اژدر ابرحفره‌‌زا چیست و چگونه کار می‌کند؟

اژدر اَبَرحفره‌زا هنگام حرکت در آب، حباب بزرگی از هوا تولید می‌کند که تقریبا تمام بدنه اژدر را در بر می‌گیرد. بدین‌سان، اصطکاک اژدر با آب کم می‌شود و نیروی پسار کاهش می‌یابد، لذا اژدر می‌تواند با سرعت بسیار بیشتری در آب حرکت کند. در حال حاضر تنها روسیه و جمهوری اسلامی ایران فناوری ساخت چنین اژدرهایی را در اختیار دارند. به اژدرهای ابرحفره‌زا، گاهی «اژدر فراحفره‌زا» نیز می‌گویند. در ادامه این مقاله، با جزییات بیشتری درمی‌یابیم که اژدر فراحفره‌زا یا اژدر ابرحفره‌ زا چیست و چگونه کار می‌کند. همچنین با تاریخچه این‌نوع اژدرها آشنا می‌شویم.  

برای آشنایی بیشتر با اژدرها می‌توانید مطالعه کنید: اژدر چیست و چگونه کار می‌کند؟

اژدر ابرحفره‌زا چیست؟

اژدر ابرحفره‌زا (superavitation torpedo)^۱ با استفاده از پدیده اَبَرحفره‌زایی، حباب بزرگی در اطراف خود ایجاد می‌کند و درون آن حباب جای می‌گیرد. با چنین روشی، میزان اصطکاک اژدر ابرحفره‌ زا با آب و نتیجتا نیروی پسار کاهش می‌یابد و می‌تواند بسیار سریع‌تر از اژدرهای عادی به‌سمت هدف حرکت کند. سرعت اژدرهای ابرحفره‌زا بیش از ۲۰۰ گره دریایی معادل تقریبا ۳۷۰ کیلومتر در ساعت است و لذا یکی از سریع‌ترین پرتابه‌های زیرآبی ساخته دست بشر هستند. سرعت اژدرهای ابرحفره‌زا حدود سه برابر اژدرهای معمولی است. «اشکوال^۲» ساخت روسیه و همچنین «حوت» ساخت ایران دو نمونه از این نوع اژدرها محسوب می‌شوند. درک اصول کار اژدر ابرحفره‌زا بسیار مهم است به‌ویژه که در ساخت شهپادهای پرسرعت نیز به‌کارمان می‌آید.

اژدر ابرحفره‌زا چگونه کار می‌کند؟

اژدر ابرحفره‌زا به‌سبب شکل خاص دماغه خود (عکس‌های ۳ و ۴)، ضمن پیشروی، آب را از اطرافش کنار می‌زند و هم‌زمان از روزنه موجود روی دماغه، گاز بیرون می‌دهد. بدین‌وسیله حبابی شکل می‌گیرد که البته باید به‌اندازه کافی بزرگ و منبسط شود تا بتواند تمام بدنه اژدر را در خود جای دهد. برای این منظور، هم روزنه موجود روی دماغه و هم موتور راکتی انتهای بدنه، به درون حباب گاز تزریق می‌کنند. بدین‌وسیله، اولا حباب به‌اندازه کافی بزرگ و متورم می‌شود تا تمام بدنه اژدر را احاطه کند. ثانیا فشار داخل حباب حفظ می‌شود تا در اثر فشار آب بیرون، جمع و مچاله نشود. با چنین راه‌کاری حباب یا همان ابرحفره تمام بدنه اژدر را می‌‌پوشاند و جلوی تماس بدنه اژدر با آب را می‌گیرد. درنتیجه، نیروی پسار (که همیشه در خلاف جهت نیروی رانش است) کاهش می‌یابد و اژدر می‌تواند بسیار سریع‌تر حرکت کند.

مراحل ایجاد ابرحفره یا فراحفره

اژدر ابرحفره‌زا یا فراحفره زا به‌محض ورود به آب، ابرحفره تولید نمی‌کند بلکه ابتدا باید سرعت آن به حد معینی برسد تا بتواند ابرحفره بسازد. مراحل تولید ابرحفره را می‌توان چنین خلاصه کرد:

1. ابتدا اژدر از زیردریایی یا شناور سطحی به آب پرتاب می‌شود و با کمک موتور راکتی شتاب می‌گیرد.
2. وقتی اژدر به سرعت بحرانی رسید، یعنی سرعت آن از حدود ۱۰۰ متر بر ثانیه فراتر رفت، فشار آب در ناحیه جلوی دماغه شدیداً کاهش می‌یابد و حباب اولیه شکل می‌گیرد. هم‌زمان، دهانه اژدر و موتور راکتی به درون حباب، گاز تزریق می‌کنند تا حباب به‌اندازه کافی بزرگ شود و تدریجا تمام بدنه اژدر را بپوشاند.
3. گام بعدی پایدارسازی ابرحفره است. تزریق مداوم گاز از دماغه و از خروجی موتور، ابرحفره را بزرگ و پایدار نگه می‌دارد.

عوامل موثر در تولید حباب یا ابرحفره

سه عامل در تشکیل ابرحفره و حفظ آن نقش اساسی دارند:

1. شکل خاص دماغه
2. خروج گاز از دماغه
3. موتور راکتی اژدر

در ادامه تاثیر هر سه عامل را خلاصه‌وار توضیح می‌دهیم.

۱. شکل خاص دماغه

اگر به دماغه اژدرهای ابرحفره‌زای حوت و اشکوال بنگرید، دو ویژگی جلب توجه می‌کند: یکی دهانه خروج گاز و دیگری سپرهای فلزی

• دهانه خروج گاز: دماغه اژدر ابرحفره‌‌زا، روزنه‌ای به قطر چند سانتی‌متر دارد که محل خروج گاز است. لذا جلوی دماغه، عملاً تخت و مسطح است. وقتی اژدر به آب می‌افتد و به سرعت لازم می‌رسد، به‌سبب شکل خاص دماغه، آب با سرعت بسیار بیشتری از اطراف آن عبور می‌کند. طبق قوانین فیزیک و اصل ساده برنولی، هرچه سرعت استاتیکِ سیالات (مثل هوا و آب) افزایش یابد، فشار آنها به همان نسبت کم می‌شود. پس، با افزایش سرعت جریان آب در اطراف دماغه اژدر، فشار آب در آن ناحیه به‌شدت کاهش می‌یابد. اگر فشار آب از حد معینی کمتر شود، آب تبخیر می‌شود، یعنی به‌گاز تبدیل می‌شود و بدین‌ترتیب، شرایط اولیه برای تشکیل حباب یا حفره فراهم می‌شود.  
• سپرهای فلزی اطراف روزنه: اگر به اژدر اشکوال بنگرید، دورتادور روزنه چند قطعه فلزی شبیه سپر می‌بینید. آنها وظایف مهمی دارند. پایدارسازی حباب و جلوگیری از فروپاشی یا نوسان آن، کنترل و هدایت متقارن جریان آب و جلوگیری از ایجاد گردابه‌های نامتقارن، کمک به پایداری حرکت اژدر و محافظت از دهانه گاز از جمله وظایف سپرها است.

۲. دهانه خروج گاز

گفتیم اژدر ابرحفره‌زا روی دماغه خود، دهانه‌ خروج گاز دارد. حبابی که در مرحله اول پدید آمد، باید به‌اندازی کافی بزرگ شود تا بتواند تمام بدنه اژدر را احاطه کند. ضمنا حباب باید پایدار بماند وگرنه تحت تاثیر فشاری که از بیرون بر آن وارد می‌شود، کوچک و کوچکتر می‌شود و نهایتا فرومی‌پاشد. به‌همین منظور، اژدر پیوسته از دهانه خود گاز بیرون می‌دهد و آن‌را به‌‌درون حباب تزریق می‌کند. با تزریق منظم گاز، حباب متورم و بزرگ می‌شود و ضمنا نشت تدریجی و طبیعی گاز از حباب را جبران می‌کند.

۳. موتور راکتی

موتور راکتی علاوه بر تولید نیروی رانش، در پایدار نگه داشتن ابرحفره نیز نقش دارد. ما با چند مشکل مواجه هستیم که موتور راکتی می‌تواند به حل آنها کمک کند: اولا هرچه سرعت اژدر بیشتر باشد، شکل حباب باید کشیده‌تر شود تا تمام بدنه اژدر را بپوشاند. ثانیا در سرعت‌های زیاد، اصطکاک و آشفتگی در انتهای حباب بیشتر می‌شود. ثالثا، همواره بخشی از گاز در قسمت انتهای حباب با آب مخلوط می‌شود و از بین می‌رود. موتور راکتی با تزریق گاز به حل هر سه مسئله فوق کمک می‌کند:

• طول ابرحفره یا فراحفره را افزایش می‌دهد تا تمام بدنه اژدر را بپوشاند.
• پایداری طولی حباب یا ابرحفره را حفظ می‌کند.
• نمی‌گذارد حباب از پشت فروبپاشد و دم اژدر از حباب بیرون بزند.

پانویس:

1. حفره‌زایی (به انگلیسی، کاویتاسیون: cavitation) یعنی ایجاد حبابی از گاز به‌‌سبب اختلاف فشار بین دو ناحیه از یک سیال مثل آب که با تزریق گاز به درون آن پایدار می‌ماند.
2. اشکوال، اژدر ابرحفره‎‌‌ زای روسی است؛ تلفظ روسی: وی‌آ-استو یازیناداتسَت شْکوال؛ به روسی: ВА-۱۱۱ Шквал؛ به انگلیسی: VA-111 Shkval