¿Puede un Whipple Shield ser un método viable de protección de combate espacial?

El escudo de Whipple es una forma de armadura espaciada que hace que el proyectil entrante ceda parte de su energía antes de impactar contra el cuerpo principal de la nave. Debido a que la física de los impactos a hipervelocidad es bastante diferente de las cosas que viajan a velocidades comunes a las cosas que se mueven en la Tierra, la forma normal de un escudo de Whipple es una pieza delgada de aluminio sostenida mecánicamente a cierta distancia del casco de la nave, en lugar de una pesada lámina de armadura. placa (como los tanques alemanes de la Segunda Guerra Mundial a menudo lucían hacia el final del conflicto).

Dado que el escudo de Whipple es generalmente para disipar la energía de micrometeoritos y pequeños fragmentos de basura espacial, el delgado escudo de aluminio funciona bien. Las partículas entrantes se vaporizan parcialmente por el impacto y lo que queda se rompe y se disipa en un cono, por lo que el casco recibe muchos impactos pequeños en lugar de uno grande.

El uso de aluminio es más una cuestión de practicidad que debido a las propiedades del material del escudo. El aluminio es relativamente barato, fácil de moldear en las formas requeridas y, lo que es más importante, muy liviano. Con la tecnología actual y previsible, la consideración más importante para los vuelos espaciales es la masa total de la nave, por lo que un escudo Whipple no debería agregar demasiada masa adicional al vehículo.

Los proyectiles que estás describiendo tendrán mucha más energía que un micrometeorito o una pequeña pieza de escombros. Si especifica la velocidad, se puede calcular la energía de impacto real en Joules, pero es seguro asumir que incluso a una "mera" velocidad orbital, la bala tendrá más energía que la energía de enlace que mantiene unidas las moléculas del escudo. La bala podría dañarse gravemente o incluso vaporizarse por el impacto, pero los gránulos de DU a hipervelocidad seguirán causando daños considerables a la nave. (Edite para agregar: a estas velocidades, realmente no importa mucho de qué esté hecha la babosa; 5 kg de arena para gatos o una toalla de papel enrollada tendrán la misma energía. La babosa DU tendrá una sección transversal más pequeña, lo que hace que sea más difícil fijar el objetivo, y el cono de escombros disipado probablemente será más estrecho con DU).

Existe un método posible y práctico de usar la idea de un escudo Whipple para proteger el barco, conocido como "Minas Kirklin". Como se describe en Atomic Rockets:

En AV:T hay armas cinéticas llamadas "minas Kirklin" (inventadas por Kirk Spencer). Son armas antimisiles de combustible químico muy baratas, específicamente armas de misiles anti-Torch. La idea es que cuestan una fracción del precio de un misil, pero pueden rasparlo. Usando la magia de la velocidad relativa, todo lo que tienen que hacer es interponerse en el camino (es por eso que se usan contra misiles antorcha, si la velocidad relativa no es lo suficientemente grande, es posible que la mina no haga suficiente daño para matar el misil). ).

En su escenario, las minas Kirklin serían simples cohetes de combustible químico o proyectiles de cañón de bobina con una estructura tipo paraguas en el frente, lanzados en el camino de los proyectiles entrantes. El impacto debe estar lo suficientemente lejos de la nave para que las piezas de las balas de destrucción se disipen en un cono grande y muy pocas golpeen la nave (lo ideal es que la nave tenga tiempo de salir del diámetro del cono y no reciba impactos). Incluso si la velocidad relativa no es lo suficientemente grande como para destruir la bala entrante por completo, la energía del impacto probablemente hará que se rompa en varios pedazos, o haga que caiga y cambie su órbita de manera impredecible y sea más probable que se rompa. perder el barco.

Para obtener más información sobre armamento espacial y guerra espacial, un buen punto de partida es el sitio de Atomic Rockets, específicamente aquí: http://www.projectrho.com/public_html/rocket/spacegunconvent.php , pero también busque las publicaciones de Rocketpunk Manifesto sobre guerra espacial. : http://www.rocketpunk-manifesto.com/search?q=space+war

El escudo Whipple de algún tipo es definitivamente la solución más razonable contra la mayoría de los proyectiles de hipervolúmenes. Sin embargo, existe una amplia variedad de diseños, y no todos los escudos de Whipple tienen que estar necesariamente hechos de lámina delgada.

El principio esencial del escudo de Whipple es que hay suficiente espacio entre las capas del escudo para que el proyectil (o fragmento) que impacta en una capa se expanda y, por lo tanto, se extienda a un área grande antes de golpear la siguiente capa . El punto es distribuir el impacto en un área grande.

Esto sigue el problema general de armadura contra arma . La armadura debe proteger toda la superficie del objeto protegido, mientras que el arma debe penetrarlo solo en un punto. Es por eso que las armaduras a menudo requieren muchos más recursos. Teniendo en cuenta cierto coeficiente balístico en términos de masa/área [kg/m^2], siempre debe asumir que el grosor de la armadura es aproximadamente proporcional al grosor del proyectil . El penetrador de mayor relación de aspecto tiene la mayor profundidad de penetración o impacto que puede lograr con un proyectil de masa y velocidad dadas (=> impulso). Esto es cierto tanto para HEAT , APDFS como para meteoritos de hipervelocidad y proyectiles de cañón de riel.

Entonces , el punto es esparcir el proyectil sobre el área grande . Puede lograrlo por varios medios, por ejemplo, calentándolo con láser (puede vaporizarse y expandirse), pero el proyectil es rápido, lo que significa:

• tiene poco tiempo para transferir la energía requerida para la expansión ($E_{EXP}$) => necesita una fuente de alta potencia$P_{EXP} = E_{EXP}/t= E_{EXP} L/ v_{IN}$, dónde$L$es la distancia desde la que se empieza a irradiar y
• la velocidad de expansión$v_{EXP}=\sqrt{2E_{EXP}/m}$debe ser suficiente. El cono de expansión con ángulo.$\alpha$se puede calcular como$tan\alpha = v_{EXP}/v_{IN}$donde$v_{IN}$es la velocidad incidente del proyectil.

=> puede ver que la potencia del láser defensivo depende de manera súper lineal de la velocidad del proyectil entrante$~v_{IN}^{3/2}$.

Una opción mucho mejor sobre cómo calentar el proyectil entrante lo suficientemente rápido como para calentarlo usando su propia energía al impactar en una armadura espaciada: ese es el principio del escudo de Whipple.

Por impacto entre proyectil de masa$m_1$sobre elemento de armadura de masa$m_2$se gana energía según la conservación del impulso$\Delta E = m_1 v_{IN}^2/2 - (m_1+m_2)(m_1/(m_1+m_2)v_{IN})^2/2 = (m_1(m_1+m_2)-m_1)/((m_1+m_2)) v_{IN})^2 = m_1m_2/(2(m_1+m_2)) v_{IN}^2$

En otras palabras$\Delta E = m_1m_2/(m_1+m_2) E_{IN}$Teniendo en cuenta esa proporción$f_M = m_2/m_1$es proporcional al coeficiente balístico del proyectil y la densidad del área (por lo tanto, el espesor) de la armadura, el espesor de la armadura debe ser suficiente.

$\Delta E = f_M/(1+f_M) E_{IN} = 1-1/(1+f_M) E_{IN}$Verá que necesita hacer que la relación sea lo más alta posible para lograr una velocidad de expansión suficiente$v_{EXP}$(o ángulo de expansión$\alpha$).

Entonces, existe una compensación fundamental para el escudo de Whipple :

• O hace que el grosor de cada capa sea alto (de modo que transforme la mayor parte de la velocidad de avance del proyectil$v_{IN}$en la velocidad de expansión lateral$v_{EXP}$)
• O hace que la separación entre capas sea alta, de modo que esté bien con un ángulo de expansión estrecho$\alpha$
  • sin embargo, en este caso, el espesor de la primera capa (por lo tanto, la energía convertida en calor) debe ser suficiente para evaporar el proyectil .

El factor relevante aquí es la cantidad de babosas que se pueden desintegrar por la cantidad de armadura. Primero, veamos las propiedades materiales del arma contra la que te enfrentas. Para esto, usaré la ronda antitanque M829A3 DU fabricada en EE. UU. Como línea de base, luego escalaré las cosas para que se ajusten a su escenario. El M829A3 dispara una varilla penetrante de DU de 10 kg de masa, 800 mm de largo y 25 mm de diámetro. Sus 100 mm frontales están fabricados en acero templado, y el resto es DU. Manteniendo esta relación de aspecto para un proyectil de 5 kg, obtienes una varilla de aproximadamente 19,4 mm de diámetro y 622 mm de largo con una punta de acero de 78 mm. Dado que esto es para una batalla espacial donde la velocidad del proyectil es vital para los golpes de aterrizaje, supongamos que está disparando con un cañón de riel o un cañón de gas ligero a una velocidad en el rango de 3-7 km/s.

Usando esta práctica calculadora http://www.longrods.ch/perfcalc.php podemos estimar que este proyectil puede penetrar ~760-829 mm de acero blindado mientras que los micrometeoritos solo pueden penetrar alrededor de 0,01-4 mm de la misma armadura .

Pero la penetración total no es el único factor aquí. La razón por la que los escudos wiffle funcionan es que los micrometeoritos son diminutos y no muy duros ni resistentes a la temperatura, por lo que se evaporan muy rápidamente al entrar en contacto con una armadura bastante delgada. A pesar de que un proyectil de este tipo puede penetrar hasta 4 mm cuando se mueve a velocidades de 20 kps, se pueden derretir y romper con velocidades de impacto de ~ 100-1000 mps, dependiendo de lo que esté hecho; por lo tanto, incluso un escudo de acero de 0,8 mm puede romper los micro-meteoritos más desagradables con solo detener 1/20 de la energía cinética total del proyectil.

Por el contrario, los penetradores de DU a menudo tienen puntas de acero endurecido que están diseñadas para no romperse. Incluso si se rompieran tan fácilmente como los meteoritos (que no lo hacen), aún se necesitarían placas de acero de varios centímetros de espesor para obtener un efecto similar.

Sus nanotubos de carbono (o más probablemente el grafeno) son mucho más difíciles de encontrar datos científicos exactos, pero deberían funcionar un poco mejor que el acero. Para que el impacto genere suficiente calor para derretir la punta de acero antes de que la punta se derrita o penetre en la armadura de carbono, se necesitarían unos 2-3 cm de carbono.

Dicho esto, esa cantidad de grafeno probablemente ofrecería suficiente resistencia para romper y desviar el proyectil, por lo que ya no sería un escudo de látigo. Además, tiene un grosor de aproximadamente 60-90 millones de capas, lo que hace que el costo de fabricar una armadura de este tipo supere los beneficios.

En resumen, la respuesta probablemente sea no, la armadura wiffle va a ser demasiado pesada para disuadir de manera efectiva a una bala de penetración de uranio empobrecido de 5 kg, a menos que esté mirando naves capitales masivas (en cuyo punto probablemente se enfrenten a algo más grande que las balas de 5 kg). . Algo más parecido a la armadura reactiva de un tanque (que está diseñado para detener este tipo de arma) será mucho más rentable y eficiente en masa. Dicho esto, las naves espaciales no son tanques. En realidad, probablemente no haya ninguna armadura que sea lo suficientemente liviana como para querer usarla en una nave espacial para detener ese tipo de caparazón. En cambio, hace más que su barco se centre en factores como la maniobrabilidad, las secciones transversales estrechas, el kitesurf y la compartimentación para aumentar la capacidad de supervivencia contra un arma de este tipo. Ver:¿Qué forma de nave sería más efectiva en el combate espacial de la vida real? para más sobre este tema.