Cañón Hand Held Coil Gun: suficiente para rasgar las extremidades de un robot gigante en pedazos

Una cuestión que observo que no ha considerado en la pregunta escrita es cómo, exactamente, se alimentará el dispositivo. Los cañones de bobina o dispositivos relacionados, como los cañones de riel, usan energía eléctrica, por lo que el soldado necesitará algún tipo de generador o un conjunto bastante gigantesco de baterías o condensadores para alimentar el arma. Entonces, el tamaño físico será bastante impresionante, más como un cañón que como un rifle antimaterial.

Quizás la forma más fácil de proporcionar algún tipo de portabilidad y mitigar las fuerzas de retroceso (que serán bastante sustanciales) será conducir el arma usando explosivos químicos (una fuente de energía compacta de alta densidad) a través de un generador MHD. Los explosivos se detonan en una cámara abierta y el flujo de gases supersónicos pasa a través del generador MHD para proporcionar la energía para accionar las bobinas. En muchos aspectos, esto sería algo así como un cañón sin retroceso, y también tiene algunas de las desventajas de un cañón de retroceso (retroceso y destello visible)

Otro problema es que los cañones de bobina deben estar reforzados contra las poderosas fuerzas magnéticas y un medio para disipar el calor en las bobinas y los dispositivos de conmutación, por lo que la analogía de un cañón es bastante precisa, especialmente si está disparando un proyectil muy pequeño. a velocidades megasónicas (como Mach 400+ en la respuesta de JerryTheC).

La página obligatoria de Atomic Rockets lo ayudará a calcular el tamaño final del cañón de bobina, la masa del proyectil y cuánta energía necesitará realmente, pero aquí hay un comienzo:

Aquí hay un método rápido para estimar qué tipo de rendimiento puede obtener de una pistola de bobina. Algunas personas aquí podrían encontrarlo interesante.

Primero, decida la eficiencia de su pistola de bobina. Los Coilguns son motores eléctricos lineales sin escobillas, y los motores eléctricos sin escobillas han demostrado eficiencias del 90% al 95%. Los motores eléctricos superconductores pueden tener eficiencias del 98% al 99%. Denota esto como un decimal y llámalo e; es decir, e = 0,9 ae = 0,95.

A continuación, decida la longitud y el radio de su proyectil. Decide de qué está hecho tu proyectil y encuentra su masa

masa = densidad * longitud * radio2 * &pi (y recuerda usar unidades consistentes).

Encuentre también el área de la sección transversal del proyectil

área = radio2 * π

Decide qué tan rápido quieres que vaya tu proyectil y encuentra su energía cinética final

energía cinética = 0,5 * masa * velocidad2 (nuevamente recuerde usar unidades consistentes).

Dada la eficiencia de su cañón de bobina, puede averiguar cuánto se calienta su proyectil. Puede calcular que la mitad de la energía desperdiciada va al proyectil y, por lo tanto, su proyectil obtendrá una energía térmica de

energía térmica = 0,5 * (1/e - 1) * (energía cinética)

Busque el calor específico del material del que está hecho su proyectil, comúnmente llamado C. Entonces su proyectil alcanza una temperatura de

temperatura del proyectil = (energía térmica) / (C * masa) (nuevamente, asegúrese de que sus unidades sean consistentes).

Ahora suponga que el cañón está lleno de campo y que el proyectil barre el campo fuera del cañón, convirtiendo la energía del campo en energía cinética (no es así como funcionan las pistolas de bobina, pero proporciona el límite superior físico basado en la conservación de la energía) . La densidad de energía es de unos 400 kJ/m3/T2 multiplicado por el cuadrado de la intensidad del campo magnético (398.098 J/m3/T2 con seis cifras significativas). Llame a este valor K

K = 400 kJ/m3/T2

Ahora sabe el volumen necesario en el cañón en función de la cantidad de energía que termina con el proyectil.

volumen = energía cinética / (K * (campo magnético)2)

Como conoce el área de la sección transversal del proyectil y, por lo tanto, del cañón, sabe cuánto tiempo debe ser el cañón.

longitud = volumen / área

Como tiene los parámetros, puede calcular cuál será el rendimiento real de su pistola de bobina. Alternativamente, ahora puede trabajar hacia atrás a partir de la cantidad de energía que desea colocar en el objetivo y diseñar su cañón de bobina.

¡Buena suerte!

Como señaló WhatRoughBeast, los vatios son potencia (tasa de suministro de energía) y los julios son energía (cuánta energía en total almacena su condensador).

Si desea saber cuánta energía se puede transferir a su objetivo, entonces ese es su 1.1GJ multiplicado por la eficiencia de su cañón de bobina (menos las pérdidas debido a la resistencia atmosférica).

Si calcula la masa de su proyectil, puede calcular la velocidad inicial ignorando la resistencia del aire (lo cual, mirando el resultado a continuación, probablemente no sea algo que pueda ignorar con seguridad):

energía cinética del proyectil = 1,1 GJ * eficiencia, y como ke = 1/2 masa por velocidad al cuadrado, se obtiene (para velocidades no relativistas) velocidad al cuadrado = ke / (0,5 * masa), por lo que velocidad = raíz cuadrada de (ke / (0.5 * masa))

como una prueba de cordura rápida, con un proyectil de 100 g (0,1 kg) y una eficiencia del 100 % que otorga

V = sqrt (1.1x10 ^ 9 / 0.05) = 148,324 m / s o aproximadamente mach 432.

que es rápido pero no se acerca a la velocidad de la luz. Pero puede ser lo suficientemente rápido como para preocuparse por si su proyectil se quema en el camino hacia el objetivo...

Las especificaciones del cañón de bobina todavía no tienen mucho sentido, ya que el proyectil tiene 50 mm de diámetro y solo 90 mm de largo, lo que lo convierte en un proyectil rechoncho que no está nada bien adaptado para penetrar armaduras. No obstante, vamos a ir con él.

Un cilindro de acero de estas dimensiones pesará alrededor de 1,4 kg. Suponiendo una eficiencia del 100 % del cañón de bobina, esto producirá una velocidad de unos 40 km/seg para 1,1 GJ, ya que

$$\frac{mv^2}{2} = 1.1\times10^9$$ y $$v=\sqrt{\frac{2.2\times10^9}{m}}=\sqrt{\frac{22}{1.4}}\times 10^4=12.5\times10^4=40,000$$

Este sitio analiza fórmulas históricas para la penetración de armaduras de armaduras de acero, y estas usan cantidades imperiales, por lo que

profundidad = 2 pulgadas

ancho = 3 libras

V = 132 000 pies/seg

Una fórmula representativa para la penetración referenciada al diámetro del proyectil (T/D) es

$$\frac{T}{D}= (0.00005021) D^{0.07144}[(\frac{W}{D^3})(V/C)^2(2Cos^3(Ob)]^{0.71429}$$ donde C está cerca de 1,2 y Ob es el ángulo de incidencia. Suponiendo una incidencia normal, el término cos es 1 y desaparece, dejando $$\frac{T}{D}= (0.00005021) D^{0.07144}[(\frac{W}{D^3})(V/C)^2]^{0.71429}$$ Crunching a través de esto da $$\frac{T}{D}=432.6$$ asi que $$T = 865\text{ inches} = 22\text{ meters}$$

Por supuesto, este es un número poco realista, como se explica en el enlace, ya que la velocidad del proyectil es mucho mayor que la velocidad del sonido en la armadura o el proyectil. No obstante, sugiere que la penetración de un metro de armadura no debería ser un problema siempre que el ángulo de impacto sea bastante cercano al normal.

Otra forma de ver el problema es asumir que el proyectil crea un cráter hemisférico en la armadura al vaporizarla. Tal cráter tendrá un volumen de

$$V = \frac{1}{2}\frac{4\pi r^3}{3} = 2 m^3$$ Suponiendo una densidad de armadura de 8000 kg/ $m^3$esta es una masa de 16000 kg. La energía de vaporización del acero es de aproximadamente 6,8 MJ/kg, por lo que la medida de energía requerida en el peor de los casos es de aproximadamente 108 GJ.

Entonces la pregunta será, ¿puede el proyectil mantener su integridad durante el proceso de penetración? Si es así, parece probable que pueda penetrar un metro de armadura. Si 1 metro es suficiente profundidad para extender el impacto, la respuesta es no.

Sospecho que, dadas las altas velocidades involucradas, ocurrirá la penetración, quedando mucha energía para producir daño en el objetivo. Reducir el diámetro y aumentar la longitud mejorará el rendimiento.

EDITAR: es útil comparar su penetrador propuesto con uno real. El penetrador M829A1 pesa 4,6 kg y tiene una velocidad inicial de 5500 fps. A quemarropa, penetrará 670 mm de armadura de acero, por lo que algo con la mitad de la masa pero 24 veces la velocidad parecería un candidato razonable para una penetración un 50% mejor. Sin embargo, el M829A1 es 2 1/2 veces más denso que el acero, considerablemente más duro que el acero y está configurado como una barra larga y delgada. Todas estas cosas funcionarán contra su proyectil de cañón de bobina.

Además, solo a modo de comparación, el KE del M829A es de aproximadamente 6,4 MJ.