارتفاع البطانة المعدنية، وسمك المعدن عند المركز العلوي، وسمك الحافة، وطول الشحنة الانفجارية.

واجه الباحث تحدياً صعباً لأن أهداف السلاح غالباً ما تتعارض مع بعضها البعض. فلكي يخترق المقذوف الهدف بعمق، يجب أن يتحرك بأقصى سرعة ممكنة، ومع ذلك، فإن جعل المقذوف أسرع غالباً ما يعني جعله أرق وأكثر هشاشة، مما قد يقلل من حجم الثقب الذي يحدثه عند الاصطدام. وعلى العكس من ذلك، فإن التصميم الذي يخلق ثقباً واسعاً ومدمرًا قد يضحي بالكثير من السرعة مقابل اختراق الدروع السميكة. ولحل هذه المعضلة، استخدم الباحث استراتيجية رياضية يمكنها موازنة هذه الاحتياجات المتضاربة؛ حيث أجرى سلسلة من 27 عملية محاكاة حاسوبية مخططة بعناية لرسم خريطة لكيفية تأثير التغييرات في القياسات الأربعة الرئيسية على السرعة النهائية، وحجم الثقب، وعمق الاختراق. سمحت هذه البيانات ببناء خريطة تفصيلية لمجال التصميم، توضح بالضبط أين تحدث المقايضات.

باستخدام هذه الخريطة، طبق خوارزمية حاسوبية متخصصة مصممة لإيجاد أفضل تسوية ممكنة. بحثت هذه الخوارمة عن تصميم يعظم السرعة مع الحفاظ على كتلة كافية لإحداث ثقب كبير واختراق عميق. وكانت النتيجة مجموعة محددة من الأبعاد التي حددها الباحث باعتبارها التكوين المثالي؛ حيث تطلب التصميم الأمثل نسبة ارتفاع للبطانة بلغت 0.231، وسمكاً علوياً قدره 0.03، وسمك حافة قدره 0.012، وطول شحنة قدره 1.21. وعندما اختبر الباحث هذا التصميم الجديد في محاكاته الحاسوبية عالية الدقة، كانت النتائج مذهلة؛ فقد وصل المقذوف الأمثل إلى سرعة نهائية بلغت 2482 متراً في الثانية، وهي سرعة تضعه في نطاق السرعات الفائقة (hypervelocity)، حيث تتغير فيزياء الاصطدام بشكل جذري.

مقارنة بالتصاميم السابقة التي اعتمدت على القواعد الهندسية التقليدية، أظهر هذا التكوين الجديد تحسناً هائلاً؛ إذ كان المقذوف الأمثل أسرع بنسبة 25.2 بالمئة من تصميم ذي بطانة متغيرة السمك، وأسرع بنسبة 32.6 بالمئة من تصميم ذي بطانة موحدة السمك. وبينما كان الثقب الذي أحدثه هذا المقذوف الأسرع أصغر قليلاً في القطر من أوسع الثقوب التي تنتجها التصاميم الأبطأ، إلا أن الزيادة في السرعة سمحت له بالاختراق بعمق أكبر. فقد أظهرت المحاكاة أن المقذوف اخترق مسافة 28 ملم داخل هدف فولاذي، وهو ما يعد مكسباً كبيراً في القدرة القاتلة. ووجد الباحث أنه من خلال ترقيق حافة البطانة المعدنية بعناية مع إبقاء الجزء العلوي أكثر سمكاً قليلاً، يمكنه توجيه الطاقة الانفجارية لتسريع المقذوف بكفاءة أكبر دون التسبب في تفتته أثناء الطيران.

يؤكد هذا العمل أن الطريقة القديمة المتمثلة في تغيير متغير واحد في كل مرة ليست كافية لحل المشكلات المعقدة لتصميم الرؤوس الحربية الحديثة. فمن خلال الجمع بين عمليات المحاكاة الحاسوبية المتقدمة وطرق التصميم الإحصائي والخوارزميات التطورية، تمكن الباحث من التنقل في مشهد من المتطلبات المتضاربة والعثيد على حل قد تغفل عنه البديهة البشرية. وتؤكد الدراسة أن النهج الصارم رياضياً يمكن أن ينجح في إعادة تخصيص الطاقة الحركية لتعظيم قدرة السلاح على اختراق الدروع مع الحفاظ على بصمة ضرر فعالة. وتوفر هذه النتائج مساراً واضحاً للمهندسين الذين يتطلعون لبناء أنظمة دفاعية أكثر فعالية، مما يثبت أن مستقبل اختراق الدروع يكمن في التحسين الدقيق والموجه بالبيانات للهندسة الجيومترية.