تشكّل نفاث غير متماسك لبطانات الشحنة المشكلة من سبيكة زركونيوم غير متبلورة: نموذج تنبؤي

لماذا قد يكون تفتت نفاث المعدن أمراً مفيداً

تُستخدم المتفجرات غالباً لقطع ثقوب ضيقة وعميقة في الدروع أو الخرسانة عن طريق ضغط مخروط معدني إلى نفاث سريع يشبه الإبرة. تدرس هذه الدراسة طريقة جديدة لتشكيل تلك النفاثات باستخدام معدن «أمورفي» خاص قائم على الزركونيوم. بدلاً من تكوين رمح واحد أملس، يتحلل هذا المادة طبيعياً إلى رشقة من شظايا عالية السرعة. هذا المقايضة — عمق أقل قليلاً، ولكن فتحة أوسع بكثير — قد تكون ذات قيمة للرؤوس الحربية وتقنيات الحماية من الجيل القادم.

نوع مختلف من المعدن المتفجر

تستخدم الشحنات المشكلة التقليدية معادن مطيلة مثل النحاس، التي تنهار إلى نفاث طويل ومتماسك يحفر بعمق على مسار ضيق. تعلم المهندسون أن «النفاثات غير المتماسكة» — النفاثات التي تنقسم بسرعة إلى العديد من القطع — قد تكون أفضل عندما تريد إتلاف منطقة أكبر، على سبيل المثال لتطهير نفق واسع لشحنة ثانية أو لتعطيل هياكل معقدة. تعتمد معظم النفاثات غير المتماسكة الحالية على خلطات معدنية بلاستيكية خفيفة لا تخترق بعيداً. تجمع سبائك الزركونيوم غير المتبلورة، التي تُسمى أحياناً الزجاجات المعدنية الكتلية، بين كثافة عالية ومتانة وكيميائية تفاعلية عالية، مما يجعلها مرشحة واعدة لِنفاثات قوية لكنها منتشرة على نطاق واسع. أظهرت الاختبارات السابقة أن هذه السبائك تُنتج نفاثات متقطعة تشبه الجسيمات، لكن إلى الآن لم تكن هناك نظرية تنبؤية تفسر السبب.

نمذجة كيفية انهيار المخروط

يبني المؤلفون نموذجاً رياضياً يركّز على المنطقة الصغيرة حيث يُسحق بطانة المعدن إلى الداخل بفعل المتفجر. قرب المحور، ينحرف تدفق المعدن حول «لب ركودي» صغير، متتبّعاً مسارات منحنية بدلاً من خطوط مستقيمة. يعالج النموذج هذه المنطقة كجريان دائري قابل للانضغاط ويستخدم وصفاً مادياً مُكيّفاً مع المواد الهشة الشبيهة بالزجاج (نموذج JH‑2). بحل معادلات حفظ الكتلة والزخم في هذه المنطقة ذات الجريان المنحني، ومطابقتها مع بقية المخروط المنهار، يتنبأ النموذج بكيفية تغير الضغط والكثافة وسرعة الجريان من خطوط تيار داخلية إلى خارجية. ثم تُربط هذه التنبؤات بسؤال محوري: في أي نقطة تبلغ سرعات الجريان المحلية سرعة الصوت في المادة أو تتجاوزها، وهي حالة تميل إلى إزعاج استقرار النفاث ودفع الجسيمات جانبياً بدلاً من الأمام مباشرة.

حد خفي: زاوية الانهيار القصوى

عندما ينهار المخروط، يغلق كل حلقة من المادة عند زاوية وسرعة معينة. يظهر النموذج الجديد أنه بالنسبة لسبيكة الزركونيوم غير المتبلورة هناك زاوية انهيار قصوى: بعد هذه القيمة، تتوقف المعادلات التي تصف جرياناً ثابتاً ومتقناً عن وجود حل. مادياً، يعني هذا أن المعدن يتفتت مبكراً، وأن منطقة الجريان المنحني لا تستطيع البقاء مستقرة، وتتطور سرعات جانبية (شعاعية) قوية. يستنتج الباحثون سرعة تدفق حرجة للمعدن الداخل إلى هذه المنطقة ويظهرون كيف تعتمد على الهندسة وسرعة الصوت في المادة. كما يحسّنون نسبة هندسية تميّز حجم منطقة الجريان، جالبةً تنبؤات النموذج الرقمية إلى توافق وثيق جداً (ضمن حوالي نصف بالمئة) مع حساباتهم التفصيلية.

رؤية تفتت النفاث في الزمن الحقيقي

للتحقق من نظريتهم، بنى الفريق شحنات مشكلة حقيقية باستخدام بطانة من سبيكة Vit1 غير متبلورة وفجّرها بينما سجل النفاث بكاميرات أشعة سينية عالية الطاقة. بعد نحو ثلاثين ميكروثانية من التفجير، بدا النفاث مشابهاً إلى حد كبير للنموذجي: طويلاً وشبه متواصل، مع انتفاخ مصباحي الشكل عند الطرف حيث كانت الجسيمات تتكدس. لكن بحلول ستين ميكروثانية، فتح جبهة النفاث إلى تجويف على شكل بوق، وكانت كتل من المادة تقشر جانبياً، علامات واضحة على نفاث غير متماسك. أعادت محاكيات الحاسوب التي تستخدم نفس قوانين المادة إنتاج هذه السمات — الطرف المتورّم، التجويف المتزايد، وسحابة الشظايا — مؤكدة أن النموذج التقط الفيزياء الجوهرية.

من عناصر دقيقة إلى سلوك النفاث الكلي

بما أن النموذج يربط كل قطعة صغيرة من البطانة بحركتها النهائية في النفاث، يمكن للمؤلفين رسم خريطة للأجزاء التي تنتج مقاطع متماسكة وتلك التي تنتج جسيمات مفككة. يَجِدون أن المادة القريبة من أنف المخروط وقاعدته تميل إلى البقاء متماسكة، مُغذية طرف النفاث و«الكتلة» الخلفية، بينما تكون مادة المنطقة الوسطى الأكثر عرضة للاختلاط وعدم التجانس. يتوافق هذا النمط مع صور الأشعة السينية، حيث يظهر جسم النفاث في النهاية تفككاً قوياً بينما يظل الذيل نسبياً صلباً. والأهم أن النموذج يشرح لماذا يحدث هذا التفكك رغم أن سرعات الاصطدام في السبيكة غير المتبلورة لا تزال دون عتبة سرعة الصوت التقليدية التي تعمل مع النحاس: الطابع الهش الشبيه بالزجاج للسبيكة ووجود زاوية الانهيار القصوى معاً يدفعان النفاث إلى التفكك.

ما يعنيه هذا عملياً

لغير المختصين، الخلاصة الأساسية هي أن طريقة فشل مخروط معدني تحت تحميل متفجر — سواء تدفق بسلاسة أو تحطم — يمكن التنبؤ بها وتصميمها. يوفر هذا العمل أداة قائمة على الفيزياء يمكن للمصممين استخدامها لاختيار أشكال البطانات والمواد للحصول إما على اختراق عميق وضيّق أو على فتحة أوسع وأكثر تدميراً، مع الحفاظ على قوة الدفع الأمامية. وبشكل خاص، يظهر أن سبائك الزركونيوم غير المتبلورة تُفضّل بطبيعتها تفتت النفاث المتحكم فيه، مما يفتح طريقاً نحو أجهزة مدمجة يمكنها نحت ممرات واسعة أو إحداث ضرر داخلي واسع بشحنة واحدة.

الاستشهاد: Niu, Y., Ji, L., Jia, X. et al. Non-cohesive jet formation of Zr-based amorphous alloy shaped charge liners: a predictive model. Sci Rep 16, 5647 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35608-0

الكلمات المفتاحية: نفاثات الشحنة المشكلة, السبائك غير المتبلورة, النفاثات غير المتماسكة, بطانات الزجاج المعدني, اخترق المتفجرات