نبذة مختصرة :
يرد تحليل لفعالية نوعين من النظم الشبكية net systems لحماية المركبات ضد المقذوفات ذات الراس الحربي التراكمي cumulative (شحنة مشكلة shaped charge ) في هذه المقالة
تم إنشاء نماذج رقمية لحواجز او ستائر الشبكة net screens وقذيفة PG7-WM لمحاكاة اختراق المقذوف للحاجز. استخدمت التحليلات الرقمية لتحديد المسافة القصوى في اتجاه شعاعي من محور المقذوف الى الموضع الذي يجب على عناصر الحاجز ان تكون فيه على اتصال مع القذيفة لتحييدها. حددت المسافات بحساب احتمال إبطال مفعول القذائف بواسطة النظم الشبكية .
أجريت حسابات من اجل زوايا الارتفاع والسمت من α = 0 - 45 . استخدمت القيم المحسوبة بمثل هذه الطريقة لجعل الرسوم البيانية لقذيفة PG-7WM تحيد احتماليا بواسطة نوعين نظم الشبكة بدلالة حجم فتحة الشبكة و بدلالة زوايا السمت والارتفاع و أحجام فتحات الشبكة المختلفة. ويمكن استخدام النتائج المتحصل عليها لتحسين هندسة انظمة الشبكة لزيادة فعاليتها في تحييد القذائف.
1. المقدمة :
قاذفة قنابل الدفع الصاروخي rocket propelled grenade المحمولة المضادة للدبابات RPG-7 هي واحدة من منظومات الأسلحة الأكثر استخداما في العالم. وهذا عائد لعلاقة المنفعة بين فعالية تدمير الأهداف المدرعة (اعتمادا على نوع القذيفة بقدرة اختراق لدروع الصلب RHA بين 200 - 900 ملم) و تكلفة الإنتاج الصغيرة .
نظرا لمزايا مثل بساطة التصميم، والموثوقية والفعالية و بساطة المناولة بدون تدريب لفترة طويلة RPG-7 أصبح مشهود له من قبل العديد من المنظمات الإرهابية وقوات حرب العصابات في جميع أنحاء العالم. RPG-7 واحد من التهديدات الرئيسية لجنود التحالف في العراق وأفغانستان. ووفقا لإحصائيات الإصابات الناجمة عن الشظايا التي تحدث نتيجة اطلاق النيران فقد اعتبرت هي ثاني أكثر الأسباب شيوعا للاصابات الموت في هذه المهام.
الشكل 1 : اسباب اصابات الموت للجنود خلال المهمات في العراق و افغانستان بين 2001-2010 |
الفعالية العالية لل RPG-7 ناتجة عن خصائص قذائفه الصاروخية التي تحوي رؤوس حربية تراكمية. في مثل هذه القذائف تفجير الشحنة المتفجرة المشكلة يولد نفاث تراكمي cumulative jet من المعدن السائل liquid metal يتحرك بسرعة 5 - 10 كم / ث. و نظرا للفعالية العالية للمقذوفات برأس حربي تراكمي واستخدامها على نطاق واسع فأنه من المهم تطوير حماية فعالة ضدها. وتستخدم أربعة أنواع رئيسية من الدروع للحماية من القذائف التي تحوي الرؤوس التراكمية :
- انظمة دفاع نشطة Active defence systems تستخدم أجهزة استشعار لمراقبة المنطقة المحيطة بالمركبة المحمية و بعد الكشف عن وجود قذيفة واردة النظام يطلق مضاداته للقذائف من أجل تحييد القذيفة على مسافة من المركبة المحمية، على شاكلة انظمة Arena (الروسية)، Iron Fist (الإسرائيلية)
- الدروع التفاعلية Reactive armours تحتوي على عنصر متفجر ينفجر عندما يخترق النفاث التراكمي الدرع ما يعطل تشكيل النفاث ويقلل من عمق اختراق الدروع ، مثال، Kaktus (روسيا)، RMOR-A (المملكة المتحدة)؛ Blazer (إسرائيل)، ERAWA (بولندا)
- الدروع السلبية بسمك مناسب Passive armours of appropriate thickness بواسطة المواد العالية المقاومة يتم ابطاء نفاث الشحنة المشكلة في حجم معين من الدروع على سبيل المثال، درع الصلب والدرع السيراميك والدرع المركب ، وما إلى ذلك؛
- الدروع السلبية بشكل مناسب Passive armours of appropriate shape هدف هذه الدروع هو منع تشكيل نفاث الشحنة المشكلة ،مثل دروع القضبان، و الانظمة الشبكية : SidePro-LASSO (سويسرا)، Q-net (المملكة المتحدة)، الخ.
عيب الدروع النشطة هو أنه بعد تفعيلها الشظايا قد تضرب قوات المشاة في محيط المركبة المهاجمة. بسبب ذلك، وأيضا من أجل التكاليف الاقتصادية (تكلفة النظام أعلى من تكلفة المركبة المحمية) ولأسباب حركية ( بوزن كبير جدا يقلل من حركية من مركبة المحمية) فان انظمة الشبكة الرخيصة والخفيفة هي اكثر من يستخدم الآن لحماية المركبات الغير مدرعة او المدرعة بشكل خفيف ضد مقذوفات الرؤوس التراكمية.
2. مبادئ تشغيل قذائف PG-7WM و الانظمة الشبكية
قذيفة PG-7WM هي نسخة معدلة من القذيفة المعيارية PG-7 مع رفع قدرة الاختراق للدروع (تصل إلى 330 ملم RHA)، قطر اصغر (70.5 ملم)، وزيادة في الدقة و في سرعة الفوهة . تتكون القذيفة من أربعة مكونات رئيسية ( انظر الشكل 2).
عندما تضرب القذيفة الهدف فالعنصر الكهرضغطي الذي يقع في جزء صمام الراس ينضغط . وبهذه الطريقة يتم إنشاء نبضات كهربائية. هناك نوعان من الدوائر الكهربائية في القذيفة: خارجية (الشكل 3 باللون الأزرق) و داخلية (الشكل 3 باللون الأحمر). والنبضات الكهربائية تنتقل عبر الدوائر الداخلية إلى الجزء السفلي من الصمام وتفجر المتفجرات مما ينتج موجة ضغط pressure wave على مواد بطانة الشحنة المشكلة مما يشكل نفاث تراكمي. النفاث لديه شكل معدن سائل و يتحرك بسرعة 5 - 10 كم / ثانية.
الشكل 2 : رسم تخطيطي لقذيفة PG-7WM |
الحواجز الشبكية (الشكل 4) يتم تثبيتها على مسافة 30 - 50 سم من سطح المركبة المحمية. مهمتها هي منع تشكيل نفاث الشحنة المشكلة من خلال استغلال آليتين. في أول آلية عناصر الشبكة تشوه الغطاء الباليستي للقذيفة تتحقق هذه الطريقة الاتصال مع المخروط التوصيلي conductive cone . هذا يتسبب في حدوث ماس كهربائي short-circuited لدارة الصمام وبالتالي ليس هناك تفجير للمتفجرات . أما الآلية الثانية فتكون بتشويه بطانة الشحنة المشكلة والمتفجرات في قذيفة.
دقة صناعة الرؤوس الحربية التراكمية تقرر فعاليتها. المقذوف له اختراق اقصى بابعاد سماحية dimensional tolerances لبطانة الشحنة المشكلة وانفجار ضاغط تكون (اقل او تساوي ) ≤ 0.05 ملم وسماح شعاعي ≤ 0.03 ملم. قدرة اختراق الدروع من نفاث الشحنة المشكلة تنقص مع زيادة عدم الدقة في الإنتاج أو عدم الدقة في تجميع مكونات القذيفة.
الشكل 4 : امثلة عن انظمة الحماية الشبكية : a - نظام Tarian® الذي تصنعه Amsafe Bridport و b - نظام Q-net تصنعه Qinetiq و c - نظام SidePro-LASSO تصنعه Ruag ( الارقام المرفقة هي مراجع في الوثيقة ) |
اعتمادا على مستوى تشويه البطانة والمفجر من قبل مكونات الحاجز الشبكي عند اختراق المقذوف فتشكيل نفاث الشحنة المشكلة يضطرب أو ينقطع تماما. و بعدها يكون آثر تأثير القذيفة على درع المركبة الاصلي مشابه لانفجار بسيط من المتفجرات الواردة في القذيفة
قد تعمل الآليات المذكورة بشرط أن لا يحدث اتصال بين صمام القذيفة وعناصر من هيكل الحاجز الشبكي ( على الصمام أن يمر عبر فتحة الشبكة). لذلك، خلال تصميم الحواجز الشبكية من الضروري تصميم هيكل هندسي على الشكل الامثل لها ( تحديدا حجم فتحة الشبكة) لزيادة احتمال إبطال مفعول القذيفة.
احتمال إبطال مفعول القذائف ذات الرأس الحربي التراكمي من قبل الأنظمة الشبكية قد درست بالفعل في كتب سابقة
ومع ذلك، هذه الأعمال اعتمد فيها كتابها على الحسابات التحليلية فقط، و لا تعطي اعتبار لخواص المواد التي تتكون منها الحواجز الشبكية والقذيفة (المقاومة، والصلابة، وما إلى ذلك).بالإضافة ان المؤلفين في هذه التحليلات يفترضون خطأ أن أي اتصال بين الحاجز و القذيفة (باستثناء حالة اتصال الصمام) يضمن تحييد قذيفة، في حين أنه في الواقع هناك عتبة مسافة distance threshold من محور قذيفة في الاتجاه الشعاعي الفوقي والتي يكون فيها تشوه اتصال الرأس الحربي بواسطة مكونات الشبكة غير كافي، و يستمر تشكل نفاث الشحنة المشكلة. و الهدف من هذا التحليل الرقمي تحديد هذا الحد من المسافة واستخدامه في حساب احتمال فعالية عمل الانظمة الشبكية .
3. النماذج الرقمية للحواجز الشبكية
تم إنشاء نماذج رقمية من الحواجز الشبكية اعتمادا على حلول تصميمية موجودة. تم إعتماد نماذج لنوعين من النظم. النوع الأول كان شبكة مصنوعة من أسلاك الفولاذ عالي المقاومة بقطر 4 ملم (الشكل 5). والنوع الثاني هو شبكة من سلاسل الأراميد تحوي عقد تتكون من موشور مثبت من الصلب في قاعدة سداسية (الشكل 6).
لتوصيف المواد الفولاذية تم استخدام نموذج جونسون كوك Johnson-Cook للمقاومة و الفشل . تم تشكيل سلاسل الأراميد بطريقة مبسطة، على افتراض أن مادته لديها طابع موحد الخواص. كما استخدم نموذج مواد لفون ميزس Von Mises و معادلة حالة الصدمة (Gruneisen) و نموذج الهيدرو للفشل (Pmin).
الشكل 5 : نموذج رقمي لحاجز الشبكة من النوع 1 |
الشكل 6 : نموذج رقمي لحاجز الشبكة من النوع 2 |
للتفريد المكاني spatial discretization للسلاسل استعملت عناصر رباعية الاضلاع صلبة (TETRA) و بنيت أجزاء الصلب من الحاجز من عناصر صلبة ثمانية العقد (HEX) واستخدم مستوي تماثلي مما قلل العناصر المحدودة finite elements بنسبة 50٪. إجمالي عدد العناصر المستخدمة في النماذج الرقمية للنوع الأول من الحواجز يعتمد على حجم فتحات الشبكة و يصل إلى 90000 - 110000 من العناصر المحدودة وفي حالة الحاجز من النوع الثاني فهو يصل إلى 120000- 140000 من العناصر المحدودة.
4. النموذج الرقمي للقذيفة
تم إنشاء نموذج رقمي لقذيفة PG7-WM اعتمادا على الوثائق التقنية. ويتكون هذا النموذج من 38 جزء من المواد المناسبة المحددة. لتوصيف المواد تم استخدام عدد قليل من النماذج المواد المتاحة في برنامج ANSYS Autodyn مثل: جونسون كوك، فون ميزس، و Elastic and Piecewise JC. تم أخذ البيانات من أجل النماذج الرقمية من الكتب ومن المكتبة المادية لل ANSYS Autodyn.
المفاصل بين الأجزاء نفذت بنموذج Bonded للوصل. تعريض المفاصل المترابطة والمفاصل بين الأجزاء لتشوهات تم نمذجته بواسطة نموذج Bonded Breakable للوصل مع قيم مناسبة من القوى والاجهادات التي تكسر المفاصل.
الشكل 7 : تفريد لنموذج رقمي للراس الحربي للقذيفة |
التفريد المكاني السداسي الاضلاع (HEX) و الرباعي الاضلاع (TETRA) استخدم فيه عناصر حجمية و لا تتجاوز حصة الاخيرة نسبة 2٪ من العناصر.
تم نمذجة أجزاء القذيفة التي تتعرض للتشوهات (الغطاء الباليستي، المخروط، الرأس الحربي، البطانة، الخ) بعناصر محدودة أصغر. واستخدم مستوي تماثلي . وأخيرا النموذج الرقمي للقذيفة (الشكل 7) بني ب 190991 من العناصر المحدودة.
في التحليل كانت السرعة الاولية للقذيفة هي 230 م / ث وسرعة دوران حذفت.
5. التحليلات الرقمية
احدثت محاكاة تفاعل بين نوعين من الحواجز الشبكية و قذيفة PG7-WM باستخدام برنامج ANSYS Autodyn. تم الاشتباك لتحديد المسافة القصوى الشعاعية من محور المقذوف التي فيها القذيفة يجب ان تحيد بعد الاتصال مع عناصر الشبكة(حدوث ماس كهربائي في دارة الصمام أو تشوه بطانة الشحنة المشكلة والمتفجرات). تم إجراء التفاعل بين عناصر المحاكاة باستخدام اجراء يستند إلى وظيفة “Penalty”.
الغرض من التحليلات الرقمية كان ان تكون المحاكاة للقذيفة وهي تخترق دائما مركز فتحة الشبكة. و من بين جميع السيناريوهات المحتملة للاختراق بدون وجود لأي اتصال بين الصمام وعناصر الحاجز ، كان البحث عن اكثر خيارغير مواتي لنظام حماية بحيث يتسبب بتشوهات للرؤوس الحربية بحجم قليل. حسن سير العمل في الحاجز عندما يتم اختراق وسط فتحة الشبكة بقذيفة يعني أن كل نقطة أخرى تضرب في نظام الحماية سوف تأدي وظيفتها شريطة أن لا يكون هناك أي اتصال بين الصمام وعناصر الحاجز.
وقد أجريت الكثير من التحليلات الرقمية اعتمادا على الخصائص التالية:
- تم تغيير حجم فتحات الشبكة من حجم القطر الخارجي للقذيفة (70.5 ملم) الى ان يصل إلى الحد الأقصى لحجم فتحة الشبكة التي تكفل تحييد القذيفة.
- تم تغيير زوايا الارتفاع والسمت للقذيفة ( ميل القذيفة في مواجهة سطح الشبكة) من زاوية اختراق عمودي للقذيفة على الحاجز (زاوية 0 درجة) للاختراق في زاوية 45 درجة.
ويبين الشكل 8 مثال على نتائج التحليلات الرقمية التي تم خلالها تقييم مستوى تشويه الحاجز للراس الحربي للقذيفة المخترقة و يعرض الشكل تشوهات الشبكة والراس الحربي للقذيفة في لحظات مختلفة خلال اختراق الحاجز. وبلغ حجم فتحة الشبكة للحاجزمن نوع 1 مقدار 55.5 ملم، والحاجز من النوع 2 كان يبلغ 56.5 ملم.بحيث كانت هذه هي الأحجام القصوى التي لوحظت فيها آلية واحدة على الأقل تنجح في إبطال مفعول القذيفة.
الشكل 8 : تشوهات الحواجز و الراس الحربي لقذيفة PG-7WM في لحظات مختارة خلال اختراق عمودي للحواجز |
الشكل 9 : تشوهات الحواجز و الراس الحربي لقذيفة PG-7WM في لحظات مختارة خلال اختراق للحواجز بزاوية 45 درجة |
كانت أنصاف أقطار الدوائر الداخلة او المحوطة circles inscribed في الأحجام القصوى المحددة لفتحات حاجز الشبكة تمثل المسافات الاشعاعية القصوى المبحوثة من محور القذيفة حيث تكون فيها قذيفة في الاتصال مع عناصر الحاجز من أجل أن تحيد. استخدمت المسافات القصوى المحددة لحساب احتمال الحماية من قبل الأنظمة الشبكية.
مع زيادة زوايا السمت والارتفاع لوحظ زيادة مستوى تشوه الرأس حربي المهاجم للقذيفة نتيجة لانخفاض التخليص clearance لفتحات الشبكة من القذيفة الواردة. للأسف كان خطر الاحتكاك بين صمام الراس الحربي وعناصر من الحاجز مرتفعة مع امكانية لتشكيل نفاث شحنة مشكلة (الشكل 9).
6. حساب احتمال تحييد المقذوفات من قبل أنظمة حواجز الشبكات
التحليلات السابقة لهذا التحليل لاحتمال الحماية ضد القذائف ذات الراس الحربي ذي الشحنة المشكلة من قبل أنظمة الحواجز الشبكية استندت فقط على الحسابات التحليلية دون أي اعتبار لخصائص (المقاومة، و الصلابة، وغيرها) المواد المصنوع منها الحاجز و القذيفة و افترضت هذه التحليلات أن أي اتصال بين عناصر النظام والقذيفة (ما عدا الصمام) يضمن تحييد القذيفة.
لقد أثبتت التحليلات الرقمية انه من اجل تحييد قذيفة PG-7WM يتطلب من عناصر حاجز الشبكة أن لا تكون في اتصال مع قذيفة على مسافات شعاعية أصغر من 27.75 ملم - بالنسبة لحاجز الشبكة من النوع الأول، و28.25 ملم - لحاجز الشبكة من النوع الثاني التي تقاس ابتدأ من محور القذيفة . و الأقطار التي تؤخذ بعين الاعتبار في احتساب احتمال تحييد قذيفة PG7WM لا تساوي 70.5 ملم (قطر المقذوف) ولكن هي القطر الاقصى للنوع الاول (DmaxI ) بقيمة 55.5 ملم و القطر الاقصى للنوع الثاني (DmaxII) بقيمة 56.5 ملم .
و ترد طريقة حساب احتمال إبطال مفعول القذيفة بالحواجز الشبكية في الشكل التخطيطي 10، حيث مع اللون الأخضرنميز نقاط الاختراق للقذيفة التي سيتم تحييدها فيها ومع اللون الأحمر يتم تميز نقاط اختراق القذيفة التي سيتصل فيها الصمام مع الحاجز (المنطقة الحمراء الخارجية) أوالتي يكون فيها تشويه القذيفة غير كافية لتحييدها (المنطقة الحمراء الداخلية). يتم احتساب احتمال إبطال مفعول القذيفة بنسبة مساحة فتحة الشبكة التي تكون فيها قادرة على تحييد القذيفة إلى المساحة الإجمالية للفتحة .
الشكل 10 : اسلوب لحساب احتمالية تحييد القذيفة بواسطة الحواجز في حالة اختراق عمودي a – النوع الاول b – النوع الثاني |
الشكل 11 : رسم بياني لاحتمالية تحييد قذيفة PG-7WM بدلالة حجم فتحة الشبكة لكلا النوعين من حواجز الشبكة |
استخدمت القيم المحسوبة بهذه الطريقة لوضع الرسم البياني لاحتمال تحييد قذيفة PG 7WM في دالة مع حجم فتحة الشبكة لكلا النوعين من حواجز الشبكات (شكل 11) والرسم البياني للاحتمال تحييد قذيفة PG7WM في دالة مع زوايا الارتفاع والسمت (الشكل 12، و 13) وفي دالة مع زوايا السمت والارتفاع مجتمعة (الشكل 14) لمختلف أحجام فتحات الشبكة لكلا النوعين من لحواجز الشبكات .
7. الخلاصة :
استنادا على النتائج المتلقات يمكن القول أنه في حالة الاختراقات العمودية فعالية حواجز الشبكات من النوع الثاني أعلى قليلا من النوع الأول (حوالي 2٪) لأحجام فتحة شبكة > 40 ملم. لكن فعالية حواجز الشبكات من النوع الثاني تنخفض أسرع من النوع الأول مع زيادة زوايا الارتفاع والسمت. احتمال الحد الأقصى لتحييد قذيفة PG-7WM (حوالي 40٪) هو في حجم فتحة شبكة من 70.5 ملم المعادلة لقطر القذيفة. ولكن السبب في عدم اعتبار هذه القيمة انه هناك خطر 4٪ للنوع الأول و 3٪ للنوع الثاني ان تمر القذيفة من خلال حاجز الشبكة دون ضرر و تنشط على سطح المركبة.
الشكل 12 : الرسم البياني لاحتمالية تحييد قذيفة PG-7WM بدلالة زوايا السمت و الارتفاع لاحجام مختلفة لفتحة الشبكة في حاجز الشبكة من النوع الاول |
الشكل 13 : الرسم البياني لاحتمالية تحييد قذيفة PG-7WM بدلالة زوايا السمت و الارتفاع لاحجام مختلفة لفتحة الشبكة في حاجز الشبكة من النوع الثاني |
الأحجام القصوى لفتحات حاجز الشبكة ، دون أي خطر أن تمر القذيفة دون اضرار على الحاجز هي 55.5 ملم للنوع الأول من الحواجز (33٪ فرصة لتحييد القذيفة في اختراق عمودي) و 56.5 ملم لنوع الحاجز الثاني (34٪ فرصة لتحييد القذيفة في اختراق عمودي). ووفقا للكتابات عن الموضوع فاختراق نفاث الشحنة المشكلة يقل حسب المسافة بين نقطة التفجير point of detonation و زوائد الشيء المثقوب perforated object increases ( نتحدث هنا عن البعد بين الدروع) (من اجل مسافة 80 سم اختراق الدروع يقلل مرتين). بأخذ هذه الظاهرة الفيزيائية في الاعتبار فأنه من الأفضل أن تنفجر القذيفة وتبدء في تشكيل نفاث الشحنة المشكلة في عناصر الحاجز الشبكي على ان يحدث ذلك على سطح المركبة.
استنادا على النتائج الواردة من التحليل لابد من ذكر أن اختيار الحجم الأمثل لفتحة الشبكة غامض نوعا ما ويجب مراعاة الجوانب التالية فيه :
- تحليل تضاريس الصور البيانية terrain profiles حيث تشغل الحماية على المركبة
- تحليل خصائص التهديد من انواع القذائف التي تستخدمها وحدات العدو
الشكل 14 : رسم بياني لاحتمالية تحييد قذيفة PG-7WM بدلالة زيادة متزامنة لزوايا السمت والارتفاع لاحجام مختلفة من فتحة الشبكة لكلا النوعين من حواجز الشبكة |
في المناطق المسطحة flat areas هجمات القذائف تكون عموما في زوايا ارتفاع منخفضة وحجم فتحات الشبكة هنا من الافضل ان يكون اصغر. في المناطق الحضرية urban areas قد تحدث هجمات من طوابق العليا من المباني وحجم فتحات الشبكة هنا يجب أن يكون أكبر.
من العوامل الهامة التي تؤثر على الحجم الأمثل لفتحة شبكة نظام الحماية هي الشكل الهندسي للقذيفة المهاجمة وخصوصا النسبة بين قطر صمام الجزء الامامي والرأس الحربي ككل. ورقة تحليل هجمات لقذيفة PG7WM تقول ان قطر الرأس الحربي 70.5 ملم وقطر صمامه WP-7 هو 21.4 ملم. القذيفة القياسية التي تطلق من قاذفة ار بي جي 7 لديها نفس الصمام لكن قطر الرأس الحربي أكبر (مثل PG-7W - قطره 85 ملم وPG-7WL - قطره 93 ملم). انطلاقا من النسبة الأكبر لقطر الرؤوس الحربية مع قطر الصمام في مقذوفات PG7 القياسية فاستخدام فتحات شبكة اكبر توفر المزيد من فرص لتحييد القذيفة القياسية PG-7 اكثر من قذيفة PG-7WM .
المصدر ملف pdf بنفس العنوان NUMERICAL ANALYSIS OF EFFECTIVENESS FOR VEHICLE NET SYSTEMS PROTECTING AGAINST SHAPED CHARGE PROJECTILES لكاتبه Paweł PODGÓRZAK صادر من المعهد العسكري لتقنية التسليح (بولندا) Military Institute of Armament Technology