No es un tanque que pueda sobrevivir a los disparos con un cañón de riel de 1 GJ (casi seguro que nada puede sobrevivir a eso), sino un tanque que puede soportar el retroceso de un cañón de riel de 1 GJ que se le ha montado.
Obviamente, se requiere una forma de anclarlo al suelo para evitar que salga volando, pero ¿qué pasa con el marco en sí mismo que resiste la fuerza? ¿Podría sobrevivir el vehículo si el cañón y todas las partes móviles del tanque estuvieran hechas de láminas de un supermaterial 2d como el grafeno?
CIENCIAS
El valor por el que debe preocuparse al diseñar contra el retroceso no es la energía sino el impulso.
La energía cinética de un proyectil se formula con la ecuación:
donde E es la energía cinética, m es la masa del proyectil y v es la velocidad.
Momentum , por otro lado, se calcula usando esta ecuación similar:
donde p es el momento (del latín petere, o ímpetu), m es la masa yv es la velocidad.
El cambio en el momento de un objeto se conoce como Impulso . El teorema de impulso-cantidad de movimiento y la conservación de la cantidad de movimiento se utilizan en gran medida para calcular escenarios relacionados con la tercera ley del movimiento de Newton (reacciones iguales pero opuestas, o retroceso, si lo prefiere).
Entonces, Kinetic Energy y Momentum son claramente valores muy similares, pero no son lo mismo. Específicamente, si tienes dos armas que disparan proyectiles diferentes, uno rápido y liviano y el otro lento y pesado, las energías pueden ser las mismas pero el retroceso no será el mismo, o viceversa. Esto se debe a la velocidad al cuadrado que vemos en la ecuación de energía cinética. Esto significa que necesitamos definir nuestro proyectil exactamente para analizar adecuadamente este problema.
HISTORIA
Ahora, con eso fuera del camino, podemos ver un poco de historia. De hecho, ha habido armas (armas de proyectiles, incluso) que han entregado cargas útiles cinéticas del mismo orden de magnitud que su cañón de riel. Específicamente, el cañón ferroviario Schwerer Gustav utilizado por la Alemania nazi podía entregar una carga útil de alrededor de 1,8 gigajulios (v = ~720 m/s, m = ~7100 kg). El retroceso que experimentaría el arma era de unos 5 112 000 newton-segundos (una unidad que no debería importarnos demasiado).
La asombrosa energía emitida por el Gran Gustav se logró en gran parte debido al proyectil masivo, y no tanto a la velocidad del proyectil. En teoría, definitivamente podríamos revertir esos atributos y lanzar un pequeño proyectil a velocidades hipersónicas. Si tuviéramos una velocidad inicial del 1% de la velocidad de la luz, por ejemplo, el proyectil solo necesitaría pesar como un miligramo para entregar un gigajulio de energía. Lamentablemente tenemos un problema en este sentido.
Resulta que hay un límite superior para la velocidad dentro de la atmósfera. El calentamiento atmosférico literalmente vaporizará las cosas que viajan demasiado rápido (que es una de las muchas razones por las que no puedes lanzar satélites al espacio con un cañón de riel). Lo más rápido que razonablemente puede ir es de unos 7000 m/s. Incluso a esta velocidad, la mayoría de los materiales se vaporizarán demasiado rápido para ser útiles, pero los materiales súper densos como el uranio o el iridio sobrevivirán lo suficientemente bien. Con esta velocidad como límite superior, si quisiéramos golpear con 1 gigajulio, el proyectil tendría que pesar unos 40 kilogramos. Eso no es muy irrazonable, especialmente considerando que los proyectiles del Gran Gustav pesaban 7 toneladas.
Con estos números en mente, podemos calcular cuánto impulso producirá el cañón de riel cuando dispare: 280 000 newton-segundos . Comparado con la cifra de Gustav, ese número es insignificante. Para comparar algunos otros, los cañones Mark 7 16"/50 a bordo del Iowa Class Battleship producen un poco más de 1.000.000 de newton-segundos de impulso. El arma principal del Abrams MBT produce alrededor de 10.000 newton-segundos de impulso.
Entonces, ¿qué significa todo esto? En mi opinión, sería necesario montar un cañón de riel de 1 gigajulio a bordo de un barco pequeño, o tal vez una pieza de artillería autopropulsada muy grande (estoy bastante seguro de que las armas como el obús M110 producen un retroceso similar, pero no pude encontrar ninguna balística definitiva). datos). La artillería estacionaria grande también funcionaría, pero tales armas nunca fueron realmente efectivas.
Si olvidé algo, o hay datos que me perdí, ¡házmelo saber!
EDITAR: Resulta que el M110 Howitzer produce alrededor de 50,000 newton-segundos de impulso, por lo que en realidad me equivoqué acerca de la magnitud del retroceso involucrado. Esto sugiere que una pieza de artillería autopropulsada con nuestra hipotética arma 1GJ necesitará un carro mucho más grande que el utilizado con el M110. Dudo que deba ser 5 veces más grande para administrar el retroceso 5x, pero deberá ser significativo.
EDICIÓN 2: Ok, ¡una edición más! Encontré un arma con un valor de retroceso muy similar: el cañón naval alemán 28cm/45 SK L/45 . Genera un impulso de alrededor de 260 000 newton-segundos, que es lo suficientemente cercano para nuestros propósitos. Ese enlace contiene la mayoría de los datos balísticos y dimensionales relevantes, pero en resumidas cuentas, un arma de ese tamaño generalmente se monta en una nave grande (en este caso, fue el armamento principal de algunas de las naves capitales de la era Dreadnought de Alemania). ) o como pieza de artillería fija (defensa costera o cañón ferroviario). En mi humilde opinión, sería muy difícil montar este cañón en un tanque, pero al menos parte de esa dificultad será el resultado del peso del arma. Nuestro cañón de riel noSin embargo, tienen el mismo tipo de restricciones de peso que un cañón tradicional, así que creo que todavía es factible, especialmente si estamos usando materiales y técnicas modernas.
Es posible que se sorprenda al escuchar esto, pero ha habido armas en la vida real que han disparado proyectiles con una energía inicial de 1GJ+.
La mejor manera que se me ocurre para hacer que algo del tamaño de lo que estás describiendo no salga volando por el retroceso de su propia arma es darle un cañón MUY largo para que el proyectil acelere hacia abajo. Eventualmente, esta es una proposición perdedora, la velocidad (suponiendo que la misma fuerza empuje todo el cañón) solo aumenta en la raíz cuadrada de la longitud.
La segunda opción que te puedo dar es que podrías disparar un proyectil MUY ligero. la energía de la boca aumenta con el cuadrado de la velocidad, por lo que si reduce a la mitad el peso del proyectil, podría (en un mundo perfecto) obtener el doble de la velocidad de la boca, lo que a su vez le da 4 veces la energía de la boca.
Los problemas del mundo real de tener un proyectil extremadamente ligero: el arrastre lo ralentizará muy rápido, por lo que no tendría mucho alcance efectivo, en segundo lugar, es muy útil tener masa cuando desea que un proyectil penetre material.
Si está satisfecho con desintegrar objetos más pequeños, el esquema de proyectiles pequeños funciona bien, ya que esa energía se convierte básicamente en una explosión en cualquier cosa que sea golpeada, pero no piense que perforaría un agujero a través de pies de acero, simplemente arruinaría el exterior de la misma.
Construya un caparazón que sea un recipiente al vacío, de modo que la masa gire dentro de él. Ponga la mayor parte del 1GJ en giro de proyectil antes de lanzarlo. Luego, puede lanzarlo con velocidades convencionales, de modo que golpee al enemigo 5 millas más abajo en lugar de volar más allá de la luna y golpear los anillos de Júpiter 3 años después.
Una cosa buena de un cañón de riel es que, a diferencia del propulsor explosivo, la fuerza no se transfiere al proyectil de una sola vez, sino a lo largo de toda la longitud activa del riel. Entonces, cuanto mayor sea la distancia de aceleración activa y, por lo tanto, el tiempo, menos fuerza necesitará para la misma velocidad final. (por lo que menos fuerza por unidad de tiempo en el tanque)
Hacer que el marco sobreviva al retroceso no es un problema tan insoluble, básicamente tienes que transferir el impacto del retroceso a algo externo al tanque. Los MBT modernos generalmente están hechos de acero (cubiertos con capas de otras cosas) que se acercan a un pie de espesor. Históricamente, hemos visto tanques y otros vehículos fabricados con acero significativamente más grueso que ese. No es imposible hacer que el marco sea efectivamente de una sola pieza, no deformable y capaz de transferir el retroceso lejos del cuerpo del tanque.
Se han construido tanques que excedieron las 100 toneladas y megaartillería que era considerablemente más grande que eso, por lo que es posible construir algo que pudiera llevar un arma de este tipo, pero obviamente sería muy pesado y lento.
La artillería grande y autopropulsada (como el 2s7 Pion SPG ruso) usa una cuchilla como una excavadora (llamada "pala de retroceso" -gracias, T) en la parte trasera del vehículo para transferir el retroceso al suelo. El SPG se detiene, despliega la hoja hidráulica, levanta el cañón y hace boom. El impacto se transmite directamente al suelo debajo del vehículo. Su tanque podría hacer lo mismo, pero obviamente no podría moverse y disparar al mismo tiempo.
Alternativamente, podría diseñar algún tipo de dispositivo similar a un cohete que dispararía en la parte posterior de la torreta del tanque al mismo tiempo que el cañón de riel. Eso mitigaría el retroceso pero tendría un suministro de combustible limitado.
Lo más probable es que cualquier cosa que tenga tanto poder no sea móvil... un tanque que pueda manejar eso simplemente no puede existir tal como entendemos actualmente la palabra tanque .
Los requisitos de energía y el impacto/estrés de un arma de este tipo requieren que esté estacionaria. Un tanque simplemente no tiene el peso ni la integridad estructural para soportar tanta fuerza.
Además, los requisitos de energía significan que el tanque tendría que transportar varias veces su peso en baterías/condensadores para alimentar el cañón (no sé las matemáticas específicamente)
Algo que emita 1GJ de fuerza tiene que ser capaz de compensar eso... un tanque saldría volando por el aire debido al retroceso.
Podrías construir un estilo de artillería y poner todo en una especie de rieles de tren modificados para que se mantenga presionado y se deslice hacia atrás después de disparar.
El grafeno no es una gran idea. Fuerte sí, pero relativamente frágil. Los materiales del marco necesitarán tenacidad y resistencia. El acero, por ejemplo, tiene posiblemente el mejor equilibrio entre dureza y resistencia.
Para los tanques, esto será complicado, ya que querrás que el arma se cargue desde adentro. Esto claramente no va a ser posible, debido a las altas corrientes involucradas en la explosión inicial. De hecho, probablemente sería recomendable elevarlo muy por encima del área de pasajeros del tanque, para evitar una electrocución accidental por corrientes inducidas.
Como debe montarlo en el exterior de todos modos, su vehículo se vuelve menos como un tanque y más como una escalera motorizada. Siendo ese el caso, para mejorar su estabilidad, monte su escalera sobre una superficie no conductora en el suelo. De esa manera, siempre que su arma apunte por encima de la horizontal, el empuje inverso actuará para conducir la base no conductora hacia el suelo. suelo, de donde tendrá que ser desenterrado. En resumen, puede montar un cañón de riel 1GJ en un tanque, y el tanque no se romperá ni volará cuando se dispare el arma, excepto que será más un lanzacohetes de un solo disparo. Aparentemente, los rieles no pueden tomar más de un tiro.
El retroceso es esencialmente impulso, y el impulso es esencialmente Fuerza/Tiempo. Para reducir el retroceso, puedo reducir la fuerza o puedo aumentar el tiempo durante el cual se aplica esa fuerza. El doble de tiempo, la mitad de retroceso, el cuádruple de tiempo, la cuarta parte de retroceso, y así sucesivamente.
Supongamos que aplico, digamos, 1 GJ de energía total para empujar mi automóvil averiado. Si aplico eso todo a la vez (una madre de un puñetazo) voy a explotar mis manos y mi auto. Si aplico eso durante media hora, todo está bien.
Ahora imagine montar su cañón de riel en una cuna muy larga. El cañón del tanque no es tanto un cañón como un amortiguador de retroceso muy, MUY largo con el arma adentro. Tal vez el cañón/soporte tenga 40 pies de largo y sobresalga por ambos extremos de la torreta. Mientras dispara, el cañón de riel real se desliza hacia atrás, desacelerando "suavemente" y transfiriendo lentamente su energía al chasis en lugar de dar un solo golpe devastador.
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