خرج گود

ساختار شماتیک یک خرج گود مخروطی. حفرهٔ روبه‌روی مادهٔ منفجره با آستر پوشانده می‌شود و انفجار کنترل‌شدهٔ خرج، مادهٔ آستر را در امتداد محور متمرکز می‌کند.

خرج گود (انگلیسی: shaped charge) نوعی آرایش مادهٔ منفجره است که شکل هندسی آن برای متمرکزکردن بخشی از انرژی انفجار در یک جهت معین طراحی می‌شود. رایج‌ترین نوع آن دارای حفره‌ای در یک سوی خرج است که با لایه‌ای نازک از فلز یا ماده‌ای دیگر، موسوم به آستر، پوشانده می‌شود. موج انفجار پس از رسیدن به آستر آن را با سرعت زیاد به سوی محور حفره می‌راند و بخش عمده‌ای از مادهٔ آستر به جتی باریک و بسیار پرسرعت تبدیل می‌شود. این جت می‌تواند در فلز، سنگ، بتن یا مواد دیگر نفوذ کند. پدیدهٔ متمرکزشدن اثر انفجار در یک حفره معمولاً با نام اثر مونرو نیز شناخته می‌شود، هرچند شناخت امروزی خرج گود نتیجهٔ بیش از یک سده پژوهش تجربی و نظری است.[۱][۲]

در فشارهای بسیار بالای حاصل از انفجار، رفتار آستر و هدف در زمان بسیار کوتاه برخورد را می‌توان با تقریب‌های هیدرودینامیکی توصیف کرد، زیرا تنش‌های ناشی از برخورد بسیار بزرگ‌تر از استحکام معمول موادند. این توصیف به معنای مذاب‌بودن کامل جت نیست. اندازه‌گیری‌ها و مدل‌های جدید نشان می‌دهند که دست‌کم در بسیاری از خرج‌های دارای آستر مسی، بخش مهمی از جت زیر نقطهٔ ذوب مس باقی می‌ماند و در عین جامدبودن، در آن مقیاس فشار و زمان رفتاری سیال‌مانند نشان می‌دهد.[۳] سرعت، پیوستگی و توان نفوذ جت به خواص مادهٔ منفجره، هندسه و جنس آستر، کیفیت آغاز انفجار و فاصلهٔ خرج تا هدف وابسته است و از این رو نمی‌توان برای همهٔ خرج‌های گود یک سرعت یا عمق نفوذ ثابت تعیین کرد.[۴]

خرج گود بیش از همه با سرجنگی‌های ضدزره شناخته می‌شود. مهمات ضدتانک با انفجار شدید یا HEAT از این اصل برای نفوذ در زره استفاده می‌کنند و جنگ‌افزارهایی مانند پانزرفاوست، گونه‌هایی از آرپی‌جی-۷ و موشک‌های ضدتانک هدایت‌شونده از جمله کاربردهای تاریخی یا معاصر آن هستند. با این حال «HEAT» و «خرج گود» مترادف کامل نیستند. خرج گود یک اصل فیزیکی و مهندسی گسترده‌تر است و علاوه بر مهمات ضدزره، در برش و تخریب مهندسی و در صنعت نفت و گاز برای مشبک‌کاری چاه‌ها به کار می‌رود.[۵]

ساختمان و سازوکار

ساختار کلاسیک خرج گود از بدنه‌ای حاوی مادهٔ منفجره، یک حفرهٔ محوری و آستر حفره تشکیل می‌شود. در بسیاری از نمونه‌های شناخته‌شده حفره مخروطی است و آستر از فلزی شکل‌پذیر مانند مس ساخته می‌شود، اما هندسه‌ها و مواد دیگری نیز در کاربردهای مختلف وجود دارند. انفجار از سوی مخالف دهانهٔ حفره آغاز می‌شود و جبههٔ انفجار در مدت بسیار کوتاهی به آستر می‌رسد. فشار حاصل باعث فروریختن متقارن آستر به سوی محور می‌شود. بخشی از آستر به جت کشیده و سریع و بخش دیگری به جرمی کندتر در پشت آن تبدیل می‌شود. پژوهش کلاسیک بیرکهوف، مک‌دوگال، پیو و تیلور در ۱۹۴۸ این فرایند را در چارچوب هیدرودینامیک بررسی کرد و نشان داد چرا افزودن آستر فلزی به حفره می‌تواند نفوذ را در مقایسه با یک خرج منفجرهٔ معمولی به‌شدت افزایش دهد.[۲]

نمونه‌ای از آستر مسی یک مهمات ۴۰ میلی‌متری دومنظوره. آستر فلزی یکی از اجزای اصلی بسیاری از خرج‌های گود است.

جت در طول حرکت خود یکنواخت نیست. بخش جلویی معمولاً سرعت بیشتری از بخش عقبی دارد و همین اختلاف سرعت موجب کشیده‌شدن جت می‌شود. پژوهش‌های تجربی جدید دربارهٔ آسترهای مسی سرعت نوک جت را در برخی طرح‌های آزمایشگاهی در محدودهٔ چندین کیلومتر بر ثانیه گزارش کرده‌اند، اما مقدار دقیق آن به طراحی و مواد وابسته است.[۴] نفوذ نیز صرفاً نتیجهٔ «انفجار مستقیم» روی زره نیست. انرژی شیمیایی مادهٔ منفجره ابتدا به حرکت بسیار سریع آستر تبدیل می‌شود و جت حاصل در سطح کوچکی از هدف فشار بسیار بزرگی ایجاد می‌کند. در این مقیاس، هم جت و هم مادهٔ هدف در ناحیهٔ برخورد دچار تغییر شکل شدید می‌شوند و کانالی باریک در هدف شکل می‌گیرد.[۶]

نمای شماتیک تمرکز انرژی و تشکیل جریان جهت‌دار در یک خرج گود. اثر نهایی به شکل حفره، آستر و فاصلهٔ آن تا هدف وابسته است.

فاصلهٔ میان دهانهٔ خرج و سطح هدف، که در ادبیات فنی «فاصلهٔ ایستایی» نامیده می‌شود، یکی از عوامل اثرگذار بر عملکرد است. جت برای شکل‌گیری و کشیده‌شدن به مقداری فاصله نیاز دارد، در حالی که در فاصله‌های بسیار زیاد می‌تواند پیوستگی خود را از دست بدهد. کیفیت ساخت و تقارن نیز اهمیت زیادی دارد، زیرا انحراف در شکل آستر یا آغاز نامتقارن انفجار می‌تواند جریان جت را منحرف یا پراکنده کند.[۳] این حساسیت‌ها سبب شده‌اند که تحلیل خرج گود از یک توضیح سادهٔ «تمرکز انفجار» فراتر رود و به حوزه‌ای میان مواد منفجره، مکانیک مواد، موج‌های ضربه‌ای و بالستیک نهایی تبدیل شود.[۱]

تاریخچه و توسعه

اندیشهٔ استفاده از حفره برای متمرکزکردن اثر انفجار از خود خرج گود مدرن قدیمی‌تر است. منابع تاریخی، پیشنهاد فرانتس زاور فون بادر در ۱۷۹۲ برای ایجاد فضای مخروطی در خرج‌های باروتی معدن را از نخستین صورت‌های ثبت‌شدهٔ این ایده می‌دانند. در سدهٔ نوزدهم، با رواج مواد منفجرهٔ قوی، آزمایش‌های ماکس فون فورستر و دیگران نشان دادند که وجود حفره می‌تواند اثر انفجار را در یک جهت افزایش دهد. چارلز ادوارد مونرو، شیمی‌دان آمریکایی، در ۱۸۸۸ این پدیده را به‌طور نظام‌مند بررسی کرد و نام او بعدها با «اثر مونرو» پیوند خورد. اگون نویمان نیز در آغاز سدهٔ بیستم آزمایش‌هایی مستقل دربارهٔ حفره‌های مخروطی انجام داد.[۱][۷]

تبدیل اثر حفره به خرج گود مدرن زمانی شتاب گرفت که اهمیت آستر فلزی و سازوکار جت بهتر شناخته شد. در دههٔ ۱۹۳۰، گروه‌های پژوهشی در چند کشور به‌طور مستقل روی خرج‌های آستردار کار کردند. از جمله فرانتس رودلف تومانک در آلمان و هنری موهاوپ در سوئیس در توسعهٔ کاربردهای ضدزره نقش داشتند. این تاریخ خطی و وابسته به یک مخترع واحد نبود و پژوهش تاریخی جدید بر مجموعه‌ای از آزمایش‌ها و انتقال دانش میان مراکز مختلف تأکید می‌کند.[۷][۱] طی جنگ جهانی دوم اصل خرج گود در مهمات ضدتانک و تخریبی به کاربرد گسترده رسید. سلاح‌های پیاده‌نظامی مانند پانزرفاوست و بازوکا نشان دادند که یک سرجنگی نسبتاً سبک می‌تواند بدون اتکا به سرعت بسیار بالای پرتابه، تهدید جدی برای خودروهای زرهی ایجاد کند.

پس از جنگ، تصویربرداری پرسرعت، رادیوگرافی و مدل‌سازی ریاضی امکان مطالعهٔ مستقیم‌تر تشکیل جت را فراهم کردند. مقالهٔ بیرکهوف و همکاران در ۱۹۴۸ و نظریهٔ پیو، آیکلبرگر و روستوکر در ۱۹۵۲ از کارهای بنیادین در صورت‌بندی هیدرودینامیکی این فرایند بودند.[۲][۶] پژوهش‌های بعدی نقش خواص آستر، ساختار ماده، موج انفجار و گسیختگی جت را با جزئیات بیشتری بررسی کردند و مدل‌سازی عددی به بخش مهمی از این حوزه تبدیل شد. در نتیجه، «اثر مونرو» که در آغاز عمدتاً یک مشاهدهٔ تجربی بود، به مجموعه‌ای گسترده از نظریه‌ها و روش‌های آزمایشگاهی در فیزیک انفجار و بالستیک تبدیل شد.[۴]

کاربردها، گونه‌ها و مقابله

مهم‌ترین کاربرد نظامی خرج گود در سرجنگی‌های HEAT است. این سرجنگی‌ها در راکت‌ها، نارنجک‌های ضدتانک، موشک‌های هدایت‌شونده، گلوله‌های توپ و برخی مین‌ها به کار رفته‌اند. اثر اصلی آنها برخلاف پرتابه‌های نفوذگر جنبشی به سرعت برخورد کل مهمات وابستگی اصلی ندارد، زیرا بخش عمدهٔ کار نفوذ را جتی انجام می‌دهد که در لحظهٔ انفجار سرجنگی شکل می‌گیرد. این ویژگی امکان ساخت جنگ‌افزارهای ضدزره سبک‌تری را برای پیاده‌نظام فراهم کرد و در تحول جنگ زرهی پس از جنگ جهانی دوم اهمیت داشت.[۱] برای مقابله با این تهدید، سامانه‌هایی مانند زره‌های چندلایه و زره واکنشی انفجاری توسعه یافته‌اند که هدف آنها برهم‌زدن جت، تغییر مسیر آن یا کاهش اثر آن پیش از رسیدن به زره اصلی است.[۳]

گونه‌های خرج گود محدود به شکل مخروطی و ایجاد سوراخ نقطه‌ای نیستند. خرج گود خطی حفره و آستر را در امتداد یک خط ادامه می‌دهد و به‌جای جت محوری باریک، اثر برشی ممتدی ایجاد می‌کند. این نوع در کاربردهای مهندسی برای برش کنترل‌شدهٔ سازه‌ها و قطعات فلزی استفاده می‌شود.[۸] طرح‌های دیگری نیز با شکل‌های متفاوت آستر برای تشکیل جرم یا پرتابهٔ متراکم‌تری به جای جت کشیده به کار می‌روند. این سامانه‌ها از نظر فیزیکی به خرج گود مرتبط‌اند، اما سازوکار و رفتار پرتابهٔ آنها دقیقاً با خرج گود مخروطی کلاسیک یکسان نیست.[۱]

نمای سادهٔ یک خرج گود خطی که اثر متمرکز را در امتداد یک خط ایجاد می‌کند.

کاربردهای غیرنظامی نیز بخش مهمی از تاریخ این فناوری‌اند. در صنعت نفت و گاز، خرج‌های گود در عملیات مشبک‌کاری برای ایجاد مجرا از میان لولهٔ جداری و سیمان و ورود به سازند مخزن استفاده می‌شوند تا ارتباط میان مخزن و چاه نفت برقرار شود. پژوهش‌های مهندسی این حوزه عملکرد مشبک‌کاری را تابع شرایط تنش سنگ، آرایش خرج‌ها و ویژگی‌های سازند می‌دانند.[۵] خرج‌های گود همچنین در عملیات تخصصی برش و تخریب به کار می‌روند. تنوع این کاربردها سبب می‌شود تعریف «خرج گود» به مهمات ضدتانک محدود نباشد و آن را باید یک فناوری متمرکزسازی انرژی انفجار دانست که در مهندسی نظامی و غیرنظامی شاخه‌های متفاوتی پیدا کرده است.[۹]

جستارهای وابسته

پانویس

  1. 1 2 3 4 5 6 Walters, William P.; Zukas, Jonas A. (1989). Fundamentals of Shaped Charges (in English). Wiley-Interscience. pp. 1–31. ISBN 9780471621720.
  2. 1 2 3 Birkhoff, Garrett; MacDougall, Duncan P.; Pugh, Emerson M.; Taylor, G. I. (1948). "Explosives with Lined Cavities". Journal of Applied Physics (in English). 19 (6): 563–582. doi:10.1063/1.1698173.
  3. 1 2 3 Silsby, Graham F.; Dietrich, Andrew (2021). "Jetting Warheads: The Shaped-Charge". Fighting Vehicle Armor and Antiarmor Munitions (PDF) (in English). Defense Systems Information Analysis Center.
  4. 1 2 3 Jiang, Yao; Gu, Rui Cong; Wang, Jing Tao; Xiao, Qiang-Qiang; Huang, Zheng-Xiang (2022). "Investigation on the grain size effect on the copper shaped charge jet stretching behavior". Frontiers in Materials (in English). 9. doi:10.3389/fmats.2022.1017629.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:doi رایگان بی‌نشان (رده)
  5. 1 2 نوروزی، پیمان (۱۴۰۱). «تأثیر شرایط بارگذاری و تعداد گلوله خرج گود بر کارآیی مشبک‌کاری با گلوله‌ خرج گود». نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی. ۵ (۴): ۶۸–۸۱. doi:10.22107/jpg.2022.359562.1178.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  6. 1 2 Pugh, Emerson M.; Eichelberger, R. J.; Rostoker, Norman (1952). "Theory of Jet Formation by Charges with Lined Conical Cavities". Journal of Applied Physics (in English). 23 (5): 532–536. doi:10.1063/1.1702246.
  7. 1 2 Moore, Richard; Brown, Eric N. (2021). "Woolwich, Bruceton, Los Alamos: Munroe Jets and the Trinity Gadget". Nuclear Technology (in English). 207 (sup1): S222–S230. doi:10.1080/00295450.2021.1905463.
  8. ↑ Zhao, Z. (2024). "A linear shaped charge cutting model for brittle flat plates". Journal of Applied Physics (in English). 136 (13): 135102. doi:10.1063/5.0226325.
  9. ↑ "The Development of Shaped Charges for Oil Well Perforating". Transactions of the AIME (in English). 210: 11–20. 1957.

منابع

  • Walters, William P.; Zukas, Jonas A. (1989). Fundamentals of Shaped Charges (in English). Wiley-Interscience. ISBN 9780471621720.
  • Birkhoff, Garrett; MacDougall, Duncan P.; Pugh, Emerson M.; Taylor, G. I. (1948). "Explosives with Lined Cavities". Journal of Applied Physics (in English). 19 (6): 563–582. doi:10.1063/1.1698173.
  • Moore, Richard; Brown, Eric N. (2021). "Woolwich, Bruceton, Los Alamos: Munroe Jets and the Trinity Gadget". Nuclear Technology (in English). 207 (sup1): S222–S230. doi:10.1080/00295450.2021.1905463.
  • نوروزی، پیمان (۱۴۰۱). «تأثیر شرایط بارگذاری و تعداد گلوله خرج گود بر کارآیی مشبک‌کاری با گلوله‌ خرج گود». نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی. ۵ (۴): ۶۸–۸۱. doi:10.22107/jpg.2022.359562.1178.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)

پیوند به بیرون

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ خرج گود موجود است.
This page is issued from ویکی‌پدیا. The text is available under Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 unless otherwise noted. Additional terms may apply for the media files.