تفجير تحت ماء

Underwater demolition -



التفجير تحت الماء

عدنان يوسف عبود

لمحة تاريخية عن التفجير تحت الماء

عملية التفجير تحت الماء

مقارنة التفجير تحت الماء بالتفجير في الهواء

تطبيقات التفجير تحت الماء

مواد التفجير تحت الماء

التفجير تحت الماء underwater detonation نشاط مدني أو عسكري يُجرى بأدوات خاصة ضمن شروط مناسبة في وسط مائي من أجل تحقيق أهداف معينة، والتفجير تحت الماء هو اضطراب عنيف لتوازن منظومة معينة نتيجة تفجير متفجرات في بيئة مائية، ويرافق العملية انبعاث كمية كبيرة من الطاقة في مدة قصيرة؛ وتفاعلات كيميائية وفيزيائية سريعة؛ وانبعاث نواتج غازية وحرارة، ولا يشكل تأثير التفجير تحت الماء نبضة وحيدة بل بضع نبضات كبيرة الطاقة من الفقاعات الغازية، ويكون لكل فقاعة غازية نبضية متعاقبة دور مختلف ويتعلق ذلك بعمق بؤرة التفجير وكتلة المادة المتفجرة.

يختلف التفجير تحت الماء عن التفجير في الهواء من عدَّة نواحٍ منها: سرعة انتشار موجة الضغط،  والضغط اللازم لتحريك السائل، وطبيعة المتفجر المستخدَم، والاحتياطات الواجب اتخاذها. ويمكن أن تكون المتفجرات المستخدمة في التفجير تحت الماء كيميائية أو نووية.

لمحة تاريخية عن التفجير تحت الماء

صمم الأمريكي ديفيد بوشنيل D. Bushnell   عام 1775م أول لغم تفجير تحت الماء؛ في حين قام الأمريكي صموئيل كولت S. Colt عام 1814م بتفجير أول لغم تحت الماء بواسطة شحنة كهربائية، واستُخدم سلاحاً فعالاً منذ عام 1943م، لذلك بدأت دراسات معمقة لتأثيره في الأبنية الشاطئية بما يماثل تأثير الزلازل وانتشارها؛ إضافة إلى تأثيره في تدمير السفن والغواصات.

استخدمت بعض الدول المتاخمة للبحار والمحيطات -في أمريكا الجنوبية مثل فنزويلا وفي شرقي آسيا كالفلبين- الصيد بالتفجير أو الصيد بالديناميت لصعق مجموعات الأسماك، وقد غدت هذه الممارسة مخالفة للقوانين في كثير من البلدان؛ بيد أن بعض الدول ما تزال تستخدم هذه الممارسات.

تطورت التفجيرات العسكرية تحت الماء من الأشكال التقليدية التي تستعمل الديناميت إلى التفجيرات النووية، فقد أجرت الولايات المتحدة في عام 1946م أول تجربة نووية تحت الماء في المحيط الهادئ بهدف تقييم تأثيرات الأسلحة النووية المستخدمة ضد السفن البحرية، ثم أجرت أيضاً عام 1955م تجربة نووية واحدة تحت الماء على عمق 600 متر لتحديد نقاط ضعف الغواصات تجاه الانفجارات النووية.

وفي عام 1962م طرح الفيزيائي الأمريكي فريمان دايسون F. Dyson منظومات تسليح جديدة مبتكرة باستخدام قنبلة نووية بقوة 1 ميغا طن، وأشارت التقديرات إلى أن ارتفاع الأمواج الناتجة من التفجير وصل إلى 100 متر فوق سطح البحر وغمر مسافة بلغت 450 كيلومتراً داخل البر. ثم قدم العالمان الأمريكيان برنارد لي ميهوت B. Le Mehaute وشين وانجShen Wang   دراسة عن أمواج الماء المولدة بتفجيرات تحت سطحية وتوليدها لكرة عملاقة من الغازات الساخنة تنهار مباشرة، وكذلك الانفجارات القريبة من السطح التي تولد أمواجاً من الماء قد يبلغ ارتفاعها مئات الأمتار لكنها سرعان ما تنحسر. وفي عام 1971م جرى حساب نصف قطر الفقاعة الغازية gas bubble الناتجة من التفجير اعتماداً على العلاقة (1)؛ والتي تدعى معادلة تقييم النماذج النظرية المختلفة للانفجار تحت الماء underwater explosion.

ويعطى نصف قطر الفقاعة الغازية العظمى في هذه العلاقة بدلالة الضغط عند قاع خندق ماريانا Mariana Trench (وقيمته 1086 بار)؛ وبدلالة واحدة قياس الضغط الجوي والتي يُرمز إليها بالرمز ATM وتعادل 760 ميلمتراً زئبقياً أو 1.01325 بار؛ وبدلالة وحدة الطاقة ميغا طن من ثلاثي نترو التولوين Trinitrotoluene (TNT)، ولاستعمال هذه الواحدة أسباب تاريخية لمقارنة قوة تفجير الديناميت TNT بشدة المتفجرات الأخرى.

وبلغ قطر الفقاعة اعتماداً على العلاقة (1) أكثر من كيلو متر بعد نحو ثانيتين، وانفلق سطح الماء فوق نقطة الانفجار قليلاً، ثم تسبب الضغط المتولد بارتفاع الماء مسافة 11 كيلومتراً، بعدها انهارت الكرة الغازية على نفسها لثوانٍ قليلة لتصل إلى أقصى حجم لها قبل أن تتمدد مرة أخرى، وتتكرر الدورة عدة مرات قبل أن تتشتت طاقة الانفجار بكاملها.

استخدم التفجير تحت الماء لغايات مختلفة منها: إزالة عوائق الشاطئ قبل الإنزال البرمائي، إزالة الألغام، قطع القنوات، هدم السفن المحطمة. وبسبب زيادة الأنشطة التجارية في المحيطات؛ واستغلال البترول والغاز؛ وتطور الصناعة فقد انتشر التفجير تحت الماء كثيراً، وقد تطوَّرت هذه التقنية بحيث تضمن الاستخدام الآمن، أداة بناء في الأعمال تحت الماء.

عملية التفجير تحت الماء

-   القدح ignition: تبدأ عملية التفجير الكيميائية والفيزيائية عادة باستعمال قادح قادر على نشر حرارة كافية تتجاوز الضياع الحراري وبسرعة عالية لينتشر ضمن المادة المتفجرة، فتبدأ التفاعلات الكيميائية فيها. ويمكن أن يكون القادح كهربائياً نتيجة توهج سلك رفيع عالي المقاومة الكهربائية؛ أو انفراغ شحنة كهربائية بين قطبين متجاورين ليولد شرارة كهربائية، وقد يكون ميكانيكياً يقدح بسبب الاحتكاك، وقد يكون بواسطة فتيل يحتوي مادة سريعة الانفجار أسرع من المادة المراد تفجيرها؛ على ألا يتأثر القادح بالرطوبة والماء، وقد يكون القادح صوتياً ناتجاً من ارتداد موجة الصدم من حدود المادة المتفجرة. ويجري حديثاً استعمال نبضة ليزرية عالية الطاقة قادرة على توليد موجة صدم.

أما في التفجيرات النووية فيكون القدح بواسطة مواد انشطارية تُنتِج نترونات تتجاوز في عددها عتبة معينة ليبدأ التفاعل التسلسلي النووي.

-   الانفجار explosion: يمثل الانفجار عملية نووية أو كيميائية وفيزيائية تقوم بتوليد طاقة آنية (وعلى الأغلب غازات) وضغط عالٍ وصدم. والتفجيرات تحت الماء هي عملية تسلسلية sequential ترسل كميات كبيرة من الطاقة آنياً إلى الوسط الخارجي.

تبلغ سرعة الصوت -الذي يعدّ ممثلاً لسرعة انتشار موجة ضغط ضمن شروط معينة- في الهواء قرابة 340م/ثا، في حين تبلغ سرعة انتشار الصوت في الماء قرابة 1500م/ثا، ويمثل هذا الفرق إضافة إلى كبر لزوجة الماء مقارنة بالهواء اختلافات واضحة بين التفجير في الهواء والتفجير تحت الماء من الناحية الفيزيائية. وقد يكون حدوث موجة الصدم -التي قد تصل سرعتها إلى 8000م/ثا- عندما تتجاوز سرعتها سرعة الصوت أبرزها، إضافة إلى سرعة تخامدها بسبب اللزوجة العالية للماء مقارنة بلزوجة الهواء.

إن أي مادة متفجرة سواء كانت صلبة أم سائلة أم غازية هي مكوّن غير مستقر يخضع –بعد فعل نبضة خارجية- لتفاعلات كيميائية من أجل تحقيق حالات أكثر استقراراً، ويمكن استهلال مثل هذه التفاعلات إذا جرى توليد طاقة كافية في نقطة من المادة المتفجرة.

والخطوة الأولى في التفجير تحت الماء هي احتراق المادة المتفجرة الذي ينتج منه توليد موجة تفجير detonation wave وتشكيل نواتج تفاعلية. وتنتشر موجة التفجير من مركز التفجير إلى سطح الكرة الغازية وترسل طاقة إلى الوسط الخارجي، وتشكل النواتج الغازية كرة تتحرك بسرعة معينة. وقد يبلغ الضغط 14000 ميغا باسكال MPa عند درجة حرارة 3300 كلفن، ويظهر عند مثل هذا الضغط العالي أثر انضغاطية compressibility الماء ومنطقة الضغط التي تولد موجة الضغط وموجة الصدم. وتنتشر جبهة الضغط في الجزء الأول بسرعة قصوى تراوح بين 6000 و8000 متر في الثانية منتجة موجة صدم، ثم بعد بضعة أجزاء من الألف من الثانية بسرعة 1500 متر في الثانية التي توافق سرعة الصوت في هذا الوسط. وتسافر موجة الصدم قرابة عشرات الأمتار، وحيث إن سرعة الكرة أصغر من سرعة موجة الصدم تظهر عملية الفصل بينهما، وتتوزع الطاقة بالتساوي بينهما تقريباً.

ومع تزايد أبعاد الفقاعة ينخفض الضغط داخلها حتى يغدو أقل من ضغط السائل السكونيhydrostatic pressure  ، وتبدأ الكرة أيضاً بالانكماش، ويطلق على العملية التكرارية لتضخم الفقاعة وانكماشها نبضة الفقاعة الغازية. أما مصدر الاضطراب الرئيس في الماء فهو انتشار موجة صدم أولى عبر المادة المتفجرة. فبعيد وصول موجة الصدم إلى الماء بضغط يفوق  كغ/م² في حالة ثلاثي نترو التولوين (TNT) Trinitrotoluene يبدأ الماء بالتحرك في اتجاه انتشاره، كما يبدأ نصف قطر كتلة النواتج الغازية من الفقاعة الغازية بالازدياد؛ وينخفض الضغط داخلها إلى ما دون ضغط السائل السكوني. وفي حالة التفجير باستخدام متفجرات قوية مثل ثلاثي نترو التولوين TNT يكون ارتفاع الضغط آنياً وغير مستمر يتبعه انخفاض مهم، وتكون مدة هذه الظاهرة من رتبة الميلي ثانية. وتوفر عطالة الماء مع خصائص مرونة الفقاعة الغازية والماء الشروط المثالية لمنظومة اهتزازية oscillate system؛ حيث إن الفقاعة تكون في انتقالات بين تزايد وتناقص، ويبيّن الشكل (1) مخطط تفجير تحت الماء.

الشكل (1) مخطط لتفجير تحت الماء.

وبهدف تحديد موسطات parameters التفجير تحت الماء أُجريت اختبارات إرشادية باستخدام شحنات متفجرة مكوّنة من ثلاثي نترو التولوين TNT بكتل تراوح من 0.075 كغ إلى 0.25 كغ. ويبيّن الشكلان (2 و3) المخططين التمثيليين لتجارب تختبر تأثير العمق وتأثير توزع المتفجرات في الضغوط الحاصلة وانتشارها، فوجِد مثلاً أن زمن النبضة (مُقدراً بالثواني) معطى بالعلاقة (2):

 

وفيها تدل m   على كتلة المتفجر بالكيلوغرام، وتدل H على عمق موقع المتفجر بالأمتار.

الشكل (2) المخطط التمثيلي لتجارب التفجير تحت الماء.

الشكل (3) المسافات بين مواضع الشحنات المتفجرة وعمقها.

كما وجد أن القطر الأعظمي للفقاعة الأولى (مقدراً بالأمتار) معطى بالعلاقة (3):

ويبيّن الشكل (4) الشكل العام لشحنات التفجير تحت الماء. ويجب ملاحظة أن للمادة المغلفة تأثيراً إضافياً في عملية التفجير، وعلى الرغم من أن معظم المغلفات من الألمنيوم فإنه ظهر حديثاً إمكان التغليف باللدائن التي تأخذ دورها في عملية التفجير أيضاً.

 

الشكل (4) الشكل العام للشحنات المستخدمة في التفجير تحت الماء.

في حين يبيّن الشكل (5) كيفية الإعداد لأحد اختبارات التفجير تحت الماء.

الشكل (5) الإعداد لاختبار تفجير تحت الماء.

مقارنة التفجير تحت الماء بالتفجير في الهواء

على الرغم من أن التفجير تحت الماء لا يختلف كثيراً في الوقت الراهن عن مثيله في الهواء فإن آثارهما مختلفة، فالتفجير تحت الماء يتميَّز بالاحتفاظ بالطاقة لمسافة أكبر ويؤدي إلى أضرار أكبر، ويعود السبب في ذلك إلى كثافة الماء التي تساوي 1000 كغ/م³، لذا تحتفظ كرة موجة ضغط الانفجار في الماء -الذي يعدّ قليل القابلية للانضغاط- بقوتها لمسافة أكبر وتنتشر بسرعة كبيرة قدرها 1500 م/ثا؛ في حين تبلغ سرعة انتشار موجة الضغط في الهواء 340م/ثا بسبب قلة كثافته التي لا تزيد على ، لذلك تتسع كرة موجة الضغط في الهواء وتتلاشى بسرعة.

تطبيقات التفجير تحت الماء

يستخدم التفجير تحت الماء في الحقلين العسكري والمدني.

التطبيقات العسكرية:

طغت التطبيقات العسكرية بدايةً بسبب الحربين العالميتين الأولى والثانية، فقد استخدم التفجير تحت الماء لإزالة العوائق من الممرات المائية بهدف الإنزالات البرمائية وتوسيع الموانئ والممرات لاستيعاب السفن الكبيرة والمدمرات. واستخدم أيضاً ألغاماً بحرية عائمة وتحت الماء لإغراق السفن والغواصات، وفي تفخيخ الأسلاك وخطوط الهواتف وشبكات الاتصالات والمعلومات تحت الماء في أعماق البحار؛ حيث يضع الغوّاصون الشحنات المتفجِّرة على الأجسام المراد تحطيمها أو إزالتها؛ وتوضع بالقرب منها عندما تكون ألغاماً. ويستخدم التفجير النووي تحت الماء في التجارب النووية.

التطبيقات المدنية:

تشمل الاستخدامات المدنية للتفجير تحت الماء توسيع الموانئ والممرات المائية وحفر آبار النفط في البحر وتشييد الجسور البحرية وإزالة الصخور القديمة والآيلة للسقوط، وفتح الأنفاق والمعابر المائية، وفتح شقوق في الصخور، وقطع أنابيب الفولاذ، وفتح الخنادق. كما يُستخدم في صيد الأسماك حيث توضع الشحنة المتفجِّرة باستخدام غواصات مأهولة أو مركبات تقاد عن بُعد.

مواد التفجير تحت الماء

ثمة نوعان رئيسيان من المتفجرات الكيميائية التي تصلح للاستخدام تحت سطح الماء وهي المتفجرات المشتقة من مركبات النتروغليسرين nitroglycerine-based ، والمتفجرات المشتقة من مركبات نترات الأمونيوم ammonium nitrate-based.

كما تجدر الإشارة إلى وجود خلائط متفجرة عديدة تستخدم في التفجير تحت الماء مكوّنة من تركيبة من ثلاثي نترو التولوين TNT، والأوكتوجن Octogen والذي يُرمز إليه بالرمز HMX، والهكزوجن hexogen ويُرمز إليه بالرمز RDX،  وغيرها من المواد المتفجرة.

محاكاة التفجير تحت الماء

تجدر الإشارة إلى أن معظم الأبحاث والدراسات المنشورة الخاصة بالتفجير تحت الماء تعتمد على محاكاة عددية، ويندر توفر معطيات عن هذا الموضوع مرتبطة بالتفجيرات الحقيقية بسبب عدّها معلومات سرية للهيئات أو الشركات من جهة؛ ولكونها مكلفة من جهة أخرى.

وثمة العديد من البرمجيات المستخدمة لتقييم أداء التفجير تحت الماء منها الرِماز الحاسوبي الكيميائي الحراري EXPLO5 الذي يسمح بالتنبؤ بخصائص التفجير -مثل تركيب منتجات التفجير وسرعة التفجير والضغط والحرارة وغيرها- للمتفجرات الشديدة وخصائص احتراق الدافع propellant تحت شروط حجم ثابت أو ضغط ثابت.

طرائق تفعيل الانفجار تحت الماء

تطوَّرت طرائق تفعيل الانفجار تحت الماء بفعل تطور معدات الاتصال، وقد طُبِّق معظمها في تفجير الألغام البحرية، وقسِّمت هذه الطرائق إلى أربعة أقسام رئيسة هي:

- تفجيرات الاتصال المباشر: أقدم أنواع الألغام البحرية وهي زهيدة الثمن، وتنفجر عند ملامسة الهدف، وتكون أضرارها محدودة.

- الألغام المربوطة أو المُقيّدة: صُمِّمَ هذا النوع ليسبح تحت سطح الماء حيث يربط اللغم بسلسلة حديدية في أسفلها مرساة مثبتة في قاع البحر تمنعه من الطفو.

- ألغام ذات تحكم عن بعد: تستخدم على نحو متكرر مع مدفعية الشاطئ والمنصّات المائية.

- ألغام المحسّات: تحتوي هذه الألغام على محسّات إلكترونية منها المغنطيسية؛ والصوتية السلبية؛ وذات ضغط الانزياح المائي الذي تسببه السفينة، وهي مصممة بحيث تنفجر عند وصول السفينة إلى مسافة معينة من اللغم.

مراجع للاستزادة: -  S. Abrate, ‎ Dynamics of Composite and Sandwich Marine Structures: Water Impact and Underwater Explosions, Wiley 2023. -  B. Friedman, M. Shiffman, Studies on the gas Bubble Resulting From Underwater Explosions; on the Best Location of a Mine Near the sea Bed, Franklin Classics, 2018. -  M. H. Keshavarz, T. M. Klapötke, Energetic Compounds, De Gruyter, 2020. -  G A. 1919- Young, Naval Surface Weapons Center, Techniques for Monitoring the Environmental Effects of Routine Underwater Explosion Tests,‎ Palala Press, 2015.

---

- التصنيف : التقانات الصناعية - النوع : التقانات الصناعية - المجلد : المجلد التاسع مشاركة :