Kann ein Whipple Shield eine praktikable Methode zum Schutz im Weltraumkampf sein?

Der Whipple-Schild ist eine Form von beabstandeter Panzerung, die dazu führt, dass das ankommende Projektil einen Teil seiner Energie abgibt, bevor es auf den Hauptkörper des Schiffes trifft. Da sich die Physik von Hypervelocity-Einschlägen ziemlich von Dingen unterscheidet, die sich mit Geschwindigkeiten bewegen, die für Dinge auf der Erde üblich sind, ist die normale Form eines Whipple-Schildes eher ein dünnes Stück Aluminium, das mechanisch in einiger Entfernung vom Schiffsrumpf gehalten wird, als eine schwere Panzerung Platte (wie deutsche Panzer im Zweiten Weltkrieg oft gegen Ende des Konflikts getragen wurden).

Da der Whipple Shield im Allgemeinen dazu dient, die Energie von Mikrometeoren und kleinen Weltraumschrottstücken abzuleiten, funktioniert der dünne Schild aus Aluminium gut. Die ankommenden Partikel werden durch den Aufprall teilweise verdampft und was übrig bleibt, wird aufgebrochen und in einem Kegel zerstreut, sodass der Rumpf eher viele kleine Stöße als einen großen erhält.

Die Verwendung von Aluminium ist eher eine Frage der Praktikabilität als der Materialbeschaffenheit des Schildes geschuldet. Aluminium ist relativ günstig, einfach in die gewünschte Form zu bringen und vor allem sehr leicht. Mit der aktuellen und vorhersehbaren Technologie ist die wichtigste Überlegung für die Raumfahrt die Gesamtmasse des Schiffes, daher sollte ein Whipple-Schild dem Fahrzeug nicht zu viel zusätzliche Masse hinzufügen.

Die Projektile, die Sie beschreiben, haben weitaus mehr Energie als ein Mikrometeor oder ein kleines Trümmerstück. Wenn Sie die Geschwindigkeit angeben, kann die tatsächliche Aufprallenergie in Joule berechnet werden, aber es ist sicher anzunehmen, dass die Schnecke selbst bei "bloßer" Umlaufgeschwindigkeit mehr Energie hat als die Bindungsenergie, die die Moleküle des Schildes zusammenhält. Die Schnecke könnte durch den Aufprall schwer beschädigt oder sogar verdampft werden, aber die Hypervelocity-Pellets von DU werden dem Schiff immer noch beträchtlichen Schaden zufügen. (Bearbeiten, um hinzuzufügen: Bei diesen Geschwindigkeiten spielt es wirklich keine Rolle, woraus die Schnecke besteht; 5 kg Katzenstreu oder zusammengeknülltes Papiertuch haben genauso viel Energie. Die DU-Schnecke hat einen kleineren Querschnitt, wodurch es schwieriger wird, eine Zielerfassung zu erreichen, und der zerstreute Trümmerkegel wird mit DU wahrscheinlich enger sein).

Es gibt eine mögliche und praktische Methode, die Idee eines Whipple-Schildes zum Schutz des Schiffes zu verwenden, bekannt als "Kirklin Mines". Wie in Atomic Rockets beschrieben:

In AV:T gibt es kinetische Waffen namens "Kirklin-Minen" (erfunden von Kirk Spencer). Sie sind spottbillige Anti-Raketen-Waffen, die mit chemischen Treibstoffen betrieben werden, insbesondere Anti-Torch-Raketenwaffen. Die Idee ist, dass sie einen Bruchteil des Preises einer Rakete kosten und sie dennoch verschrotten können. Mit der Magie der Relativgeschwindigkeit müssen sie sich nur in den Weg stellen (deshalb werden sie gegen Fackelraketen eingesetzt, wenn die Relativgeschwindigkeit nicht groß genug ist, richtet die Mine möglicherweise nicht genug Schaden an, um die Rakete zu töten ).

In Ihrem Szenario wären die Kirklin-Minen einfache chemische Raketen oder Coilgun-Projektile mit einer schirmartigen Struktur an der Vorderseite, die in den Weg der ankommenden Projektile abgefeuert werden. Der Aufprall sollte weit genug vom Schiff entfernt sein, dass die Teile der zerstörten Geschosse in einem großen Kegel zerstreut werden, wobei nur sehr wenige das Schiff treffen (idealerweise hat das Schiff Zeit, sich aus dem Durchmesser des Kegels zu bewegen und erhält überhaupt keine Treffer). Selbst wenn die relative Geschwindigkeit nicht groß genug ist, um die ankommende Schnecke vollständig zu zerstören, wird die Energie des Aufpralls wahrscheinlich dazu führen, dass sie in mehrere Teile zerbricht oder sie taumelt und ihre Umlaufbahn auf unvorhersehbare Weise ändert und wahrscheinlicher ist das Schiff vermissen.

Wenn Sie mehr über Weltraumwaffen und Weltraumkrieg erfahren möchten, ist die Atomic Rockets-Site ein guter Ausgangspunkt, insbesondere hier: http://www.projectrho.com/public_html/rocket/spacegunconvent.php , aber sehen Sie sich auch die Posts von Rocketpunk Manifesto über Weltraumkrieg an : http://www.rocketpunk-manifesto.com/search?q=space+war

Whipple Shield ist definitiv die vernünftigste Lösung gegen die meisten Hypervolocity-Projektile. Es gibt jedoch eine große Vielfalt an Designs, und nicht alle Whipple-Schilde müssen unbedingt aus dünner Folie bestehen.

Das wesentliche Prinzip des Whipple-Schildes besteht darin, dass zwischen den Schichten des Schildes genügend Platz ist, damit sich das Projektil (oder Fragment), das auf eine Schicht auftrifft, ausdehnt und sich daher auf eine große Fläche ausbreitet, bevor es auf die nächste Schicht trifft . Es geht darum, die Wirkung über eine große Fläche zu verteilen.

Dies folgt dem allgemeinen Problem von Armor-vs-Waffe . Die Panzerung muss die gesamte Oberfläche des geschützten Objekts schützen, während die Waffe es nur an einem Punkt durchdringen soll. Deshalb benötigen Rüstungen oft deutlich mehr Ressourcen. In Anbetracht bestimmter balistischer Koeffizienten in Bezug auf Masse/Fläche [kg/m^2] sollten Sie immer davon ausgehen, dass die Dicke der Panzerung ungefähr proportional zur Dicke des Projektils ist . Der Penetrator mit dem höheren Seitenverhältnis hat die höhere Eindringtiefe oder Aufpralltiefe , die Sie mit einem Projektil einer bestimmten Masse und Geschwindigkeit (=> Impuls) erreichen können. Dies gilt sowohl für HEAT , APDFS als auch für Hypervelocity-Meteoriten und Projektile von Railgun.

Es geht also darum, das Projektil über die große Fläche zu verteilen . Das kann man auf verschiedene Weise erreichen, z. B. durch Erhitzen mit einem Laser (es kann verdampfen und sich ausdehnen), aber das Projektil ist schnell, was bedeutet:

• Sie haben kurze Zeit, um die erforderliche Energie für die Expansion zu übertragen ($E_{EXP}$) => benötigen eine hohe Stromquelle$P_{EXP} = E_{EXP}/t= E_{EXP} L/ v_{IN}$, wo$L$ist die Entfernung, aus der Sie mit der Bestrahlung beginnen und
• die Expansionsgeschwindigkeit$v_{EXP}=\sqrt{2E_{EXP}/m}$muss genügen. Der Expansionskegel mit Winkel$\alpha$kann berechnet werden als$tan\alpha = v_{EXP}/v_{IN}$wo$v_{IN}$ist die Einfallsgeschwindigkeit des Geschosses.

=> Sie können sehen, dass die Leistung des Verteidigungslasers superlinear von der Geschwindigkeit des eintreffenden Projektils abhängt$~v_{IN}^{3/2}$.

Eine viel bessere Möglichkeit, ein ankommendes Projektil schnell genug zu erhitzen, um es mit seiner eigenen Energie durch Aufprall auf eine beabstandete Panzerung zu erhitzen - das ist das Prinzip des Whipple-Schildes.

Durch Aufprall zwischen Massegeschossen$m_1$auf Element der Rüstung der Masse$m_2$Sie gewinnen Energie entsprechend der Impulserhaltung$\Delta E = m_1 v_{IN}^2/2 - (m_1+m_2)(m_1/(m_1+m_2)v_{IN})^2/2 = (m_1(m_1+m_2)-m_1)/((m_1+m_2)) v_{IN})^2 = m_1m_2/(2(m_1+m_2)) v_{IN}^2$

Mit anderen Worten$\Delta E = m_1m_2/(m_1+m_2) E_{IN}$In Anbetracht dieses Verhältnisses$f_M = m_2/m_1$proportional zum ballistischen Koeffizienten des Projektils und der Flächendichte (also Dicke) der Panzerung ist, muss die Dicke der Panzerung ausreichend sein.

$\Delta E = f_M/(1+f_M) E_{IN} = 1-1/(1+f_M) E_{IN}$Sie sehen, dass Sie das Verhältnis so hoch wie möglich machen müssen, um eine ausreichende Expansionsgeschwindigkeit zu erreichen$v_{EXP}$(oder Ausdehnungswinkel$\alpha$).

Es gibt also einen grundlegenden Kompromiss für den Whipple-Schild :

• Entweder machen Sie die Dicke jeder Schicht hoch (so dass Sie den größten Teil der Vorwärtsgeschwindigkeit des Projektils transformieren$v_{IN}$in seitliche Expansionsgeschwindigkeit$v_{EXP}$)
• Oder Sie machen die Trennung zwischen den Schichten hoch, so dass Sie mit engen Expansionswinkeln gut auskommen$\alpha$
  • allerdings muss auch in diesem Fall die Dicke der ersten Schicht (also in Wärme umgewandelte Energie) ausreichen, um das Projektil zu verdampfen .

Der relevante Faktor hier ist, wie viel Geschoss durch wie viel Panzerung zerlegt werden kann. Schauen wir uns zunächst die Materialeigenschaften der Waffe an, gegen die Sie antreten. Dafür werde ich die in den USA hergestellte Panzerabwehrpatrone M829A3 DU als Basislinie verwenden und die Dinge dann skalieren, um sie an Ihr Szenario anzupassen. Der M829A3 feuert einen DU-Penetratorstab mit einer Masse von 10 kg, einer Länge von 800 mm und einem Durchmesser von 25 mm ab. Die vorderen 100 mm bestehen aus gehärtetem Stahl, der Rest ist DU. Wenn Sie dieses Seitenverhältnis für ein 5-kg-Projektil beibehalten, erhalten Sie eine Stange mit einem Durchmesser von etwa 19,4 mm und einer Länge von 622 mm mit einer 78-mm-Stahlspitze. Da dies für eine Weltraumschlacht gilt, bei der die Projektilgeschwindigkeit für die Landung von Treffern entscheidend ist, nehmen wir an, Sie schießen mit einer Railgun oder einer leichten Gaskanone mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 3-7 km/s.

Mit diesem praktischen Rechner http://www.longrods.ch/perfcalc.php können wir abschätzen, dass dieses Projektil ca. 760-829 mm Panzerstahl durchdringen kann, während Mikrometeore nur etwa 0,01-4 mm derselben Panzerung durchdringen können .

Aber die totale Durchdringung ist hier nicht der einzige Faktor. Der Grund, warum Wiffle-Schilde funktionieren, liegt darin, dass Mikrometeore winzig und nicht superhart oder hitzebeständig sind und daher beim Kontakt mit ziemlich dünner Panzerung sehr schnell verdampfen. Obwohl ein solches Projektil bei einer Geschwindigkeit von 20 kps bis zu 4 mm durchdringen kann, können sie geschmolzen werden und bei Aufprallgeschwindigkeiten von ~ 100-1000 mps zerbrechen, je nachdem, woraus es besteht; So kann selbst ein 0,8-mm-Stahlschild den absolut übelsten Mikrometeor aufbrechen, der nur 1/20 der gesamten kinetischen Energie des Projektils aufhalten muss.

Im Gegensatz dazu sind DU-Penetratoren häufig mit gehärteten Stahlspitzen versehen, die so konstruiert sind, dass sie nicht brechen. Selbst wenn sie so leicht zerfallen wie Meteore (was sie nicht tun), bräuchte es immer noch mehrere Zentimeter dicke Stahlplatten, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen.

Ihre Kohlenstoffnanoröhren (oder wahrscheinlicher Graphen) sind viel schwieriger, genaue wissenschaftliche Daten zu finden, aber sie sollten ein gutes Stück besser abschneiden als Stahl. Damit der Aufprall genügend Wärme erzeugt, um die Stahlspitze zu schmelzen, bevor die Spitze schmilzt oder in die Kohlenstoffpanzerung eindringt, wären etwa 2–3 cm Kohlenstoff erforderlich.

Allerdings würde so viel Graphen wahrscheinlich genug Widerstand bieten, um das Projektil zu zerbrechen und abzulenken, wodurch es kein Peitschenschild mehr wäre. Außerdem ist es etwa 60-90 Millionen Schichten dick, wodurch die Kosten für die Herstellung einer solchen Rüstung die Vorteile bei weitem überwiegen.

Kurz gesagt, die Antwort lautet wahrscheinlich nein, Wiffle-Rüstungen werden zu schwer sein, um eine 5-kg-DU-Penetrator-Kugel wirksam abzuschrecken, es sei denn, Sie sehen sich massive Großkampfschiffe an (an diesem Punkt stehen sie wahrscheinlich vor etwas Größerem als 5-kg-Kugeln). . Etwas mehr wie die reaktive Panzerung eines Panzers (die darauf ausgelegt ist, diese Art von Waffe zu stoppen) wird viel kosten- und masseneffizienter sein. Das heißt, Raumschiffe sind keine Panzer. In Wirklichkeit gibt es wahrscheinlich keine Rüstung, die tatsächlich leicht genug ist, dass Sie sie auf einem Raumschiff verwenden möchten, um diese Art von Granaten zu stoppen. Stattdessen macht es für Ihr Schiff mehr Sinn, sich auf Faktoren wie Manövrierfähigkeit, enge Querschnitte, Kiting und Kompartimentierung zu konzentrieren, um die Überlebensfähigkeit gegen eine solche Waffe zu erhöhen. Sehen:Welche Schiffsform wäre im realen Weltraumkampf am effektivsten? für mehr zu diesem Thema.