Какие технологические препятствия мешают разработке космической пушки?

Масштабирование, пожалуй, самая большая проблема.

Во-первых, вам всегда нужен разгонный блок, так как пушка не может вывести вас на разумную орбиту. Он может поднять вас достаточно высоко и, может быть, достаточно быстро, но не на орбиту.

Так что теперь ваша пушка должна быть достаточно большой, чтобы запустить полезную нагрузку, включая хотя бы какую-то разгонную ступень.

Как только вы увеличиваете масштаб до таких размеров, чтобы доставлять значимую полезную нагрузку, эти пушки становятся ОЧЕНЬ большими и намного более сложными, чем может показаться.

Есть много проблем, связанных с масштабированием. По мере того, как предметы становятся больше, их лобовая площадь должна увеличиваться, сопротивление воздуха становится выше, и теперь требуется больше энергии, чтобы протолкнуться через атмосферу с достаточной скоростью в конце, чтобы быть достаточно близкой к орбитальной скорости, чтобы небольшая разгонный блок может сделать орбиту круговой.

Но по мере того, как вы идете на компромисс между размером верхней ступени/полезной нагрузкой/начальной скоростью, начальная перегрузка становится все выше и выше, чтобы обеспечить полезную полезную нагрузку.

Самые большие проблемы с космической пушкой связаны с простой природой баллистики.

Мы можем использовать рельсотроны для очень быстрого ускорения снарядов; намного быстрее, чем взрывчатые вещества могут сделать на том же расстоянии. Текущий рекорд — 33 МДж; это килограммовый снаряд, летящий примерно с космической скоростью (8127 м/с). Так что, теоретически, самый мощный рельсотрон, который у нас есть (сейчас находится в руках Лабораторий ВМФ, разрабатывающих технологию для нового класса боевых кораблей), может вывести в космос килограммовый объект.

Однако есть те проблемы, о которых я говорил. Во-первых, в рельсотроне военно-морского флота такое количество энергии в настоящее время передается снаряду на расстоянии примерно 12 метров за 10 миллисекунд. Изменение скорости снаряда весом 1 кг на 8000 м/с за 0,01 секунды соответствует ускорению в 800 000 ньютонов, что составляет около 81 632,65 G-силы. Люди могут выдержать около 14 G, когда лежат на спине или животе, а 4 G — это максимум, которому мы хотели бы подвергнуть наших астронавтов в сидячем положении, поскольку не все они летчики-истребители в отличном состоянии, способные выдержать 6-8 G. для длительных маневров.

Чтобы получить ту же дельта-V с ускорением, ограниченным 40 м/с ² (чуть больше 4G), потребуется 200 секунд, за это время вы преодолеете 800 000 метров (необходимая длина ствола рельсотрона). 800 000 метров — это всего лишь 500 миль; вы говорите о проектировании пути от Далласа до Эль-Пасо, штат Техас, с миллиметровыми допусками на отклонение на километр пути от идеально прямого. Это будет самый большой и самый дорогой проект гражданского строительства, когда-либо предпринятый человечеством; намного больше, чем нынешние системы сверхскоростных поездов, больше, чем суперколлайдер CERN, больше, чем межгосударственный проект США.

Во-вторых, в тот момент, когда вы покидаете бочку, вы движетесь так быстро, как только можете. Сопротивление воздуха замедлит вас, а воздух плотнее всего прямо у поверхности Земли, где дешевле всего построить эту 800-километровую трассу. Поэтому, как только вы покинете ствол, вас обдувает ветром со скоростью 25 Маха, который мгновенно начнет замедлять вас ниже скорости убегания. И если в Далласе пойдет дождь (помните, что вы хотите путешествовать с запада на восток, в направлении вращения Земли, чтобы воспользоваться дополнительными 465 м/с угловой скорости), капли дождя разобьют лобовое стекло.. Мы смягчаем это с помощью современных ракет, ограничивая наше ускорение и скорость до тех пор, пока мы не выйдем из тропосферы, и в этот момент мы дросселируем ракету до максимальной мощности по мере того, как воздух разрежается. Наш рельсотрон, с другой стороны, должен быть построен с наклоном около 7°, с дульным срезом примерно в 100 000 футов в воздухе, чтобы снаряд избежал наихудшего сопротивления воздуха при выходе из ствола. Итак, теперь вы берете самый дорогой проект в истории и добавляете к нему задачу построить пандус в 36 раз выше, чем Бурдж-Халифа, а это гораздо более короткое измерение. Теперь мы также работаем против силы тяжести при ускорении, что требует от нас добавления дополнительных 1,225 м/с ^{2 .}к ускорению нашего рельсотрона только для того, чтобы учесть гравитацию (мы уже предполагали, что сопротивление воздуха и другое трение внутри ствола пренебрежимо мало).

Наконец, 33 МДж — это наш текущий мировой рекорд по передаче кинетической энергии снаряду через магрейл без его полного разрушения, и этого достаточно только для того, чтобы набрать один килограмм до космической скорости. Пустой орбитальный аппарат Space Shuttle весит 130 000 кг. Самым легким транспортным средством, которое мы когда-либо выводили на орбиту и способным поддерживать человеческую жизнь, была капсула «Меркурий» весом 1400 кг; рельсотрон, способный вывести эту капсулу на орбиту, должен был бы в идеале сообщать капсуле кинетическую энергию не на один миллиджоуль меньше 46,2 ГДж. По большому счету, это немного; речь идет о годовом потреблении электроэнергии средним холодильником. Однако это после всех неэффективностей и потерь, которые, когда вы

Поскольку в последнее время мы задавали много вопросов на эту тему, я просто хочу присоединиться к некоторым эмпирическим правилам, которые кажутся мне очень естественными. В отличие от ракет, пушка видит максимальную плотность атмосферы в самой быстрой точке. Таким образом, если вы понимаете необходимость округления орбиты и понимаете, что для высоких ускорений требуется усиленное оборудование, жизнеспособность многих предложений можно легко исключить из расчетов конверта для лобового сопротивления.

Вот полезная метрика для изучения атмосферы: масса-толщина атмосферы — это масса на единицу площади, если смотреть прямо в небо на уровне моря.

В наивном смысле смотреть на пулю прямо. Разделите его массу на площадь (ту же площадь, что и в атмосфере). Более точным подходом было бы некоторое манипулирование уравнением сопротивления. Нас не интересует строго сила , действующая на снаряд. В качестве альтернативы я буду считать скорость, потерянную из-за его путешествия через атмосферу,$\Delta v$здесь. Я получил следующее из уравнения сопротивления в предположении, что общая скорость заметно больше, чем потери в атмосфере (если нет, то это все равно нежизнеспособно).

Из практических соображений, если это соотношение около 1, у вас нет шансов. Он сгорит в атмосфере, а если и нет, то таких скоростей не создашь. Скорости , близкие к орбитальным, никогда не демонстрировались. Так что, если вы не можете снизить это соотношение намного ниже 1, идея вылетает из окна. Ниже я пройдусь по всем терминам, разделив их на более-менее на вещи, которые совершенно невозможно вытолкнуть за определенное окно, и вещи, не имеющие врожденного ограничения.

Жесткие ограничения:

• C_d коэффициент аэродинамического сопротивления пуль составляет около 0,2 для хорошо спроектированных снарядов. Вы можете легко подтолкнуть его немного выше или немного ниже, но нет места для маневра на порядок. Высокие числа Маха делают его еще более узким диапазоном для различных форм.
• эпсилон — это поправка на более тонкую атмосферу на больших высотах. Для горы Эверест коэффициент равен примерно 0,3. Я бы поверил коэффициенту 0,5 для размещения на высокой горе. Очевидно, что морские запуски сталкиваются с полным коэффициентом 1.
• ро, средняя плотность снаряда ограничена вашим топливом, если вы собираетесь сделать его орбиту круговой. Это очень мало, вероятно, около 1,0 удельного веса. Если вы используете какую-то другую схему (например, Rotovator), вы можете наполнить его стальной полезной нагрузкой, достигнув теоретического максимума 7,0 или 8,0. Если только вы не отправляете Ураниум или что-то в этом роде. Я дам ему 2.0 для практической полезной нагрузки.
• f отношение длины снаряда к диаметру ограничено аэродинамическими соображениями. Ракеты, как правило, очень тонкие, но у них есть активные системы управления. Плавники могут помочь раздвинуть границы здесь. Но даже при этом я уравниваю «жесткий» лимит около 10.
• sin(theta), этот фактор работает против вас, и в лучшем случае это 1. Это относится к суборбитальным вертикальным запускам. При орбитальных запусках вы рискуете в первую очередь поразить острие орудия, если этот угол недостаточно мал. Вы можете выстрелить во что-нибудь прямо вверх, а затем разогнаться до необходимой скорости 7,8 км/с, но это будет очень плохое соотношение масс и, вероятно, не сможет выдержать ускорение пушки. Для Quichlaunch я бы дал значение 0,5.

Мягкие лимиты:

• D — это диаметр, который служит показателем общего размера полезной нагрузки. Насколько большим он может быть? Какого размера пушку вы можете построить?

Таким образом, мы должны использовать наше (единственное) мягкое ограничение, чтобы обойти другие жесткие ограничения. Я возьму коэффициент потери скорости 0,2 на данный момент. Растянуть можно, но ненамного. На самом деле вы получаете набор параметров, таких как:

Это не кажется шокирующе огромным. Но если вы измените его на запуск с уровня моря, требуемая масса увеличится в 8 раз из-за того, что масса масштабируется с D ^ 3. Я также был чрезвычайно щедр с коэффициентом диаметра к длине. Форма пули с коэффициентом 5 будет, опять же, в 8 раз тяжелее. Так что, если мы рассматриваем что-то вроде практического морского запуска, чтобы в конечном итоге выйти на орбиту, минимальная масса приближается к шкале 750 кг.

Здесь вы можете увидеть, как минимальный размер сильно зависит от предположений о типе используемой вами системы. Тем не менее, 10–750 кг — это все же начальный диапазон минимальной массы пули, необходимой для того, чтобы система когда-либо работала.

Но размер и скорость пули также накладывают ограничение на минимальный размер самого пистолета. Если вы можете получить давление порядка 50 000 фунтов на квадратный дюйм, то для корпуса весом 750 кг (Quicklaunch) при скорости 8 км/с потребуется объем около 110 м^3. Это большой.

Сравните, сосуд высокого давления ядерного реактора, вероятно, примерно в 2-3 раза больше его объема. Это также около 1/20 давления. И это стоит более 100 миллионов долларов.

Простые требования к материалам для сосуда под давлением пропорциональны произведению (давление) x (объем). Так что у нашей космической пушки дела обстоят не лучшим образом, хотя экономика тяжелых поковок далеко не проста. С другой стороны, минималистская космическая пушка, установленная на склоне высокой горы , может иметь минимальную стоимость менее 10 миллионов долларов.

Или вы можете просто купить полет Falcon 9 примерно за 50 миллионов долларов. Конечно, вы могли бы получить лучшую экономическую выгоду от космической пушки, если бы вы использовали ее достаточно раз, чтобы в достаточной степени амортизировать стоимость. Однако общая годовая потребность в полезной нагрузке на НОО составляет всего около 240 тонн . Falcon 9 может нести 10 тонн за один выстрел. Только небольшая часть полезной нагрузки могла быть заменена космической пушкой (усиленное оборудование). Так что, возможно , на космическую пушку будет достаточно спроса, чтобы заменить 1 или 2 эквивалента запуска ракеты. При этом риски огромные. Глобальная частота полетов должна быть намного больше, чтобы люди серьезно вложили в это необходимый капитал.

Я думаю, что есть еще одна, более фундаментальная проблема, о которой не упоминалось в других ответах. Сопротивление тела из-за трения о воздух увеличивается квадратично со скоростью. Сила сопротивления определяется выражением ( взято из этой статьи в Википедии )

• $\rho$это плотность жидкости.
• $C_D$— коэффициент лобового сопротивления, который, по общему признанию, может уменьшаться со скоростью.
• $A$это площадь поперечного сечения.
• $v$- скорость тела относительно жидкости.

Это проблема, потому что пушка должна передать всю энергию, необходимую для вывода объекта на орбиту в самом начале, а это означает, что вся энергия должна быть сохранена в скорости объекта, а не в химической энергии его ускорителей. . Это значительно увеличило бы общее количество необходимой энергии из-за квадратичной зависимости силы сопротивления.

В нескольких сообщениях упоминалось атмосферное сопротивление. Перетаскивание замедляет космический корабль. Путешествие со скоростью 8 км/с через тропосферу также вызывает жару и стресс. Космическому кораблю потребуется прочная конструкция и система тепловой защиты, иначе он сгорит и/или сомнется, как пивная банка.

Важным фактором будет угол траектории полета при выходе космического корабля из дульного среза. Если космический корабль вылетает под углом траектории полета 0 градусов (другими словами, горизонтально), он должен пройти долгий путь через атмосферу. Огромный столб воздуха будет вытеснен:

Та часть пути, которая проходит через атмосферу, окрашена в красный цвет.

На пути около 8000 километров корабль выдерживает замедляющее сопротивление, жару и давление.

Если угол траектории полета близок к 90 градусам (другими словами, близок к вертикали), путешествие через атмосферу намного короче. Корабль выдерживает сильное атмосферное трение всего около 100 километров. Но тогда орбита была бы вытянутым эллипсом, который быстро вернулся бы и врезался в земную поверхность:

Типичная ракета стартует с почти вертикальным подъемом. По мере того, как воздух становится тоньше, он больше склоняется к горизонтали. Он не производит серьезного горизонтального горения, пока корабль не окажется значительно выше атмосферы. Это не вариант для космических пушек.

Идея гораздо более жизнеспособна для безвоздушных миров, таких как Луна или Церера.

По сути, проблема заключается в том, что функциональный космический корабль рассчитан только на перегрузки от 3 до 30 G; типичные ракеты только примерно до 100 g. (3,5 для шаттла, 30-60 для межконтинентальных баллистических ракет.) Приемлемая пусковая труба потребует выходной скорости свыше 7,8 км/с (скорость НОО). Прибавляя 1 км/с к атмосферным потерям, получаем примерно 8,8 км/с; для простоты округлим до 9км/с. Отметим, что в рамках проекта HARP ВМС США был достигнут суборбитальный полет на высоте 180 км со стартовой скоростью 3,6 км/с и почти вертикальным стартом.

9 км/с при достаточно надежном перегрузке 30 G — это чуть больше 30,6 секунды. Для этого требуется (при d=0,5AT^2) 137644 м... почти 138 км. (Космическая пушка HARP имела длину 41 м и была запущена со скоростью 3600 м/с, почти вертикальной, и с ускорением около 18500 g.)

Пиковый безопасный запуск электроники составляет около 15500 G (используется в артиллерийских снарядах), но разработка космического корабля для этого маловероятна. При таком ускорении и с той же мишенью 9 м/с длина 274 метра, а в стволе 0,06 секунды.

Более разумным эталоном является перегрузка в 100 g, которая обычно выдерживает кратковременные удары — это хороший ориентир для выживаемости рамы корабля с относительно тонкой обшивкой. (В конце концов, большинство автомобилей выживают на этом уровне относительно невредимыми. Это также ускорение ракеты-перехватчика Sprint.) При 100 G это 9,2 секунды в трубе и около 41,5 км в длину.

Безопасный для человека запуск - это 12 g... для цели со скоростью 9 км/с она должна быть длиной 345 км и находиться в трубе 70,6 секунды.

Как видно, длина трубки является огромным пределом. По сути, нужно запускать маленькую ракету — для этого не нужно много дельта-V, достаточно поднять перигей — и, таким образом, разумным уровнем является ракета с большим ускорением. При этом непрактично, но выполнимо. (Проекты для этого были разработаны различными инженерными школами в качестве примеров задач.) Проблема в том, что газ может ускоряться только очень быстро, и для поддержания постоянной тяги требуется дополнительное горение вдоль трубы.

Сейчас это возможно, но нецелесообразно. Это будет монументальная архитектура, непригодная для использования людьми, но практичный способ доставки на орбиту определенных категорий полезной нагрузки — объемных жидкостей, таких как топливо, вода и воздух, и сырья для строительства, таких как балки. Для этого потребуются буксиры на орбите. Любой сбой также не имеет режима прерывания, поскольку в полете полезная нагрузка обесточена.

• http://en.wikipedia.org/wiki/Космический_ган
• http://en.wikipedia.org/wiki/G-сила

Я только что видел систему Kinetic Launch. Ему удалось выполнить суборбитальный запуск, но планируется орбитальный запуск в 2024 году. Он работает, вращая объект и стреляя в него с чрезвычайно высокой скоростью.

Тем не менее, это все равно потребует некоторого прожига второй ступени.

https://www.slashgear.com/spinlaunch-kinetic-launch-system-celebrates-a-successful-test-flight-12699130