Nave espacial de conductor masivo de propulsión nuclear de un solo uso

Hay un problema simple con esto: conmoción y vibración.

Su proyectil tiene que viajar una distancia muy larga antes de impactar. Su especificación de "alrededor del límite de detección por IR" es suficiente para estar bastante seguro de que nunca golpeará a su enemigo con una bala tonta. Simplemente no puedes apuntar el arma con tanta precisión. Esto es doblemente cierto por el hecho de que estás a punto de desencadenar una explosión nuclear (probablemente más que doblemente cierto).

Esto significa que ciertamente está utilizando un arma inteligente, con propulsores, sensores y computadoras a bordo, muy parecido a lo que vemos en todos nuestros propios programas de defensa balística en el planeta Tierra.

Así que aquí está el problema real. Lanzar cosas rápido (espacio rápido) es difícil. Tienes que acelerar bastante rápido. Los problemas de impacto y vibraciones durante el lanzamiento son asombrosamente difíciles de manejar. Cuanto más aceleres, más desagradables serán los requisitos. Los cañones de riel de la Marina enfrentan serios desafíos para endurecer las rondas inteligentes para que sobrevivan al disparo (hoy en día, las pruebas generalmente se realizan con babosas tontas de tungsteno, pero se reconoce que necesitarán ser guiadas eventualmente para alcanzar objetivos distantes). Has inventado un nuevo nivel de "condiciones de lanzamiento difíciles". Los cañones de riel pueden mantener un impacto y una vibración maximizados a lo largo del riel mucho mejor que una simple lata de armas nucleares.

Condiciones de lanzamiento: debe sobrevivir estando en la zona cero de la detonación de una bomba termonuclear de 25MT, en un espacio confinado diseñado para maximizar el impacto de la bomba termonuclear en el proyectil.

¡Ay!

Lo que realmente quieres hacer es ceñirte a los cañones de riel. Si diseña un proyectil que puede sobrevivir a las fuerzas de una bomba nuclear, inmediatamente coloca ese mismo proyectil en un cañón de riel y obtiene un mayor rendimiento (los cañones de riel pueden acelerar linealmente a lo largo de los rieles, mientras que este arma se agota). a medida que la onda de presión se debilita)

Factibilidad:

Su diseño es casi idéntico a un arma normal, excepto que utilizan una pequeña reacción química (una pequeña explosión) para impulsar la bala, en lugar de una nuclear. Entonces, ampliando esto, hay esperanza para el caso nuclear. Además, de acuerdo con esto , aproximadamente el 40~50% de la energía es energía de explosión (mucho mejor de lo que pensaba), mientras que el resto se destina a energía térmica y otros tipos de energía. En un entorno de alta presión, con una bomba de bajo rendimiento, la energía de la explosión se puede aumentar aún más hasta un 50 %~70 %.

Debido a que podemos diseñar el medio ambiente, podemos comenzar con el proyectil, permaneciendo en un tubo lleno de gas/atmósfera mantenida a alta presión.

Si la explosión inicial se hace extremadamente simétrica, incluso se podrían usar los reflejos de las ondas de choque al golpear la pared para aumentar aún más la directividad de la energía de la explosión y disminuir el daño a la nave misma.

Además de la explosión en sí, el gas detrás de la bala se expandirá, creando grandes presiones sobre ella, empujando aún más el proyectil (y la nave).

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Cálculos de diseño:

Ahora, este es un sistema cerrado (al menos inicialmente). Usaremos la primera ley de la termodinámica:$U = Q + W$, la energía interna es trabajo más calor. Estamos interesados ​​en el trabajo. La energía interna inicial del sistema es despreciable comparada con la final (bomba explotada), por lo que podemos considerar$U$ser la salida de energía de la propia bomba. Llamaremos a la relación entre el trabajo y la energía total como$\eta$. Eso es,$W = \eta U$. Este trabajo, se transformará efectivamente en energía cinética.

La energía restante se destinará a calentar:

$$Q = (1-\eta)U = mc_v\Delta T = \rho V c_v\delta T \quad\implies\quad \Delta T = \frac{(1 - \eta)U}{\rho V}$$

Dónde$c_v$es el calor específico de nuestro gas a volumen constante, y$V$es el volumen entre el proyectil y la bomba. A partir de ahí, podemos calcular la presión:

$$\frac{P_1}{P_0} = \frac{T_1}{T_0} = 1 + \frac{\Delta T}{T_0}$$

Si bien la presión inicial se puede estimar utilizando la ley de los gases ideales, es decir,$P_0 = \rho\frac{k_B}{m_g} T_0$, dónde$m_g$es la masa de cada molécula/partícula de gas.

Entonces, ahora encontramos la temperatura final y la presión final:

$$\Delta T = \frac{(1 - \eta)UT_0 k_B}{P_0 m_g V},\quad\quad P_1 = 1 + \frac{(1 - \eta)U k_B}{P_0 m_g V}$$

La fuerza aplicada sobre el proyectil por la presión es simplemente$F = m_p a = A P_1$, dónde$A$es el área de la sección transversal del proyectil,$m_p$es la masa,$a$es la aceleración. Ahora tenemos un crudo aproximado (posiblemente impreciso) de la aceleración y, por lo tanto, qué tan rápido el proyectil abandonará la nave (en comparación con, digamos, qué tan rápido será la explosión).

De hecho, soy muy perezoso para conectar algunos números y crear un diseño que podría funcionar. Lo intenté$V_0=10\times 10\times 10 m^3, P_0 = 10atm, U = 25MT, \eta = 10\%$con atmósfera de nitrógeno$m_g = 2.341\cdot 10^{-26} Kg$. esto me da$T_1\approx 1.643\cdot 10^{13}K$y$P_1 = 54.779 GPa$. Esto da una fuerza de ~5470 giganewtons y una aceleración de 5470 millones de metros por segundo cuadrado (¡bastante rápido!) para un proyectil con una tonelada de masa y una sección transversal de 10x10 metros cuadrados.

Con las estimaciones de velocidad a continuación, se puede calcular exactamente cuánto tiempo permanecerá el proyectil en la nave. Una presión de 42,606 gigapascales ya está cerca del módulo de Young de varios materiales, y ya un poco más allá del módulo de corte de, digamos, varias aleaciones de titanio: la nave no sobrevivirá. Es posible que desee disminuir el rendimiento de la bomba y jugar con estas ecuaciones. También es posible que desee verificar si el proyectil en sí sobrevivirá a aceleraciones tan grandes (probablemente no).

Conclusión: podría ser factible, pero definitivamente no para una explosión de 25 megatones. Tal vez uno podría considerar una explosión de una tonelada y ver qué sucede.

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Estimación de velocidad:

Si ignoramos la habitual explicación de sentido común de que no se deben usar explosiones nucleares para propulsar un proyectil... y nos centramos en la velocidad que podríamos alcanzar... bueno... empecemos, supongo.

Primero, tenemos la conservación de la cantidad de movimiento:$\mathbf p_s + \mathbf p_p = 0$, suponiendo que estamos en el marco de referencia en el que el barco estaba inicialmente en reposo. En segundo lugar, tenemos la conservación de la energía:

$$U = K_S + K_P + Q$$

Dónde$U$es la energía total de la bomba,$K_P$es la energía cinética del proyectil, y$K_S$la energía cinética del barco (o la suma total de la energía cinética de todos los restos dejados por el barco). Y por último,$Q$es la energía térmica.

Ahora, es importante notar que estas dos ecuaciones son válidas para todos y cada uno de los momentos dados. Debido a eso, tomaremos un momento en el que se lanza el proyectil, pero la exposición nuclear no tuvo tiempo suficiente para destruir completamente la nave (demasiado). Por lo tanto, el barco todavía está en una sola pieza y, por lo tanto, estamos hablando de un sistema de dos cuerpos. Eso simplificará mucho todo.

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Cálculos Newtonianos: Sea$v_p, v_s$la velocidad del proyectil y el barco. Por conservación de la cantidad de movimiento sabemos:

$$m_s v_s = -m_p v_p \quad\implies\quad v_s = -\frac{m_p}{m_s}v_p$$

Así, la energía:

$$K = \frac{1}{2}m_s v_s^2 + \frac{1}{2}m_p v_p^2 = \frac{1}{2}m_s\left(-\frac{m_p}{m_s}v_p\right)^2 + \frac{1}{2}m_p^2$$

De este modo:

$$K = \frac{1}{2}\left(m_s + \frac{m_p^2}{m_s}\right)v_p^2 = \frac{1}{2}m_s\left[1 + \left(\frac{m_p}{m_s}v_p\right)^2\right]$$

Allí, la velocidad del proyectil es simplemente:

$$v_p = \frac{m_s}{m_p}\sqrt{\frac{2K}{m_s} - 1}$$

Dónde$U = Q + K$. Ahora se trataría de estimar la relación entre la energía cinética y total disponible, o sea, la eficiencia$\eta = K/U$de su transformación entre la energía de la bomba a la energía cinética.

Conectando números: Si$U = 25MT = 1.046\cdot 10^{17}J$, configuración$\eta = 0.1\%$, esto significa$K = 1.046\cdot 10^{14}J$. Si$m_s = 10^9 Kg$y$m_p = 10^3 Kg$, entonces:$v_p = 1.5257c$. ¡Más rápido que la velocidad de la luz!

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Cálculos Relativistas: Últimamente, nuestro resultado dio algo más rápido que$c$, entonces, concluimos que la mecánica de newton no se aplica. Necesitamos cálculos relativistas para calcular la velocidad.

La energía total relativista del sistema es, entonces:

$$E = \sqrt{(m_p c^2)^2 + (p_p c)^2} + \sqrt{(m_s c^2)^2 + (p_s c)^2}$$

Donde, por conservación de la cantidad de movimiento,$p_p + p_s = 0$, que simplifica todo. Definir$p = p_p = -p_s$el momento relativista que deseamos encontrar. Por lo tanto, podemos resolver para$p$:

$$p^2 = \frac{1}{4}\left[\frac{E}{c} + \frac{c^3}{E}\left(m_p^2 - m_s^2\right)\right]^2 - m_p^2 c^2$$

Ahora, usando el momento relativista,$p$está relacionado con la velocidad:

$$p = \frac{m_p v_p}{\sqrt{1 - \frac{v_p^2}{c^2}}}$$

Y por lo tanto, uno puede resolver fácilmente para$v_p$:

$$v_p^2 = \frac{p^2}{m_p^2 + \frac{p^2}{c^2}} = \frac{1}{\left(\frac{m_p}{p}\right)^2 + \frac{1}{c^2}}$$

Por lo tanto, finalmente, la velocidad (corregida relativista) del proyectil es:

$$v_p^2 = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \frac{m_p^2}{\frac{1}{4}\left[\frac{E}{c} + \frac{c^3}{E}\left(m_p^2 - m_s^2\right)\right]^2 - m_p^2 c^2} + \frac{1}{c^2}}$$

Dónde$E = K + (m_s + m_p)c^2$y$K = \eta U$. Conectando los mismos valores que antes nos da la velocidad del proyectil:$v_p = 457,386 m/s = 0.0015257c$. Esta es la velocidad del proyectil en la situación dada (barco de un millón de toneladas, proyectil de una tonelada, explosión de 25 megatones, 0,1% de eficiencia). Puede usar esta fórmula para jugar y conectar otros valores.

Espero no haber cometido errores. Si lo hice, que alguien me señale.

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Tenga en cuenta que todo esto ignora los problemas obvios de tener una explosión nuclear para impulsar una bala: si tiene esos problemas resueltos, entonces estos cálculos le darán una estimación aproximada de la velocidad del proyectil. Y ten en cuenta que lo adiviné por completo.$\eta$(dicho valor dependerá del mecanismo real que tengas para transformar la energía de la bomba en energía cinética).

Tim tiene razón, pero divirtámonos explicando por qué.

suposiciones

• Cuando dijiste "cañón de riel" lo que querías decir era "lanzador de balas". Un cañón de riel es algo específico, y no lo estás describiendo.

• La "pistola" no puede ser dañada por la bomba nuclear. Esto es un experimento, después de todo.

• La concha tampoco.

• Se ignora la practicidad del arma de un solo uso, increíblemente cara y difícil de apuntar.

• El "arma" tiene una masa de al menos 1,000X del proyectil. Por lo tanto, el 99,9 % de la velocidad final pertenece al proyectil, mientras que solo el 0,1 % de la velocidad final pertenece al arma (que entra en una órbita en descomposición, devastando el continente sur de su mundo, pero esa es una historia para otro día). De todos modos, lo que esto hace es permitirme suponer razonablemente que toda la energía se usa para empujar el caparazón.

• Aquí está el truco: vamos a suponer que cuando miden la capacidad explosiva de una bomba nuclear en términos de toneladas de TNT, realmente lo dicen en serio (y los ángeles lloran por la magnitud de esta mentira... pero obtendremos a ese).

La ecuación de elección es F=mA. Seamos escandalosos.

• La carga es equivalente a la Tsar Bomba : 50 megatones o 210 peta-julios. Entonces, F = 210x10 ¹⁵ .
• La cáscara es de 10.000 Kg útiles. Entonces, m = 1x10 ⁴ .
• A (aceleración) = 210x10 ¹¹ m/s ² .

No tiene resistencia (espacio...) y no hay más fuerza actuando sobre él. Así que nuestra velocidad final es casi el doble de la velocidad de la luz.

Lo cual obviamente no puede suceder.

Y por eso la respuesta de Tim es correcta: soplo de luz y calor.

Bien, ¿cuál es el problema?

Una enorme cantidad de energía nuclear no tiene nada que ver con la energía cinética. Es radiación. Simplificando demasiado algo horrible, solo tiene la masa de la carga para trabajar en términos de gas en expansión (fuerza cinética) y mucho (si no todo) se convirtió en energía pura.

La mayor parte de la fuerza de conmoción de las explosiones nucleares con las que estamos familiarizados son (a) la conversión de la masa circundante (aire, suelo, casas, personas) en plasma en expansión y (b) el choque creado cuando el vacío causado por la explosión colapsa. .

Lo cual es una forma elegante de decir que en realidad no tienes mucho con lo que trabajar. Dado que solo tiene los materiales convertidos en plasma que se encuentran en la bomba nuclear (¡la pistola y el proyectil no pueden ser dañados por la bomba nuclear!), su arma brillará al rojo vivo 1 ^mientras que el proyectil igualmente al rojo vivo sale un poco borroso del cañón y se aleja perezosamente.

Si me equivoqué, por favor corrígeme!

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Editar:

Physicist137 señaló la falla en mis matemáticas, ¡y estoy agradecido! Me divertí, ¡pero vota a favor de sus matemáticas! Todavía estoy contento con mis conclusiones, ¡pero su respuesta de ~0.5c es mucho más realista que mi análisis de 2c!

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_{¹  Y probablemente permanecerá al rojo vivo durante décadas. El espacio es un lugar terrible para descargar calor.}

Tu nave de un solo uso desaparecerá en una bocanada de luz y calor.

El problema con lo que estás describiendo es que una bomba nuclear es exactamente el tipo incorrecto de fuente de energía para un cañón de riel, ya que genera calor térmico y radiación, no energía cinética, en el espacio.

Todos hemos leído acerca de las ondas expansivas de las explosiones nucleares y cuán poderosas son; incluso hay algunas investigaciones sobre esto que muestran que la energía explosiva (cinética) comprende aproximadamente la mitad de la energía liberada en una explosión nuclear. El problema es que la energía de la explosión es esencialmente el sobrecalentamiento de la atmósfera a partir de la energía térmica liberada y, por lo tanto, aumenta rápidamente la presión en un espacio no confinado.

Las bombas nucleares no están diseñadas para liberar energía cinética ; están diseñados para liberar energía térmica . Esto todavía puede funcionar debido a una técnica conocida como propulsión ablativa , que consiste en sobrecalentar la superficie de un objeto hasta el punto en que la superficie se convierte en un plasma que empuja el objeto rápidamente en la dirección opuesta a la que está mirando la superficie calentada.

Este tipo de pensamiento sobre la propulsión parece estar detrás de los sistemas de motores teóricos de propulsión de pulsos nucleares como el que se planeó originalmente para el Proyecto Orión. Mi lectura de esto hasta la fecha parece indicar que el plan era detonar bombas nucleares fuera de la nave y hacer que la explosión golpeara una placa de empuje en la parte trasera de la nave, empujándola en esa dirección. Lo que no está claro en todos esos artículos principales es cómo se genera esa onda expansiva, pero lo mejor que se me ocurre es que la masa de la bomba en sí se convertiría en un plasma sobrecalentado que empujaría contra la placa trasera de la nave. Lo más cercano que se me ocurrió en términos de referencia a cómo la energía nuclear se puede convertir en energía cinética en el espacio fue una referencia a Empuje eléctrico frente a directoen unidades de fusión, pero incluso habla de que el plasma debe estar contenido para sostener la reacción, lo que en mi opinión parece contradictorio.

Si este no es el pensamiento detrás de la teoría del pulso nuclear y sabe lo que es, déjelo en los comentarios y lo integraré en mi respuesta con todos los créditos. Pero volviendo al asunto que nos ocupa...

En el espacio, no hay atmósfera para calentar, por lo que no hay diferencia de presión localizada, por lo tanto, no hay onda expansiva. Lo que SÍ sucederá es que la energía térmica esencialmente vaporizará tu nave y el proyectil calentándolos a todos por igual.

Para ser justos, esto dará como resultado la propulsión ablativa antes mencionada para su proyectil de riel; como el punto débil en la contención, se romperá (o saldrá) primero, pero sin hacer algunos cálculos matemáticos serios, no tengo idea de qué tan rápido escapará del cañón, cuánto quedará para alcanzar el objetivo, o incluso si escapara del barril antes de que la energía térmica lo expanda (y contraiga el barril) antes de que escape.

Antes de que alguien lo diga, sí, el cañón se contraerá. A medida que el metal se expande, el metal interior del barril también se expande, lo que significa que el agujero se hace más pequeño debido a la hinchazón.

Armas como cañones, pistolas, rifles y cañones de riel funcionan a través de la energía cinética de los gases en expansión. La idea es que la pólvora, cuando se quema, libera una gran cantidad de gas caliente en un área confinada, expulsando el punto más débil de la cámara de contención, que resulta ser la bala. Esto lo proyecta repentinamente en la dirección que elijas. Sí, la pólvora quemada está caliente, pero no es el calor lo que dispara la bala; son los gases en expansión.

En el espacio, su configuración no tiene atmósfera a su alrededor para expandirse, e incluso si la tuviera, la energía cinética que se le transfiere solo representa aproximadamente la mitad de la energía que puede producir un dispositivo nuclear, lo que lo convierte en una fuente de energía ineficiente para lo que está buscando. tratando de hacer, y requeriría un barco tan robusto y pesado para resistir la vaporización el tiempo suficiente para transferir la mayor parte de la energía al proyectil para que no sea una inversión económica.

Por mi dinero, sería mucho mejor que invirtieras en una planta de energía nuclear que alimente condensadores eléctricos que sean capaces de liberar una ráfaga repentina de electricidad para impulsar tu bala. Un proceso mucho más eficiente de convertir energía térmica en cinética (a través de ser electricidad temporalmente), reutilizable y menos peligroso para el resto de su flota al no crear campos de escombros con cada disparo.

Si bien lo que está describiendo parece ser una variación de la prueba "Plum Bob", el problema es acoplar la energía del dispositivo al proyectil. El Plum Bob tenía una onda de choque que viajaba a lo largo de aproximadamente 500 'del eje, acelerando la tapa a una velocidad de escape 5X. Se podría haber logrado un rendimiento mucho mayor si el eje se hubiera llenado de agua. La liberación de radiación de rayos X del dispositivo nuclear habría convertido el agua en plasma en una pequeña fracción de segundo y el plasma habría impulsado la tapa a una aceleración mucho mayor. Los dispositivos de un solo disparo podrían fabricarse arrojando un "barril" barato de 200 m con regolito fundido, llenándolo con agua y luego agregando la tapa y el "paquete de física" en los extremos opuestos del barril.

También será irremediablemente difícil de manejar, y no es muy probable que tenga éxito, a menos que la tapa esté diseñada para fragmentarse y pasar a través de la zona de golpe como perdigones de una escopeta gigante. Para una armada espacial empobrecida, o algo barato que pueda erigir en el suelo, la superficie de una luna o un pequeño asteroide, eso puede ser justo lo que necesita. Sin embargo, observando el impulsor de pulso nuclear de Orion , podemos hacer un dispositivo mucho más compacto y útil.

Lo que realmente quieres es un dispositivo nuclear de " Tercera Generación ". Esto utiliza varias metodologías de diseño para enfocar o dirigir la energía de la detonación nuclear para potenciar los efectos de las armas. Si bien estos se consideran ojivas, los efectos se pueden proyectar a una gran distancia, por lo que también son efectivamente "armas". Tough SF tiene la mayor parte de la información detallada sobre Casaba Howitzer , Nuclear Shaped Charge y EFP , y Atomic Rockets tiene una sección adicional que también habla sobre el uso del dispositivo nuclear para acelerar perdigones a hipervelocidad (hasta 100 km/s). Este es el Proyecto PROMETHEUS, y la información está enterrada en lo profundo de la sección.

Unidad de Pulso Nuclear de Orión. Los principios detrás de esto son la base de las armas nucleares de tercera generación.

A partir de las diversas descripciones en los sitios web, se puede proyectar perdigones sólidos al estilo de una escopeta a un objetivo a velocidades de hasta 100 km/seg, donde incluso perdigones de 2 gramos tienen la energía cinética equivalente a cartuchos de dinamita. Las armas EFP y de carga conformada pueden proyectar corrientes de metal líquido o balas sólidas a velocidades medibles en pequeñas fracciones de c , y un obús Casaba proyecta una corriente de plasma energético con suficiente velocidad y energía para simular un arma láser de alta energía sin la generación de energía pesada. sistemas, costosos trenes ópticos y grandes sistemas de refrigeración necesarios para los láseres.

Si su buque de guerra espacial básico es una "Kineticstar" que lanza estas ojivas a más de 15 km/s (el doble de la velocidad orbital de la Tierra) junto con una serie de señuelos y ayudas de penetración, una vez que se acerquen a 1000 km del objetivo, las cosas se pondrán muy difíciles . emocionante...