Какое влияние окажет порох, расширяющийся со скоростью, близкой к скорости света, на технологии огнестрельного оружия?

Когда в 1884 году был принят на вооружение бездымный порох, было быстро обнаружено, что его плотность энергии в два-три раза выше, чем у обычного черного пороха, и если его зарядить в соответствии со спецификациями черного пороха, это приведет к немедленному разрушению как оружия, так и часто стрелка.

Решение здесь такое же, как и в 1884 году: использовать меньше топлива и уменьшить выделение энергии. Это делает его менее похожим на бомбу из антивещества, как утверждают другие ответы, и больше на ракету с осколками деления , текущее предложение по использованию релятивистских частиц в качестве топлива. Разница между полезным топливом и бомбой, прежде всего, заключается в скорости высвобождения энергии. Если вы можете производить релятивистские частицы с контролируемой скоростью, вы можете получить полезное топливо.

Итак, если мы уменьшим излучаемую энергию, чтобы она не превышала того, что обеспечивают обычные химические ракетные топлива, для чего это топливо полезно? Что ж, чем быстрее газ может расширяться, тем выше максимальная скорость любого снаряда, движимого им. Так что нишевое применение этой технологии есть:

Системы высокоскоростного вооружения

Обычное огнестрельное оружие в настоящее время с трудом достигает скорости 2 км/с, что является прямым следствием ограничений на скорость расширения газа. Одним из обходных путей, который в настоящее время используется для научных исследований, является легкогазовая пушка , но она никогда не была практичной для военного использования из-за необходимости внешнего источника рассматриваемого легкого газа.

Рейлганы и койлганы были попыткой полностью обойти эту проблему, но у них есть свои препятствия. Плотность аккумулирования электрической энергии и близко не приближается к плотности химических ракетных топлив, что делает их неявно громоздкими и сложными.

С порохом с высокой плотностью энергии и высокой скоростью расширения вы можете получить производительность, подобную рельсотрону, от длинноствольного варианта огнестрельного оружия с более традиционным приводом. Колонисты на другой планете могут счесть это полезным либо для дальнобойной артиллерии, либо для зенитно-космической артиллерии.

Есть и другое, более приземленное применение благодаря компактности этого вещества в качестве топлива.

Компактный безгильзовый патрон

Теперь, когда ваше пороховое топливо невероятно компактно, решена одна из самых больших проблем, связанных с безгильзовыми боеприпасами. Вместо того , чтобы заключать пулю в кирпичик пороха , микроскопически маленькое количество пороха может быть прикреплено к задней части каждой пули.

Существуют связанные технические препятствия, которые необходимо преодолеть (рассеивание тепла, обеспечиваемое гильзами, и процесс, связанный с обезвреживанием невыстреленного снаряда, являются двумя основными), но если это можно сделать жизнеспособным, то боеприпасы становятся легче, их легче транспортировать, легче носить с собой. и позволяет использовать магазины значительно большей емкости.

(...) топливо, расширяющееся со скоростью, близкой к скорости света (...)

Неважно, будут ли сами снаряды лететь со скоростью, близкой к скорости света... Само по себе топливо, делающее это, уже было бы весьма опасным.

Самый первый XKCD - а вдруг статья как раз об этом. Сценарий представляет собой бейсбольный мяч, брошенный со скоростью 90% скорости света. Это очень забавное чтение, и, как и многие другие XKCD, что, если и вопросы, которые имеют научный тег, любой, кто связан с явлением, предложенным в вопросе, очень эффектным образом разбирается на частицы.

TL;DR: на околосветовых скоростях частицы с массой обладают достаточной энергией, чтобы вызвать ядерные реакции. Вот художественное представление Рэндалла Манро о том, что происходит, когда в футляре лежит масса бейсбольного мяча:

Мы могли бы предположить, что ваши вымышленные боеприпасы для одного выстрела будут иметь значительно меньшую массу, чем бейсбольный мяч. Несмотря ни на что, эффект тот же... Стрелок испарится до того, как его цель будет поражена.

Возможно, вместо этого вы хотели бы разработать лазерный пистолет или винтовку? Выстрел будет произведен с надлежащей скоростью света, и пистолет будет относительно безопаснее в использовании.

На самом деле вам не нужны быстродействующие пороха в огнестрельном оружии. Вот что происходит, когда вы загружаете быстрогорящий пистолетный порох в винтовочные патроны : картридж/

Это происходит только из-за разницы в скоростях детонации между двумя типами пороха - все они классифицируются как слабые взрывчатые вещества. Взрывчатые вещества, такие как тротил, могут иметь скорость детонации в 10 и более раз выше.

В качестве пороха вам нужно что-то, что детонирует довольно медленно, чтобы дать «толчок» вашей пуле. Мощные взрывчатые вещества детонируют так быстро, что производят удар, разрушая окружающий материал, а не толкая его.

Колония людей нашла способ производить топливо, которое расширяется со скоростью, близкой к скорости света.

Давайте посмотрим, с чем мы на самом деле имеем дело. Я предполагаю, что ваше намерение состоит в том, что вы хотите, чтобы снаряды летели с релятивистской скоростью. Если вы посмотрите на формулу релятивистской кинетической энергии , то довольно легко вывести, что происходит при$\sqrt{0.75}c$означает иметь столько же кинетической энергии, сколько и энергии массы покоя - другими словами, для того, чтобы 10-граммовый снаряд начал двигаться со скоростью около 0,866с, вам необходимо преобразовать 10 граммов топлива в кинетическую энергию для снаряда со 100% эффективностью (невозможно). в соответствии со вторым законом термодинамики), или преобразовать что-то вроде 100 граммов топлива с эффективностью 10%.

Давайте предположим, что у вас есть 5-граммовые пули, и вы можете получить около 50% эффективности своего метательного заряда (хотя это слишком правдоподобно). Итак, вам нужен способ очень быстро преобразовать около 10 граммов массы в энергию. Антиматерия . Колонисты используют антивещество.

Вот ссылка из Википедии, которая мне очень нравится — Порядок величины (энергии) . Если вы посмотрите на этот график в$10^{14}$строку вы увидите «Энергия, высвобождаемая при аннигиляции 1 грамма антиматерии и материи». Теперь взгляните на$10^{13}$и обратите внимание на эту запись — «Мощность атомной бомбы Little Boy, сброшенной на Хиросиму во время Второй мировой войны». 1 грамм антивещества и материи примерно в 3 раза больше энергии, чем у Little Boy, поэтому 10 граммов, необходимых для релятивистского снаряда, дают примерно в 30 раз больше энергии.

Какие технологические усовершенствования потребуются, чтобы сделать его пригодным для использования?

Короче говоря, вам нужна пушка, способная выдержать ядерный взрыв в упор и полностью направить его в то, во что вы целитесь. (Пропеллент не является большой новостью — унобтаниум, применяемый флеботин, хандвавиум или что-то еще, что они используют для изготовления этих ружей.) Даже в этом случае вы все равно будете уничтожены всеми ядерными реакциями, вызванными пистолет со всем воздухом между вами и вашей целью.

Какие преимущества и недостатки будет у этого оружия?

Это оружие стреляет ядерными зарядами. Это единственный реальный способ думать об этом. Я собираюсь сказать, что он имеет строгое удобство использования только на дальних дистанциях и только в условиях нулевой атмосферы.

Примечание. Как говорит Аллан в своем ответе , вам также нужно что-то делать с отдачей. В противном случае ваше оружие внезапно окажется позади вас (с частями вас, которые находятся за оружием, больше не будут прикреплены к остальной части вас), и вы не хотите стоять перед своим ядерным оружием в упор. .

Если вы предполагаете, что пуля вылетает с чрезвычайно высокой скоростью, то независимо от того, что представляет собой порох или что он делает, непосредственной проблемой будет отдача оружия. Если ваша пуля вылетает со скоростью, в 100 раз превышающей скорость обычного оружия, то отдача вашего оружия в 100 раз больше. Забудьте об ущербе, который он нанесет вашей цели, вместо этого подумайте об ущербе, который он нанесет вам. Чтобы противостоять этому, вам понадобится либо что-то, поддерживающее пушку (например, силовая броня или артиллерийская установка), либо какое-то инерционное демпфирование в стиле Star Trek (на самом деле это неправильно называется https://en.wikipedia.org/wiki/Inertia_negation ) для уменьшения или устранения отдачи каждого выстрела.

Я должен немного не согласиться с кучей других плакатов. При разумных затратах у этого топлива действительно есть применение. У вас есть достаточно стабильное вещество с выделением энергии на уровне антиматерии. Как предположил Маузер, это будет хорошая боеголовка для вашего снаряда, но вы спросили об использовании его в качестве метательного заряда.

«Пушка», которую я представляю, слишком велика, чтобы быть мобильной, она может служить только в качестве стационарной защиты для какой-то дорогостоящей установки. Возьмите удобную гору, просверлите в ней отверстие. Он оснащен большим, но в остальном обычным (но гладкоствольным) артиллерийским стволом, а за ним выдолблена большая камера. В эту камеру вы помещаете кучу воды и небольшое количество топлива.

Поскольку у вас нет возможности поворота орудия, вам придется использовать управляемые снаряды. Вам также понадобится их несколько (но они вам все равно понадобятся, так как у этого оружия будет очень низкая скорострельность).

Это орудие может превзойти по дальности обычную артиллерию, обычное артиллерийское орудие не может разогнать свой снаряд до скорости, превышающей скорость расширения того, что его двигало. (Для этого есть несколько очень сложных обходных путей, которые включают подачу дополнительного топлива во время спуска по стволу, но даже у них есть ограничения.) Ваша скорость будет ограничена только тем, что ваш снаряд может выдержать во время запуска (более длинные стволы увеличат это) и то, что он может выжить, не будучи уничтоженным при прохождении через атмосферу.

Обратите внимание, что что-то в этом роде действительно произвело один выстрел: «Пропеллентом» была атомная бомба .

Судя по другим ответам, пистолет, пушка или подобное устройство просто непрактично. Однако Роб Уоттс, возможно, придумал способ выполнить условия: вместо пушки нужна ракета на антивеществе.

Хотя создание ракеты на антивеществе размером с пулю может быть проблематичным, если мы представим очень продвинутую технологию, способную создать ловушку из антиматерии, которая может поместиться в снаряд размером с бутылку или банку из-под газировки. Десятиграммовый метательный заряд ждет, подвешенный в вакууме, до тех пор, пока ракета не будет запущена, после чего в камеру реактора впускают обычное вещество. Мощные магнитные поля направляют заряженные реакционные частицы из сопла для создания тяги, однако также создается огненный шар гамма-излучения, так что это не переносное оружие человека.

Базовая ракета на антивеществе

Контроль и управление реакцией. Заряженные мезоны направляются магнитными катушками. Незаряженные мезоны и гамма-лучи будут выходить во всех направлениях.

Огненный шар жесткого излучения убьет все живое поблизости, а интенсивное тепловое излучение подожжет все легковоспламеняющееся. Это будет крошечная и очень мощная версия « SLAM » ( сверхзвуковая маловысотная ракета ), разработанная в конце 1950-х годов.

А теперь представьте, что это размер винной бутылки...

У вас очень энергоемкое топливо, его просто нужно использовать осторожно. Не думайте о нем как о ракетном топливе, а о высшем взрывчатом веществе. Ниже приводится рецепт очень эффективного оружия на основе этого «топлива».

1. Поместите очень небольшое количество топлива в расплавленную оболочку.
2. Стрельба по цели с использованием обычных порохов

Огнестрельное оружие, стреляющее этими боеприпасами, вероятно, сможет уничтожить любое транспортное средство или строение.

Думаю пределы будут в силе "пушки" и конструкции патронника. У меня была эта идея сегодня, и это нигде не объяснено. Использование порохов высокой энергии в стрелковом оружии или более крупных калибрах. Я бы подумал, что есть пределы, но я уверен, что размер пули можно было бы уменьшить, а ствол и патронник сильно укрепить. Или почему не двухступенчатая конструкция пули? Небольшой заряд для запуска, а затем высокоэнергетические ракетные снаряды? Я продолжаю думать, что оружие, использующее эту технологию, может быть очень маленьким. Пули, похожие на гвозди, в магазинах сверхвысокой емкости. При использовании небольшого количества метательного взрывчатого вещества весь вес равен снаряду, если вы можете сдержать взрыв, используя существующие материалы. Возможно, используя специальные вентиляционные отверстия, чтобы пистолет не взорвался. Много вопросов.