في كتاب "أم كالافي"، تعرفنا على قاذفة القنابل الأمريكية الشبحية B-2. وبعيدًا عن جمال مظهرها الشبيه بالأجسام الطائرة المجهولة، والذي يُعدّ مثاليًا للتصوير، فإنّ هذا المظهر يلعب دورًا هامًا في قدرتها على التخفي. إذ يعمل تصميمها الهندسي على تشتيت الإشعاع الراديوي خارج الغلاف الجوي، مما يمنع الرادار من رصدها. في هذا المقال، سنكشف القصة العلمية وراء قاذفات القنابل الشبحية، وكيف ساهم مقالٌ يبدو بريئًا في تحقيق ما كان يُعتبر مستحيلاً.
في أواخر أربعينيات القرن العشرين، بلغ هوس المهندس الأمريكي جاك نورثروب بأجنحة الطائرات ذروته. كان نورثروب يعتقد أنه إذا أزلنا كل جزء من الطائرة لا يُولّد قوة رفع، كجسم الطائرة أو حتى ذيلها، فسنتمكن، نظريًا على الأقل، من ابتكار أكثر الطائرات كفاءة. في الوقت نفسه، لاحظ أمرًا آخر: فبدون تلك الأجزاء العمودية، واجهت أجهزة الرادار صعوبة في رصد الطائرة. أدرك نورثروب أنه على صواب، لكن الرياضيات في ذلك الوقت لم تكن متطورة بما يكفي.
بعد بضع سنوات، وتحديدًا في عام 1962، نشر الفيزيائي السوفيتي بيوتر أوبيتسيف بحثًا رياضيًا ثوريًا (وإن كان ذا طابع تقني) وصف فيه كيفية تشتت الموجات الكهرومغناطيسية عن الأسطح الملساء. والمثير للدهشة أن النظام السوفيتي لم يرَ في البحث أي قيمة عسكرية، وسمح للباحث بنشره في مجلات دولية. ولغباء السوفييت، منح نشر البحث العالمَ سرَّ التخفي الجوي. فعندما اطلع مهندسو شركة لوكهيد الأمريكية على الأبحاث المترجمة، أدركوا على الفور أن الفيزيائي الروسي قد حلّ ما كان يُعتبر آنذاك مشكلةً مستعصية. وبفضل بحث بيوتر، قرر المهندسون التخلي عن الهندسة المعقدة، وافترضوا تصميم طائرة من أسطح مستقيمة وزوايا حادة. قاد هذا الاكتشاف الأمريكيين في سبعينيات القرن العشرين إلى بناء أول طائرة شبحية، وهي "الماسة اليائسة"، وهي طائرة شبحية تفتقر إلى قدرات طيران تُذكر. انتشرت الضجة الإعلامية المحيطة بالاكتشاف الروسي في أروقة واشنطن، وبدا الأمر أشبه بالسحر بالنسبة لغير المتخصصين، تمامًا كعباءة الإخفاء في أفلام الخيال العلمي، لكنه ليس كذلك. لا وجود للسحر في الهندسة، بل هو مجرد تطبيق متقن لقوانين الفيزياء. لفهم كيف تفلت طائرة تُقدّر قيمتها بمئات الملايين (إن لم تكن مليارات) الدولارات من الرادار، علينا أن نفهم الصدى الذي تُحدثه.
اخترعت أجهزة الرادار في بداية القرن الماضي لرصد الأجسام في البيئة المحيطة. الرادار اختصار لعبارة "الكشف الراديوي وتحديد المدى". في اللغة العبرية، يُطلق على الرادار اسم "מאדם" (أي تحديد الاتجاه والمسافة). الرادار ببساطة أداة "تستقبل" أصداء الموجات الراديوية العائدة من الأجسام في البيئة. عمليًا، تُرسل محطة رادار أرضية نبضة راديوية عالية الطاقة. الموجات الراديوية جزء من عائلة الموجات الضوئية، ولذلك تنتقل بسرعة الضوء. إذا اعترض جسم ما طريقها، تصطدم به الموجة وتنعكس جزئيًا عائدةً إلى مستقبلات على الأرض. ولأن سرعة الضوء ثابتة، يُمكن استنتاج بُعد الطائرة عن الأرض بسهولة من الوقت الذي استغرقته الإشارة للعودة. يبدو الأمر بسيطًا، أليس كذلك؟ لكن الإجابة أكثر تعقيدًا. لكي تتمكن الطائرة من الإفلات من جهاز الكشف، تحتاج إلى فهم أعمق للفيزياء.
للقيام بذلك، سنبدأ بجهاز الإرسال. يُنتج هذا الجهاز طاقةً ذات قدرة هائلة (الطاقة لكل وحدة زمنية). سنرمز لها بالحرف P من كلمة "القدرة". إذا أُشعّت هذه الطاقة في جميع الاتجاهات، فإنها تنتشر على حافة كرة تتوسع بسرعة الضوء. ونتيجةً لذلك، تتبدد هذه الطاقة بسرعة وتضعف بمرور الوقت. بتعبير أدق، تُحفظ الطاقة بالكامل، لكن الطاقة المقاسة لكل وحدة مساحة تتناقص كدالة لمربع المسافة. لكن الرادار ليس مجرد مصباح كهربائي بسيط، بل هو أشبه بمصباح يدوي. يُركز ضوؤه في اتجاه محدد. لذلك، لا تتناقص الطاقة تمامًا وفقًا لمربع المسافة، وبفضل التركيز، يكون لضوء المصباح اليدوي عامل G أكبر من ضوء المصباح الكهربائي البسيط. إضافةً إلى ذلك، لا يعكس السطح الضوء كمرآة. يتشتت جزء من الضوء، ويُمتص جزء آخر، ويعود جزء ثالث إلى الكاشف. تُعرف كمية الضوء العائد إلى الكاشف بما يسميه الفيزيائيون المقطع العرضي. تصف هذه الكمية المساحة الفعالة للطائرة إذا كانت تعمل كمرآة. إذا تشتت معظم الضوء أو امتُص، فلن يستقبل الرادار الضوء المنعكس، وبالتالي ستكون قوة الإشارة المستقبلة، المكافئة لاكتشاف "مرآة"، أقل بكثير من قوة إشارة طائرة الشبح. كلما صغر المقطع العرضي، زادت صعوبة اكتشاف طائرة الشبح.
لكن يجب أن يعود الضوء أيضًا إلى الكاشف، لذا فإن الطاقة المستلمة على الأرض لا تنخفض بمعامل يساوي مربع المسافة فقط، بل بالمسافة مرفوعة للأس الرابع. وللتعويض عن ذلك، تُصنع هوائيات كبيرة بأوسع قرص ممكن لجمع أكبر قدر ممكن من الموجات الراديوية. ومن كل هذا، يمكننا الحصول على صيغة الطاقة الراديوية المستلمة، أو ما يُسمى بمعادلة مدى الرادار.
حيث P هي قدرة الرادار، وσ هي المقطع العرضي، وA هي مساحة الهوائي، وG هو عامل التركيز، وR هي المسافة بين الطائرة الشبحية والكاشف. في الواقع، هذه الصيغة أكثر تعقيدًا مما هي عليه مكتوبة هنا، لأن الهوائي المُستقبِل هو نفسه المُرسِل. على أي حال، تُغطي هذه الصيغة بالتأكيد فيزياء الكواشف، ومنها نستنتج أن القدرة المُستقبَلة تتضاءل بشكل ملحوظ مع المسافة. هذه هي "لعنة" هندسة الهوائيات المعروفة، وهي أيضًا السبب في أن الطائرات الشبحية عادةً ما تُحلِّق على ارتفاع أعلى من الطائرات العادية. ولأغراض التوضيح، يعني هذا القانون أنه إذا حلَّقت طائرة شبحية على ارتفاع أعلى بمرتين، فإن الإشارة العائدة إلى الكاشف ستكون أضعف بـ 16 مرة. وهذا يثير التساؤل بطبيعة الحال: هل يُمكن رصد الطائرات أصلًا في ظل هذا التوهين الشديد؟ ناهيك عن وجود تشتت إضافي ناتج عن الغلاف الجوي. يكمن الجواب في المقطع العرضي. تمتلك معظم الطائرات مقطعًا عرضيًا كبيرًا، ولكن إذا كان المقطع العرضي صغيرًا بما يكفي، فإن الارتفاع سيُؤدي وظيفته. ولا، الأمر لا يتعلق فقط بطلاء الطائرة باللون الأسود، فالفيزياء الأساسية تكمن في البنية الهندسية للطائرة.
وبالعودة إلى القصة التي بدأنا بها، أدرك المهندسون أن الرادار أشبه بمصباح يدوي، وأن الطائرة أشبه بمرآة، لذا ليس من الضروري جعل الطائرة شفافة. كل ما يلزم لجعل الطائرة خفية هو التحكم في تشتت الضوء. ينشأ التشتت من حقيقة أن الأسطح ليست ملساء تمامًا. فإذا نظرنا إلى هذه الأسطح، نرى أنها تتكون من شقوق مجهرية تُسبب تشتتًا طفيفًا للضوء، ولكن هذه الشقوق تحديدًا هي التي تُعيد الضوء إلى الكاشف. أما إذا اصطدم الضوء بسطح أملس جدًا، فإنه سيرتد عنه كمرآة. إضافةً إلى ذلك، يسمح اختيار تصميم هندسي ذكي للضوء بالتشتت نحو الفضاء وليس نحو الأرض. وهذه هي الميزة التي نسعى لتحقيقها في الطائرات الخفية.
في سبعينيات القرن الماضي، تمكن مهندسو شركة لوكهيد أخيرًا من التوصل إلى المعادلات التي كانوا بحاجة إليها. كما فهموا كيفية تشتت الضوء عن الأسطح، لكنهم لم يمتلكوا القدرة الحاسوبية اللازمة لتصميم سطحٍ كهذا. لفهم تشتت الضوء عن الأسطح المنحنية، كان لا بد من حل معادلات تفاضلية معقدة بدقة تصل إلى بضعة ملليمترات. ببساطة، لم تكن الحواسيب في سبعينيات القرن الماضي قادرة على التعامل مع هذه المسألة. لذا اقترح المهندس دينيس أوبرهولزر حلاً بديلاً. إذا كان الحاسوب عاجزًا عن التعامل مع الأسطح المنحنية، فلماذا لا يتعامل مع الأسطح المستقيمة ذات الزوايا الحادة؟ هكذا طوروا أول طائرة مقاتلة شبحية، وهي طائرة إف-117 "نايت هوك". بتقسيم الطائرة إلى مرايا مثلثة، أصبحت الحسابات أبسط بكثير. فبدلاً من حساب مليارات انعكاسات أشعة الضوء من مرايا اصطناعية، لم يعد الحاسوب يحسب سوى بضع عشرات منها.
كانت الطائرة الشبحية، التي بدت أشبه بمركبة فضائية غريبة، آلة رائعة للتخفي عن الرادار، بمساحة مقطع عرضي بحجم حبة بازلاء، لكنها كانت سيئة للغاية من الناحية الديناميكية الهوائية. كانت غير مستقرة لدرجة أنه كان لا بد من استخدام أربعة حواسيب مختلفة لمنعها من السقوط. ومع ذلك، أثبتت الطائرة الشبحية جدواها، وهذا هو المهم. فإذا تمكنت من التحكم في هندسة الطائرة، يمكنك إبهار الرادار.
مع تطور الحواسيب العملاقة، تمكن مهندسو شركتي لوكهيد ونورثروب من حل معادلات ماكسويل (المعادلات التي تصف سلوك الضوء) بدقة أكبر. فبدلاً من افتراض أن الأجنحة تتكون من 20 سطحًا مستقيمًا، استطاعوا محاكاة كيفية تشوه الموجات الراديوية حول أجنحة مصنوعة من سطح عميق ومتصل، مما مكّنهم من تصميم طائرة حقيقية قادرة على التخفي من الرادار. وكانت نتيجة هذا العمل الهندسي المكثف قاذفة القنابل الشهيرة B-2. صُمم الهيكل الهندسي للقاذفة بدقة تصل إلى مستوى المليمتر بحيث لا تعود الموجات الراديوية إلى الكاشف. ولهذا السبب تبدو القاذفة كجناح عملاق واحد. ولهذا السبب أيضًا، لا تحتوي القاذفة على ذيل، وهي مغلفة بمادة سرية قادرة على امتصاص إشعاع الرادار، مما يساهم في تقليل مقطعها العرضي. لكن B-2 لا تخلو من المشاكل أيضًا. إذ تبلغ تكلفة القاذفة الواحدة حوالي ملياري دولار. وتتطلب المادة التي تُغلف بها حظائر طائرات ضخمة مزودة بأنظمة تحكم مناخية متطورة وتكاليف صيانة باهظة. ومن حيث التكلفة والعائد، تتطلب كل ساعة طيران 120 ساعة صيانة. من جهة، تعتبر القاذفة عملاً فنياً مادياً، ومن جهة أخرى، فهي كابوس لوجستي.
بعد مرور حوالي 30 عامًا، وتحديدًا في عام 2011، قرر سلاح الجو الأمريكي ابتكار بديل يحل مشكلة التكلفة، فاختار تصميم قاذفة القنابل B-21. إذا كانت B-2 قد أثبتت إمكانية حل معادلة ماكسويل بدقة تامة، فإن شقيقتها الأصغر تثبت إمكانية القيام بذلك بكفاءة عالية أيضًا. على عكس القاذفة القديمة، أثبتت النسخة الجديدة إمكانية بناء قاذفة ذات تصميم هندسي أكثر انسيابية. علاوة على ذلك، فإن محركاتها مخفية لدرجة أنها بالكاد تؤثر على المجالات الكهرومغناطيسية المحيطة بها. بفضل الذكاء الاصطناعي، قد تخضع لتحديث آخر، وإذا ما تكللت كل هذه الجهود بالنجاح، فستكون أول طائرة من "الجيل السادس". بفضل الذكاء الاصطناعي، لم يعد الأمريكيون وحدهم في هذا المجال، إذ يعمل الصينيون والأوروبيون على تطوير مقاتلاتهم الشبحية، وأصبحت التقنية التي انطلقت من ورقة علمية ثورية معروفة على نطاق واسع.
هل لديك أي أسئلة؟ هل ترغب في أن أكتب عن موضوع يثير اهتمامك؟ يمكنك إرسالها إلى بريدي الإلكتروني noamphysics@gmail.com. كما يمكنك قراءة المزيد من المقالات على مدونتي الشخصية whatsquantum.org.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 4
"يكمن الجواب على هذا" و"يكمن جوهر الفيزياء في"...
وبغض النظر عن الأخطاء الإملائية، فإن التخفي لا يتحقق فقط من خلال التصميم ولكن أيضًا من خلال مواد الطلاء وإخفاء انبعاث الحرارة.
أعتقد أنه ينبغي أن يكون "إذا أزلنا من الطائرة كل جزء لا ينتج عنه قوة رفع" وليس "قوة دفع".
أرجو تقديم تعليقات دقيقة وسأقوم بتصحيحها.
أبي
المقال مليء بالأخطاء النحوية، والمشاكل المتعلقة بالترجمة بين العبرية والإنجليزية، وحتى خطأ إملائي.