Насколько мощным койлганом для звездолета мы можем сделать?

Я хотел бы найти способ оправдать то, что 100-метровые орудия могут выбрасывать 1-тонные снаряды со скоростью 30 км / с или выше.

Я не понимаю ваших странных «тонн», так что давайте использовать простую меру, например, тонну. Ваш снаряд покинет ствол с изрядным$4.5*10^{11}$джоулей кинетической энергии. Если ваш койлган тратит только 1% этой энергии на нагрев снаряда, он поглотит 4,5 гигаджоуля энергии (немного больше энергии, выделяемой при детонации тонны тротила, как это бывает). Удельная теплоемкость железа (например) составляет 450 джоулей на килограмм на градус, а его температура плавления 1811К. С отправной точки удобных 293K это займет$6.6*10^8$джоулей, чтобы довести до температуры плавления тонну железа. Скрытая теплота плавления железа равна 247 кДж/кг, или$2.47*10^8$джоули. Таким образом, вы заметите, что энергия, необходимая для плавления тонны железа, на порядок меньше , чем этот 1% отработанного тепла.

Теоретически ваше ружье взорвется немедленно. Вы также обнаружите, что вы просто нагреваете свой снаряд до его точки Кюри, а затем у вас будут реальные проблемы с его дальнейшим ускорением (или, возможно, вообще), хотя я ожидаю, что вы все равно сможете его хорошо нагреть. Надеюсь, он не ударит по стенкам вашего пистолета. Надеюсь, у вашего ружья тоже нет проблем с "сухой стрельбой"!

Проблема первая, индуктивный нагрев снаряда должен быть чертовски низким. Ваш койлган, вероятно, должен иметь эффективность> 99%.

Далее, давайте рискнем предположить о возможностях вашего койлгана, используя ленивый трюк от Люка Кэмпбелла (который я нашел в очень полезном проекте rho ). Это не совсем реалистично, но дает приблизительные цифры производительности и правдоподобия ваших магнитных пушек.

Теперь предположим, что ствол заполнен полем, и что снаряд выметает поле из ствола, превращая энергию поля в кинетическую энергию (на самом деле койлганы работают не так, но это дает физический верхний предел, основанный на сохранении энергии). . Плотность энергии составляет примерно 400 кДж/м3/Т2, умноженное на квадрат напряженности магнитного поля (398 098 Дж/м3/Т2 до шести значащих цифр). Назовите это значение К.

Теперь вы знаете объем, необходимый в стволе, исходя из того, сколько энергии в конечном итоге получает снаряд.

объем = кинетическая энергия / (K * (магнитное поле) ^ 2)

Давайте представим, что ствол имеет диаметр 30 см (таким образом, железный снаряд весом в одну тонну будет иметь длину чуть менее 2 м). Таким образом, рабочий объем снаряда при прохождении 100-метрового ствола составляет около 7,07 кубических метра.

Используя приведенную выше формулу, вам понадобится напряженность магнитного поля 400 Тл. Это много . Это намного выше точки магнитного насыщения железного снаряда (1-2 Тесла), выше даже точки насыщения современного «высокотемпературного» сверхпроводника (100-200 Тл). Чтобы справиться с таким полем, вам нужно будет использовать сверхпроводники с температурой выше комнатной. Помните, что если ваша напряженность поля превышает критическое поле вашего сверхпроводникасверхпроводимость исчезнет, ​​и ваш пистолет, вероятно, взорвется, причем очень плохо. Также помните, что тупой железный снаряд, упомянутый выше, намного более устойчив к серьезному нагреву, чем ваши причудливые сверхпроводники, которые, вероятно, перестанут быть сверхпроводящими при температурах, намного превышающих точку Кюри железа. Ваши требования к индукционному нагреву становятся еще более строгими, что подразумевает еще большую эффективность, требуемую от уже чрезвычайно эффективной системы.

Таким образом, проблема 2 связана с материаловедением. Вам понадобятся абсурдно оптимистичные сверхвысокотемпературные сверхпроводники, чтобы это заработало.

(Кроме того, я надеюсь, что вы просто бросаете сюда тупые снаряды. Удачи вам в получении любой технологии, чтобы выдержать ускорение, нагрев и магнитные поля, которым вы подвергаете снаряд здесь)

Если бы они могли разгоняться до 100 км/с, это было бы фантастикой.

Если под «фантастическим» вы подразумеваете «находящийся в пределах фантастики», то вам повезло! Уровни энергии, с которыми вам придется иметь дело, на два порядка выше. Ваши сверхпроводники и снаряд должны быть сделаны из волшебной пыли.

Проблема третья: вы уже находитесь на переднем крае того, что кажется возможным. Вы действительно не можете пойти дальше.

Есть, конечно, и другие проблемы, связанные с огромным количеством энергии, которую вам придется направить на ваше орудие, чтобы заставить его разогнать снаряд до требуемой скорости, размером и сложностью связанной технологии ультраконденсаторов (которая станет бумом). большое время, если он поврежден во время зарядки!), огромное количество энергии, которое ваши переключатели должны будут обрабатывать, чтобы включать и выключать катушки ускорения достаточно быстро, требования к выработке энергии вашего корабля, необходимая способность отвода тепла и так далее и тому подобное. Я думаю, вы будете разочарованы, извините.

Поэтому, вероятно, важно объяснить здесь кое-что о физике и законах Ньютона. Весь смысл рельсотрона в том, чтобы иметь возможность нанести большой урон снарядом меньшего размера, придав ему гораздо большую скорость.

Импульс = масса х скорость

В этом уравнении мы говорим о том, что вы можете увеличить ущерб, причиняемый при столкновении с чем-либо, двумя способами; вы можете увеличить массу, или вы можете увеличить скорость. На самом деле, вы также можете сделать и то, и другое, если хотите, и это то, что вы пытаетесь сделать, используя более тяжелые боеприпасы, но с какой целью?

Помните, что, в частности, в космосе любая форма запуска боеприпасов, даже рельсотрон, также является вектором тяги. Это означает, что если вы увеличиваете массу пули, которую вы уже разгоняете до очень высоких скоростей, вы в процессе изменяете вектор своего корабля, отталкивая его от направления, в котором вы атакуете. Не говоря уже о том, что улучшение ускорения запуска снаряда при одновременном увеличении его массы означает использование на порядки большей энергии в масштабе, о котором вы говорите.

Является ли это возможным? Да, конечно, это возможно. НО, сделай так, чтобы ты фактически заново изобрел боевой корабль в космосе. Эти массивные орудия будут толкать лодки довольно далеко, и поэтому вам фактически понадобится массивная лодка только для того, чтобы сохранять устойчивость во время стрельбы. Это, вероятно, хорошо, потому что ваша лодка должна быть способна удерживать невероятное количество энергии, поэтому, вероятно, в ней находится какая-то форма термоядерного реактора или батареи конденсаторов, которые делают современные промышленные батареи похожими на батареи для зарядки телефонов.

Важно отметить уравнение для энергии;

Энергия = 1/2 х Масса х Скорость ²

Это означает, что ваши потребности в энергии пропорциональны квадрату скорости, которую вы хотите достичь, и чем большую массу вы ускоряете, тем больше энергии вы должны вложить. Таким образом, увеличение веса вашего снаряда на 100 означает, что вы нужно в 50 раз больше энергии только для того, чтобы придать снаряду ту же скорость, а чтобы увеличить скорость в 10 раз, вам нужно еще в 100 раз, так что теперь вам нужен корабль, способный высвободить в 5000 раз больше энергии, чем оригинальный рельсотрон, чтобы получить вашу тонну снаряд до 100км/с - выполнимо, но очень опасно.

В конечном счете, размер ствола важен только с точки зрения скорости, с которой вы можете передать энергию. 100м разумно? Я недостаточно знаю технологию, чтобы сказать, но дело в том, что вы только что увеличили потребность в энергии на 5000 и увеличили размер ствола только в 10 раз, а это означает, что ваш новый ствол должен быть в состоянии дать в 500 раз больше энергии. плотность энергии (или в 500 раз больше энергии на заданную длину ствола), чем в оригинальной конструкции.

Если вы заставите его работать, относительное воздействие будет невероятным, и вы сможете без проблем уничтожить старые корабли, но просто имейте в виду, что если вам нужен корабль в сотни раз больше для запуска орудий, так что имеет ли ваш враг в виду, что это может выглядеть впечатляюще, но, вероятно, будет так же сложно сбить врага с помощью этих плохих парней в вашем более современном контексте, как это было бы с современными технологиями.

Начальная скорость пули может быть меньше, чем ваша прогнозируемая скорость 21 км/с. Когда Джерард О'Нил проводил испытания с массовыми водителями. Это была новаторская работа по строительству предложенных им жилищ Лагранжа в виде цилиндров. Это исследование показало, что предельная скорость составляет около 4 км/с. После чего любой снаряд, запущенный массовым потоком, имел тенденцию (а) достигать предела, при котором электромагнитное поле не могло передать больше импульса снарядам, и (б) разрушать двигатель массы.

Технология койлгана может быть лучше для запуска снарядов с более высокими скоростями, чем масс-драйверы, и обеспечения того, чтобы снаряды продолжали двигаться по прямой линии, не касаясь стенок койлгана.

Возможно, вам придется принять во внимание, что могут быть практические ограничения того, что может быть достигнуто с помощью койл-пистолетов. Это основано на эмпирических испытаниях с массовыми драйверами.