همانطور كه می دانیم بزرگترین مانع برای افزایش سرعت حركت در اتمسفر سیاره زمین ، مقاومت یا اصطكاك هواست كه برای كم كردن این نیروی اصطكاك و یا مقاومت هوا ، دانش ایرودینامیك راهكارهایی را ارایه نموده است . ولی مشكل درون آب به مراتب حادتر است . چون چگالی آب به مراتب بیشتر از جرم حجمی هواست و افزایش سرعت حركت درون خود را تقریبا غیر ممكن می كند ، چون برای مقابله با اصطكاك درون آب ، نیاز به سوخت مخصوص با انرژی یا نیروی پیشران فوق العاده زیادی داریم كه ممكن است برای همگان در دسترس نباشد و یا اینكه استفاده از آن بسیار محدود و سخت باشد . به طور مثال مرمی های شلیك شده توسط انواع سلاحهای گرم در اتمسفر زمین برد مفید چندین كیلومتری دارند ولی درون آب بیشتر از چند متر نفوذ نمی كنند و مفید هم واقع نمی شوند . همچنین راكتها و موشكها سرعت و برد بسیار كمی درون آب خواهند داشت و عمده انرژی آنها صرف غلبه بر نیروی مقاومت آب خواهد شد . اما اینك این سوال مطرح می شود كه سرعت مافوق صوت درون آب به چه دردی می خورد ؟
همانطور كه می دانیم برای ردیابی و اندازه گیری مكان و سرعت اشیا و اجسام در جو زمین و یا فضا ، از رادارهای مایكروویو استفاده میشود كه از نوع امواج الكترومغناطیسی است و سرعتی معادل سرعت نور دارد ، ولی این امواج درون آب سریعا جذب و انرژی خود را از دست می دهند و درون آب ، بجای این امواج الكترومغناطیسی از امواج صوتی استفاده میشود كه به سونارهای دریایی معروف هستند كه كشتی و یا زیردریایی ها میتوانند بوسیله ارسال امواج صوتی و بازتاب آنها ، مكان و سرعت اجسام و اشیا حتی موانع مقابل خود درون آب را اندازه گیری كنند . به طور مثال یك زیردریایی و یا یك كشتی بوسیله سونار میتواند مسیر حركت یك اژدر را ردیابی و از مسیر حركت آن فرار و خارج شده و حتی آن را منهدم یا منحرف و از برخورد آن با خود جلوگیری كند . سرعت انتشار صوت درون آب كه يك موج طولي است و به صورت كره توسعه مي‌يابد ، ۱۴۶۲ متر بر ثانيه است كه بیشتر از سرعت صوت در هواست . حال اگر اژدری با سرعت بیشتر از این امواج صوتی درون آب حركت كند ، دیگر قابل ردیابی توسط سونارها نمی باشد و سرنشینان زیردریایی و یا كشتی ، غافلگیر میشوند و تصادم اژدر با هدف دریایی اجتناب ناپذیر و حتمی است و فعلا هیچ راه فرار و نجاتی هم نیست . برای رسیدن به این سرعت درون آب ، تنها راه پیشنهادی از بین بردن اصطكاك و یا مقاومت آب و همچنین تقویت نیروی پیشران اژدر است و راه عملی آن فعلا ایجاد حبابهای گاز در جلو و اطراف كلاهك اژدر است كه مانع تماس دماغه و بدنه اژدر با آب میشود و به همین دلیل نیاز به منبعی كارآمد جهت ایجاد مقدار لازم گاز داریم تا زمان رسید اژدر به هدف فعال باشد و خود این منبع تولید گاز ، نیرویی پیشران برعكس جهت نیروی پیشران اصلی اژدر ایجاد نكند تا موجب كاهش سرعت اژدر نشود . اینك در این مبحث سعی می كنیم منبعی مناسب و مطمئن جهت ایجاد گاز معرفی و طرحی ابتدایی برای اژدر خود رسم كنیم . برای منبع اصلی تامین كننده گاز ، فلز سدیم پیشنهاد میشود . همانطور كه می دانیم این عنصر ، فلزی نرم و براق است كه در هوا به سرعت اكسید و كدر میشود :
http://www.ki2100.com/images/physics/Torpedo/1.jpg
واكنش سديم با آب :
عنصر سديم طبق مكانيسم زير واكنشي قوي با آب مي دهد :
حاصل اين واكنش محلولي بي رنگ محتوي باز قوي سديم هيدروكسيد و گاز هيدروژن است . اين يك واكنش گرماده است و طي آن فلز سديم ، داغ شده و با شعله اختصاصي نارنجي رنگي مي سوزد . در روند سوختن سديم ، گاز هيدروژن آزاد مي شود و چون میزان اكسیژن محلول در آب خیلی كم است ، این گاز به صورت حبابهای آزاد درون آب در می آید . برخي از تركيبات سديم هستند كه نمي توانند با چنين قدرت و سرعتی با آب واكنش دهند همچنین آلیاژهای آن كه با توجه به نقطه ذوب سدیم یعنی 97.72 درجه سانتی گراد ، آلیاژ سدیم با قلع و سرب حتی فلزات دیگر ایده آل بنظر میرسد و مسلما به همين نسبت در آب حل مي شوند و چنین بنظر میرسد كه مناسب استفاده در این اژدرهای مافوق صوت باشند و جالب اینجاست كه حرارت زیاد این واكنش میتواند مقدار قابل توجهی بخار آب تولید كند كه به حجم گاز تولید شده خواهد افزود و به همان میزان از نیروی مقاومت یا اصطكاك آب خواهد كاست . به طور خلاصه اژدر بجای حركت درون آب و درگیر شدن با آن ، درون توده ای از گاز هیدروژن و بخار آب حركت خواهد كرد كه اصطكاك و مقاومت بسیار كمتری نسبت به آب خواهد داشت و سرعت اژدر میتواند به سرعت موشك و یا راكت در جو برسد كه بسیار ایده آل خواهد بود .
http://www.ki2100.com/images/physics/Torpedo/2.gif
1- محفظه و محل خروج تركیبات و یا آلیاژ سدیم
2- عایقهای حرارتی جهت جلوگیری از نفوذ حرارت دماغه به كلاهك اژدر
3- محفظه خرج انفجاری كلاهك اژدر
4- محفظه سوخت پیشرانه اژدر
همانطور كه از شكل فوق مشخص است فلز سدیم در نوك دماغه با آب واكنش داده و حبابهای گاز هیدروژن و همچنین بخار آب روی سطح كلاهك اژدر را پوشانده و اصطكاك و مقاومت آب را برطرف می كنند . در واقع این واكنش شیمیایی آب را شكاف می دهد و از مسیر حركت اژدر خارج می كند .
برای اولین بار روسها به این تكنولوژی دست یافتند كه اژدر ساخته شده به Shkval معروف است و یك نمونه آن VA-111 Shkval میباشد كه سرعت آن 102.7 متر بر ثانیه گزارش شده :
http://www.ki2100.com/images/physics/Torpedo/3.jpghttp://www.ki2100.com/images/physics/Torpedo/6.jpg
اين اژدر با توليد حبابهاي بخار كه از نوك دماغه و پوسته خود خارج مي كند لايه اي از گاز در اطراف خود شكل مي دهد و بدين ترتيب خود را از تماس مستقيم با آب و پساي قابل ملاحظه ناشي از آن دور مي كند.
اين اژدر قابليت پرتاب از روي شناور و يا زيردريايي در عمق 100 متري را دارد . با سرعت حدود 50 نات (93 كيلومتر بر ساعت) كپسول پرتاب خود را ترك مي كند. با فرو رفتن در آب و رسيدن به عمق مناسب، موتور خود را روشن كرده و به سمت هدف راهي مي شود.
از چالش هاي فني توسعه چنين اژدر مي توان به كاويتاسيون اشاره نمود كه لازم است ميزان حبابهاي كاويتاسيون براي حفظ و پايدار نگهداشتن لايه گاز اطراف موشك و نيز رسيدن به كمترين پسا كنترل شود. در همين رابطه توجه به تداخل گازهاي خروجي از راكت و نيز سطوح كنترل اژدر با لايه گاز ايجاد شده در اطراف آن، پيچيدگيهاي اين مساله را روشن تر مي سازد. به ويژه زمان شروع به كار موتور و شرايط گذار (Transision) ناشي از آن از اين حيث قابل توجه است.
سيستم هدايت چنين اژدر نيز با چالشهاي خود روبرو است. تغيير محيط سيال اطراف موشك، شكست امواج و نيز سرعت خود اژدر از مواردي است كه هدايت آن را با مشكلات عديده اي مواجه مي سازد.
چند سال پیش ایران هم مدعی دستیابی به این تكنولوژی شد و موشك حوت را ساخته و آزمایش كرد كه سرعت آن 100 متر بر ثانیه اعلام شده است :
http://www.ki2100.com/images/physics/Torpedo/4.jpg
http://www.ki2100.com/images/physics/Torpedo/5.jpg
ارایه توضیحات دقیق در مورد اجزا و نقشه این موشك در این مبحث ممكن نیست ولی یك مشكل عمده این موشك اینكه اگر آن مدت زمان كوتاهی از آب خارج شود به علت حرارت زیاد مولد گاز ، دچار نقص و ایراد میشود كه اگر از سوخت سدیم برای تولید گاز استفاده شود این مشكل برطرف میشود . چون در زمان خروج موشك از آب ، آب به سوخت سدیم نرسیده و مولد تولید گاز خود به خود خاموش میشود و با ورود مجدد موشك به درون آب ، مولد گاز حباب كاويتاسيون فعال میشود و هیچ كدام از اجزا سیستم كاهش درگ دچار ذوب شدگی نخواهد شد . این مشكل از اینجا ناشی میشود كه در مولدهای فعلی گاز از سوخت جامد موشك استفاده میشود كه بعد از روشن شدن به هیچ وجه خاموش شدنی نیستند و با خروج موشك از آب ، ماموریت موشك منتفی است ولی با استفاده از سوخت سدیم احتمال موفقیت خیلی زیاد است .
http://www.ki2100.com/images/physics/Torpedo/7.jpg
مولد گاز حباب كاويتاسيون موشك اشكوال در 101.5 ثانیه فعالیت خود میبایست 83 متر مكعب گاز تولید كند . جرم حجمی هیدروژن ۰۸۹۹.0 kg/m3 میباشد كه با این حساب جرم گاز مورد نیاز در حدود 7.4617 كیلوگرم میشود و چون در واكنش :
http://www.ki2100.com/images/physics/Torpedo/1.gif
تعداد اتمهای سدیم و هیدروژن در دو طرف معادله برابر است یعنی به ازای هر اتم سدیم یك اتم هیدروژن تولید خواهد شد و چون جرم اتمی سدیم 23 و جرم اتمی هیدروژن 1 است در كل 171.61=7.4617*23 كیلوگرم سدیم خالص مورد نیاز خواهد بود كه با در نظر گرفتن انرژی زیاد آزاد شده توسط واكنش كه مسلما بخار آب نیز میتواند تولید كند ، سدیم مورد نیاز به مراتب كمتر خواهد بود . مشكل دیگر این است كه سوخت مولد گاز میتواند دیرتر از سوخت اصلی موشك تمام شود و این در هدایت موشك مشكل ساز خواهد بود ولی سیستم اتوپایلوت هر زمان كه بخواهد میتواند با قطع جریان آب به طرف سوخت سدیم ، فعالیت این مولد را متوقف كند . نكته مهم دیگر اینكه حجم گاز و بخار آب خروجی از مولد تابعی از آب ورودی به آن است كه در نتیجه میتوان مقدار خروجی مولد و همچنین حجم و اندازه حباب پیرامون اژدر را بدقت كنترل كرد . فلز سدیم از الكترولیز سديم كلرید ( نمك طعام ) مذاب بدست می آید كه مسلما تهیه آن و ساخت مولد گاز هزینه كمتری خواهد داشت . مسلما با استفاده از سدیم بجای سوخت جامد مولد گاز از وزن موشك كاسته شده و به همین میزان میتوان به وزن سر جنگی موشك افزود و قدرت نفوذ و تخریب اژدر را افزایش داد . با استفاده از سوخت سدیم و كمپرس آب میتوان حرارت گاز خروجی از مولد را كنترل و كمتر نموده و سلامتی قطعات موشك را حفظ و تضمین كرد .
نسل آینده اژدرها :
همانطور كه میدانیم سوخت موشكها از دو گروه كلی مایع و جامد تشكیل میشوند كه این سوختها به دو قسمت ماده اكسید شونده و ماده اكسید كننده تقسیم میشوند . به طور مثال هیدروژن و اكسیژن و با توجه به اینكه فلز سدیم در حرارت زیر 100 درجه سانتی گراد مایع میشود و خود اژدر همواره درون آب قرار گرفته و میتوان از آب به عنوان اكسید كننده استفاده كرد ، چنین پیشبینی میشود كه نسل آینده اژدرهای پیشرفته از سوخت سدیم استفاده خواهند كرد و این موضوع باعث كاهش وزن اژدر و افزوده شدن به برد و خرج انفجاری آن خواهد شد .
منبع
