Einweg-Massentreiber-Raumschiff mit Atomantrieb

Dies ist also der Kontext, in dem Weltraumschlachten von Schiffen ausgetragen werden, die kaum mehr als riesige Railguns (oder andere elektromagnetische Massenantriebe) sind und daher auf extreme Entfernungen mit sehr schnellen Projektilen ausgetragen werden.

Ich habe diese ziemlich phantasievolle Vorstellung von einem Einweg-Raumschiff, das im Wesentlichen eine riesige Röhre ist, in der ein Projektil und eine Atombombe untergebracht sind, sowie einige Ziel- und Zielsysteme. Geben Sie hier die Bildbeschreibung einWährend die Atombombe dem Rest des Schiffes irreparablen Schaden zufügen würde, sollte die Detonation genügend Zeit haben, um das Projektil (oder was davon übrig blieb) aus dem Lauf zu beschleunigen. Das hintere Ende des Projektils müsste vermutlich aus einem ablativen Material bestehen.

Abgesehen von Dingen wie Kosten, Praktikabilität, Ausrichtung usw. würde ich gerne zwei Dinge wissen:

  1. Ist das überhaupt ein realisierbares Design?
  2. Wie würde man die Geschwindigkeit eines solchen Projektils angesichts der Projektilmasse abschätzen? M P , die Schiffsmasse M S und die Ausbeute der verwendeten Nuke (die, sagen wir der Einfachheit halber, im Bereich der aktuellen Atomwaffen liegt, von 10 kt über 100 t bis 25 Mt)?

Mir ist die Operation Plumbbob bekannt , bei der eine 300-Tonnen-Atombombe unterirdisch gezündet wurde, mit einem Stahldeckel auf dem Schacht, der 900 kg wog. Es wurde geschätzt, dass sich der Deckel mit über 66.000 m / s bewegt, was der sechsfachen Fluchtgeschwindigkeit der Erde entspricht.

BEARBEITEN: Kommentare haben darauf hingewiesen, dass eine Art Übertragung von Wärmeenergie auf gasförmige kinetische Energie erforderlich ist. Unten ist mein überarbeitetes Bild. Geben Sie hier die Bildbeschreibung einWobei A für Ablator steht (nicht ganz das richtige Wort, das ich kenne, aber mir fällt auf Anhieb nicht das richtige ein), eine Materialmasse, die sich leicht in ein Gas mit hoher kinetischer Energie umwandelt (ich bin aufgrund des Wasserstoffgehalts an einen Eisklumpen oder festes Ammoniak denken), der dann auf das Projektil drückt. Ich erkenne an, dass ein Megatonnen-Atom wahrscheinlich das gesamte Schiff zersetzen wird, bevor dem Projektil eine nennenswerte Beschleunigung verliehen werden kann, aber ich vermute, dass kleinere Geschütze besser geeignet sind, um dem Projektil eine nennenswerte Beschleunigung zu verleihen .

Was ist Ihre Definition von "Extrembereichen"? Das Konzept der meisten Menschen von "Extrembereichen" unterschätzt die tatsächlichen Entfernungen zwischen Objekten im Weltraum dramatisch.
Zehn, vielleicht sogar Hunderte von Fuß. Aber im Ernst, ich erinnere mich an ein Zitat, das besagt, dass Schlachten in der größtmöglichen Entfernung ausgetragen werden. Auf dieser Grundlage wäre die Obergrenze die, das gegenüberliegende Raumfahrzeug abzubilden und ihre Position, Geschwindigkeit und Orientierung zu ermitteln, um eine Abschusslösung zu erhalten. Eine weichere Grenze wäre die Entfernung, in der ein Schiff ein ankommendes Projektil sehen und zuverlässig ausweichen kann. Beides, stelle ich mir vor, wird ziemlich extrem sein.
Diese würden als "extreme Nahbereiche" gelten. Wenn Sie so nah sind, ist es klar, dass Sie versuchen, an einem befreundeten Schiff anzudocken. Die räumlichen Entfernungen im realen Leben sind viel weiter. Der Perspektive halber behält die ISS eine 4 km dicke, 25 km breite Scheibe des Weltraums bei – wenn vorhergesagt wird, dass irgendein Objekt in diese Region eindringt, versetzen wir die Station. Natürlich legen die Objekte auch jede Sekunde viele Kilometer zurück!
Der erste Satz war ironisch...
Wollten Sie sich auf den extremen Nahbereich konzentrieren? Bei dieser Entfernung würde ich empfehlen, die Atombombe sanft zu ihnen zu werfen und verdammt noch mal da rauszukommen!
Nein, extreme Fernbereiche. Entfernungen, in denen Sie Ihren Gegner mit einem IR-Teleskop kaum sehen können.
Sie betrachten also nicht Dutzende oder Hunderte von Fuß. Sie betrachten Millionen oder Milliarden von Fuß.
Ja. Der erste Satz war wie gesagt ironisch. Ich entschuldige mich für alle Missverständnisse.
@Ingolifs Der erste Satz ist nicht ironisch, sondern verwirrend und es fehlt an Details. Ich schlage vor, Sie geben tatsächliche Zahlen ein, z. B. 1 Lichtjahr auseinander oder 1000 km, vielleicht 2000 Meilen, solche Zahlen. Ich garantiere Ihnen, dass Sie eine genauere Antwort haben werden.
Ich bezog mich auf den ersten Satz meines Kommentars. "wie zehn, vielleicht Hunderte von Fuß". Ich kann Ihnen versichern, dass die Absicht ironisch war, da ich derjenige bin, der es geschrieben hat. Ich sehe jetzt, mein glatter Versuch des Humors ist völlig gescheitert.
Wenn Sie das nicht ernst nehmen, warum sollten wir es tun?
Auf den ersten Blick fand ich das total lächerlich, dann erinnerte ich mich an Project Orion .
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Antworten (5)

Dabei gibt es ein einfaches Problem: Schock und Stimmung.

Ihr Projektil muss eine sehr lange Strecke zurücklegen, bevor es trifft. Ihre Angabe "um die Erkennungsgrenze von IR herum" reicht aus, um ziemlich sicher zu sein, dass Sie Ihren Feind niemals mit einer dummen Schnecke treffen werden. Sie können die Waffe einfach nicht so genau zielen. Dies gilt doppelt für die Tatsache, dass Sie dabei sind, eine nukleare Explosion auszulösen (wahrscheinlich mehr als doppelt wahr).

Das bedeutet, dass Sie mit Sicherheit eine intelligente Waffe mit eingebauten Treibstoffen, Sensoren und Computern verwenden, ähnlich wie wir es in all unseren eigenen ballistischen Verteidigungsprogrammen auf dem Planeten Erde sehen.

Hier ist also das eigentliche Problem. Dinge schnell (raumschnell) zu starten ist schwierig. Man muss ziemlich schnell beschleunigen. Schock- und Vibrationsprobleme während des Starts sind erstaunlich schwer zu bewältigen. Je stärker man beschleunigt, desto fieser die Anforderungen. Navy-Railguns stehen vor ernsthaften Herausforderungen, wenn es darum geht, intelligente Geschosse zu härten, damit sie das Abfeuern überleben (Tests werden heute normalerweise mit dummen Wolframgeschossen durchgeführt, aber es wird anerkannt, dass sie schließlich geführt werden müssen, um entfernte Ziele zu treffen). Sie haben eine neue Stufe von „schwierigen Startbedingungen“ erfunden. Railguns können einen maximierten Schock und Vibe über die Länge der Schiene viel besser aufrechterhalten als eine einfache Atomkanone.

Startbedingungen: Muss den Aufenthalt am Ground Zero einer 25MT thermonuklearen Bombenexplosion in einem begrenzten Raum überstehen, der so ausgelegt ist, dass die Wirkung der thermonuklearen Bombe auf das Projektil maximiert wird.

Autsch!

Was Sie wirklich tun möchten, ist, sich an Railguns zu halten. Wenn Sie ein Projektil entwerfen, das die Kräfte einer Atombombe überstehen kann, setzen Sie dasselbe Projektil sofort in eine Railgun ein und holen mehr Leistung daraus (Railguns können linear entlang der gesamten Länge der Schienen beschleunigen, während diese Kanone nachlässt wenn die Druckwelle schwächer wird)

Gute Antwort. Es gibt ein "Kampfregime", wie Sie es wohl nennen würden, bei dem Sie Ihren Feind sehen können, aber nicht in der Lage sind, ihn zu treffen, weil die Flugzeit Ihrer Projektile länger ist als die Zeit, die zum Herauskommen benötigt wird des Weges. Wenn Sie Ihr Projektil schneller machen, haben Sie eine bessere Chance zu treffen, vorausgesetzt, Sie opfern nicht die Genauigkeit. Ihr Punkt, dass Projektile auf jeden Fall Anleitung benötigen, ist gut. Dadurch wird die Beschleunigung des Projektils immer auf das begrenzt, was das Leitcomputersystem überleben kann. In diesem Fall wäre es besser, die Atomwaffen für den Orion-Antrieb zu verwenden.
Wenn ich mich richtig an meine Regeln für Intercepts erinnere, macht es schneller nicht wirklich viel besser. Reaktionszeiten sind wichtig, und schneller wird es in Bezug auf Reaktionen besser machen, aber sobald Sie die anspruchsvolle Aufgabe haben, Ihr Schiff aus dem Weg der Runde zu bewegen, hilft schneller nichts mehr. Sie haben weniger Zeit, sich zu bewegen, aber Sie haben weniger Zeit, auf ihre Bewegung zu reagieren, sodass sie sich aufhebt.

Durchführbarkeit:

Ihr Design ist fast identisch mit einer normalen Waffe, außer dass sie eine kleine chemische Reaktion (eine kleine Explosion) verwenden, um die Kugel anzutreiben, anstelle einer nuklearen. Also, wenn man das hochskaliert, gibt es Hoffnung für den Nuklearfall. Demnach sind ungefähr 40 bis 50 % der Energie Explosionsenergie (viel besser als ich dachte), während der Rest auf thermische Energie und andere Arten von Energie entfällt . In einer Hochdruckumgebung mit einer Bombe mit geringer Sprengkraft kann die Sprengenergie weiter auf 50 % bis 70 % erhöht werden.

Da wir die Umgebung manipulieren können, können wir mit dem Projektil beginnen und in einer Röhre bleiben, die mit einem Gas/einer Atmosphäre gefüllt ist, die unter hohem Druck gehalten wird.

Wenn die anfängliche Explosion extrem symmetrisch gemacht wird, könnte man sogar Reflexionen der Stoßwellen beim Auftreffen auf die Wand verwenden, um die Richtwirkung der Explosionsenergie weiter zu erhöhen und den Schaden am Schiff selbst zu verringern.

Zusätzlich zur Explosion selbst dehnt sich das Gas hinter der Kugel aus, erzeugt einen großen Druck darauf und drückt das Projektil (und das Schiff) weiter.


Konstruktionsberechnungen:

Nun, dies ist ein geschlossenes System (zumindest anfänglich). Wir verwenden den ersten Hauptsatz der Thermodynamik: U = Q + W , die innere Energie ist Arbeit plus Wärme. Wir sind an Arbeit interessiert. Die anfängliche innere Energie des Systems ist im Vergleich zur endgültigen (explodierte Bombe) vernachlässigbar, daher können wir dies berücksichtigen U die Energieabgabe der Bombe selbst sein. Wir nennen das Verhältnis zwischen Arbeit und Gesamtenergie als η . Das ist, W = η U . Diese Arbeit wird effektiv in Bewegungsenergie umgewandelt.

Die restliche Energie wird in Wärme umgewandelt:

Q = ( 1 η ) U = M C v Δ T = ρ v C v δ T Δ T = ( 1 η ) U ρ v

Wo C v ist die spezifische Wärme unseres Gases bei konstantem Volumen und v ist das Volumen zwischen dem Projektil und der Bombe. Daraus können wir den Druck berechnen:

P 1 P 0 = T 1 T 0 = 1 + Δ T T 0

Während der Anfangsdruck mit dem idealen Gasgesetz abgeschätzt werden kann, nämlich P 0 = ρ k B M G T 0 , Wo M G ist die Masse jedes Gasmoleküls/Partikels.

Also, jetzt finden wir die Endtemperatur und den Enddruck:

Δ T = ( 1 η ) U T 0 k B P 0 M G v , P 1 = 1 + ( 1 η ) U k B P 0 M G v

Die durch den Druck auf das Projektil ausgeübte Kraft ist einfach F = M P A = A P 1 , Wo A ist die Querschnittsfläche des Projektils, M P ist die Masse, A ist die Beschleunigung. Jetzt haben wir eine ungefähre (möglicherweise ungenaue) Beschleunigung und damit, wie schnell das Projektil das Schiff verlassen wird (im Vergleich dazu, wie schnell die Explosion selbst sein wird).

Ich bin eigentlich sehr faul, ein paar Zahlen zu stecken und mir tatsächlich ein Design auszudenken, das funktionieren könnte. Ich habe es versucht v 0 = 10 × 10 × 10 M 3 , P 0 = 10 A T M , U = 25 M T , η = 10 % mit Stickstoffatmosphäre M G = 2.341 10 26 K G . Das gibt mir T 1 1.643 10 13 K Und P 1 = 54.779 G P A . Dies ergibt eine Kraft von ~5470 Giganewton und eine Beschleunigung von 5,47 Milliarden Quadratmetern pro Sekunde (ziemlich schnell!) für ein Projektil mit einer Tonne Masse und einem Querschnitt von 10 x 10 Quadratmetern.

Mit den Geschwindigkeitsschätzungen unten kann man genau berechnen, wie lange das Projektil im Schiff bleiben wird. Ein Druck von 42,606 Gigapascal liegt bereits in der Nähe des Elastizitätsmoduls mehrerer Materialien und bereits etwas über dem Schermodul beispielsweise mehrerer Titanlegierungen: Das Schiff wird nicht überleben. Vielleicht möchten Sie die Sprengkraft der Bombe verringern und mit diesen Gleichungen herumspielen. Vielleicht möchten Sie auch überprüfen, ob das Projektil selbst solche enormen Beschleunigungen übersteht (wahrscheinlich nicht).

Fazit: Es könnte machbar sein, aber definitiv nicht für eine 25-Megatonnen-Explosion. Vielleicht könnte man eine Explosion von einer Tonne in Betracht ziehen und sehen, was passiert.


Geschwindigkeitsschätzung:

Wenn wir die übliche vernünftige Erklärung ignorieren, dass man keine nuklearen Explosionen verwenden sollte, um ein Projektil anzutreiben ... und sich darauf konzentrieren, welche Geschwindigkeit wir erreichen könnten ... nun ... fangen wir an, denke ich.

Zunächst gilt die Impulserhaltung: P S + P P = 0 , vorausgesetzt, wir befinden uns in dem Bezugssystem, in dem sich das Schiff ursprünglich in Ruhe befand. Zweitens gilt die Energieerhaltung:

U = K S + K P + Q

Wo U ist die Gesamtenergie der Bombe, K P ist die kinetische Energie des Projektils, und K S die kinetische Energie des Schiffes (oder die Gesamtsumme der kinetischen Energie aller vom Schiff hinterlassenen Wrackteile). Und zuletzt, Q ist die thermische Energie.

Nun ist es wichtig zu beachten, dass diese beiden Gleichungen für alle gegebenen Zeiten gültig sind. Aus diesem Grund nehmen wir uns eine Zeit, in der das Projektil abgefeuert wird, aber die nukleare Explosion hatte nicht genug Zeit, um das Schiff selbst vollständig zu zerstören (zu viel). Das Schiff ist also noch in einem Stück und wir sprechen daher von einem Zwei-Körper-System. Das wird alles stark vereinfachen.


Newtonsche Berechnungen: Let v P , v S die Geschwindigkeit von Projektil und Schiff. Durch Impulserhaltung wissen wir:

M S v S = M P v P v S = M P M S v P

Also die Energie:

K = 1 2 M S v S 2 + 1 2 M P v P 2 = 1 2 M S ( M P M S v P ) 2 + 1 2 M P 2

Daher:

K = 1 2 ( M S + M P 2 M S ) v P 2 = 1 2 M S [ 1 + ( M P M S v P ) 2 ]

Dort ist die Projektilgeschwindigkeit einfach:

v P = M S M P 2 K M S 1

Wo U = Q + K . Nun ginge es darum, das Verhältnis zwischen kinetischer und zur Verfügung stehender Gesamtenergie bzw. den Wirkungsgrad abzuschätzen η = K / U Ihrer Transformation zwischen Bombenenergie zu kinetischer Energie.

Stecknummern: Wenn U = 25 M T = 1.046 10 17 J , Einstellung η = 0,1 % , das heisst K = 1.046 10 14 J . Wenn M S = 10 9 K G Und M P = 10 3 K G , Dann: v P = 1,5257 C . Schneller als die Lichtgeschwindigkeit!


Relativistische Berechnungen: In letzter Zeit gab unser Ergebnis etwas schneller als C , also schlussfolgern wir, dass die Newtonsche Mechanik nicht zutrifft. Wir brauchen relativistische Berechnungen, um die Geschwindigkeit herauszufinden.

Die relativistische Gesamtenergie des Systems ist dann:

E = ( M P C 2 ) 2 + ( P P C ) 2 + ( M S C 2 ) 2 + ( P S C ) 2

Wo, durch Impulserhaltung, P P + P S = 0 , was alles vereinfacht. Definieren P = P P = P S das relativistische Momentum, das wir finden möchten. Somit können wir auflösen nach P :

P 2 = 1 4 [ E C + C 3 E ( M P 2 M S 2 ) ] 2 M P 2 C 2

Nun, unter Verwendung des relativistischen Impulses, P hängt mit der Geschwindigkeit zusammen:

P = M P v P 1 v P 2 C 2

Und deshalb kann man leicht nach lösen v P :

v P 2 = P 2 M P 2 + P 2 C 2 = 1 ( M P P ) 2 + 1 C 2

Daher ist schließlich die (relativistisch korrigierte) Geschwindigkeit des Geschosses:

v P 2 = 1 M P 2 1 4 [ E C + C 3 E ( M P 2 M S 2 ) ] 2 M P 2 C 2 + 1 C 2

Wo E = K + ( M S + M P ) C 2 Und K = η U . Wenn wir die gleichen Werte wie zuvor einsetzen, erhalten wir die Projektilgeschwindigkeit: v P = 457 , 386 M / S = 0,0015257 C . Dies ist die Geschwindigkeit des Projektils unter der gegebenen Situation (Schiff eine Million Tonnen, Projektil eine Tonne, 25 Megatonnen Explosion, 0,1% Wirkungsgrad). Sie können diese Formel verwenden, um herumzuspielen und andere Werte einzusetzen.

Hoffentlich habe ich keine Fehler gemacht. Wenn ich es getan habe, weist mich bitte jemand darauf hin.


Beachten Sie, dass all dies die offensichtlichen Probleme einer nuklearen Explosion zum Antreiben einer Kugel ignoriert: Wenn Sie diese Probleme gelöst haben, geben Ihnen diese Berechnungen eine grobe Schätzung der Geschwindigkeit des Projektils. Und denken Sie daran, dass ich völlig erraten habe η (Dieser Wert hängt von dem tatsächlichen Mechanismus ab, den Sie haben, um die Energie der Bombe in kinetische Energie umzuwandeln).

Außerdem sind diese Berechnungen nicht relativistisch. Ich könnte vielleicht überredet werden, eine relativistische Version davon zu machen, wenn jeder es will ...
Das ist wahrscheinlich nicht notwendig. Zwischen Ihnen und JBH wurde eine sehr hohe Obergrenze für die Geschwindigkeit des Projektils festgelegt. Was ich langsam vermute, ist, dass selbst wenn Sie ein Projektil (das jetzt kein Klumpen aus geschmolzenem Metall oder Plasmaspray ist) mit einer Atombombe schleudern können, jede Asymmetrie in der Detonation wahrscheinlich dazu führen wird, dass die Waffe vom Ziel abgeschossen wird , was dazu führt, dass das Projektil vollständig fehlt.
@Ingolifs Ich habe die relativistischen Berechnungen in einer Arbeit durchgeführt (nur weil ich zu neugierig bin). Ich wollte nur das Ergebnis posten. Aber diese sind huuuge. Nachdem fast eine halbe Seite komplett ausgefüllt war, gab es noch viel zu rechnen, also gab ich auf. :). Beachten Sie auch, dass eine gewöhnliche Waffe Ihrem Design sehr ähnlich ist, außer dass sie eine chemische Explosion anstelle einer nuklearen verwendet - und Kugelwaffen können so konstruiert werden, dass sie sehr genau sind. Vielleicht gibt es also einen Weg, das nukleare zu entwerfen, wo es genau sein könnte.
@Ingolifs Ich habe einen einfachen Weg gefunden, die relativistischen Berechnungen durchzuführen. Außerdem hat sich bei meinen ersten Berechnungen ein Fehler eingeschlichen: Die Geschwindigkeit beträgt 1,5c, nicht 0,5c. Die relativistische liefert zumindest einen Wert weit unterhalb der Lichtgeschwindigkeit.
@ Physiker137 können Sie in Ihrer Aussage eine Lösung dafür angeben, wie dies möglich sein wird. Be aware that all of this ignores the obvious problems of having a nuclear explosion to propel a bulletWir wissen offensichtlich, dass ein solcher Behälter möglicherweise nicht existiert, da seine Frage eher die Machbarkeit seines Designs und nicht die Geschwindigkeit des Projektils betrifft, wenn wir berücksichtige das, deine Antwort beantwortet die Frage nicht.
@Mr.J Nun, zunächst hat das OP zwei Fragen gestellt, die eindeutig fett gedruckt sind. Die zweite, "Wie würde man die Geschwindigkeit eines solchen Projektils abschätzen" , wird in meiner Antwort angesprochen. Jeder gab die Hälfte der Antwort, und ich gab die andere Hälfte, die niemand anbot. Zweitens hat OP die Frage so bearbeitet, dass sie den „Ablator“ enthält, wenn andere Antworten darauf hindeuteten, dass das Design nicht durchführbar war – was mir den Hinweis gab, dass OP eine Geschwindigkeitsschätzung wollte, unabhängig davon, ob dies durchführbar war oder nicht. Aber wenn das Sie (und OP) glücklich macht, kann ich (morgen) bearbeiten, um Machbarkeits- und Designberechnungen aufzunehmen.
@Physicist137 Es geht nicht darum, mich glücklich zu machen, sondern darum, die Frage vollständig zu beantworten. Wenn Sie die Antwort von JBH überprüfen können, hat er versucht, die Frage so vollständig wie möglich zu beantworten, mit Dank für Ihre Mathematik. Ich bin auch neugierig auf Ihre Antwort mit seinem Design, ich würde gerne wissen, wie Sie es angesichts unserer Berechnungen zum Laufen bringen werden.
@Mr.JI hat eine Bearbeitung vorgenommen.

Tim hat Recht, aber lasst uns Spaß daran haben, zu erklären, warum.

Annahmen

  • Wenn Sie "Railgun" sagten, meinten Sie "Slug-Werfer". Eine Railgun ist etwas Bestimmtes, und Sie beschreiben es nicht.

  • Die "Waffe" kann durch die Atombombe nicht beschädigt werden. Das ist schließlich ein Experiment.

  • Die Schale kann es auch nicht.

  • Die Praktikabilität der unglaublich teuren und schwer zu zielenden Waffe für den einmaligen Gebrauch wird ignoriert.

  • Die "Waffe" hat eine Masse von mindestens 1.000x der Granate. Somit gehören 99,9 % der Endgeschwindigkeit der Granate, während nur 0,1 % der Endgeschwindigkeit der Kanone gehört (die in eine verfallende Umlaufbahn eintritt und den südlichen Kontinent Ihrer Welt verwüstet, aber das ist eine Geschichte für einen anderen Tag). Wie auch immer, was dies bedeutet, lässt mich vernünftigerweise davon ausgehen, dass die gesamte Energie verwendet wird, um die Hülle zu drücken.

  • Hier ist der Whopper: Wir gehen davon aus, dass sie es wirklich ernst meinen, wenn sie die Sprengkraft einer Atombombe in Tonnen von TNT messen (und die Engel weinen über das Ausmaß dieser Lüge … aber wir werden es verstehen dazu).

Die Gleichung der Wahl ist F=mA. Seien wir unverschämt.

  • Die Ladung entspricht der Zarenbombe : 50 Megatonnen oder 210 Petajoule. Also F = 210x10 15 .
  • Die Schale wiegt nützliche 10.000 kg. Also m = 1x10 4 .
  • A (Beschleunigung) = 210x10 11 m/s 2 .

Es hat keinen Widerstand (Raum...) und es wirkt keine Kraft mehr auf es. Unsere Endgeschwindigkeit ist also verdammt nahe an der doppelten Lichtgeschwindigkeit.

Was natürlich nicht passieren kann

Und deshalb ist Tims Antwort richtig: Licht- und Wärmestoß.

Okay, was ist das Problem?

Eine gewaltige Menge Energie einer Nuke hat überhaupt nichts mit kinetischer Energie zu tun. Es ist Strahlung. Um etwas Schreckliches zu vereinfachen, haben Sie nur die Masse der Ladung, mit der Sie in Bezug auf das expandierende Gas (kinetische Kraft) arbeiten können, und viel (wenn nicht alles) davon wurde gerade in reine Energie umgewandelt.

Die meisten der erschütternden Kräfte der nuklearen Explosionen, mit denen wir vertraut sind, sind (a) die Umwandlung der umgebenden Masse (Luft, Boden, Häuser, Menschen) in expandierendes Plasma und (b) der Schock, der entsteht, wenn das durch die Explosion verursachte Vakuum zusammenbricht .

Was eine schicke Art zu sagen ist, dass Sie eigentlich nicht so viel haben, mit dem Sie arbeiten können. Da Sie nur die in Plasma umzuwandelnden Materialien in der Nuke selbst haben (Kanone und Granate können durch die Nuke nicht beschädigt werden!), wird Ihre Kanone weißglühend 1 glühen , während die ebenso weißglühende Granate irgendwie aus der Mündung herausplatzt und schlängelt sich träge davon.

Wenn ich das falsch verstanden habe, korrigiert mich bitte!


Bearbeiten:

Physiker137 wies auf den Fehler in meiner Mathematik hin, und ich bin dankbar! Ich hatte Spaß, aber stimmen Sie seiner Mathematik zu! Ich bin immer noch zufrieden mit meinen Schlussfolgerungen, aber seine ~0,5c-Antwort ist viel realistischer als meine 2c-Analyse!


1 Und es wird wahrscheinlich jahrzehntelang weißglühend bleiben. Der Weltraum ist ein schrecklicher Ort, um Wärme abzuleiten.

Du hast mich mit Tsar Bomba erwischt.
"Also ist unsere Endgeschwindigkeit verdammt nahe an der doppelten Lichtgeschwindigkeit. Was offensichtlich nicht passieren kann." Ok, dieser Teil ist aus mehreren Gründen trügerisch, 1) weil er die Relativitätstheorie ignoriert und 2) weil er eine abgeleitete Geschwindigkeit impliziert größer als c (unter Vernachlässigung der Relativitätstheorie) gilt als reducto ad absurdum. Das Schiff ist nicht unzerstörbar, das Projektil auch nicht . Meine Frage ist nicht, wie stark das Fahrzeug explodieren wird (es ist ein einmaliger Gebrauch, also ist es bereits abgeschrieben), sondern ob Sie mit dem Projektil, das aus ihm herauskommt, eine signifikante Geschwindigkeit erzielen können.
@Ingolifs Du hast nicht annähernd genug Spaß. Ihnen fehlt Masse zwischen der Schnecke und der Nuke, die in Plasma umgewandelt werden kann. Was Sie jedoch nicht herausgefunden haben, ist, dass fast alles im Weltraum nützlicher ist als ein atomgetriebener Schneckenwerfer. Vor allem ein Einweg-Werfer.
Hmm. Vielleicht muss ich das Bild, das ich bereitgestellt habe, mit einer Masse von etwas Ablativem zwischen Nuke und Projektil aktualisieren.
Ich fürchte, das ist nicht richtig. Sie setzen eine Kraft (nach Newtons zweitem Gesetz) mit einer Energie (der Bombe) gleich, und das können Sie nicht.
@Mr.J er hatte mich bei 'Engeln, die über das Ausmaß der Lüge weinen'. Das war eine großartige Zusammenfassung dessen, was ich wirklich sagen wollte. Wie immer, JBH, bringen Sie ein Thema wirklich gut auf den Punkt, daher gibt es definitiv eine +1 von mir.
@Physicist137, ich vermutete, dass es zu einfach war. Was sind die richtigen Formeln?
@JBH Nun, Sie könnten die Formel für kinetische Energie verwenden. Das würde Energie mit Geschwindigkeit in Beziehung setzen. Nun, ich habe eine Antwort geschrieben, die auf Gesprächen über Schwung und Energie basiert.

Ihr Einwegschiff verschwindet in einem Hauch von Licht und Hitze.

Das Problem mit dem, was Sie beschreiben, ist, dass eine Atombombe genau die falsche Art von Energiequelle für eine Schienenkanone ist, da sie im Weltraum Wärme und Strahlung erzeugt, keine kinetische Energie.

Wir haben alle von den Druckwellen nuklearer Explosionen gelesen und wie mächtig sie sind; Es gibt sogar einige Untersuchungen dazu, die zeigen, dass die (kinetische) Explosionsenergie ungefähr die Hälfte der Energie ausmacht, die bei einer nuklearen Explosion freigesetzt wird. Das Problem ist, dass die Explosionsenergie im Wesentlichen die Überhitzung der Atmosphäre durch die freigesetzte Wärmeenergie ist und daher der Druck in einem unbegrenzten Raum schnell ansteigt.

Atombomben sind nicht darauf ausgelegt, kinetische Energie freizusetzen; Sie sind so konzipiert, dass sie thermische Energie freisetzen . Dies kann aufgrund einer Technik, die als ablativer Antrieb bekannt ist, immer noch funktionieren, was darauf hinausläuft, eine Oberfläche eines Objekts bis zu einem Punkt zu überhitzen, an dem die Oberfläche zu einem Plasma wird, das das Objekt schnell in die entgegengesetzte Richtung zu der Richtung drückt, in die die erhitzte Oberfläche zeigt.

Diese Art des Denkens über den Antrieb scheint hinter den theoretischen Triebwerkssystemen von Nuclear Pulse Propulsion zu stehen, wie sie ursprünglich für das Projekt Orion geplant waren. Meine bisherige Lektüre dazu scheint darauf hinzuweisen, dass der Plan darin bestand, Atombomben außerhalb des Schiffes zur Detonation zu bringen und die Explosion eine Druckplatte auf der Rückseite des Schiffes treffen zu lassen und es in diese Richtung zu schieben. Was in all diesen Mainstream-Artikeln unklar ist, ist, wie diese Druckwelle erzeugt wird, aber das Beste, was ich mir vorstellen kann, ist, dass die Masse der Bombe selbst zu einem überhitzten Plasma werden würde, das gegen die hintere Platte des Schiffes drücken würde. Das Beste, was mir in Bezug auf die Umwandlung von Kernenergie in kinetische Energie im Weltraum einfallen konnte, war ein Verweis auf Electrical v Direct Thrustüber Fusionsantriebe, aber selbst es spricht davon, dass das Plasma eingedämmt werden muss, um die Reaktion aufrechtzuerhalten, was meiner Meinung nach widersprüchlich erscheint.

Wenn dies nicht der Gedanke hinter der Kernimpulstheorie ist und Sie wissen, was es ist, hinterlassen Sie es in den Kommentaren und ich werde es mit voller Anerkennung in meine Antwort integrieren. Aber zurück zum eigentlichen Thema...

Im Weltraum gibt es keine Atmosphäre zum Aufheizen, also keine lokale Druckdifferenz, also keine Druckwelle. Was passieren WIRD, ist, dass die Wärmeenergie Ihr Schiff und das Projektil im Wesentlichen verdampft, indem sie alle gleichmäßig erhitzt werden.

Um fair zu sein, führt dies zu dem oben erwähnten ablativen Antrieb für Ihr Schienenprojektil; Als Schwachpunkt in der Eindämmung wird es zuerst abbrechen (oder herauskommen), aber ohne ernsthafte Berechnungen habe ich keine Ahnung, wie schnell es aus dem Lauf entkommen wird, wie viel davon übrig bleibt, um das Ziel zu treffen, oder selbst wenn es überhaupt aus dem Fass entweichen würde, bevor die thermische Energie es ausdehnt (und das Fass zusammenzieht), bevor es entweicht.

Bevor es jemand sagt, ja, das Fass wird sich verengen. Wenn sich das Metall ausdehnt, dehnt sich auch das innere Metall des Fasses aus, was bedeutet, dass das Loch durch Quellen kleiner wird.

Waffen wie Kanonen, Pistolen, Gewehre und Railguns arbeiten durch die kinetische Energie expandierender Gase. Die Idee ist, dass Schießpulver, wenn es verbrannt wird, eine große Menge heißes Gas in einen begrenzten Bereich freisetzt und den schwächsten Punkt der Sicherheitskammer herausdrückt, der zufällig die Kugel ist. Dies projiziert es plötzlich in die Richtung Ihrer Wahl. Ja, verbranntes Schießpulver ist heiß, aber es ist nicht die Hitze, die die Kugel herausschießt; Es sind die expandierenden Gase.

Im Weltraum hat Ihr Aufbau keine Atmosphäre, die sich ausdehnen könnte, und selbst wenn dies der Fall wäre, stellt die darauf übertragene kinetische Energie nur etwa die Hälfte der Energie dar, die ein Nukleargerät erzeugen kann, was es zu einer ineffizienten Energiequelle für Sie macht zu versuchen, und würde ein so robustes, schweres Schiff erfordern, um der Verdampfung lange genug standzuhalten, um den Großteil der Energie auf das Projektil zu übertragen, so dass es als Investition unwirtschaftlich wird.

Für mein Geld wären Sie viel besser dran, in ein Kernkraftwerk zu investieren, das elektrische Kondensatoren speist, die in der Lage sind, einen plötzlichen Energiestoß freizusetzen, um Ihre Kugel anzutreiben. Weitaus effizienterer Prozess der Umwandlung von thermischer in kinetische Energie (über vorübergehende Elektrizität), wiederverwendbar und weniger gefährlich für den Rest Ihrer Flotte, da nicht bei jedem Schuss Trümmerfelder erzeugt werden.

Auch wenn ich seine Praktikabilität in Frage stelle, ist dies nicht ungefähr analog zum Konzept der nuklearen Impulsrakete?
@CortAmmon du hast recht; Das hatte ich vergessen, bis du es erwähnt hast. Ich habe es nur kurz überprüft und das meiste Material, das ich dazu finden kann, spricht über bestimmte Impulse, geht aber nicht im Detail darauf ein, wie die Druckwelle im Weltraum tatsächlich funktioniert . Es scheint damit zusammenzuhängen, dass die umgebende Masse in Plasma umgewandelt wird. Ich werde in den nächsten Stunden noch etwas recherchieren und entsprechend bearbeiten.
Diese Antwort überzeugt mich nicht. Die Operation Plumbbob hat gezeigt, dass so etwas zumindest möglich ist, obwohl es eine Gastrennung zwischen dem Kernsprengstoff und dem Projektil und wahrscheinlich eine viel schwächere Nuke als solche wie Fat Man (geschweige denn Tsar Bomba) erfordern könnte.
@Ingolifs Das Problem beim Vergleich der Operation Plumbbob mit diesem Szenario besteht darin, dass sie auf der Erde und nicht im Weltraum durchgeführt wurde. Die Erde hat eine Atmosphäre, die als expandierendes Gas und Plasma erhitzt werden kann, der Weltraum hat kein Medium, in dem sich die Druckwelle ausbreiten kann.
Ich habe meine ursprüngliche Frage so bearbeitet, dass sie eine Materialmasse zwischen dem Projektil und dem Kernsprengstoff enthält, die zu Gas und Plasma verdampft.

Während das, was Sie beschreiben, eine Variation des "Plum Bob" -Tests zu sein scheint, besteht das Problem darin, die Energie des Geräts mit dem Projektil zu koppeln. Der Plum Bob hatte eine Schockwelle, die sich über die Länge von etwa 500 Fuß des Schafts ausbreitete und die Kappe mit der 5-fachen Fluchtgeschwindigkeit beschleunigte. Eine viel höhere Leistung hätte erreicht werden können, wenn der Schacht mit Wasser gefüllt gewesen wäre. Die von der Nuklearvorrichtung freigesetzte Röntgenstrahlung hätte das Wasser in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde in ein Plasma umgewandelt, und das Plasma hätte dann die Kappe mit einer viel höheren Beschleunigung angetrieben. One-Shot-Geräte könnten hergestellt werden, indem man ein billiges 200-m-"Fass" aus gegossenem Regolith gießt, es mit Wasser füllt und dann die Kappe und das "Physikpaket" an gegenüberliegenden Enden des Fasses anbringt.

Es wird auch hoffnungslos unhandlich und wahrscheinlich nicht erfolgreich sein, es sei denn, die Kappe ist so konstruiert, dass sie fragmentiert und wie Kugeln einer riesigen Schrotflinte durch die Schlagzone geht. Für eine verarmte Weltraummarine oder etwas Billiges, das man auf dem Boden, der Oberfläche eines Mondes oder eines kleinen Asteroiden errichten kann, ist das vielleicht genau das Richtige. Wenn wir uns jedoch den Orion Nuclear Pulse Drive ansehen , können wir ein weitaus kompakteres und nützlicheres Gerät herstellen.

Was Sie wirklich wollen, ist ein Nukleargerät der " dritten Generation ". Dabei werden verschiedene Konstruktionsmethoden verwendet, um die Energie der nuklearen Detonation zu fokussieren oder zu lenken, um Waffeneffekte anzutreiben. Obwohl diese als Sprengköpfe gelten, können die Effekte über eine große Entfernung projiziert werden, sodass sie effektiv auch "Waffen" sind. Tough SF hat die meisten detaillierten Informationen über die Casaba-Haubitze , Nuclear Shaped Charge und EFP , und Atomic Rockets hat einen weiteren Abschnitt, der auch über die Verwendung des Nukleargeräts zur Beschleunigung von Pellets mit Hypergeschwindigkeit (bis zu 100 km/s) spricht. Dies ist das Projekt PROMETHEUS, und die Informationen sind tief im Abschnitt vergraben.

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Orion Nuclear Pulse Unit. Die Prinzipien dahinter sind die Grundlage der Atomwaffen der dritten Generation

Aus den verschiedenen Beschreibungen auf den Websites geht hervor, dass das Projizieren fester Pellets im Schrotflintenstil auf ein Ziel mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 km / s erfolgen kann, wobei selbst 2-Gramm-Pellets die kinetische Energie haben, die Dynamitstangen entspricht. EFP- und Hohlladungswaffen können Ströme aus flüssigem Metall oder festen Geschossen mit Geschwindigkeiten projizieren, die bei kleinen Bruchteilen von c messbar sind, und eine Casaba-Haubitze projiziert einen Strom aus energiereichem Plasma mit genügend Geschwindigkeit und Energie, um eine hochenergetische Laserwaffe ohne die schwere Stromerzeugung zu simulieren Systeme, teurer optischer Zug und große Kühlsysteme, die für Laser benötigt werden.

Wenn Ihr grundlegendes Weltraumkriegsschiff ein „Kineticstar“ ist, der diese Sprengköpfe mit mehr als 15 km/s (zweifache Erdumlaufgeschwindigkeit) zusammen mit einer Reihe von Ködern und Durchdringungshilfen abfeuert, sobald sie sich dem Ziel auf 1000 km nähern, dann wird es sehr spannend...