Prediction Model for the Dispersion Pattern of Pre-Controlled Fragments from a Multi- Layer Ring Casing

عندما يتم تفجير غلاف أسطواني مملوء بالمتفجرات عالية القدرة من أحد طرفيه، فإن الغلاف المعدني لا يتطاير ببساطة كحشد عشوائي من الحطام، بل إن قوة الانفجار تدفع المعدن نحو الخارج، مما يؤدي إلى تكسيره إلى قطع متميزة تطير بزوايا محددة. هذا السلوك يعد أمراً حاسماً في الأسلحة الحديثة المعروفة باسم الرؤوس الحربية ذات الشظايا المتحكم بها مسبقاً، حيث يعمد المهندسون إلى تشكيل الغلاف عمداً ليتكسر إلى قطع منتظمة ومتوقعة. والهدف من ذلك هو التحكم بدقة في اتجاه وسرعة هذه القطع، لضمان إصابة السلاح لهدفه بأقصى قدر من الفعالية. ومع ذلك، فإن التنبؤ بالمسار الدقيق لهذه الشظايا الطائرة يمثل مشكلة صعبة؛ إذ يخلق الانفجار موجات معقدة من الضغط تنتقل عبر المعدن، وهذه الموجات لا تعمل بالطريقة نفسها عند كل نقطة على طول الأسطوانة. فالضغط يكون في أقوى حالاته بالقرب من النقطة التي يبدأ منها الانفجار، ويضعف عند الطرف البعيد، مما يخلق تدرجاً يدفع الشظايا في اتجاهات مختلفة قليلاً اعتماداً على موقعها. ولعقود من الزمن، استخدم العلماء قواعد رياضية لتخمين هذه الزوايا، لكن هذه القواعد غالباً ما تفشل في مراعاة الطرق الدقيقة التي ينحني بها المعدن ويلتف أثناء طيرانه، مما يؤدي إلى أخطاء كبيرة في التنبؤ.

قام فريق من الباحثين في جامعة نانجينغ للعلوم والتكنولوجيا ومجموعة "شمال هواان" الصناعية بحل هذا اللغز تحديداً لنوع من الرؤوس الحربية المصنوعة من حلقات معدنية متراكمة. وتعد هذه الأغلفة المكونة من حلقات متعددة الطبقات شائعة لأنها رخيصة التصنيع وتنتج شظايا ذات حجم ثابت جداً. أراد الباحثون فهم سبب طيران شظايا هذه الحلقات بالزوايا التي تطير بها، وبناء طريقة جديدة للتنبؤ بهذا السلوك بدقة. بدأوا بإنشاء عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة للانفجار. وباستخدام برامج قوية، قاموا بنمذجة الرأس الحربي كربع أسطوانة، مع ملئها بمادة متفجرة وإحاطتها بالهواء. واختبروا واحد وعشرين نسخة مختلفة من الرأس الحربي، مع تغيير طول الأسطوانة، وارتفاع الحلقات الفردية، وعمق الأخاديد المحفورة في المعدن، وحتى نوع المتفجرات المستخدمة. ومن خلال مراقبة هذه الانفجارات الافتراضية وهي تتكشف، تمكنوا من تتبع سرعة واتجاه كل شظية وهي تولد وتطير نحو الخارج.

كشفت عمليات المحاكاة عن نمط واضح أغفلته النظريات القائمة؛ فالشظايا لا تطير في خط مستقيم بعيداً عن المركز، بل تميل. فبالقرب من الطرف الذي يبدأ منه الانفجار، تميل الشظايا إلى الخلف، متجهة نحو الجزء الخلفي من الرأس الحربي. وبالقرب من الطرف المقابل، تميل إلى الأمام. أما في القسم الأوسط، فهي تطير بشكل مستقيم تقريباً نحو الخارج. يحدث هذا الميل لأن الانفجار يخلق فرقاً في السرعة على طول الأسطوانة؛ فالمعدن في المنتصف يُدفع بقوة أكبر ويتحرك بسرعة أكبر من المعدن الموجود عند الأطراف. وبينما تطير الشظية بعيداً، يتسبب هذا الفرق في السرعة بين حافتها العلوية وحافتها السفلية في دورانها، تماماً مثل "البلبل" (الدوامة) الذي يميل أثناء حركته. ووجد الباحثون أن حجم هذا الميل يعتمد بشدة على مدى ارتفاع الحلقات المعدنية الفردية وسرعة انتقال موجة الانفجار عبر نوع المتفجرات المستخدم. ومن المثير للدهشة، اكتشفوا أن مادة الغلاف المعدني، والقطر الإجمالي للرأس الحربي، وعمق الأخاديد المحفورة في المعدن، ليس لها تأثير يذكر على الزاوية التي تطير بها الشظايا. فقد كان الميل مدفوعاً بالكامل تقريباً بفارق السرعة الناتج عن الانفجار نفسه.

ولتحويل هذه الملاحظة إلى أداة مفيدة، طور الفريق نموذج تنبؤ جديداً. فقد أدركوا أن زاوية الشظية هي نتيجة قوتين منفصلتين تعملان معاً: الأولى هي الدفع المباشر من الانفجار، الذي يرسل الشظية نحو الخارج، والثانية هي الميل الناتج عن فرق السرعة على طول الحلقة. ومن خلال قياس الوقت الذي تستغرقه الشظية لتتوقف عن تغيير اتجاهها بعد الانفجار، تمكنوا من حساب مقدار الميل بدقة. وقد استحدثوا مفهوماً أطلقوا عليه "زمن الاستقرار"، وهو اللحظة التي يصبح فيها مسار طيران الشظية ثابتاً. ووجدوا أن هذا الزمن يرتبط ارتباطاً مباشراً بارتفاع الحلقة وسرعة موجة التفجير. وباستخدام هذه العلاقة، ابتكروا صيغة تجمع بين الدفع نحو الخارج والميل للتنبؤ بالزاوية النهائية. وعندما اختبروا هذه الصيغة الجديدة مقابل عمليات المحاكاة الحاسوبية، تطابقت مع النتائج بشكل شبه مثالي، حيث نجحت في رصد المنحنى المعقد حيث تكون الزاوية سالبة عند طرف، وموجبة عند الآخر، وثابتة في المنتصف.

وللتأكد من صحة نماذجهم الحاسوبية، قام الباحثون ببناء رؤوس حربية حقيقية واختبارها في بيئة محكومة. فقد صنعوا نسختين مختلفتين من الرأس الحربي ذي الغلاف الحلقي وفجروهما أمام لوح فولاذي. وباستخدام كاميرات عالية السرعة وأجهزة استشعار، سجلوا بدقة أين اصطدمت الشظايا باللوح وبأي سرعة كانت تتحرك. جاءت النتائج الواقعية مطابقة لمحاكاتهم الحاسوبية بشكل وثيق، مما أكد أن الشظايا تميل بالفعل إلى الخلف عند البداية وإلى الأمام عند النهاية. وعند تطبيق صيغتهم الجديدة على هذه القياسات الواقعية، كانت التنبؤات دقيقة بهامش خطأ يقل عن خمسة عشر بالمائة. ويمثل هذا تحسناً هائلاً مقارنة بالطرق القديمة التي كان يمكن أن تخطئ بنسبة تصل إلى سبعين بالمائة عند أطراف الرأس الحربي. ثم اختبر الباحثون صيغتهم مقابل بيانات من علماء آخرين درسوا أنواعاً مختلفة من الشظايا سابقة التشكيل، بما في ذلك الأشكال المربعة والكرية. وقد عملت الصيغة جيداً مع تلك الأشكال أيضاً، مما يشير إلى أن فيزياء الميل تنطبق على العديد من أنواع الرؤوس الحربية الأسطوانية المختلفة، وليس فقط النوع ذي الغلاف الحلقي الذي درسوه.

يوفر هذا العمل وسيلة موثوقة للمهندسين لتصميم رؤوس حربية ذات تحكم دقيق في مسار طيران شظاياها. فمن خلال فهم أن الميل ناتج عن فرق السرعة على طول الأسطوانة، وأن هذا الميل يمكن التنبؤ به بناءً على ارتفاع الحلقة وسرعة المتفجرات، يمكن للمصممين الآن حساب المدى الفتاك للسلاح بثقة أكبر بكثير. وتؤكد الدراسة أن مادة الغلاف وقطر الرأس الحربي ليسا العاملين الأساسيين في تحديد زاوية الطيران، مما يسمح للمهندسين بالتركيز على أبعاد الحلقات ونوع المتفجرات لتحقيق التأثير المطلوب. ويقدم هذا النموذج الجديد مساراً واضحاً وعملياً لتحسين تصميم الذخائر الحديثة، مما يضمن توجيه طاقة الانفجار بدقة إلى حيث تشتد الحاجة إليها.