تفصيل التحميل الاندماجي الناتج عن الصدمات باستخدام مقذوفات مركبة من رغوة متدرجة بأشكال شظايا متغيرة

لماذا تهم اختبارات الانفجار الأكثر أمانًا

لا ترسل الانفجارات الناتجة عن قنابل أو صواريخ أو أجهزَة مرتجلة موجة ضغط من الغاز الساخن فحسب؛ فهي تقذف أيضًا شظايا معدنية بسرعات عالية. يمكن أن يمزق هذا الثنائي من الموجة والشظايا المباني والمركبات والجدران الواقية بقوة أكبر بكثير مما يسببه أي أثر منهما بمفرده. ومع ذلك، فإن إعادة إنشاء مثل هذه التهديدات المعقدة في المختبر أمر خطير ومكلف وغالبًا ما يكون من الصعب التحكم فيه. تقدم هذه الدراسة طريقة أكثر أمانًا وقابلة للضبط لتقليد هذه الظروف القاسية باستخدام "رصاصات رغوية" مصممة خصيصًا تحتوي شظايا معدنية بداخلها، مما يوفر للمهندسين أداة جديدة لتصميم دروع وهياكل واقية أفضل.

تحويل الرصاصات الرغوية إلى انفجارات مخبرية

يبني الباحثون على فكرة مفادها أن كتلة سريعة الحركة من الرغوة المعدنية يمكن أن تحاكي نبضة الضغط الناتجة عن انفجار عندما تصطدم بلوح. تشبه الرغوة المعدنية إسفنجة صلبة من الألمنيوم: خفيفة وقابلة للسحق وقادرة على امتصاص الطاقة. بإطلاق مثل هذا المقذوف الرغوي على لوح فولاذي، يولد الاصطدام اندفاع ضغط قصير ومكثف مماثل لموجة صدمية. داخل هذه الرغوة، يضم الفريق شظية معدنية صلبة تمثل الشظية الناتجة عن غلاف حقيقي. من خلال اختيار كثافة الرغوة وشكل الشظية ومدى عمق تموضعها داخل الرغوة بعناية، يمكنهم التحكم في توقيت وصول "الصدمة" و"الشظية" إلى الهدف ومدى تضافرهما.

تشكيل الشظية المخفية

تطلق الانفجارات الحقيقية قطعًا غير منتظمة من المعدن، لكن معظم الدراسات المخبرية تبسطها كأسطوانات مسطحة الطرف. هنا، يقارن المؤلفون ثلاثة أشكال بسيطة للقطعة المضمنة: أسطوانة ذات طرف مسطح، نصف كرة مستديرة، ومخروط مقطوع القمة (مخروط ذي طرف مقطوع). كلها مصنوعة بحيث تملك نفس الكتلة وتطلق بنفس السرعة، لذا تنشأ أي اختلافات عن الشكل فقط. باستخدام محاكاة حاسوبية مفصلة تم التحقق منها مقابل بيانات تجريبية، يتتبعون مدى تباطؤ كل شظية، وكم تنثني أو تخترق اللوح الفولاذي، ونوع الشقوق أو الثقوب التي تتكون.

كيف يغير الشكل الضرر

تكشف المحاكاة أن شكل القطعة المعدنية يلعب دورًا أقوى مما قد يُتوقع في طريقة فشل اللوح. الشظايا الأسطوانية ذات الطرف المسطح توزع الحمل على مساحة أكبر، مرسلة موجات إجهاد أوسع خلال اللوح. يتسبب ذلك بقَطع "قِطعة" من المعدن ويميل إلى انحناء كبير شامل، لكن الشظية نفسها تبطئ أكثر وتنتهي بأدنى سرعة متبقية. الشظايا نصف الكروية، بمساحة تماس أولية صغيرة، تركز القوة في نقطة ضئيلة. تخترق بسرعة، محدثة تمزقات تشبه بتلات حول الفتحة وتحافظ على سرعة بقايا أعلى، لكنها تسمح بتأثير مدمج أقل بين الصدمة المدفوعة بالرغوة والشظية. يقف المخروط المقطوع في المنتصف، مسببًا خليطًا من القص والتمزق ومستوى متوسطًا من الضرر الكلي.

تكديس الرغوة لضبط الضربة

بخلاف شكل الشظية، يقوم الباحثون أيضًا بتفصيل الرغوة نفسها. يقسمون الرغوة إلى ثلاث طبقات على طولها ويغيرون كثافة كل طبقة، مكونين "تدرجًا" من الثقيل إلى الخفيف أو العكس. تتصرف الطبقة الأمامية الأكثر كثافة كوسادة أكثر صلابة: تعطي دفعة أولى أشد وأقصر زمنًا إلى اللوح. الطبقة الأمامية الأخف تخفف هذه الضربة الأولية، موزعة الطاقة على فترة أطول. من خلال مقارنة تدرجات مختلفة، مع وجود شظايا مضمنة وبدونها، تُظهر الدراسة أن هذه الرغوات متعددة الطبقات يمكن استخدامها لنحت التاريخ الزمني لقوة التماس—أي شدة الاصطدام في كل لحظة—ولضبط مقدار طاقة الشظية المفقودة قبل خروجها من اللوح.

ماذا يعني هذا للحماية في العالم الحقيقي

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن كلًا من شكل مقدمة قطعة معدنية خفية وطريقة ترتيب كثافة الرغوة أمامها يمكن استخدامهما كأدوات لضبط أنواع مختلفة من تهديدات الموجة والشظايا في المختبر. الأنوف المسطحة والرغوات الأمامية الكثيفة تجعل اللوح يعمل بجهد أكبر ويمتص طاقة أكثر، بينما الأشكال الحادة أو المستديرة والرغوات الأخف تميل نحو اختراق أسرع. يقدم مفهوم "الرصاصة الرغوية" القابلة للضبط هذا طريقة أكثر أمانًا وقابلة للتكرار لاستكشاف أداء الجدران والألواح والدروع تحت أحمال مركبة واقعية، موجهًا تصميمات مستقبلية تحمي الأشخاص والبنى التحتية الحيوية بشكل أفضل من الانفجارات.

الاستشهاد: Jiang, P., Wu, C., Wang, X. et al. Tailoring combined impact loading using gradient foam composite projectiles with variable fragment shapes. Sci Rep 16, 7226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38606-4

الكلمات المفتاحية: حماية من الانفجارات, رغوة معدنية, مقذوفات مركبة, تصادم شظايا, هياكل واقية