¿Qué obstáculos tecnológicos impiden el desarrollo de un arma espacial?

La escala es probablemente el mayor problema.

En primer lugar, siempre necesita una etapa superior, ya que un arma no puede colocarlo en una órbita razonable. Puede llevarte lo suficientemente alto, y tal vez lo suficientemente rápido, pero no en una órbita.

Así que ahora tu arma tiene que ser lo suficientemente grande para lanzar una carga útil, incluyendo al menos algún tipo de etapa superior.

Una vez que escalas a ese tipo de tamaños para entregar cargas útiles significativas, estas armas se vuelven MUY grandes y mucho más complejas de lo que parece.

Hay muchos problemas que surgen con la escala. A medida que las cosas se hacen más grandes, su área frontal debe alargarse, la resistencia del aire aumenta, y ahora se necesita más energía para atravesar toda la atmósfera, con suficiente velocidad al final, para estar lo suficientemente cerca de la velocidad orbital para que una pequeña la etapa superior puede circularizar la órbita.

Pero a medida que intercambia el tamaño de la etapa superior/carga útil/velocidad inicial, la carga G inicial aumenta cada vez más para entregar una carga útil útil.

Los mayores problemas con un arma espacial son inherentes a la naturaleza simple de la balística.

Podemos usar cañones de riel para acelerar proyectiles muy rápido; mucho más rápido de lo que pueden hacerlo los propulsores explosivos en la misma distancia. El récord actual es de 33 MJ; eso es un proyectil de un kilo propulsado aproximadamente a una velocidad de escape (8127 m/s). Entonces, teóricamente, el cañón de riel más poderoso que tenemos (actualmente en manos de los Laboratorios Navales, que están desarrollando la tecnología para una nueva clase de buque de guerra) podría poner un objeto de 1 kilo en el espacio.

Sin embargo, existen los problemas que mencioné. En primer lugar, en el cañón de riel de la Armada, esta cantidad de energía se imparte actualmente al proyectil a una distancia de aproximadamente 12 metros, en un lapso de tiempo de 10 milisegundos. Un cambio de velocidad de 8000 m/s en un proyectil de 1 kg durante 0,01 segundos equivale a una fuerza de aceleración de 800 000 Newton, que es aproximadamente 81 632,65 fuerzas G. Los humanos pueden sobrevivir alrededor de 14 G cuando están acostados boca arriba o boca abajo, y 4 G es el máximo al que nos gusta someter a nuestros astronautas en una posición sentada, ya que no todos son pilotos de combate en óptimas condiciones capaces de manejar 6-8 G para maniobras largas.

Para obtener el mismo delta-V con una aceleración limitada a 40 m/s ² (poco más de 4G) se necesitarían 200 segundos, tiempo durante el cual habría recorrido 800 000 metros (la longitud requerida del cañón del cañón de riel). 800.000 metros es apenas 500 millas; estás hablando de diseñar una vía desde Dallas hasta El Paso, TX, con tolerancias milimétricas para la desviación por kilómetro de vía de ser perfectamente recta. Sería el proyecto de ingeniería civil más grande y costoso que la raza humana jamás haya emprendido; mucho más grande que los actuales sistemas de trenes bala, más grande que el supercolisionador CERN, más grande que el proyecto interestatal de EE. UU.

En segundo lugar, en el instante en que dejas el barril, estás viajando tan rápido como puedas. El arrastre de la resistencia del aire lo ralentizará, y el aire es más denso justo en la superficie de la Tierra, donde es más barato construir esta pista de 500 millas. Así que tan pronto como salgas del cañón, serás golpeado con vientos Mach-25 que instantáneamente comenzarán a reducir tu velocidad por debajo de la velocidad de escape. Y si está lloviendo en Dallas (recuerde que desea viajar de oeste a este, en la dirección de rotación de la Tierra, para aprovechar los 465 m/s adicionales de velocidad angular), las gotas de lluvia romperán el parabrisas.. Mitigamos esto con los cohetes modernos al limitar nuestra aceleración y velocidad hasta que salimos de la troposfera, momento en el que aceleramos el cohete a la máxima potencia a medida que el aire se adelgaza. Nuestro cañón de riel, por otro lado, tendría que construirse sobre una inclinación de 7*, con la boca a unos 100,000 pies en el aire, para que el proyectil evite lo peor de la resistencia del aire al salir del cañón. Así que ahora, estás tomando lo que ya es el proyecto más caro de la historia y le agregas la tarea de construir una rampa 36 veces más alta que el Burj Khalifa, y esa es la dimensión más corta, por mucho. Ahora también estamos trabajando contra la gravedad a medida que aceleramos, lo que nos obliga a agregar 1,225 m/s ^{2 adicionales}a la aceleración de nuestro cañón de riel solo para tener en cuenta la gravedad (ya hemos asumido que la resistencia del aire y otra fricción dentro del cañón son insignificantes).

Por último, 33MJ es nuestro récord mundial actual para impartir energía cinética en un proyectil a través de magrail sin destruirlo por completo, y eso solo es suficiente para obtener un kilo hasta la velocidad de escape. El transbordador espacial, vacío, pesa 130.000 kg. El vehículo más ligero que jamás hayamos puesto en órbita capaz de albergar vida humana fue la cápsula Mercury con 1.400 kg; un cañón de riel capaz de poner esta cápsula en órbita debería poder impartir, en el ideal, ni un milijulio menos de 46,2 GJ de energía cinética a la cápsula. En el gran esquema de las cosas eso no es mucho; se trata del consumo anual de electricidad de un refrigerador promedio. Sin embargo, eso es después de todas las ineficiencias y pérdidas, que cuando

Dado que hemos estado respondiendo muchas preguntas sobre este tema últimamente, solo quiero intervenir con algunas de las reglas generales que me parecen muy naturales. A diferencia de los cohetes, un arma ve la densidad máxima de la atmósfera en su punto más rápido. Entonces, siempre que comprenda la necesidad de circularizar una órbita, y comprenda que las altas aceleraciones necesitan equipos reforzados, la viabilidad de muchas propuestas se puede descartar fácilmente en los cálculos de envolvente para el arrastre.

Aquí hay una métrica útil para observar la atmósfera: el espesor de masa de la atmósfera es la masa por unidad de área, mirando hacia el cielo al nivel del mar.

En un sentido ingenuo, mire una bala de frente. Divide su masa por el área (misma área que presenta a la atmósfera). Un enfoque más preciso sería hacer alguna manipulación de la ecuación de arrastre. No estamos interesados ​​estrictamente en la fuerza sobre el proyectil. Alternativamente, consideraré la pérdida de velocidad debido a su viaje a través de la atmósfera,$\Delta v$aquí. Obtuve lo siguiente de la ecuación de arrastre, bajo el supuesto de que la velocidad total es notablemente mayor que la pérdida en la atmósfera (si no, no es viable de todos modos).

Debido a consideraciones prácticas, si esta proporción es de aproximadamente 1, no tiene ninguna posibilidad. Se quemará en la atmósfera, e incluso si no, no puedes producir esas velocidades. Nunca se han demostrado velocidades cercanas a la orbital . Entonces, si no puede empujar esta relación muy por debajo de 1, la idea está descartada. Repasaré todos los términos a continuación, dividiéndolos más o menos en cosas que son completamente imposibles de empujar más allá de cierta ventana y cosas que no tienen una limitación inherente.

Límites estrictos:

• C_d el coeficiente de arrastre de las balas está en la vecindad de 0,2 para proyectiles bien diseñados . Puede empujarlo fácilmente un poco más alto o un poco más abajo, pero no hay ningún lugar cerca de un orden de magnitud de margen de maniobra. Los altos números de máquina lo convierten en un rango aún más estrecho para diferentes formas.
• epsilon, es la corrección de una atmósfera más delgada en altitudes más altas. Para el monte Everest, el factor es algo así como 0,3. Yo creería un factor de 0,5 por colocarlo en una montaña alta. Obviamente, los lanzamientos marítimos se enfrentan al factor completo de 1.
• rho, la densidad promedio del proyectil está limitada por su propulsor si va a circularizar su órbita. Esto es muy bajo, probablemente alrededor de 1.0 de gravedad específica. Si está haciendo algún otro esquema (como un Rotovator), puede llenarlo con carga útil de acero, llegando a 7.0 u 8.0 como máximo teórico. A menos que estés enviando uranio o algo así. Le daré 2.0 para una carga útil práctica.
• f, la relación entre la longitud y el diámetro del proyectil está limitada por consideraciones aerodinámicas. Los cohetes tienden a ser muy delgados, pero tienen sistemas de control activo. Las aletas pueden ayudar a empujar el sobre aquí. Pero incluso con eso, llamo un límite "duro" de alrededor de 10.
• sin(theta), este factor va en tu contra , y el mejor de los casos es 1. Esto se aplicaría a los lanzamientos verticales suborbitales. Para los lanzamientos orbitales, corre el riesgo de derrotar la punta de un arma en primer lugar si este ángulo no es lo suficientemente bajo. Podría disparar algo directamente hacia arriba y luego quemar los 7,8 km/s necesarios, pero esto generaría una relación de masa muy pobre y probablemente no pueda diseñarse para resistir la aceleración del arma. Para Quichlaunch, le daría un valor de 0,5.

Límites suaves:

• D, es el diámetro, que sirve como métrica para el tamaño total de la carga útil. ¿Qué tan grande puede ser? ¿Qué tan grande de un arma se puede construir?

Así que tenemos que usar nuestro (único) límite suave para diseñar alrededor de los otros límites duros. Tomaré una relación de pérdida de velocidad de 0.2 por ahora. Podrías estirar esto, pero no mucho. De hecho, obtienes un conjunto de parámetros como:

Esto no suena sorprendentemente enorme. Pero si lo cambia a un lanzamiento a nivel del mar, la masa requerida aumenta en un factor de 8 , debido al hecho de que la masa aumenta con D^3. También fui extremadamente generoso con el factor diámetro a longitud. Una forma de bala que tiene un factor de 5 sería, de nuevo, 8 veces la masa. Entonces, si estamos buscando algo así como un lanzamiento marítimo práctico para finalmente alcanzar la órbita, la masa mínima está más cerca de la escala de 750 kg.

Puede ver aquí cómo el tamaño mínimo depende en gran medida de las suposiciones del tipo de sistema que está utilizando. No obstante, 10-750 kg sigue siendo un rango inicial para la masa mínima de bala necesaria para que el sistema funcione.

Pero el tamaño y la velocidad de la bala también establecen un límite en el tamaño mínimo del arma. Si puede obtener presiones del orden de 50,000 psi, entonces la caja de 750 kg (Quicklaunch) a 8 km/s necesitaría un volumen de aproximadamente 110 m ^ 3. Eso es grande.

Compare, el recipiente a presión de un reactor nuclear es probablemente alrededor de 2-3 veces el volumen de eso. También es aproximadamente 1/20 de la presión. Y cuesta más de 100 millones de dólares.

Los requisitos de material sencillos para un recipiente a presión son proporcionales al producto (presión) x (volumen). Así que las cosas no se ven bien para nuestra pistola espacial, aunque la economía de las piezas forjadas pesadas está lejos de ser simple. Por otro lado, un arma espacial minimalista montada en la ladera de una montaña alta podría tener un costo mínimo por debajo de la escala de $ 10 millones.

O simplemente podría comprar un vuelo Falcon 9, por alrededor de $ 50 millones. Por supuesto, podría obtener una mejor economía del arma espacial si la usara suficientes veces para amortizar el costo lo suficiente. Sin embargo, la demanda anual total de carga útil en LEO es de solo unas 240 toneladas . El Falcon 9 puede transportar 10 toneladas de una sola vez. Solo una pequeña fracción de las cargas útiles podría ser sustituida por el arma espacial (equipo reforzado). Entonces , tal vez habría suficiente demanda para que el arma espacial reemplace 1 o 2 equivalentes de lanzamiento de cohetes. Además de eso, los riesgos son enormes. La frecuencia de vuelo global tendría que ser mucho mayor para que la gente invirtiera seriamente el capital necesario en esto.

Creo que hay otro problema más fundamental que no ha sido mencionado por las otras respuestas. El arrastre de un cuerpo debido a la fricción con el aire aumenta cuadráticamente con la velocidad. La fuerza de arrastre está dada por ( tomado de este artículo de Wikipedia )

• $\rho$es la densidad del fluido.
• $C_D$es el coeficiente de arrastre que ciertamente puede disminuir con la velocidad.
• $A$es el área de la sección transversal.
• $v$es la velocidad del objeto en relación con el fluido.

Esto es un problema porque un arma necesitaría impartir toda la energía necesaria para poner el objeto en órbita desde el principio, lo que significa que toda la energía tendría que almacenarse en la velocidad del objeto en lugar de la energía química de sus propulsores. . Esto aumentaría significativamente la cantidad total de energía necesaria debido a la dependencia cuadrática de la fuerza de arrastre.

Varias publicaciones han mencionado la resistencia atmosférica. El arrastre ralentiza la nave espacial. Viajar a 8 km/s a través de la troposfera también induce calor y estrés. La nave espacial necesitaría una estructura resistente y un sistema de protección térmica o se quemaría y/o se arrugaría como una lata de cerveza.

Un factor importante sería el ángulo de la trayectoria de vuelo cuando la nave espacial sale por la boca. Si la nave espacial parte con un ángulo de trayectoria de vuelo de 0 grados (en otras palabras, horizontal), debe recorrer un largo trecho a través de la atmósfera. Una enorme columna de aire sería desplazada:

Esa parte del camino que viaja a través de la atmósfera está coloreada de rojo.

Durante un viaje de alrededor de 8000 kilómetros, el barco soporta resistencia a la desaceleración, calor y presión.

Si el ángulo de la trayectoria de vuelo es cercano a los 90 grados (en otras palabras, casi vertical), el viaje a través de la atmósfera es mucho más corto. El barco soporta una fricción atmosférica extrema durante solo unos 100 kilómetros. Pero entonces la órbita sería una elipse alargada que regresaría rápidamente y chocaría contra la superficie terrestre:

Un cohete típico comienza con un ascenso casi vertical. A medida que el aire se adelgaza, se inclina más hacia la horizontal. No realiza la quema horizontal principal hasta que la nave está muy por encima de la atmósfera. Esta no es una opción para las armas espaciales.

La idea es mucho más viable para mundos sin aire como Luna o Ceres.

Fundamentalmente, los problemas son que una nave espacial funcional solo está diseñada para entre 3 G y 30 G; cohetes típicos sólo a unos 100 Gs. (3,5 para el transbordador, 30-60 para misiles balísticos intercontinentales). Un tubo de lanzamiento razonable requeriría una velocidad de salida superior a 7,8 km/s (la velocidad LEO). Si sumamos 1 km/s por las pérdidas atmosféricas, obtenemos una necesidad de unos 8,8 km/s; para simplificar, redondeemos a 9 km/s. Tenga en cuenta que el proyecto HARP de la Marina de los EE. UU. logró un vuelo suborbital de 180 km de altura, con una velocidad de lanzamiento de 3,6 km/s y un lanzamiento casi vertical.

9 km/s, a 30 G razonablemente robustos, es un cabello de más de 30,6 segundos. Eso requiere (usando d=0.5AT^2) 137644 m... casi 138 km. (El cañón espacial HARP tenía 41 m de largo y se lanzó a 3600 m/s, casi vertical y alrededor de 18500 G).

El lanzamiento seguro de la electrónica máxima es de alrededor de 15500 G (utilizados en proyectiles de artillería), pero el diseño de naves espaciales para eso es muy poco probable. Con esa aceleración, y usando el mismo objetivo de 9 m/s, tiene 274 metros de largo y está en el cañón durante 0,06 segundos.

Un punto de referencia más razonable son los 100 G que se sobreviven rutinariamente en eventos de impacto momentáneo: es un buen punto de referencia para la supervivencia del marco de embarcaciones relativamente delgadas. (Después de todo, la mayoría de los autos sobreviven a este nivel relativamente intactos. También es la aceleración del misil interceptor Sprint). A 100 G, eso es 9.2 segundos en el tubo y aproximadamente 41.5 km de largo.

Un lanzamiento seguro para humanos es de 12 G... para un objetivo de 9 km/s, debe tener 345 km de largo y 70,6 segundos en el tubo.

Como puede verse, la longitud del tubo es un límite enorme. Esencialmente, uno tiene que lanzar un misil pequeño, no necesita una gran cantidad de delta-V, solo lo suficiente para elevar el perigeo, y por lo tanto, el nivel razonable es un misil de alta aceleración. En eso es poco práctico, pero factible. (Varias escuelas de ingeniería han desarrollado diseños para esto como problemas de muestra). El problema es que el gas solo puede acelerar tan rápido, y para mantener un empuje constante se requiere agregar combustión adicional a lo largo del tubo.

Es posible ahora, pero poco práctico. Sería una arquitectura monumental, inutilizable para los humanos, pero un método práctico para enviar ciertas categorías de carga útil a la órbita: fluidos a granel, como combustible, agua y aire, y materias primas para la construcción, como vigas. Requeriría remolcadores en órbita. Cualquier falla tampoco tiene modo de cancelación, ya que la carga útil no tiene energía en vuelo.

• http://en.wikipedia.org/wiki/Space_gun
• http://en.wikipedia.org/wiki/G-fuerza

Acabo de ver el sistema Kinetic Launch. Logró realizar un lanzamiento suborbital, pero el plan es para uno orbital en 2024. Funciona girando un objeto y disparándolo a una velocidad extremadamente alta.

Sin embargo, todavía requeriría una segunda etapa de quemado.

https://www.slashgear.com/spinlaunch-kinetic-launch-system-celebrates-a-successful-test-flight-12699130