Да, но нет

Теоретически да, концепция космической пушки гремит со времен Жюля Верна , уж точно не нова.

Первая проблема, как вы уже сказали, это пережить запуск. Учитывая, что вы также используете его в качестве ловильного механизма, вы добавили к своим проблемам выживание.

Ускорение, необходимое для достижения жизнеспособной межпланетной скорости с помощью такого механизма запуска оружия , разрушило бы что-либо более хрупкое, чем кирпич дома, и даже это вряд ли останется целым.

Ускорение

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_gun

Космическая пушка с «пушечным стволом» длиной ( l ) и необходимой скоростью ( v ), ускорение ( a ) определяется по следующей формуле:

а = v ² /2l

Например, с космической пушкой с вертикальным «пушечным стволом», проходящим через земную кору и тропосферу, общей длиной ~ 60 км ( l ) и скоростью ( v ), достаточной, чтобы избежать земного притяжения (убегающая скорость, которая составляет 11,2 км/с на Земле), ускорение ( a ) теоретически должно быть более 1000 м/с2, что составляет более 100 g-сил, что примерно в 3 раза превышает допустимую человеческую устойчивость к g-силам максимум от 20 до 35. g в течение ~ 10 секунд, которые потребовались бы для такого выстрела.

Чтобы довести это до «разумных» или, по крайней мере, живучих, 30 г, означает, что вам нужен «орудийный ствол» длиной не менее 200 км, мегаструктура, безусловно, здесь подходящее слово. С экономической точки зрения его строительство может быть разорительным, как и его эксплуатация. Я оставлю расчеты энергии читателю, так как целевая скорость не указана, но вы, вероятно, можете предположить эффективность 10-25%.

Есть типичная минимальная безопасность, связанная с любым грубым космическим путешествием, которое вы надеетесь пропустить, потому что, если вы врежетесь в свой памятник, он превратится в большой кратер. Однако достижение вашей цели с точностью до метра - это просто вопрос математики, и если вы можете заставить работать пусковую установку, разумно нацеливаться на нее. Однако, и это важно, вы фактически пытаетесь вдеть нить в иголку, привязав нить к пуле и стреляя в нее через всю комнату. Это может сработать, но вы, скорее всего, оставите большую вмятину на штукатурке, если не будете действительно хороши.

На самом деле это имеет смысл

Базовая концепция имеет некоторые преимущества: «корабли» могут быть простыми контейнерами, намного дешевле и проще, чем автономное межпланетное судно. Большая часть массы и объема отведена под груз. Если вы сможете сделать систему запуска достаточно эффективной, вы, возможно, сможете разработать экономическую модель, при которой путешествия станут коммерчески жизнеспособными. (На практике это невозможно, так как end to end должен быть фактически свободным, но неважно.)

Управление космическим движением — это кошмар, эта модель требует гораздо более высокой скорости движения, чем любое автономное судно. Помните, что для одиночного корабля, идущего своим ходом, стоимость одинакова, будь то первый корабль или сотый. Для этой системы огромные первоначальные затраты означают, что эффективная общая стоимость снижается при каждом последующем запуске. Это 200-километровая структура, она стоит огромных денег, вы должны получить скорость трафика, которая сделает ее дешевле, чем одиночные запуски.

Есть одно важное соображение, которое, похоже, не охватывает ни один из ответов (если только я его не пропустил).

3-й закон движения Ньютона Обычно резюмируется как «на каждое действие есть равное и противоположное противодействие».

Это означает, что вы ускоряете свою космическую станцию ​​в противоположном направлении при каждом запуске. Это, в свою очередь, означает, что после каждого запуска ваша станция должна возвращаться на станцию ​​традиционными способами. Вы не можете избежать этой реальности. Либо вы должны стрелять и объект равной массы с той же скоростью в противоположном направлении (действительно опасно), либо вы должны сжигать двигатели, чтобы противостоять тяге.

Отказ от ответственности: все это безудержные спекуляции увлеченного любителя.

Проблема, как я вижу, в том, что ускорение буквально убивает.

Таким образом, решение состоит в том, чтобы разогнаться до более медленной скорости с помощью гаусс-пушки, принимающей форму гусеницы на магнитной подвеске, идущей по широкому кругу, с гусеницей-переключателем, которая мягко поворачивает к конечной траектории. (это должна быть плавная кривая, а не внезапная прямая просто потому, что изменение траектории само по себе повлияет на ускорение)

Ваш Catcher будет иметь ту же конфигурацию, вы просто войдете через стрелку и замедлитесь на кольце, пока не достигнете скорости, достаточно плавной, чтобы вас можно было безопасно выпустить из системы.

Это имеет некоторые преимущества: если вы ускоряетесь на 1g, вы получаете преимущество центробежных сил на своих пассажирах, пока не присоединитесь к стрелочному пути, что делает вероятные недели ускорения / замедления гораздо более терпимыми для человеческого организма.

Некоторые проблемы заключаются в том, что ваш корабль будет единственным кораблем, который может быть в петле в любое время, любые более поздние корабли быстро догонят и столкнутся с первым в пределах первого круга. Таким образом, ваша массивная инфраструктура потенциально будет иметь очень небольшую полезную нагрузку и довольно низкий оборот.

Возможность использования этого для груза гораздо более вероятна, вы могли бы применять гораздо более высокие изменения скорости в системе, не беспокоясь о вклеивании хрупких мясистых людей.

Я не думаю, что гаусс-пушка является хорошим решением отчасти из-за требуемого огромного ускорения, а отчасти из-за необходимой массивной инфраструктуры. Однако это почти наверняка возможно.

Я бы предложил большое количество электромагнитных станций в форме тора, расположенных таким образом, чтобы корабль мог ускоряться через каждую из них. Когда понадобилась пушка, эти электромагнитные станции располагались вдоль предполагаемой траектории, и межпланетный корабль разгонялся через каждую из них по очереди.

После того, как корабль покинет корабль, «отдачу» нужно будет гасить, используя электромагнитные станции для отталкивания друг друга, поскольку конец серии, вероятно, должен быть свободно плавающими станциями из-за задействованных больших длин.

Слишком много переменных, чтобы дать какие-либо точные цифры, но я полагаю, что пушка должна быть порядка десятков, если не сотен километров в длину, если вы не хотите раздавить экипаж. Неприятные, но живучие 10 g, приложенные в течение 40 секунд, дали бы космическому кораблю дельту v 4 км/с, достаточную, чтобы добраться с низкой околоземной орбиты до Марса. Но для этого потребуется 80 км пусковой «трубы». Предполагая, что вы жестоко наказываете 30g, та же скорость может быть достигнута менее чем за 14 секунд с длиной трубы около 26 км, однако я думаю, вам понадобится много махать рукой из предыстории, чтобы объяснить, почему экипаж обычно выживает, а не умирает.

Одной большой проблемой было бы выравнивание, особенно если бы ускорительные станции на дальнем конце находились в свободном плавании. Тем не менее, с высокими технологиями я бы подумал, что это не должно быть непреодолимым. Также возникнет проблема отдачи, так как свободно плавающие станции могут врезаться в другие части пушки, если поломка не удастся. Возможно, некоторые аварийные подруливающие устройства могли бы вывести их из выравнивания, если бы это произошло, чтобы избежать столкновения.

Экономика этого будет зависеть от слишком многих переменных. Все, что я хотел бы сказать, это то, что потребуется огромное количество электроэнергии, а также массивные орбитальные станции, поэтому и электроэнергия, и космическое строительство должны быть относительно дешевыми.

Безопасность частично зависит от применяемой силы, даже 10 г не совсем «безопасны», а 30 г, вероятно, во многих случаях смертельны.

Инфраструктура будет огромной и не очень практичной. Для каждого пункта назначения потребуется новая пушка, тогда как корабли с обычным двигателем могут идти куда угодно.

Я сомневаюсь, что возникнут какие-либо серьезные проблемы с вычислением правильной траектории и ориентации орудия, хотя коррекция промежуточного курса, вероятно, все же потребуется с помощью каких-либо двигателей (моим предложением здесь будет ионный двигатель).

Я предлагаю, чтобы корабли несли ионные двигатели в качестве резерва. У них уже будет мощная электрическая мощность для использования в сочетании с гауссовой пушкой, поэтому имеет смысл использовать это в качестве резервного плана. Требуемое топливо также может быть намного легче, поскольку скорость выхлопа ионного двигателя очень высока.

В общем, идея интересная, но не очень практичная. Возможно, вы захотите рассмотреть другие варианты в зависимости от того, насколько вы преданы идее статической пушки. Возможно, гибридная пушка/ионный двигатель, многоступенчатая пушка или ряд пушечные ускорители на непрерывной орбите, используемые кораблем в обоих направлениях для ускорения и торможения?

Следуя моему первоначальному ответу, я пошел искать статистику по ускорениям 1G.

Я нашел этот драгоценный камень https://space.stackexchange.com/questions/840/how-fast-will-1g-get-you-there

По моим оценкам, при постоянном ускорении в 1g пассажиры проведут 11 часов в петле на каждом конце и около двух дней полета по инерции между Землей и Марсом при оптимальных условиях со скоростью 401 235 м/с (оценка для 45-часового полета на основе на оптимальном профиле полета 1G с оборотом в середине)

3 дня до Марса звучит круто, но это сильно зависит от способности петли направить такую ​​скорость в кривую. чем мощнее магнитное защитное покрытие, тем меньше может быть петля.

Масштаб влияет на все, ваш снаряд движется в 4000 раз быстрее, чем самая быстрая пуля, поэтому ваша петля действительно должна быть очень большой, очень вероятно, что петля должна быть кольцом вокруг Луны или самой Земли, при таких обстоятельствах. ваш лучший вариант, вероятно, состоит в том, чтобы построить несколько орбитальных объектов с собственными секциями катушек Гаусса. гораздо проще, чем строить непрерывную структуру, и по своей сути было бы намного проще модернизировать и заменять части. вы также можете использовать объект с первого дня строительства с ограниченными возможностями и улучшать его, если позволяют средства и ресурсы.

Крайне нереалистично.

Экономическая целесообразность: обслуживание систем рельсовых пушек обходится чрезвычайно дорого. Как сейчас обстоят дела с рельсовыми пушками. Ствол необходимо менять каждые пару выстрелов, потому что он плавится из-за тепла, выделяемого при ускорении полезной нагрузки.

Безопасность: Крайне небезопасно. Пассажиры, вероятно, не выдержали бы экстремального ускорения пушки. Наличие на судне топлива для корректировки траектории полета наверняка привело бы к немедленному взрыву внутри пушки.

Практичность: нет никакого способа эффективно поймать судно. Кроме того, как уже сказал @Rekesoft в комментарии, есть намного лучшие системы запуска, если вы уже стартуете с орбиты.

Расчет орбитальных путей: не должно быть проблемой.

1. Петли

   а. Постепенное ускорение

   В нескольких ответах на этот вопрос упоминалась идея использования петли, а не прямого ствола, для увеличения скорости с течением времени, а не превращения пассажиров вашего корабля в пасту, вызванную перегрузкой. Я полностью согласен с их идеей, так как это позволяет нам обойти необходимость в специальных мерах безопасности для пассажиров и добавляет интересную особенность в ваше космическое путешествие, поскольку путешественники будут вынуждены ждать в этих петлях ускорения в течение периода времени, прежде чем покинуть их. после прибытия на планеты.

   б. Модульность

   Систему можно строить постепенно, что ускоряет и делает поездки более эффективными по мере установки каждого нового модуля. Это поможет компенсировать колоссальную стоимость строительства.

2. Психология

   Это прозвучит странно, но я думаю, что один из самых больших барьеров для входа здесь — психологический. Если я посажу вас в машину и дам вам управление, вы почувствуете, что контролируете ситуацию. Однако, если я помещаю многих людей в план, где они не имеют никакого контроля, они становятся беспокойными, даже просто неспособными функционировать. Эта проблема значительно усугубляется, если я собираюсь отправлять людей за миллионы миль на скоростях, приближающихся к скорости света, без возможности помочь себе в случае, если что-то пойдет не так с системой улавливания или произойдет просчет их траектории. Это подводит меня к следующему пункту.

3. Таргетинг

   Космический корабль промахивается, когда просто пытается поразить планету, не говоря уже о попадании в маленькую цель, скажем, в несколько сотен метров шириной. Например, зона посадки Curiosity представляла собой эллипс размером 12 на 4 мили. Приземлился ли он внутри этого эллипса, да, но такая неопределенность просто не годится для такой системы. Точность становится лучше, но всегда могут возникать ошибки.

   Источник: https://www.nasa.gov/mission_pages/msl/multimedia/pia16039.html .

   Конечно, космический корабль в этой системе никогда не должен сталкиваться с каким-либо сопротивлением или сопротивлением воздуха, сбивающим его с курса, но каким бы пустым ни было пространство, вы не можете рассчитывать, что ваш путь всегда будет свободен.

4. Сбор энергии

   Интересное замечание, и на самом деле это не проблема, а преимущество. Ваша система улавливания может использовать приближающийся космический корабль для выработки электроэнергии в виде крупнейшего в мире электрического генератора. Когда космический корабль проходит через электромагниты, его можно использовать для создания заряда. Полученный заряд можно будет использовать для запуска других космических аппаратов, что значительно сократит затраты на электроэнергию. (Это не будет стопроцентной эффективностью, но с такой большой системой каждый джоуль на счету.)

Удачного строительства мира!

Существует еще одна причина, по которой койл-пушки не работают на высоких скоростях, о которой редко упоминают.

Давайте начнем с быстрого шага назад и скажем, что такое койл-пистолет. Катушка представляет собой большую петлю из проволоки. У нас есть металлический снаряд, движущийся с некоторой скоростью к отверстию в середине катушки. Пропускаем ток по проводу. Это создает магнитное поле, которое притягивает снаряд к центру катушки, ускоряя его. Когда снаряд проходит через катушку, мы отключаем ток, потому что мы не хотим, чтобы он притягивал снаряд обратно к катушке.

Затем мы строим много этапов, чтобы на каждом этапе снаряд ускорялся на определенную величину.

Таким образом, проблема заключается в следующем:

• Ток должен быть как можно выше, потому что магнит притягивает сильнее, чем выше ток.

• Ток должен быть включен ровно столько времени, сколько нужно. Слишком короткий, и вы не даете достаточной тяги; слишком долго, и вы тянете назад.

Начальные этапы, когда снаряд движется медленно, просты. Сложность заключается в средней и конечной стадиях, когда снаряд движется со скоростью несколько тысяч метров в секунду. Если длина одной катушки составляет метр, то объект находится в катушке менее миллисекунды, и, следовательно, нам нужно очень точно инициировать большой ток.

Вот и думайте, как это сделать. В наших компьютерах есть технология запуска очень малых токов, вплоть до долей наносекунды, и мы можем подавать миллиарды таких токов на крошечную кремниевую пластину. Теперь подумайте о том, насколько сильно нагревается ваш компьютер, когда вы манипулируете этими необычайно малыми токами. Это технология, которую вы хотите масштабировать до точки, где токи эквивалентны потреблению тока в маленьком городе. Быстродействующие переключатели сделаны из полупроводников . Они по своей конструкции не идеальные проводники, поэтому выделяют тепло.

Если вы подсчитаете, то радиатор, который вам нужен, чтобы удерживать выключатель каждой ступени вашей пушки от плавления, огромен , а само количество полупроводникового материала, необходимого для того, что легко может стать самым большим в мире транзистором, невозможно. по сегодняшним ценам. за один этап; и вам понадобятся тысячи этапов.

Вкратце: электричество, питающее большую пушку, дешево и легкодоступно в больших масштабах; это электроника в системе управления, которую мы в настоящее время не знаем, как масштабировать до токов, необходимых для достижения скорости космического корабля.

Должен признать, что я обдумывал похожую идею, только в межпланетном масштабе.

Огромным преимуществом является то, что вы свободны от ограничений ракетного уравнения. Поскольку вся энергия поступает извне, вам не нужно махать рукой о ПВРД Bussard и им подобных. Присутствие ловца также требуется, если только вы не собираетесь пытаться нести все топливо для фазы замедления, что в значительной степени лишает смысла. Если вы делаете это, то у вас также может быть съемная ступень «фазы ускорения».

Итак, какие проблемы:

1) Как упоминалось выше, массивное устойчивое ускорение, если только у вас нет удивительно длинной рельсовой пушки. В условиях невесомости сооружение длиной в сотни километров вполне возможно. Я бы предположил, что в условиях вакуума с невесомостью ствол не потребуется, если ваши магниты могут удерживать снаряд, летящий прямо. Действительно, на таких скоростях физический ствол может представлять опасность.

Что касается полезной нагрузки, вам придется выйти за рамки разгонных кушеток. Подумайте о полном погружении в жидкость (без воздушных промежутков даже в легких или ушах); возможно, замерзнет. Вы хотите избежать каких-либо контрастов плотности внутри корабля на фазах ускорения/замедления, чтобы учесть нагрузки более 100 g. Находясь в фазе круиза, вы можете выйти из витрификации.

2) Безопасность. Ну... вы разогнали корабль весом в сотни тонн и более, возможно, до 1000 км/с. Исходя из формулы кинетической энергии, e = 0,5 * m * v ^ 2, это будет ~ 10 ^ 17 Дж. Согласно Вики, это примерно Царь-бомба ). Так что, если что-то пойдет не так, и вы столкнетесь с планетой (не говоря уже о КВО), вы оставите заметную вмятину. Даже в хороших условиях ваш ловец должен рассеять такое количество энергии за очень короткое время. Вам понадобятся очень, очень большие конденсаторы.

3) Практичность. Пока система надежна и потребности в энергии решены, она позволяет избежать отправки огромных топливных баков на длинные утомительные орбиты. Так что во многих отношениях лучше, чем химические ракеты или солнечные паруса . Это также требует некоторой формы гибернации / технологии сна, как указано выше.

4) Орбитальные траектории. Вам, вероятно, потребуется какая-то настройка на борту, но расчеты будут довольно тривиальными. Вам также понадобятся корректирующие двигатели на случай обнаружения космического мусора по пути, так как столкновения на крейсерской скорости будут очень и очень опасны.

Идея межпланетного путешествия на рельсотроне не совсем осуществима. Когда О'Нил и его коллеги разрабатывали концепцию космических сред обитания L5, они экспериментировали с массовыми двигателями как с методом запуска транспортных средств. Они обнаружили, что существует предел максимальной скорости массовых двигателей, которую могут достичь пушки Гаусса. На более высоких скоростях машины выводят из строя свои электромагнитные пусковые установки.

Эта предельная скорость составляла 4 км/с. Теперь с этой скоростью можно было запускать транспортные средства с орбиты. Скорость транспортных средств из-за гаусс-пушки может быть добавлена ​​к их орбитальной скорости. транспортные средства могут быть запущены с планеты, похожей на Землю, со скоростью 12 км/с.

Это действительно обеспечивает осуществимые межпланетные путешествия. Время в пути будет довольно продолжительным. Время в пути от шести до восьми месяцев до планет, соответствующих орбитам Марса и Венеры в вашей гипотетической Солнечной системе. Свыше многих лет для путешествий на другие планеты. Это будет работать, но это будет медленно.

Этот вид путешествия примерно соответствует химическим ракетам. Но термоядерные, плазменные и ионные двигатели будут работать лучше и быстрее.

Есть числа!

Итак, я не знаю, как сделать числа красивыми, поэтому я буду использовать блоки кода :(

Кроме того, чтобы иметь некоторые реальные числа для работы, я собираюсь предположить хорошее простое путешествие с Земли на Марс в точке, когда они находятся ближе всего друг к другу. Все цифры взяты из НАСА .

30g = 300 m/s^2
delta-v mars-earth = ~5,000 m/s
minimum distance mars-earth = 55,700,000

Итак, во-первых, какой длины должен быть этот пистолет? Вы сказали около минуты, поэтому я приведу цифры для 60 и 120 секунд. В оставшейся части этого ответа я продолжу расчеты для каждого из этих чисел, первое из которых — это ускорение корабля за 60 секунд, а второе — ускорение корабля за 120 секунд.

d = vi * t + 1/2 * a * t^2
d = 0 + 1/2(300)(60^2)  = 540,000 m
d = 0 + 1/2(300)(120^s) = 2,160,000 m

Как быстро это нас доставит?

v = vi + a * t
v = 0 + 300(60)  = 18,000 m/s
v = 0 + 300(120) = 36,000 m/s

Плюс 5000 м/с перпендикулярно от разницы между орбитами Марса и Земли получается:

sqrt(5000^2 + 18,000^2) = 18681 m/s
sqrt(5000^2 + 36,000^2) = 36345 m/s

В тот момент, когда корабль проходит Марс. Сколько времени займет у нас это путешествие?

t = d / v
t = 55,700,000/18,000 = 3094s
t = 55,700,000/36,000 = 1547s

Итак, сколько энергии вам понадобится? Для этого нам понадобится вес поделки. Вы сказали, что мы должны быть в состоянии выполнить орбитальный выброс, так что уравнение ракеты входит в картину! (УРА!) В WolframAlpha есть хороший встроенный инструмент для уравнения ракеты, поэтому я приведу здесь все цифры. . Я предполагаю (очень легкую) сухую массу 1000 кг и стреляю только для того, чтобы сделать корабль ниже космической скорости Марса. Это начальные массы, которые мы получаем:

m0 = 15,180 kg  (for the slower craft)
m0 = 523,219 kg (for the faster craft)

Сколько же энергии потребуется, чтобы разогнать эти корабли?

E = 1/2*m*v^2
E = 1/2(15,180)(18,000^2) = 2,459,160,000,000 J
E = 1/2(523,219)(36,000^2) = 339,045,912,000,000 J

На самом деле энергозатраты не так ужасны, как я себе представлял, но пушка длиной 500 км кажется мне довольно смешной. Играйте с этими числами так, как считаете нужным, чтобы попытаться выяснить, что подходит для вашей истории!