¿Qué tan poderoso podemos hacer un Coilgun Starship?

He pasado mucho tiempo trabajando en la mecánica del combate espacial 'realista', y me imagino que los proyectiles cinéticos viejos probablemente seguirán siendo al menos parte del arsenal, si no el arma principal. Sin embargo, la efectividad de tales armas depende principalmente de la velocidad de salida. Supongamos que estamos usando cañones de bobina, para sortear los problemas de fricción inherentes a un cañón de riel. La pregunta es: ¿Qué tan poderosos podemos teóricamente obtenerlos?

Como referencia, usemos el proyecto de cañón de riel de la Marina de los EE. UU. Según tengo entendido, planean disparar un proyectil de 10 kg a unos 2,5 km/s desde un cañón de unos 10 m de largo, para una aceleración del proyectil de unos 31250 g. Usemos eso como nuestro punto de referencia moderno. Debido a la forma en que resultan las ecuaciones de distancia/aceleración, para obtener el doble de la velocidad inicial, necesitamos cuatro veces la longitud o cuatro veces la aceleración. Si asumo que la tecnología de aceleración de los cañones de bobina mejora a una tasa del 1 % por año y que mis barcos se construirán dentro de unos 200 años, entonces podríamos esperar obtener cañones con una aceleración de aproximadamente 7,3 veces la de los cañones de riel actuales, para una aceleración de 228125 g. Si los cañones de mi arma tienen 100 m de largo, eso nos daría una velocidad inicial de unos 21 km/s. ¿Es este un conjunto razonable de suposiciones para trabajar? ¿Qué saldría mal?

Además, el proyectil de 10 kg que se usa hoy es bastante pequeño para lo que quiero que hagan. ¿Puedo aumentar la masa del proyectil sin disminuir la velocidad de salida? Si existe tal técnica, ¿podría usarla para aumentar también la velocidad de salida más allá de los 21 km/s bastante tibios (según los estándares de ciencia ficción) que ya tengo?

EDITAR: Idealmente, me gustaría una forma de justificar que las armas de 100 metros de largo puedan lanzar proyectiles de 1 tonelada a 30 km/s o más. Si pudieran alcanzar los 100 km/s, sería fantástico.

Hay un factor limitante adicional para la Marina de los EE. UU., que no tendrá: refrigeración. En el espacio podrías usar superconductores, lo cual no es factible para la Marina de los EE. UU. Consulte también estas preguntas: worldbuilding.stackexchange.com/questions/139517/… y worldbuilding.stackexchange.com/questions/151417/…
¿Por qué no usaría proyectiles autopropulsados? Sin retroceso, sin grandes cantidades de energía para acelerar algo a una velocidad relativista, etc.
@JaredSmith ¿Porque una bala de metal cuesta mucho menos que un misil? Por cada proyectil autopropulsado que puedas dispararme, puedo disparar mi cañón de riel varias veces: una o dos veces para destruir tu misil, el resto para destruir tu nave espacial. (Y las "enormes cantidades de energía" todavía están allí, simplemente están ubicadas en el misil)
"Si asumo que la tecnología de aceleración de los cañones de bobina mejora a una tasa del 1 % por año y que mis barcos se construirán dentro de unos 200 años, entonces podríamos esperar obtener cañones con aproximadamente 7,3 veces la aceleración de los cañones de riel actuales". Sospecho que aquí es donde te encontrarás con problemas. Dado que la aceleración está sujeta a rendimientos decrecientes, dudo que vea una mejora tan lineal.
@JaredSmith porque Tsiolkovsky te odia personalmente y tus medios de propulsión en particular. 30-100 km/s delta-V no es necesariamente algo trivial, especialmente si necesita quemar todo su combustible rápidamente para alcanzar la velocidad, especialmente si necesita hacerlo de manera eficiente. (La solución es, por supuesto, usar lanzadores electromagnéticos para sus misiles, pero aún así querrá mantener los viejos cañones de bobina, no lo dudo)
Probablemente no necesites tanta masa si estás tratando de destruir naves espaciales más pequeñas que una estrella de la muerte. Varios proyectiles de uno o dos kilogramos, cada uno viajando a una fracción medible de c, deberían ser suficientes para transformar cualquier nave espacial en un tamiz espacial, además, cuanto más rápido van, más lejos puedes disparar con el enemigo siendo incapaz de esquivar (real el alcance efectivo depende de la absorción de masa, empuje y aceleración de la nave enemiga para la tripulación, además de las capacidades de detección y reacción)
Solo un detalle, pero si bien son similares, los cañones de riel y los cañones de bobina son dos cosas diferentes. Una pistola de bobina ejecuta una corriente básicamente a lo largo del cañón que impulsa el proyectil. Un cañón de riel pasa la corriente a través del proyectil para generar movimiento. Lo que probablemente quieras en tu barco es un cañón de riel.
@GrandmasterB No estoy lo suficientemente familiarizado como para saber con certeza cuál es superior. Puede ser que el cañón de riel tenga el mayor potencial, pero también requiere que el proyectil entre en contacto con los rieles del arma. La fricción involucrada es un problema incluso para las armas modernas con una velocidad inicial de menos de 3 km/s. Para un arma con una velocidad inicial de 30 km/s, probablemente no haya materiales que puedan usarse para el cañón que sobrevivan a un solo disparo. Una pistola de bobina no requiere que el proyectil entre en contacto con el cañón.
La tecnología mejora +1% por año: bien. 200 años: bien. 7,3 veces la velocidad: ¡no! Tendrás 7,3 veces la aceleración , lo que te da: unas 2,5 veces la velocidad. Estás haciendo coincidir las escalas lineal y cuadrática.
@ user79911 Eso... es en realidad lo que escribí. Dije que se estaba mejorando la aceleración, no la velocidad, y di las cifras.

Respuestas (3)

Me gustaría una forma de justificar que tener armas de 100 metros de largo puedan lanzar proyectiles de 1 tonelada a 30 km/s o más.

No entiendo sus extrañas "toneladas", así que usemos una medida fácil y agradable como una tonelada. Tu proyectil saldrá del cañón con un fuerte 4.5 ∗ 10 11 julios de energía cinética. Si su cañón de bobina solo desperdicia el 1% de esa energía en calentar el proyectil, absorberá 4,5 gigajulios de energía (un poco más de la energía liberada por la detonación de una tonelada de TNT, como sucede). La capacidad calorífica específica del hierro (por ejemplo) es de 450 julios por kilo por grado y tiene un punto de fusión de 1811K. Desde un punto de partida de un cómodo 293K, tomará 6.6 ∗ 10 8 julios para elevar una tonelada de hierro a su punto de fusión. El calor latente de fusión del hierro es 247 kJ/kg, o 2.47 ∗ 10 8 julios Notará, por lo tanto, que la energía requerida para fundir una tonelada de hierro es un orden de magnitud menor que ese 1% de calor residual.

Entonces, en teoría, tu arma explotará inmediatamente. También encontrará que simplemente calienta su proyectil hasta su punto curie y luego tendrá problemas reales para acelerarlo más (o posiblemente en absoluto), aunque espero que aún pueda calentarlo bien. Con suerte, no golpeará las paredes de tu arma. ¡Esperemos que su arma no tenga problemas con el "disparo en seco"!

Problema uno, entonces, el calentamiento inductivo del proyectil tendrá que ser muy bajo. Su pistola de bobina probablemente tendrá que ser> 99% eficiente.

A continuación, aventurémonos a adivinar las capacidades de su pistola de bobina usando un truco perezoso de Luke Campbell (que encontré en el siempre útil proyecto rho ). No es del todo realista, pero da cifras aproximadas del rendimiento y la plausibilidad de sus armas magnéticas.

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.

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

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

Imaginemos que el cañón tiene 30 cm de ancho (por lo tanto, un proyectil de hierro de una tonelada tendría un poco menos de 2 m de largo). El volumen de barrido del proyectil cuando atraviesa un cañón de 100 m es, por tanto, de unos 7,07 metros cúbicos.

Usando la fórmula anterior, necesitará una fuerza de campo magnético de 400T. Eso es mucho Esto está muy por encima del punto de saturación magnética para un proyectil de hierro (1-2 tesla), más alto incluso que el punto de saturación de un superconductor moderno de "alta" temperatura (100-200T). Deberá agitar a mano superconductores a una temperatura superior a la ambiente para lidiar con ese tipo de campo. Recuerde que si la intensidad de su campo supera el campo crítico de su superconductorla superconductividad desaparece, y su arma probablemente explotará, de una manera muy mala. También recuerde que el proyectil de hierro tonto mencionado anteriormente es mucho más tolerante al calentamiento grave que sus superconductores de lujo, que probablemente dejarán de superconducir a temperaturas de potencia mucho mayores que el punto Curie del hierro. Sus requisitos de calentamiento inductivo se vuelven aún más estrictos, lo que implica una eficiencia aún mayor requerida de un sistema que ya es estupendamente eficiente.

El problema 2, entonces, es la ciencia de los materiales. Vas a necesitar algunos superconductores de súper alta temperatura absurdamente optimistas para hacer que esto funcione.

(Además, espero que solo estés lanzando proyectiles tontos aquí. Buena suerte consiguiendo cualquier tecnología para sobrevivir a la aceleración, el calentamiento y los campos magnéticos a los que estás sometiendo el proyectil aquí)

Si pudieran alcanzar los 100 km/s, sería fantástico.

Si por "fantástico" te refieres a "sólidamente dentro de los reinos de la fantasía", ¡estás de suerte! Los niveles de energía con los que tendrás que lidiar son dos órdenes de magnitud mayores. Tus superconductores y proyectiles deberán estar hechos de polvo de hadas.

Problema tres: ya estás muuuucho al borde de lo que parece ser posible. Realmente no puedes ir más lejos.

Por supuesto, existen otros problemas relacionados con la gran cantidad de energía que tendrá que arrojar a su arma para impulsar el proyectil a la velocidad requerida, el tamaño y la complejidad de la tecnología de ultracondensador asociada (que hará boom ¡Mucho daño si se daña mientras está cargado!), la gran cantidad de energía que sus interruptores tendrán que manejar para encender y apagar las bobinas de aceleración lo suficientemente rápido, los requisitos de generación de energía de su nave, la capacidad necesaria de rechazo de calor y Y así sucesivamente. Creo que te vas a decepcionar, lo siento.

Yo, por mi parte, doy la bienvenida a nuestros nuevos señores de las hadas.
El comentario sarcástico sobre ton parece innecesario. Puede publicar un comentario solicitando una aclaración sobre la unidad de medida, si es una tonelada corta o una tonelada métrica. Para eso están los comentarios a la pregunta.
@Oxy Tonelada corta (2000 lb / 907 kg), tonelada larga (2240 ​​lb / 1016 kg) o 'tonelada' métrica (2204 lb / 2000 kg) (correctamente llamada "tonelada")
@Chronocidal son 1000 kg, no 2000. Ser pedante no ayuda en nada, ¿ves? Cometiste un error tipográfico, un error de comunicación, al igual que todos saben qué es una tonelada métrica, todos los involucrados saben que la ortografía correcta es Tonelada, y en preguntas poco claras, tienes dos opciones: ser sarcástico o pedir una aclaración.
@Oxy Sí, cometí un error tipográfico. Sin embargo, estaba evidenciando la existencia de un 3er tipo de tonelada (la tonelada larga, que resulta de la antigua partitura germánica "cien" (120)) - mientras que "todo el mundo" podría saber sobre la tonelada, mucha gente solo sabe sobre ya sea la tonelada corta o larga ("Imperial"), pero no necesariamente ambas. Me disculpo sinceramente por intentar reducir la confusión que su comentario incompleto podría causar *eyeroll*
@Oxy dado que las diversas alternativas están dentro del 10% de la tonelada métrica, por ejemplo. no es suficiente para hacer ninguna diferencia práctica en mis conclusiones, lo dejé como está. La respuesta sigue siendo igual de útil. Quejarme de mi irreverencia, por otro lado, no tiene ningún propósito útil.
@Chronocidal Te mezcló con el póster de respuesta, sarcasmo, ciertamente no ayuda a nadie, incluido yo.
@StarfishPrime Quejarse de la irreverencia cuando la mera aclaración fue suficiente ayuda a que la respuesta sea útil en lugar de conflictiva. Y este es un sitio destinado a ayudar a los procesos creativos, no un sitio destinado a crear la sensación en los que preguntan de que, a menos que ya sepan exactamente de lo que están hablando, se burlarán de ellos.
@Oxy Usé una ligera irreverencia en un detalle sin importancia, no una burla, y lo seguí con una respuesta completamente relevante y útil que aparentemente no es suficiente para mantenerlo feliz , a pesar de sus afirmaciones de " ayudar a los procesos creativos ". Honestamente, ¿todos ustedes, los aficionados a las unidades imperiales, son tan susceptibles?
@StarfishPrime La respuesta es buena, mi comentario original es casi un poco innecesariamente sarcástico, y podrías haber usado los comentarios en su lugar. Eso tenía como objetivo ayudar a mejorar la respuesta a bueno +, y si siente que la leve irreverencia agrega más que resta, felicitaciones para usted, por todos los medios manténgalo así. Mi felicidad es completamente independiente de cualquier cosa que puedas escribir en un sitio de SE.
OP aquí, parece que uno de los problemas que planteaste proporciona su propia solución: el hecho de que la energía impartida al proyectil se basa en su barrido de área/volumen. Podría maximizar esto en relación con la masa del proyectil haciendo un barril con un área muy grande que dispara un proyectil delgado en forma de disco. Además, por 'tonelada', me refiero a 1000 kg, que es la forma en que suelo pensar en ello. Intentaré tener más cuidado en el futuro.
OP aquí de nuevo. Ahora que lo pienso, lo del punto de fusión del hierro podría no ser un problema tan grande. Creo que así es como funcionan los cañones de rayos Reaper de Mass Effect, disparando chorros de metal fundido a una velocidad muy alta. Por supuesto, no creo que el metal fundido esté sujeto a la aceleración magnética.
@FlyingLemmingSoup el problema es que los líquidos no son necesariamente muy coherentes, y lo que obtendrá es más como un rocío en expansión en lugar de una capa sólida, especialmente si toda la mancha está sujeta a campos magnéticos intensos. Además, las cosas que se derriten rápidamente tienden a dar como resultado un cambio rápido en la densidad que probablemente sea bastante malo para el arma.
@FlyingLemmingSoup, un proyectil muy ancho en forma de disco requerirá imanes más grandes y pesados ​​que necesitarán refuerzos más grandes y pesados ​​y, apuesto a que estarán sujetos a mayores problemas de eficiencia. Además, para proyectiles cinéticos, largos y delgados son mejores para penetrar objetos. Bajo y gordo es mucho más fácil de interrumpir con el blindaje de látigo.
@StarfishPrime Hmmmm. Sospecho que en algún momento voy a tener que hacer algunos saludos. Probablemente ya estoy haciendo eso con mis motores de cohetes de fusión que de alguna manera son lo suficientemente potentes y eficientes en términos de calor como para proporcionar a un buque de guerra aproximadamente una aceleración de aproximadamente 200 km / s de delta-v con solo el 20% de la masa del barco como propulsor. . Un motor como ese requeriría números de potencia de salida con un número angustioso de ceros adjuntos, suficiente para que el 1% de calor residual derrita la nave probablemente en unos pocos segundos o menos.
@FlyingLemmingSoup, esas cifras suenan más adecuadas para los motores que obtienen la mayor parte de su poder de la antimateria, no de la fusión, e incluso entonces serán terriblemente dominados y generarán teravatios de rayos gamma. Son cifras de rendimiento más adecuadas para unidades sin reacción, en realidad (y tales tecnologías también podrían ayudar a explicar sus armas de proyectiles de súper alta potencia).
@StarfishPrime Hmmm. Jugando un poco con los números, si quisiera un motor con 200 km/s delta-v al 20% de la masa de la nave, y restringiera su potencia de salida a aproximadamente la de un motor de cohete, terminaría con una aceleración de cerca a 0,1 m/s^2. Bueno para transporte civil, no tanto para un buque de guerra. Por suerte, si la nave necesita un impulso rápido de velocidad, puedo conseguirlo aumentando la cantidad de masa de reacción que lanza el cohete de fusión. Sería un equilibrio entre la eficiencia energética, la eficiencia de masa y la velocidad.
Re " Si por "fantástico" te refieres a "sólidamente dentro de los reinos de la fantasía", ¡entonces estás de suerte! ", LOL!
Ustedes se olvidaron de la tonelada de polvo de hadas

Así que probablemente sea importante explicar algunas cosas aquí sobre la física y las Leyes de Newton. El objetivo de un cañón de riel es poder hacer mucho daño con un proyectil más pequeño dándole mucha más velocidad.

Momento = Masa x Velocidad

En esta ecuación, lo que estamos diciendo es que puedes aumentar el daño causado en una colisión con algo de dos maneras; puede aumentar la masa, o puede aumentar la velocidad. En realidad, también puedes hacer ambas cosas si quieres y eso es lo que intentas hacer al tener munición más pesada, pero ¿con qué fin?

Recuerde que en el espacio en particular, cualquier forma de lanzamiento de municiones, incluso un cañón de riel, también es un vector de empuje. Eso significa que si aumentas la masa de la bala que ya estás acelerando a velocidades muy altas, estás cambiando el vector de tu nave en el proceso al alejarla de la dirección en la que estás atacando. Sin mencionar, por supuesto, que mejorar la aceleración de lanzamiento del proyectil al mismo tiempo que aumenta su masa significa aprovechar órdenes de magnitud más energía en la escala de la que estás hablando.

¿Es posible? Sí, por supuesto que es posible. PERO, hazlo, estás reinventando efectivamente el acorazado en el espacio. Estos enormes cañones empujarán bastante a los barcos y, como tal, necesitarás un barco enorme solo para mantener las cosas estables mientras disparas. Probablemente sea algo bueno porque su barco debe ser capaz de contener cantidades increíbles de energía, por lo que probablemente alberga algún tipo de reactor de fusión o bancos de condensadores que hacen que las baterías industriales modernas parezcan bancos de carga de teléfonos.

Lo importante a tener en cuenta es la ecuación de la energía;

Energía = 1/2 x Masa x Velocidad 2

Lo que eso significa es que tus requerimientos de energía son proporcionales al cuadrado de la velocidad que quieres alcanzar, y que mientras más masa estés acelerando, más energía tendrás que poner. Entonces, aumentar el peso de tu proyectil en 100 significa que Necesitas 50 veces más energía solo para darle al proyectil la misma velocidad, y para aumentar la velocidad 10 veces necesitas otras 100 veces, por lo que ahora necesitas una nave capaz de liberar 5000 veces la energía del cañón de riel original para conseguir tu tonelada de proyectil a 100 km/s - factible pero muy peligroso.

En última instancia, el tamaño del barril solo es importante en términos de la velocidad a la que puede impartir la energía. ¿100m es razonable? No sé lo suficiente sobre la tecnología para decirlo, pero el punto es que acaba de aumentar su requerimiento de energía en 5,000 y solo aumentó el tamaño de su barril en un factor de 10, lo que significa que su nuevo barril tiene que ser capaz de impartir 500 veces el densidad de energía (o 500x la energía por conjunto de longitud de barril) como el diseño original.

Si consigues que funcione, el impacto relativo será increíble y podrás acabar con las naves viejas sin problema, pero ten en cuenta que si necesitas una nave cientos de veces más grande para hacer funcionar los cañones, entonces ¿Su enemigo significa que puede parecer impresionante, pero es probable que sea tan difícil derribar al enemigo con estos chicos malos en su contexto más moderno como lo hubiera sido con la tecnología actual?

Tengo entendido que una buena manera de estimar las rondas de hipervelocidad es suponer que un proyectil que viaja a 3 km/s tiene una energía cinética aproximadamente igual a su propia masa en TNT. Un proyectil que viaja a 30 km/s tendría una energía aproximadamente igual a 100 veces su propia masa, y 100 km/s sería aproximadamente 1000 veces su propia masa. Me gustan los números redondos. :D
Y luego, está el "retroceso". Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta. Parte de la energía se utilizará para acelerar la nave en la dirección opuesta.
@MichaelKutz Afortunadamente, la transferencia de impulso a la nave no escala tan rápido como la energía cinética entregada al objetivo. Disparar un tiro el doble de rápido proporciona el doble de impulso a la nave que lo disparó... pero proporciona cuatro veces más energía destructiva al objetivo. Una vez realicé los cálculos para los acorazados de Mass Effect, que pueden disparar un tiro con tanta energía como una bomba nuclear táctica, y descubrí que solo hacen retroceder la nave que dispara menos de un metro por segundo.

Las velocidades de salida pueden ser más modestas que su velocidad proyectada de 21 km/s. Cuando Gerard O'Neill estaba realizando ensayos con conductores de masas. Este fue un trabajo pionero para la construcción de sus propuestos hábitats de cilindros de Lagrange. Esta investigación encontró que había una velocidad límite de alrededor de 4 km/s. Después de lo cual, cualquier proyectil lanzado con un río de masa tendía a (a) alcanzar un límite en el que el campo electromagnético no podía transferir más impulso a los proyectiles y (b) destrozar el impulsor de masa.

La tecnología de pistola de bobina podría ser mejor para lanzar proyectiles a velocidades más altas que los impulsores de masa, y asegurarse de que los proyectiles continuaran moviéndose en línea recta sin hacer contacto con las paredes de la pistola de bobina.

Es posible que deba tener en cuenta que podría haber límites prácticos para lo que se puede lograr con las pistolas de bobina. Esto se basa en ensayos empíricos con impulsores de masa.

Creo que los diseños de O'Neill son bastante antiguos ahora... la ciencia de los materiales y la conmutación de energía, etc., han recorrido un largo camino desde entonces. Sin embargo, aumentar los impulsores de masa (puede ser ridículamente largo, tener un planeta disponible para anclar y disipar el calor, etc.) es mucho más fácil que reducir esas cosas al tamaño de un arma portátil.
@StarfishPrime Gracias. Me pregunté si el progreso había superado el trabajo de O'Neill. Si más grande es mejor, entonces el principal problema es la versión del tamaño de un barco.
¿Qué tan poderoso podemos hacer un Coilgun Starship?
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