التجويف الفائق

في هندسة الديناميكا المائية، يُعرف التجويف الفائق بأنه توليد فقاعة تجويف اصطناعية لتقليل مقاومة الاحتكاك السطحي على جسم مغمور، مما يُتيح الحركة بسرعات عالية . تشمل تطبيقاته الطوربيدات والمراوح ، ولكن نظريًا، يُمكن توسيع نطاق هذه التقنية لتشمل سفينة كاملة تحت الماء.

التكهف هو الغليان الداخلي للسائل الناتج عن التدفق السريع حول جسم ما. يتطلب تدفق السوائل حول الزوايا الحادة تدرجات ضغط كبيرة جدًا ، وخاصة ضغوطًا منخفضة جدًا "بعد الزاوية". في تلك المناطق، قد ينخفض ​​الضغط إلى ما دون ضغط البخار ، وعندها يغلي السائل.

يُقاس احتمال حدوث التكهف برقم التكهف غير البُعدي ، والذي يساوي الفرق بين الضغط المحلي وضغط البخار مقسومًا على الضغط الديناميكي . عند زيادة الأعماق (أو ضغوط الأنابيب)، يقل احتمال حدوث التكهف لأن الضغط المحلي يكون أبعد بكثير عن ضغط البخار.

يُعتبر التكهف عادةً مشكلة في الهندسة الهيدروديناميكية، حيث تنفجر فقاعات التكهف المنبعثة من السطح لاحقاً. ويولد هذا الانفجار نبضات صغيرة مركزة قد تُلحق الضرر بأسطح مثل مراوح السفن ودوافع المضخات.

الجسم فائق التجويف هو جسم مغمور عالي السرعة مصمم لتكوين فقاعة تجويف والحفاظ عليها عند مقدمته. تمتد الفقاعة (سواء بشكل طبيعي أو معزز بغاز مُولّد داخليًا) إلى ما بعد الطرف الخلفي للجسم، مانعةً التلامس بين جوانب الجسم والسائل. هذا الفصل يقلل بشكل كبير من مقاومة الاحتكاك السطحي للجسم فائق التجويف.

من السمات الرئيسية للجسم فائق التجويف مقدمته، التي تتميز عادةً بحافة حادة حول محيطها لتشكيل فقاعة التجويف. ^{[ 1 ]} قد تكون المقدمة مفصلية الشكل، على هيئة قرص مسطح أو مخروط. يكون شكل الجسم فائق التجويف نحيفًا عمومًا بحيث تُحيط فقاعة التجويف بالجسم. إذا لم تكن الفقاعة طويلة بما يكفي لإحاطة الجسم، خاصةً عند السرعات المنخفضة، يمكن تكبيرها وتمديدها عن طريق حقن غاز عالي الضغط بالقرب من مقدمة الجسم. ^{[ 1 ]}

يمكن الوصول مؤقتًا إلى السرعة العالية جدًا اللازمة للتجويف الفائق باستخدام قذائف تُطلق من تحت الماء أو قذائف تدخل الماء. أما للحصول على تجويف فائق مستدام، فيُستخدم الدفع الصاروخي، ويمكن توجيه غاز الصاروخ عالي الضغط إلى مقدمة الصاروخ لتعزيز فقاعة التجويف.

تكمن الصعوبة الهندسية الرئيسية في تصميم التجويف الفائق في الاستقرار : فبما أن المركبة التي تعمل بالتجويف الفائق والمحاطة بالكامل بالفقاعة لم تعد مغمورة، فإنها لا تتعرض لقوة الطفو . أحد البدائل هو احتواء المركبة جزئيًا داخل الفقاعة، مدعومة بجزء خلفي مغمور، ولكن مثل هذه الحالات تنطوي على مفاضلة بين الدعم وزيادة مقاومة الهواء. ^{[ 2 ]}

من حيث المبدأ، يمكن مناورة الأجسام فائقة التجويف باستخدام طرق مختلفة، بما في ذلك ما يلي:

• زعانف السحب التي تبرز من خلال الفقاعة إلى السائل المحيط ^{[ 3 ]}
• أنف جسم مائل
• يتم حقن الغاز بشكل غير متماثل بالقرب من الأنف لتشويه هندسة التجويف
• توجيه قوة دفع الصاروخ من خلال نظام التوجيه المحوري لفوهة واحدة
• الدفع التفاضلي من فوهات متعددة ^{[ 1 ]}

تتمثل التطبيقات الرئيسية للتجويف الفائق في المراوح ذات التجويف الفائق والطوربيد ذي التجويف الفائق .

تُستخدم المراوح فائقة التجويف في القوارب العسكرية، وقوارب السباق عالية الأداء ، وقوارب السباق النموذجية. وهي مصممة لفرض التجويف على كامل سطحها الأمامي عند السرعات العالية. ينهار التجويف خلف الشفرة، متجنباً بذلك التفتت الذي يحدث عند حدوث التجويف في المراوح التقليدية.

استُخدمت الطوربيدات فائقة التجويف في القوات البحرية السوفيتية (والروسية) والأمريكية والألمانية والإيرانية على الأقل. وعلى نطاق ضيق، تُستخدم الذخيرة فائقة التجويف مع الأسلحة النارية الألمانية والروسية ^{[ 4} ] تحت الماء ^، وغيرها من الأسلحة المماثلة. ^{[ 5 ]}

طوّرت البحرية السوفيتية أول طوربيد فائق التجويف واسع النطاق ، وهو VA-111 "شكفال" . ^{[ 6 ] [ 7 ]} يستخدم الشكفال الدفع الصاروخي للوصول إلى سرعة قصوى تبلغ 386 كيلومترًا في الساعة (240 ميلًا في الساعة؛ 208 عقدة) ، متجاوزًا سرعة الطوربيدات التقليدية بخمسة أضعاف على الأقل. بدأ تطويره عام 1960 تحت الاسم الرمزي "شكفال" (العاصفة). دخل VA-111 شكفال الخدمة (حصريًا في البحرية السوفيتية، ثم الروسية ) منذ عام 1977، وبدأ إنتاجه بكميات كبيرة عام 1978. طُوّرت عدة نماذج، وكان أنجحها M-5، الذي اكتمل بحلول عام 1972. بين عامي 1972 و1977، أُجري أكثر من 300 عملية إطلاق تجريبية (95% منها في بحيرة إيسيك كول ).  

في عام ١٩٩٤، بدأت البحرية الأمريكية بتطوير نظام إزالة الألغام الجوي السريع (RAMICS)، وهو نظام لإزالة الألغام البحرية من ابتكار شركة سي تك ديفنس. اقترحت سي تك استخدام قذيفة فائقة التجويف مستقرة في كل من الهواء والماء. ^{[ ٨ ] [ ٩ ]} في عام ٢٠٠٠، في ميدان اختبار أبردين ، نجحت قذائف RAMICS التي أُطلقت من طائرة حربية من طراز سي كوبرا المحلقة في تدمير مجموعة من الألغام البحرية الحية. في مارس ٢٠٠٩، أكملت شركة نورثروب غرومان المرحلة الأولى من اختبارات RAMICS تمهيدًا لإدخاله في الأسطول. ^{[ ١٠ ]}

نشرت الولايات المتحدة الأمريكية أيضًا معلومات حول طوربيدات مضادة للسفن فائقة التجويف في عام 2004، ^{[ 11 ]} مما دفع العديد من القوات البحرية إلى الإسراع في تطويرها . في عام 2006، أعلنت شركة ديهل بي جي تي ديفنس الألمانية لتصنيع الأسلحة عن طوربيدها فائق التجويف ، باراكودا، والذي يُطلق عليه الآن رسميًا اسم Superkavitierender Unterwasserlaufkörper ( أي: قذيفة تحت الماء فائقة التجويف ). ووفقًا لشركة ديهل، تصل سرعته إلى أكثر من 400 كيلومتر في الساعة (250 ميلًا في الساعة؛ 220 عقدة) . ^{[ 12 ]} في العام نفسه، زعمت إيران أنها اختبرت بنجاح أول طوربيد فائق التجويف لها، هوت (الحوت)، في الفترة من 2 إلى 3 أبريل 2006. وقد تكهنت بعض المصادر بأنه مُستوحى من طوربيد VA-111 شكفال الروسي فائق التجويف، والذي يسير بنفس السرعة. ^{[ 13 ]} نفى وزير الخارجية الروسي سيرغي لافروف تزويد إيران بهذه التكنولوجيا. ^{[ 14 ]}  

في عام 2004، أعلنت وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة الأمريكية (DARPA) عن برنامج "القطار السريع تحت الماء"، وهو برنامج بحث وتقييم يهدف إلى إثبات جدوى استخدام تقنية التجويف الفائق في تطوير مركبات تحت الماء عالية السرعة. ويتمثل الهدف النهائي للبحرية الأمريكية في تطوير فئة جديدة من المركبات تحت الماء للمهام الساحلية ، قادرة على نقل مجموعات صغيرة من أفراد البحرية أو شحنات عسكرية متخصصة بسرعات تصل إلى 100 عقدة. ^{[ 15 ]} منحت DARPA عقودًا لشركتي نورثروب غرومان وجنرال دايناميكس إلكتريك بوت في أواخر عام 2006، على الرغم من أن شركة إلكتريك بوت واجهت صعوبات في بناء نموذج مصغر . ^{[ 16 ]} وبحلول عام 2014، امتلكت شركة جولييت مارين سيستمز نموذجًا أوليًا لسفينة تُدعى " الشبح" ، وهي عبارة عن قارب كاتاماران يعمل بتقنية التجويف الفائق ، ^{[ 17 ]} مما دفع البحرية الصينية إلى محاولة بناء نموذج مماثل. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} وبعد عامين، استمرت أعمال البحث والتطوير في الولايات المتحدة. ^{[ 21 ]}

في عام 2025، بدأت شركة ADD الكورية الجنوبية تجاربها على مركبة تحت الماء فائقة التجويف. ^{[ 22 ]}

كان يُعتقد في البداية أن كارثة الغواصة كورسك ناجمة عن طوربيد شكفال فائق التجويف معيب، ^{[ 23 ]} على الرغم من أن الأدلة اللاحقة تشير إلى طوربيد 65-76 معيب .

يُشتبه في أن غرق سفينة الشحن الروسية "إم في أورسا ميجور" على بُعد 30 كيلومترًا (16 ميلًا بحريًا) قبالة سواحل إسبانيا في 23 ديسمبر 2024 كان نتيجة طوربيد فائق التجويف، حيث أحدث ثقبًا في هيكلها قطره 50 سنتيمترًا (20 بوصة) . كانت السفينة تحمل مكونات مفاعل نووي إلى كوريا الشمالية ، والجهة المسؤولة عن الحادث مجهولة. ^{[ 24 ]}  

• بندقية برمائية من طراز APS
• مسدس SPP-1 تحت الماء
• مروحة فائقة التجويف

• مكتب البحوث البحرية (14 يونيو 2004). الميكانيكا وتحويل الطاقة: أسلحة تحت الماء عالية السرعة (ذات تجويف فائق) (التصميم والاستكشاف). تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 أبريل 2006 من الصفحة الرئيسية لمكتب البحوث البحرية.
• سافتشينكو، واي إن (بدون تاريخ). مؤتمر CAV 2001 - الندوة السنوية الرابعة حول التكهف - معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 أبريل 2006، مؤرشف في Wayback Machine.
• هارجروف، ج. (2003). التجويف الفائق وتكنولوجيا الفضاء في تطوير المركبات تحت الماء عالية السرعة. في الاجتماع والمعرض الثاني والأربعين لعلوم الفضاء الجوي التابع للمعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية . جامعة تكساس إيه آند إم.
• كيرشنر وآخرون (أكتوبر 2001) أبحاث وتطوير التجويف الفائق. تقنيات الدفاع تحت الماء
• ميلر، د. (1995). التجويف الفائق: خوض الحرب في فقاعة. مجلة جينز للاستخبارات . تم الاسترجاع في 14 أبريل 2006 من قسم الاستخبارات والتحليل في الدفاع والأمن | جينز 360
• غراهام-رو، ودنكان. (2000). أسرع من رصاصة مسرعة. نيو ساينتست ، 167(2248)، 26-30.
• تولين، إم بي (1963). التدفقات فائقة التجويف - نظرية الاضطراب الصغير. لوريل، ماريلاند، شركة هيدرونوتكس.
• نيام جيه دبليو (ديسمبر 2014)، المحاكاة العددية للتجويف الفائق

• مجموعة أبحاث التجويف الفائق في جامعة مينيسوتا
• طوربيد "باراكودا" الألماني فائق التجويف من إنتاج شركة ديهل بي جي تي ديفنس
• برنامج داربا السريع تحت الماء
• موقع Global Security.org حول التجويف الفائق
• كيفية بناء سلاح فائق التجويف، مجلة ساينتفك أمريكان