Destruyendo rondas de hipervelocidad con más rondas de hipervelocidad

En una pregunta anterior , pregunté sobre el uso de un escudo antilátigo ampliado para proteger contra una bala de tungsteno de 250 kg que viaja a unos 60 km/s. El proyectil en cuestión tiene 'aproximadamente' 10 cm de diámetro y 'aproximadamente' 1 metro de largo. La conclusión fue que, no, el escudo de látigo sería ineficaz porque solo cortaría una pequeña parte de la ronda de tungsteno, que continuaría casi ilesa hasta el casco principal, lo suficientemente justo. Pero, ¿qué sucede si golpeas la ronda entrante con otro golpe bastante considerable en la otra dirección?

Supongamos que dispara una ronda de acero de 10 kg a la ronda de tungsteno entrante a una velocidad comparativamente insignificante de 3 km / s. La velocidad combinada es de aproximadamente 63 km/s, y según mis cálculos generales, el impacto debería liberar más de diez veces la energía necesaria para vaporizar la ronda de tungsteno (si los números que di no son suficientes, suponga que la masa y la velocidad del proyectil interceptor son suficientes para obtener este valor de energía cinética). La ronda de acero se ha ido por completo... pero es la ronda de tungsteno? ¿Este impacto solo eliminará unos 10 kg de la ronda de tungsteno y dejará que el resto continúe hacia el objetivo? ¿Se vaporizará la ronda de tungsteno? ¿Se hará pedazos del tamaño de un puño?

Lo que queda exactamente de la ronda entrante hace una gran diferencia en el objetivo al que se dispara. Una nube de plasma puede ser tratada con un escudo magnético; una nube de polvo puede ser tratada con un escudo de látigo. ¿Pedacitos del tamaño de un puño? Necesitas una armadura bastante fuerte. ¿Redondo mayormente intacto? Buena suerte.

No voy a afirmar que esta es una respuesta completa, pero aquí hay una simulación de una colisión a 15 km/s .
@CortAmmon Preeeeeeeety…. ¡E informativo! :D
¿Solo estamos destinados a centrarnos en el impacto real y los escombros? o la plausibilidad de interceptar una ronda de hipervelocidad en primer lugar? Ni siquiera podemos interceptar grandes misiles en la atmósfera de forma fiable...
@Shadowzee Supongamos que se ha resuelto el problema de golpear algo con el área de la sección transversal de su puño moviéndose a 60 km / s. Solo estamos hablando de lo que sucede después del impacto.
En lugar de golpear el proyectil entrante en el punto muerto, ¿por qué no golpearlo en un ángulo? De esta manera, incluso si el 100% del proyectil sobrevive al impacto, su curso se verá alterado y es posible que pierda su nave por millas.
@V.Aggarwal Extraño tu barco. Puede haber otros barcos o embarcaciones, tal vez civiles o recursos críticos, etc. en la nueva trayectoria.
@PabloH Correcto, eso debe calcularse con mucha precisión, sobre dónde se desviará el proyectil, pero no debería ser un problema muy complicado, la IA de la computadora a bordo puede manejarlo fácilmente, tal vez golpee el proyectil más de una vez, para obtener el resultados.
Estoy de acuerdo con la idea de @V.Aggarwal. Calcular la nueva trayectoria del proyectil no parece mucho más difícil que golpear el proyectil en primer lugar. Entonces, es casi imposible que las computadoras actuales lo hagan lo suficientemente rápido, pero ya está resuelto para las computadoras de OP.

Respuestas (3)

En condiciones espaciales, el tungsteno es muy frágil. Incluso es probable que el tungsteno monocristalino se rompa por completo con el impacto. Esto no es tan malo para un impactador, a menos que esté disparando a un objetivo endurecido (en realidad, podría ser deseable , también porque el tungsteno es pirofórico y una nube de metralla de tungsteno en la atmósfera de oxígeno presurizado de una nave estelar proporcionará una imitación decente de una bomba termobárica ).

Entonces, si puede golpearlo, no espero que los impactadores de tungsteno puro sean un problema en absoluto. Se desintegrarán en polvo, y ese polvo probablemente no alcanzará al barco por un amplio margen.

El impactador podría entonces estar hecho de aleaciones de impacto (tungsteno-níquel-hierro con 90% de tungsteno, o matriz porosa dopada con carburo de tungsteno de tungsteno-níquel-hierro-cobalto con 90% de tungsteno). Este último ha demostrado un poder de penetración muy mejorado contra objetivos endurecidos, lo que se traduce en una buena resistencia a los impactos de los contragolpes de hierro.

El resultado probable es que la parte delantera del impactador explote, mientras que la parte trasera permanece prácticamente ilesa. Aun así, en casi todas las circunstancias, el proyectil estará sujeto a un empuje lateral significativo, que a cualquier distancia realista debería garantizar que no alcance el objetivo.

Mucho depende de la distancia a la que se intercepta el impactador.

El impacto seguramente alteraría la trayectoria del impactador incluso si no hace nada más; incluso una pequeña desviación podría significar la diferencia entre un impacto y el proyectil que pasa volando inofensivamente, fallando el objetivo. Y a una distancia suficiente (por ejemplo, 600 kilómetros), un segundo contraimpacto podría golpear el proyectil aún a 0,3 segundos del impacto.

(No sé si un impactador "en capas" - un impactador que ha sido adelgazado en dos puntos a lo largo de su longitud, para dividirlo en tres secciones - se puede esperar que le vaya mejor; si el empuje de la colisión rompería el vínculo entre el secciones, dejando la sección trasera casi sin cambios en su trayectoria mientras que la delantera se desintegró. Mejor un tercio del proyectil para llegar al objetivo, que nada. Probablemente cualquier nave atacante tendría varios tipos de impactadores para elegir).

En una situación con defensa puntual, sería mejor que un atacante disparara muchos proyectiles más pequeños en un esfuerzo por saturar la defensa puntual que tratar de desarrollar e implementar un proyectil más grande que pueda tolerar un golpe de defensa puntual.
No estoy seguro de que la física en juego cuando se habla de hacer mejores impactadores modernos se aplique cuando se habla de proyectiles que van a 60 km/s. Los cañones de riel modernos te dan unos 3 km/s... y este tiene 400 veces más energía cinética por kilogramo.
@FlyingLemmingSoup en ausencia de otros factores como el desgaste atmosférico, la física debería contener al menos los primeros porcentajes de la velocidad de la luz. Creo que he leído que más allá de 1-2 km / s, cualquier impactador en su mayoría ya se comporta como un líquido , mientras que a velocidades relativistas, para citar erróneamente a Randall Munroe de XKCD, "básicamente tienes una gota de partículas volando en formación cerrada" (es decir , deja de importar mucho la naturaleza de la cosa).
Exactamente como dice @LSerni: el extremo de la barra ni siquiera notará que la punta se ha vaporizado, pasará a través de la nube de escombros de acero antes de que la onda de presión que sube por la barra la alcance. E incluso si la varilla se rompiera, todavía tienes una masa de fragmentos volando en formación cerrada con un movimiento lateral insignificante. 60 km / s es realmente muy rápido, tendrías que golpearlo mientras todavía está a unas pocas decenas de kilómetros de distancia para que la nube de fragmentos se extienda lo suficiente como para volverse menos peligrosa.
Por cierto: 250 k gramo ⋅ 60000 2 metro 2 2 s 2 = 450 GRAMO j Esto es alrededor de 110 toneladas de TNT. No importará si eso se extiende a lo largo de un área de uno o diez metros, necesitaría extenderlo al menos en el rango de 100 m para tener alguna esperanza de absorberlo con gracia.

Supongamos que dispara una ronda de acero de 10 kg a la ronda de tungsteno entrante a una velocidad comparativamente insignificante de 3 km / s

Esto no es diferente a tener un escudo Whipple de acero estático y un proyectil entrante que viaja a 63 km/s. El problema sigue siendo que los impactos de hipervelocidad no se comportan como los de baja velocidad y, como resultado, los efectos de las colisiones son contradictorios. Esta es la razón por la cual las colisiones más tranquilas (digamos, 15 km/s) se modelan como chorros de fluido que se salpican entre sí, por ejemplo... los enlaces intermoleculares no significan nada dadas las fuerzas de impacto involucradas.

Esto significa que toda la propaganda a continuación es tan aplicable a los escudos de látigo como a los proyectiles interceptores.

¿Se vaporizará la ronda de tungsteno? ¿Se hará pedazos del tamaño de un puño?

No está del todo claro qué pasará con él. En el peor de los casos, se extrae una pequeña parte del impactador y el resto sigue saliendo. Usando la misma aproximación de penetración hidrodinámica que hice la última vez ... si su proyectil de acero tiene el mismo diámetro que el proyectil entrante, tendrá un grosor de 4 cm y se eliminará unos 2,5 cm del frente del impacto. Eso no es tan bueno, desde el punto de vista del objetivo.

Recientemente estuve leyendo sobre la "fuerza del cráter", una noción que maneja la expansión de un cráter en un objeto sólido. No estoy completamente seguro de cómo se aplica esto a los impactadores de hipervelocidad... no encaja muy bien con la idea de los chorros hidrodinámicos, eso es seguro, pero maneja la noción de que algo explote, como es de esperar que libere una gran cantidad de energía en un corto período de tiempo. También fue sugerido por Luke Campbell, que sabe bastante más sobre este tipo de cosas que yo, y ha pensado más en ello. Entonces, con todo lo dicho, tómalo con una pizca de sal .

La aproximación de cráteres define el volumen del cráter. V C = mi pag / S C dónde mi pag es la energía cinética del proyectil y S C es la resistencia a la formación de cráteres del material involucrado, agitado a mano para que sea tres veces su límite elástico. El límite elástico del tungsteno es de 750 MPa, por lo que su resistencia a la formación de cráteres se define como 2,25 GJ/m 3 . Si imaginamos que el impactador de tungsteno está estacionario y el interceptor de acero se acerca a 63 km/s, tendrá una energía cinética de casi 20 GJ. Eso da un volumen de cráter de 8,82 m 3 y, por lo tanto, una profundidad de cráter (definida como el radio de una esfera con ese volumen de cráter) de aproximadamente 2,1 m.

Con esa aproximación, el impactador se hace pedazos. ¡Hurra! (También sugiere que su protección contra latigazos en la pregunta anterior es mejor de lo que se anticipó originalmente, por lo que lo revisaré en algún momento).

Sin embargo

Dada la suposición de profundidad de penetración hidrodinámica, el interceptor de acero estará más o menos "agotado" en el par de centímetros frontales del impactador. Por lo tanto, la energía de la colisión debe transmitirse a lo largo del impactador mediante simples átomos viejos que chocan entre sí. Si eso sucede a la velocidad del sonido en tungsteno, 5,2 km/s, el impactador tardará 1/5200 de segundo en desintegrarse por completo, tiempo durante el cual habrá recorrido 11 m. Si el interceptor golpea el impactador más cerca de la nave que eso, todavía está en un gran problema (esto también sugiere que su espacio de protección contra latigazos de 50 m en su respuesta anterior es probablemente un espacio sensato). No estoy seguro de a qué velocidad se expandirán los escombros, ya que eso requiere elaborar presupuestos de energía y cosas, y me siento demasiado perezoso para eso.

A continuación, hay mucho impulso en una bala de un cuarto de tonelada que viaja a 60 km/s. Su pequeño proyectil de acero puede entregar suficiente energía para romperlo, pero esos pedazos serán bastante grandes y mantendrán la mayor parte de su velocidad y dirección originales. Esto no es tanto "desprendimiento" como un aterrador disparo de perdición. No es tan fatal como una barra de tungsteno de un metro de largo, pero es posible que aún tengas que lidiar con una nube de proyectiles de 60 km/s del tamaño de un puño (por cierto, no importará si son sólidos o derretidos).

Una nube de plasma puede ser tratada con un escudo magnético; una nube de polvo puede ser tratada con un escudo de látigo. ¿Pedacitos del tamaño de un puño? Necesitas una armadura bastante fuerte. ¿Redondo mayormente intacto? Buena suerte.

No creo que sea polvo. Y recuerde, incluso si fuera polvo , un cuarto de tonelada de polvo que viaja a 60 km/s requiere un escudo antilátigo bastante grande, y ese escudo antilátigo tendrá un agujero bastante grande después.

En cuanto a tratar con plasma a través de un escudo magnético... nuevamente, los restos del impactador tendrán un impulso considerable, y usted tiene un corto período de tiempo para ejercer una fuerza considerable sobre él para desviarlo. No voy a tratar de resolver esto aquí (las matemáticas magnéticas son difíciles :-() pero suena un poco dudoso.

Sin embargo, finalmente, revisemos esos trozos del tamaño de un puño. Al final de mi última respuesta, dije esto:

la contramedida más simple desde el punto de vista del atacante es disparar múltiples proyectiles más pequeños, ligeramente separados a lo largo de su trayectoria.

Esto sigue siendo cierto. Los penetradores cinéticos colineales serán excelentes para derrotar a la defensa en profundidad, aunque suficiente fuego de cañón de riel interceptor podría aplastar todos los proyectiles antes de que alcancen el objetivo. La otra alternativa, muchos proyectiles largos y delgados (una especie de impactador paralelo en lugar de en serie) requeriría una ronda de cañón de riel cada uno , lo que puede abrumar muy rápidamente cualquier defensa plausible. Una combinación de los dos enfoques sacrifica la capacidad de matar de un solo golpe de la bala de tungsteno monolítica por una enorme nube de muerte cinética contra la cual será poco práctico defenderse.

En realidad, considerando que el impactador tiene una energía cinética de aproximadamente 110 toneladas de TNT, creo que en realidad puede ser más seguro no romper el impactador: si el impactador está completo, simplemente atravesará la nave en un punto, vaporizando todo. en su camino, pero dejando intacto el resto de la nave. Si se extiende, el efecto es más como una pequeña bomba nuclear que detona junto a la nave.
@cmaster ksbes sugirió casi lo mismo en su respuesta a la última pregunta . Puede estar bien siempre que la trayectoria no se acerque demasiado a nada demasiado importante, pero no hay mucho margen para el "espacio inútil" en un buque de guerra. ¡Es preferible una pequeña bomba nuclear que se dispare en el exterior que una en el interior!
@StarfishPrime: Las respuestas a la última pregunta en realidad me impulsaron a diseñar un mundo de acorazados espaciales en el que somos un espacio casi completamente inútil: redes de kilómetros de largo de rieles rápidamente reemplazables con vainas montadas, móviles y redundantes múltiples llenas de equipo importante (o tal vez solo señuelos). La idea es que incluso si una pequeña bomba nuclear explotara 'dentro' de la nave, en realidad no sería gran cosa.
Los barcos grandes y blandos de @JoeBloggs no son más duros que los pequeños y duros. Se puede usar un mayor número de penetradores más pequeños (por ejemplo, agregando una carga explosiva a un gran proyectil cinético) y se pueden usar obuses de casaba y láseres bombeados desde más lejos porque necesitan perforar cosas menos duras. No puede escalar indefinidamente, porque tendrá problemas para girar su nave sin que el chasis se deforme o se rompa, lo que también limitará su maniobrabilidad.
@StarfishPrime: ¡Sí! Lo divertido del diseño de esa nave es que es un marco suave, reemplazable y fácil de atravesar (incluso cuando es un naufragio) en el que se arrastran una serie de nodos duros. Las armas efectivas contra objetivos blandos no son útiles contra los bits preocupantes (armas enemigas, etc.), y los nodos duros pueden moverse lo suficiente como para esquivar sin desperdiciar masa de reacción sin cesar. Una de las limitaciones que conduce a un diseño de este tipo es un delta V muy limitado que requiere una aceleración de masa bombeada desde el suelo. Básicamente, el acorazado se lanza en un paquete compacto y luego se desempaqueta. Es la guerra espacial a través de Ikea.

Trate de no golpear el proyectil entrante directamente. Si lo golpea ligeramente fuera del eje, empujará ligeramente la trayectoria. Y luego la ronda entrante se perderá.

Esto es similar a algunas propuestas de defensa contra asteroides .

Eso requeriría que la intercepción tuviera lugar varias docenas de kilómetros antes del objetivo. Definitivamente viable, pero el escenario en el que estoy pensando aquí es más una medida defensiva de última hora que usa proyectiles de cañón de riel tontos, que no es probable que anoten ese tipo de impacto.
@FlyingLemmingSoup si el contraataque es esférico, la probabilidad de un impacto en el centro es insignificante. A ±20° (como la incidencia casi normal) definirá una sección transversal de aproximadamente el 12 % de la sección transversal total de la esfera (sin(20°)²) = 12 % de posibilidades de una incidencia casi normal. Para favorecer un comportamiento de desvío, utilice una lluvia de contra-impactadores cónicos un cono - un área de sección transversal de impacto muerto nulo.
Es casi seguro que no lo sacará de su eje. Los impactos de hipervelocidad no funcionan así. Si puede golpear el proyectil en el costado, reducirá seriamente su efectividad, pero esa es una propuesta engañosa, por decir lo menos.
si puedes golpearlo desde un lado, no está dirigido a ti.
En realidad, ¿qué pasa si lo golpeas desde un lado a través de drones avanzados de defensa puntual?
@Alice En realidad, esto es más o menos lo que tenía en mente para la línea de defensa principal, solo me pregunto si tiene algún sentido tener cañones de riel para la defensa de puntos cercanos contra tales rondas.
@FlyingLemmingSoup dada la variedad potencial de tipos y tamaños de proyectiles y velocidades de disparo, no es obvio que tenga sentido intentar usar cualquier tipo de método para derribar proyectiles tontos entrantes.
@StarfishPrime Una pregunta que estoy considerando para otro momento es si un cañón de partículas podría funcionar. Algo así como un cruce entre un obús casaba y un motor de fusión catalizado por antimateria; un arma que dirige la explosión de una pastilla de combustible de fusión hacia un cono relativamente estrecho. ¿Qué sucede si golpeas el proyectil entrante con suficiente energía para vaporizarlo, si esa energía está en forma de haz de partículas?
@FlyingLemmingSoup podría funcionar bien, aunque necesitará inyectar bastante energía en un proyectil tonto para vaporizarlo. El problema, de nuevo, es que los proyectiles que estás interceptando son baratos y el mecanismo de interceptación que estás usando es caro. Las defensas del objetivo pueden ser desgastadas por una gran cantidad de pequeños fragmentos, y luego el golpe de gracia puede ejecutarse con un solo proyectil grande. Los rayos de partículas de un solo disparo son más adecuados para interceptar armas costosas, como misiles con ojivas nucleares.
Destruyendo rondas de hipervelocidad con más rondas de hipervelocidad
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