Каково это стрелять из научно-фантастической лазерной винтовки

TL;DR: отдачи нет, шума может не быть, вы увидите видимые световые лучи, повреждения будут выглядеть как просверливание твердых материалов и взрыв мягких материалов. Эффект выстрела по мишени будет громким и ярким. Не смотрите на пострадавшего от лазера оставшимся глазом. Носите футуристическую броню из углеродных нанотрубок. Все остальное довольно плохо против лазеров.

Я большой поклонник работы Люка Кэмпбелла над научно-фантастическим лазерным оружием. У него есть (прискорбно незаконченный) фрагмент его веб-сайта по этому вопросу здесь , и здесь есть обсуждение конкретного его примера работы над Project Rho . В основном я буду следить за его вещами; это очень хорошо.

Предположения

• Не знаю точно, какой должен быть ваш мегаджоуль на квадратный метр, но мегаджоуль — это слишком высокая энергия для противопехотного лазера, а мегаджоуль на квадратный метр — слишком низкая интенсивность для лазерного оружия. В моем примере лазер будет доставлять 2500 Дж к цели в точке диаметром 2 мм. Это интенсивность около 400 МДж/м ² . Для сравнения, дульная энергия патрона калибра 5,56 мм НАТО составляет около 1800 Дж, а патрона калибра 7,62 мм НАТО — около 3500 Дж.
• Это импульсный лазер. «Выстрел» будет производиться в виде 50 импульсов длительностью 1 мкс с энергией 50 Дж каждый, с 4 мкс между каждым импульсом для общего времени выстрела 250 мкс. Кажется достаточно шустрым. Причины этого сложны, но сверление цели с помощью последовательности импульсов — хороший способ максимизировать урон, не тратя энергию на создание горячего газа или широких кратеров или риск разрушения атмосферы . Люк Кэмпбелл называет этот стиль лазера бластером .
• Вы сказали не беспокоиться о фокусировке, но помните, что дальномер и настройка оптики займут ненулевое время. Помните, что когда вы говорите «немедленный огонь»… стрельба на неизвестном расстоянии из несфокусированного лазера может ослепить их, если вам повезет, но, вероятно, не принесет ничего полезного. Глубина резкости возможной лазерной пушки для людей будет ограничена.

Стрельба

Стрельба из орудия будет, скорее всего, бесшумной. Пиковые уровни мощности здесь высоки (100 МВт, когда лазер активен), а шумы означают потери, приводящие к механическому движению или дуговому разряду, и подобные вещи при таких уровнях мощности сожгут ваше оружие. Что не будет бесшумным, так это система охлаждения, потому что ее, вероятно, нужно будет активировать перед съемкой, так как вы не хотите, чтобы охлаждающая жидкость вокруг самого лазера перегревалась. После выстрела станет шумнее... вам понадобится принудительное воздушное охлаждение в атмосфере, поэтому будут шумы вентилятора, и они продолжатся некоторое время после выстрела. Стабилизация изображения для оптики также может издавать тихий шум перед съемкой.

Не будет атмосферного пробоя с последующим образованием плазмы, шума и света. Это потому, что любой разумный лазер, который делает это, будет абсолютно бесполезен в работе по фактическому поражению цели, потому что вся энергия его луча будет израсходована. Густой дым и пыль заставят вас использовать меньшую мощность импульса. Пистолет может быть достаточно умным, чтобы справиться с этим за вас. Он может предупредить вас и сказать вам сделать это самостоятельно, но в запале вы, вероятно, не сделаете этого, потому что вы склонный к ошибкам мешок с мясом. Пиковая мощность, достигаемая этим лазером, в сочетании с узким фокусом луча вблизи цели достигает интенсивности, опасно близкой к интенсивности пробоя чистого воздуха. По мере того, как вещи превращаются в пыль, испаряются или загораются, вы начнете получать образование плазмы вдоль луча, начиная с цели и возвращаясь к стрелку по мере того, как воздух становится грязнее. Это знак уменьшить мощность или сосредоточиться, или сделать паузу на мгновение.

Лазер видимого света будет хорошо виден в воздухе. Для зеленого лазера с длиной волны 500 нм рассеяние будет около 33 Вт на метр, что будет очень хорошо видно даже при дневном свете (он будет ярче, чем флуоресцентная полоса), показывая всем, кто смотрит, четкую линию между стрелком и целью. Лазер ближнего ИК-диапазона с длиной волны 1000 нм с той же мощностью будет рассеивать около 2 Вт на метр, но он будет невидим невооруженным глазом. Тем не менее, он будет ярко проявляться в любом оборудовании типа «ночного видения».

Стрелок почти наверняка не увидит луч ружья, из которого он стреляет, потому что он не хочет быть ослепленным им. Они будут носить фильтрующие очки, защитные очки или контактные линзы (или линзы камеры), которые полностью блокируют соответствующую длину волны. Вы все еще можете видеть враждебные лазеры, которые работают на длинах волн, отличных от тех, к которым вы были готовы, но если бы вы знали, какие длины волн используют ваши противники, вы бы заблокировали и их. Различные типы электронных дисплеев покажут вам лучи других невидимых лазеров, включая ваш собственный, чтобы вы могли видеть, куда стреляют. Такие дисплеи также могут отображать лазерные лучи ближнего ИК-диапазона, невидимые невооруженным глазом.

Быть расстрелянным

Там, где луч падает на цель, вы получите очень яркую вспышку, когда материал испарится и частично ионизируется. Это будет в основном широкополосный свет с высокой цветовой температурой, независимо от того, какого цвета лазерный луч. Импульсы слишком короткие и расположены слишком близко друг к другу, чтобы кто-либо, кроме машины, мог их различить. Он издаст громкий треск или удар, вероятно, мало чем отличающийся от выстрела из пистолета.

Что произойдет с целью, будет зависеть от того, из чего она сделана. Если его защитить суперфутуристической углеродной броней из нанотрубок или других очень прочных и тугоплавких материалов, относительно немного. Он прорежет отверстие глубиной в несколько миллиметров. Это оружие не для того, чтобы убивать эквивалент космодесантников. Однако против стали он отлично справится с расплавлением и взрывом глубокой дыры, немного шире, чем пятно, и почти 8 см глубиной. Отверстие будет не аккуратным, а грязным, вызванным выбросом горячих газов, а не просто плавлением. Сталь — ужасная броня для защиты от лазеров. Бетон также является плохим выбором для укрытия, так как выстрел может пробить более 25 см материала. Это не убьет вас после этого, но второй точный выстрел (а не мгновенная стрельба) определенно может.

Против небронированной человеческой цели он пробьет дыру насквозь. Цепочка взрывов перегретого пара расширится с гораздо большей силой, чем удар пули, и, следовательно, ущерб будет больше. Если луч попадет в конечность, он оторвется. Если луч попадает цели в туловище, шансы на то, что они выживут, минимальны. Повреждение в основном механическое, вызванное быстро расширяющимся перегретым газом (например, взрыв ), а не плавлением и горением. Раны не будут чистыми или прижженными. Это будет грязно и графично.

Вспышка выстрела, попавшего в мишень, будет вредна для зрения любого с незащищенным зрением, наблюдающего. Любой лазерный свет, рассеянный облаком газа и обломков, будет достаточно ярким, чтобы ослепить, как и любые отражения. Использование этого оружия в любом месте, где могут быть прохожие, которых вы не хотите ослеплять, было бы рискованным. Если вы используете длину волны, которая очень хорошо поглощается роговицей, это может вызвать поверхностную катарактоподобную слепоту, которая поддается коррекции, поэтому впоследствии вы сможете залатать рану. Этот факт может быть использован гражданским и полицейским оружием. Длина волны 1000 нм, вероятно, хороша для этой цели.

Это издает звук

Если бы плотность энергии была немного выше, раздался бы хлопающий звук, поскольку цветение заставляет часть воздуха на пути огня мгновенно превращаться в плазму (эффект немного похож на молнию).

Когда он попадает в цель, звук становится еще сильнее (подробнее об этом чуть позже)

У него есть отдача

Я никогда не думал об этом в научной фантастике, но у фотонов есть импульс. На этом принципе построены легкие паруса.

Импульс одиночного фотона равен${{planksConstant \times frequency} \over {speedOfLight}}$. Частоту можно найти по длине волны и скорости света.$frequency = {speed \over wavelength }$

Ради простой математики я выбираю рабочую длину волны 300 нм (слегка ультрафиолетовая). Это обеспечивает частоту${{3 \times 10^8} \over {300 \times 10^{-9} }} = {{3 \times 10^8} \over {3 \times 10^{-7} }} = {1 \times 10^{15}}$

Импульс одиночного фотона этой частоты равен${{6 \times 10^{-34} } \times {1 \times 10^{15}}} \over {3 \times 10^8}$"="${{6 \times 10^{-19} } \over {3 \times 10^8}}$"="$2 \times 10^{-27}$кг м/с.

Энергия того же фотона равна постоянной Планка, умноженной на частоту.${6 \times 10^{-19} }$Джоули

Оружие калибра .50 имеет площадь дульного среза 0,0014 квадратных метра.

Если оружие наносит чуть менее 1 мегаджоуля на квадратный сантиметр (0,0001 квадратных метра на квадратный сантиметр), энергия выстрела в мгновение ока по цели равна$0.0014 \over 0.0001$= 14 квадратных сантиметров. Умножая на 1 МДж на квадратный сантиметр, общая энергия составляет 14 МДж.

Разделите общую энергию 14 МДж (14 миллионов Дж) на энергию одного фотона.${6 \times 10^{-19} }$Джоулей, чтобы получить общее количество фотонов${1.4 \times 10^{7} } \over {6 \times 10^{-19} }$"="${ 0.23 \times 10^{26} }$фотоны.

Теперь, когда мы знаем общее количество фотонов, мы можем вычислить отдачу:${ 0.23 \times 10^{26} } \times { 2 \times 10^{-27} } = { 0.46 \times 10^{-1} }$кг м/с = 0,046 кг м/с

Насколько велика отдача?

Охотничье ружье калибра .22 стреляет со скоростью около 1200 футов в секунду ($\approx 330$м/с) 40 гран ($\approx 2.5$грамм = 0,0025 кг) снаряд имеет отдачу$330 \times 0.0025 = 0.825$кг м/с

Таким образом, лазерная винтовка имеет около$1 \over 20$й (5%) отдача порохового оружия в том же форм-факторе. Для эффективного использования оружия все еще может потребоваться обучение.

Я полагаю, что кто-то, обученный и привыкший к лазерному оружию, подумал бы, что если он или она когда-либо стрелял из порохового оружия, технология порохового оружия бесполезна. С его в 20 раз большей отдачей, кто-то, привыкший к лазерному оружию, удивился бы, как вообще можно было использовать такую ​​громоздкую штуку в бою.

Каково это, когда тебя бьют этой штукой?

Обладая высокой энергией и малым временем задержки, это оружие не предназначено для того, чтобы прорезать вас насквозь.

Вместо этого он предназначен для того, чтобы поразить вас достаточной энергией, чтобы часть вашего собственного тела превратилась во взрывоопасные газы.

Сколько энергии вы на самом деле поглощаете, зависит от множества усложняющих факторов, но если предположить, что вы получили большую часть из 14 мегаджоулей энергии, насколько это плохо?

Энергия 1 килограмма тротила равна 4,1 МДж. Выстрел из лазерной винтовки доставляет 14 мегаджоулей в ваше тело или поблизости, а затем$14 \over 4.1$= 3,4 кг

Сколько это стоит? Согласно Википедии типичная современная масштабируемая наступательная граната имеет взрывную силу 340 грамм ~ 0,34 кг. Поэтому находиться в комнате, где эта винтовка наносит удар с одного выстрела, все равно, что получить 10 наступательных гранат, заложенных прямо в вас, и взорванных одновременно.

Взрыв

Как мы могли видеть в некоторых научно-фантастических фильмах (но обычно они считались дрянными), этот лазер создает огненный шар. Но это больше похоже на взрыв расширяющегося газа во время бомбардировок Второй мировой войны, чем на затянувшийся шар горящего воздуха в Хиросиме.

Это было бы верно даже в космосе, потому что расширяющийся газ раньше был поверхностным материалом мишени.

МНОГО сопутствующего ущерба

В дополнение к взрыву в месте цели крошечные объемы этого луча отражались атмосферой во всех возможных направлениях во время пути, который эта энергия проходила от дула оружия до цели.

Даже в маломощных лазерных лабораториях студентов просят надевать очки для защиты от случайного отражения лазерной энергии. А в некоторых случаях этого маленького отраженного кусочка может быть достаточно, чтобы повредить одежду — даже при очень низких настройках мощности.

Эта блуждающая энергия, увеличенная до 10 наступательных ручных гранат, теперь повреждает все перед вами и позади вас при выстреле.

Это не оружие ограниченного действия. И это не оружие точности. Случайные люди, которые не носят адекватную защиту, могут получить сильные ожоги.

Перемещая это в космос, ситуация остается и ухудшается. Большинство отражений происходит при попадании в цель, отражая часть энергии. Но нет атмосферы, чтобы терпеливо рассеивать энергию.

Похоже, есть небольшая вероятность того, что корабль даже в нескольких световых секундах от космического боя может сделать случайный выстрел. И, поскольку пространство не рассеивает энергию, не исключено, что случайное судно в истории, даже если оно находится в нескольких световых часах, имело несчастье быть пораженным рикошетом или пропущенным выстрелом.

Он обеспечит встроенную тактильную и слуховую обратную связь.

Было неприятно иметь оружие, которое стреляло, но вы не знали этого наверняка. Есть минимальный удар. Не всегда можно увидеть лазер. Вы не можете быть уверены, что это сработало. Солдаты привыкли к обычному огнестрельному оружию, стреляющему снарядами. Они обеспечивают тактильную и слуховую обратную связь, поэтому вы знаете, что на самом деле нажали на курок, и пистолет сработал. После того, как были выброшены лазерные винтовки, многие близлежащие предметы были обстреляны лазерами с близкого расстояния, когда солдаты пытались убедиться, что их оружие работает; расточительно и опасно.

Методы обратной связи были встроены в более поздние модели. Были опробованы различные звуки с использованием встроенной звуковой генерации. «Пью-Пью» был одним из первых фаворитов по социально-историческим причинам, но некоторые офицеры сочли его недостойным. Кроме того, среди какофонии множества одинаковых звуков «пиу-пиу» солдаты не могли быть уверены, какое из многих стреляющих орудий производило шум. Объекты по-прежнему часто снимались с близкого расстояния.

В конечном счете, конкретная тактильная обратная связь, обеспечиваемая спусковым крючком, и слуховая обратная связь, доставляемая при успешном выстреле, были оставлены на усмотрение отдельных солдат, которые настраивали звуки своего оружия и ощущения, когда они издают свои рингтоны.

Затем было придумано и реализовано много отличных звуков лазерного рифера. Солдаты часто пытаются синхронизировать и синхронизировать свои выстрелы, объединяя различные звуки лазерной винтовки в электронные ритмы. Идут рэп-баттлы. Некоторые (старшие) офицеры до сих пор считают это недостойным, но это хорошо для морального духа, и поэтому его терпят.

Я думаю, что стрельба из этого оружия будет похожа на игру с детской игрушечной винтовкой. Он не издавал бы никакого шума, если бы не шумел какой-то внутренний механизм. И о какой-либо отдаче не может быть и речи, поскольку масса фотонов почти не существует. Само оружие могло бы дать некоторый толчок, если бы существовал значительный ток, создающий силу Лоренца.

В атмосфере лазерный импульс будет нагревать атмосферу, в результате чего на пути импульса образуется частичный вакуум. После того, как импульс прошел, атмосфера устремилась обратно и произвела щелчок или удар грома — я думаю, это был бы щелчок, подобный статическому электричеству.

Попадание из такого оружия обычно безболезненно, поскольку нервная ткань испаряется или готовится и становится инертной. Если это стационарный луч, передача энергии приведет к абляции тканей и костей, вскипанию крови. Это превращение тела в паровой шлейф образует газовый барьер, поскольку перегретые ткани тела расширяются от тела и поглощают часть мощности луча. По этой и другим причинам лазерное оружие может быть импульсным, чтобы шлейф цели мог рассеяться.

Часть этого шлейфа перегретого пара будет двигаться в направлении тела, это будет еще одна часть спроектированной передачи энергии. Перегретый пар будет испарять больше ткани в меньшей степени. Эта схема будет продолжаться до тех пор, пока энергия полностью не рассеется.

Поскольку скорости перегретого пара были бы далеки от релятивистских, не было бы ничего из того, что можно увидеть в кино и по телевидению, где кого-то подстреливают и отбрасывают назад. Цель испытает волну давления, вызванную расширяющимися газами и абляцией ткани. Если бы они находились в невесомости, это действовало бы как тяга и толкало их назад. Но на планете я не знаю, хватит ли силы, чтобы сбить их с ног.

Любые поврежденные клетки, оставшиеся в организме, будут разрушены и в конечном итоге попадут в кровь, где будут отфильтрованы почками. И, как и при ударе молнии, может возникнуть высокий риск почечной недостаточности и смерти, когда она закупорится. И любая кипяченая кровь, оставшаяся в системе кровообращения, больше не могла транспортировать кислород или углекислый газ, и дыхание могло быть нарушено. И была бы некоторая вероятность эмболии, если бы газированные ткани проникли в кровеносную систему и пробились к сердцу. Мне сказали, что это сильно преувеличено в медицинских шоу и не обязательно мгновенно приводит к летальному исходу, но требует медицинского вмешательства, чтобы избежать травм или потери дееспособности.