Handspulenkanone - Genug, um die Gliedmaßen eines riesigen Roboters in Stücke zu reißen

Ein Problem, das Sie in der schriftlichen Frage nicht berücksichtigt haben, ist, wie genau das Gerät mit Strom versorgt wird. Coilguns oder verwandte Geräte wie Railguns verwenden elektrische Energie, sodass der Soldat entweder eine Art Generator oder einen ziemlich gigantischen Satz Batterien oder Kondensatoren benötigt, um die Waffe mit Strom zu versorgen. Die physische Größe wird also ziemlich beeindruckend sein, eher wie eine Kanone als ein Antimaterialgewehr.

Der vielleicht einfachste Weg, eine Art Tragbarkeit bereitzustellen und die Rückstoßkräfte (die ziemlich beträchtlich sein werden) zu mildern, besteht darin, die Waffe mit chemischem Sprengstoff (einer kompakten Energiequelle mit hoher Dichte) durch einen MHD-Generator zu treiben. Die Sprengstoffe werden in einer Kammer mit offenem Ende zur Detonation gebracht, und der Überschallgasstrom strömt durch den MHD-Generator, um die Energie zum Antreiben der Spulen bereitzustellen eine Rückstoßkanone (Backblast und sichtbarer Blitz)

Ein weiteres Problem ist, dass Coilguns gegen die starken Magnetkräfte und ein Mittel zur Ableitung der Wärme in den Spulen und Schaltgeräten abgestützt werden müssen, sodass die Analogie einer Kanone eigentlich ziemlich genau ist, insbesondere wenn Sie ein sehr kleines Projektil abfeuern mit Megaschallgeschwindigkeit (wie Mach 400+ in JerryTheCs Antwort).

Die obligatorische Atomic Rockets -Seite hilft Ihnen, die endgültige Größe der Coilgun, die Projektilmasse und die tatsächlich benötigte Energie zu berechnen, aber hier ist ein Anfang:

Hier ist eine schnelle Methode, um abzuschätzen, welche Art von Leistung Sie aus einer Coilgun herausholen können. Einige Leute hier könnten es interessant finden.

Entscheiden Sie zunächst über die Effizienz Ihrer Coilgun. Coilguns sind lineare bürstenlose Elektromotoren, und bürstenlose Elektromotoren haben Wirkungsgrade von 90 % bis 95 % gezeigt. Supraleitende Elektromotoren könnten Wirkungsgrade von 98 % bis 99 % haben. Bezeichnen Sie dies als Dezimalzahl und nennen Sie es e; das ist e = 0,9 bis e = 0,95.

Als nächstes entscheiden Sie sich für die Länge und den Radius Ihres Projektils. Entscheide, woraus dein Projektil besteht und finde seine Masse

Masse = Dichte * Länge * Radius2 * &pi (und denken Sie daran, konsistente Einheiten zu verwenden).

Finden Sie auch die Projektilquerschnittsfläche

Fläche = Radius2 * π

Entscheiden Sie, wie schnell Ihr Projektil fliegen soll, und ermitteln Sie seine endgültige kinetische Energie

kinetische Energie = 0,5 * Masse * Geschwindigkeit2 (denken Sie wieder daran, konsistente Einheiten zu verwenden).

Anhand der Effizienz Ihrer Coilgun können Sie herausfinden, wie stark sich Ihr Projektil aufheizt. Sie können sich vorstellen, dass die Hälfte der verschwendeten Energie in das Projektil geht und Ihr Projektil somit eine Wärmeenergie von erhält

Wärmeenergie = 0,5 * (1/e - 1) * (kinetische Energie)

Schlagen Sie die spezifische Wärme des Materials nach, aus dem Ihr Projektil besteht, allgemein als C bezeichnet. Dann erreicht Ihr Projektil eine Temperatur von

Projektiltemperatur = (Wärmeenergie) / (C * Masse) (stellen Sie wieder sicher, dass Ihre Einheiten konsistent sind).

Nehmen Sie nun an, dass der Lauf mit Feld gefüllt ist und dass das Projektil das Feld aus dem Lauf fegt und die Feldenergie in kinetische Energie umwandelt (so funktionieren Coilguns nicht wirklich, aber es gibt die physikalische Obergrenze basierend auf der Energieeinsparung an). . Die Energiedichte beträgt etwa 400 kJ/m3/T2 mal dem Quadrat der Magnetfeldstärke (398.098 J/m3/T2 auf sechs signifikante Stellen). Nennen Sie diesen Wert K

K = 400 kJ/m3/T2

Sie kennen jetzt das Volumen, das im Lauf benötigt wird, basierend darauf, wie viel Energie das Projektil am Ende hat

Volumen = kinetische Energie / (K * (Magnetfeld)2)

Da Sie die Querschnittsfläche des Geschosses und damit des Laufs kennen, wissen Sie, wie lang der Lauf sein muss

Länge = Volumen / Fläche

Da Sie die Parameter haben, können Sie die tatsächliche Leistung Ihrer Coilgun berechnen. Alternativ können Sie jetzt von der Energiemenge, die Sie auf das Ziel aufbringen möchten, rückwärts arbeiten und Ihre Coilgun entwerfen.

Viel Glück!

Wie WhatRoughBeast betonte, sind Watt Leistung (Energieversorgungsrate) und Joule Energie (wie viel Energie insgesamt von Ihrem Kondensator gespeichert wird).

Wenn Sie wissen möchten, wie viel Energie auf Ihr Ziel übertragen werden kann, dann ist dies Ihr 1,1-GJ-faches der Effizienz Ihrer Coilgun (abzüglich aller Verluste aufgrund des atmosphärischen Widerstands).

Wenn Sie die Masse Ihres Projektils berechnen, können Sie die Mündungsgeschwindigkeit berechnen, ohne den Luftwiderstand zu berücksichtigen (was Sie bei Betrachtung des folgenden Ergebnisses wahrscheinlich nicht ignorieren können):

kinetische Energie des Projektils = 1,1 GJ * Effizienz, und da ke = 1/2 Masse mal Geschwindigkeit zum Quadrat, erhalten Sie (für nichtrelativistische Geschwindigkeiten) Geschwindigkeit zum Quadrat = ke / (0,5 * Masse), also Geschwindigkeit = Quadratwurzel von (ke / (0,5 * Masse))

als schnelle Plausibilitätsprüfung mit einem 100 g (0,1 kg) Projektil und 100 % Effizienz, die es gibt

V = sqrt(1,1x10^9 / 0,05) = 148.324 m/s oder etwa Mach 432.

Das ist schnell, aber bei weitem nicht in der Nähe von Lichtgeschwindigkeit. Aber es kann schnell genug sein, um sich Gedanken darüber zu machen, ob Ihr Projektil auf dem Weg zum Ziel verbrennt ...

Die Spezifikationen der Coilgun machen immer noch nicht viel Sinn, da das Projektil einen Durchmesser von 50 mm und eine Länge von nur 90 mm hat, was ein stumpfes Projektil ergibt, das überhaupt nicht gut zum Durchschlagen von Panzerungen geeignet ist. Trotzdem gehen wir mit.

Eine Stahlflasche mit diesen Abmessungen wiegt etwa 1,4 kg. Unter der Annahme einer 100%igen Coilgun-Effizienz ergibt dies eine Geschwindigkeit von etwa 40 km/s für 1,1 GJ, seitdem

$$\frac{mv^2}{2} = 1.1\times10^9$$ und $$v=\sqrt{\frac{2.2\times10^9}{m}}=\sqrt{\frac{22}{1.4}}\times 10^4=12.5\times10^4=40,000$$

Diese Seite diskutiert historische Formeln für die Rüstungsdurchdringung von Stahlpanzern, und diese verwenden imperiale Mengen, also

D = 2 Zoll

B = 3 Pfund

V = 132.000 Fuß/Sek

Eine repräsentative Formel für die Penetration bezogen auf den Projektildurchmesser (T/D) ist

$$\frac{T}{D}= (0.00005021) D^{0.07144}[(\frac{W}{D^3})(V/C)^2(2Cos^3(Ob)]^{0.71429}$$ wobei C in der Nähe von 1,2 liegt und Ob der Einfallswinkel ist. Unter der Annahme einer normalen Inzidenz beträgt der cos-Term 1 und fällt aus, wobei er austritt $$\frac{T}{D}= (0.00005021) D^{0.07144}[(\frac{W}{D^3})(V/C)^2]^{0.71429}$$ Knirschen durch diese gibt $$\frac{T}{D}=432.6$$ So $$T = 865\text{ inches} = 22\text{ meters}$$

Natürlich ist dies eine unrealistische Zahl, wie im Link besprochen, da die Projektilgeschwindigkeit viel größer ist als die Schallgeschwindigkeit in der Panzerung oder im Projektil. Nichtsdestotrotz deutet es darauf hin, dass das Durchdringen eines Meters Panzerung kein Problem sein sollte, solange der Aufprallwinkel ziemlich normal ist.

Eine andere Möglichkeit, das Problem zu betrachten, besteht darin, anzunehmen, dass das Projektil einen halbkugelförmigen Krater in der Panzerung erzeugt, indem es es verdampft. Ein solcher Krater hat ein Volumen von

$$V = \frac{1}{2}\frac{4\pi r^3}{3} = 2 m^3$$ Unter der Annahme einer Panzerdichte von 8000 kg/ $m^3$das ist eine Masse von 16000 kg. Die Verdampfungsenergie von Stahl beträgt etwa 6,8 MJ/kg, so dass dieses Worst-Case-Maß für die erforderliche Energie etwa 108 GJ beträgt.

Die Frage wird also sein, kann das Projektil während des Penetrationsprozesses seine Integrität bewahren? Wenn ja, scheint es wahrscheinlich, dass es einen Meter Panzerung durchdringen kann. Wenn 1 Meter Tiefe ausreicht, um den Aufprall zu verteilen, lautet die Antwort nein.

Ich vermute, dass angesichts der hohen Geschwindigkeiten eine Penetration stattfinden wird, wobei viel Energie übrig bleibt, um Schaden im Ziel zu verursachen. Wenn Sie den Durchmesser kleiner und die Länge größer machen, wird die Leistung verbessert.

BEARBEITEN - Es ist nützlich, Ihren vorgeschlagenen Penetrator mit einem echten zu vergleichen. Der Penetrator M829A1 wiegt 4,6 kg und hat eine Mündungsgeschwindigkeit von 5500 fps. Aus nächster Nähe durchdringt es 670 mm Stahlpanzerung, also scheint etwas mit der halben Masse, aber 24-facher Geschwindigkeit ein vernünftiger Kandidat für eine 50% bessere Durchschlagskraft zu sein. Der M829A1 ist jedoch 2 1/2-mal so dicht wie Stahl, erheblich härter als Stahl und als langer, schlanker Stab konfiguriert. All diese Dinge wirken gegen Ihr Coilgun-Projektil.

Nur zum Vergleich: Der KE des M829A beträgt etwa 6,4 MJ.