Atmosphärische Projektileintrittssimulationen

Ich habe ein bisschen Code zusammengestellt, um die Flugbahn von Projektilen zu berechnen, wenn sie durch die Erdatmosphäre fallen. Ich habe folgende vereinfachende Annahmen getroffen:

• Alle Projektile wurden aus einer kreisförmigen Umlaufbahn in gleicher Höhe wie die ISS (ca$400~\text{km}$).

• Die Atmosphäre dreht sich nicht ohne Winde und ist identisch mit der Standardatmosphäre .

• Alle Projektile fallen perfekt gerade: Es gibt keine seitlichen aerodynamischen Kräfte.

• Keine der Projektileigenschaften wird durch den Wiedereintritt verändert.

Ich habe zwei Szenarien für jedes Projektil berechnet. Die rote Flugbahn ist für eine Kugel, die in Richtung des Nadirs (gerade nach unten) abgefeuert wird, und die blaue Flugbahn ist für eine Kugel, die rückwärts (entgegen der Richtung der Umlaufbahn) abgefeuert wurde.

.50 BMG (Kugel, M33)

Die 50-Kaliber-Browning-Maschinengewehrpatrone wurde ursprünglich entwickelt, um eine Flugabwehrrolle zu erfüllen, wurde aber später zu einer beliebten Patrone für Scharfschützen. Seine hohe Masse hilft ihm, seine Geschwindigkeit und Genauigkeit auch bei Entfernungen von über einer Meile beizubehalten. Tatsächlich wurden mehr als die Hälfte der 15 längsten Scharfschützen-Kills mit der .50 BMG erzielt.

• Projektilmasse:$650~\text{gr}~(42~\text{g})$

• Projektildurchmesser:$0.510~\text{in}~(13.0~\text{mm})$

• Mündungsgeschwindigkeit:$3030~\text{fps}~(920~\text{m}/\text{s})$

• Luftwiderstand berechnet auf der Grundlage von Daten (pdf) des Ballistic Research Laboratory in Aberdeen (siehe Abbildung 19).

(Die gestrichelte Linie zeigt die Umlaufbahn, aus der die Projektile abgefeuert wurden.) Die Aufprallpunkte sind:

• Rückläufig:$2600~\text{mi}~(4180~\text{km})$runterschalten$12~\text{minutes,}~30~\text{seconds}$.

• Nadir:$2050~\text{mi}~(3300~\text{km})$runterschalten$9~\text{minutes,}~15~\text{seconds}$.

(Die gestrichelte Linie ist die untere Grenze der Stratosphäre bei$12~\text{km}$, etwas über der Reiseflughöhe der meisten Verkehrsflugzeuge.) Beachten Sie, dass beide Schüsse in einem steilen Winkel auftreffen. Obwohl die .50 im Vergleich zu den meisten Wiedereintrittsfahrzeugen (in Bezug auf den ballistischen Koeffizienten) schwer ist, verliert sie immer noch fast ihre gesamte Geschwindigkeit durch Ziehen und fällt am Ende ziemlich mit Endgeschwindigkeit.

(Oberhalb der gestrichelten Linie wird die Geschwindigkeit in Kilometern pro Sekunde gemessen; unterhalb der Linie wird die Geschwindigkeit in Machzahlen gemessen.) Auch hier sehen wir, dass der größte Teil der Geschwindigkeit in der dünnen oberen Atmosphäre verloren geht.

Dieses Diagramm zeigt die Gesamtenergieverlustrate der Projektile. Nicht die gesamte Energie wird das Projektil jedoch erhitzen: Tatsächlich wird ein guter Teil dazu verwendet, die Luft zu ionisieren und zu erhitzen, auf die das Projektil trifft.

Bei der Berechnung der Spitzenerwärmung gemäß diesem Dokument des Instituts für Verteidigungsanalyse (pdf) wird das Projektil Spitzentemperaturen von über$4000-5000~\text{K}$. Moderne ablative Hitzeschilde für Raumfahrzeuge sind so gebaut, dass sie bis zu etwa$2600~\text{K}$(obwohl klassifizierte Hitzeschildtechnologien für ballistische Raketensprengköpfe eine etwas bessere Leistung aufweisen können). Das bedeutet, dass das Projektil beim Eintritt sicher zerfallen würde.

30 × 173 mm (panzerbrechender Brand mit DU-Penetrator, PGU-14 / B)

Diese massive Granate wird von mehreren Autokanonen und Kettenkanonen verwendet, insbesondere von der GAU-8/A Avenger : die Hauptbewaffnung der Fairchild Republic A-10 Thunderbolt II „Warthog“ , einem Panzerabwehr-Luftunterstützungs- und Angriffsflugzeug (und einem persönlicher Favorit von mir). Das Projektil besteht aus einem "Mantel" aus Aluminium, der a umgibt$10\frac{1}{2}~\text{oz}~(300~\text{g})$ Penetrator für abgereichertes Uran

Obwohl die typische Genauigkeit der GAU-8-Autokanone nur 40 Yards auf 4000 Yards Entfernung beträgt, ist das Projektil wahrscheinlich in der Lage, eine ähnliche Genauigkeit wie typische Scharfschützengeschosse zu erzielen, wenn es mit einer geeigneten Waffe abgefeuert wird (obwohl eine solche Waffe für einen einzelnen Bediener zu groß sein kann, und wäre sicherlich nicht tragbar).

• Projektilmasse:$1~\text{lb}~8\frac{1}{2}~\text{oz}~(695~\text{g})$

• Projektildurchmesser:$1.18~\text{in}~(30.0~\text{mm})$

• Mündungsgeschwindigkeit:$3030~\text{fps}~(1010~\text{m}/\text{s})$

• Luftwiderstand berechnet auf der Grundlage von Daten (pdf) , die von der Universität Sarajevo vorgelegt wurden (siehe Abbildung 9).

Die Stoßstellen sind:

• Rückläufig:$2550~\text{mi}~(4100~\text{km})$runterschalten$10~\text{minutes,}~55~\text{seconds}$.

• Nadir:$2030~\text{mi}~(3260~\text{km})$runterschalten$7~\text{minutes,}~50~\text{seconds}$.

Obwohl die Schüsse jetzt deutlich unterschiedliche Flugbahnen haben, treffen sie beide wieder in fast demselben Winkel auf (obwohl beide horizontaler sind als die .50).

Diesmal behalten die Projektile ihre Geschwindigkeit bis in die Stratosphäre bei, sind aber immer noch auf die Endgeschwindigkeit beim Aufprall begrenzt.

Da der Großteil der Verzögerung in einem dichteren Teil der Atmosphäre auftritt, liegen die Spitzentemperaturen jetzt in der Größenordnung von$9\,000~\text{K}$.

120 mm APFSDS-T (DM13)

Die panzerbrechende, flossenstabilisierte Sabot-Runde ist ein Penetrator mit kinetischer Energie, der entwickelt wurde, um moderne Fahrzeugpanzerungen zu besiegen. Für eine maximale Durchdringung ist das Projektil eher pfeilförmig als kugelförmig. Das Projektil, zu dem ich Daten gefunden habe, ist das DM13, eine Nicht-DU-Patrone, ähnlich der 120-mm- M829 -Patrone, die vom Hauptkampfpanzer der Vereinigten Staaten, dem M1 Abrams , abgefeuert wird .

Da die Flossen das Projektil im Flug stabilisieren, werden APFSDS-Patronen von Kanonen mit glattem Lauf abgefeuert, die eine erhöhte Mündungsgeschwindigkeit ermöglichen. Dies ermöglicht eine überlegene Genauigkeit; Moderne Panzerbesatzungen können einen tödlichen Schuss auf einen anderen Panzer in mehreren Kilometern Entfernung abgeben. Aber auch hier ist es unwahrscheinlich, dass eine solche Waffe von einer einzelnen Person bedient werden könnte.

• Projektilmasse:$9~\text{lb}~12~\text{oz}~(4423~\text{g})$

• Projektildurchmesser:$1.50~\text{in}~(38~\text{mm})$

• Mündungsgeschwindigkeit:$5000~\text{fps}~(1500~\text{m}/\text{s})$

• Widerstand berechnet basierend auf Daten (pdf) des Ballistics Research Laboratory.

Die Stoßstellen sind:

• Rückläufig:$1950~\text{mi}~(3140~\text{km})$runterschalten$8~\text{minutes,}~40~\text{seconds}$.

• Nadir:$1340~\text{mi}~(2150~\text{km})$runterschalten$4~\text{minutes,}~40~\text{seconds}$.

Beide Schüsse haben extrem gerade Flugbahnen und treffen in flachen Winkeln auf, was darauf hinweist, dass sie die Geschwindigkeit bis zur Oberfläche beibehalten haben.

Diesmal treffen die Projektile mit Überschallgeschwindigkeit ein und liefern einen verheerenden Schlag, der die Fähigkeiten jeder modernen nicht-explosiven Patrone übersteigt.

Allerdings liegen die Spitzentemperaturen jetzt in der Größenordnung von$13\,000~\text{K}$. Obwohl die Erwärmung nur wenige Sekunden dauert (in der Atmosphäre verliert das Projektil jede Sekunde etwa einen Kilometer an Höhe), ist die Intensität so groß, dass das Projektil geschmolzen ist, wenn es die Oberfläche erreicht.

Postmortem

Wir können sehen, dass es einen grundlegenden Kompromiss zwischen Erwärmung und Aufprallgeschwindigkeit gibt. Das Projektil muss groß und leicht sein, um langsam abzubremsen und ein Verbrennen zu vermeiden; es muss jedoch auch schwer und dicht sein, um seine Geschwindigkeit beizubehalten. Es gibt keinen Mittelweg zwischen den beiden.

Dies bedeutet, dass ein erfolgreiches Projektil während seiner Flugbahn sein Aussehen ändern müsste, und da wir auf „ein einzelnes Stück Metall, keine Stufen oder Schichten“ beschränkt sind, ist dies nicht möglich.

Ein weiteres Problem ist die Genauigkeit. Da das Projektil mehrere Minuten braucht, um das Ziel zu treffen, gibt es keine Möglichkeit für einen zweiten, genaueren Schuss, nachdem der erste zum Zielfernrohr verwendet wurde. Dies, kombiniert mit der Tatsache, dass der Aufprallpunkt Tausende von Kilometern entfernt ist, bedeutet, dass die gesamte Zielerfassung computerisiert wird.

Die Position des Schützen kann ziemlich genau (innerhalb von Metern) per GPS ( sogar im Orbit ) bestimmt werden. GPS gibt auch genaues Timing. Star Tracker können eine Winkelauflösung von Millibogensekunden mit Reaktionsrädern zum Zeigen liefern. Die größte Herausforderung sind aerodynamische Störungen:

• Das erste Problem ist die Ausrichtung des Geschosses. In den obigen Diagrammen wird das Projektil nach rechts oder unten geschossen, tritt aber nach links in die Atmosphäre ein. Somit müsste das Projektil rückwärts geschossen werden.

• Das zweite Problem ist die Stabilität. In der sehr dünnen oberen Atmosphäre funktioniert die Spinstabilität nicht, wenn das Projektil lang und dünn ist. Explorer-1 (der erste Satellit der Vereinigten Staaten) wurde entwickelt, um sich um seine Längsachse zu drehen, ohne die (mathematisch schwierige) Dynamik der freien Rotation in 3D zu berücksichtigen, und er ging vorhersehbar schnell in eine „flache Drehung“ über. Dies garantiert ziemlich genau, dass eine träge Kugel beim Eintritt in die Atmosphäre taumeln würde, egal wie wir versuchen, sie zu stabilisieren.

• Das dritte Problem ist der Wind: Der Schütze müsste nämlich Winde durch die gesamte Höhe der Atmosphäre berücksichtigen; und in der Lage sein, die (sehr chaotischen) Winde fast zehn Minuten im Voraus vorherzusagen.

Eine Alternative

Wenn Sie wirklich darauf aus sind, jemanden aus dem Weltraum zu erschießen, brauchen Sie ein aktives Projektil. Das Projektil sollte bestehen aus a$1.5~\text{m}$langer Wolfram-Penetrator, umgeben von einem großen Sabot aus einer leichten isolierenden Keramik mit einer ablativen Beschichtung. Der Sabot benötigt eine große, flache Front. Schließlich sollte das Projektil einen großen Festkörpermotor und eine Variante von Festkörper-Lagetriebwerken enthalten .

• Zuerst würde das Projektil mit seinem Ziel programmiert und mit einer relativ geringen Geschwindigkeit von der Startplattform abgefeuert.

• Sobald der Feststoffmotor gut vom Werfer getrennt ist, führt er eine Deorbit-Verbrennung durch.

• Wenn das Projektil in die Atmosphäre eintritt, schützt die ablative Beschichtung den Penetrator vor Erwärmung.

• Unmittelbar nach der Spitzenerhitzung wird der Sabot (zusammen mit dem soliden Motor) mit pyrotechnischen Befestigungselementen abgeworfen.

• An diesem Punkt beginnt der Penetrator, aerodynamische Manöver (wie eine Rakete) anzuwenden, wenn er mit seiner Endgeschwindigkeit von Mach 2 fällt.

• Der Penetrator verwendet GPS für die Terminalführung und schlägt innerhalb von Metern um das Ziel herum ein.

Es war nicht möglich, egal wie unwahrscheinlich geschickt der Scharfschütze war, da ihm die zum Zielen erforderlichen Informationen fehlten.

Normale Scharfschützen müssen mehr berücksichtigen als die Richtung, in die sie schießen, sie müssen das Wetter berücksichtigen. Scharfschützen werden ... gut und effektiv Flaggen verwenden, um Windgeschwindigkeit und -richtung zu bestimmen, damit sie sich darauf einstellen können; weil sonst die Kugel beim Fliegen vom Kurs abgeblasen wird. Je länger die Fahrt, desto mehr Zeit hat der Wind, die Kugel vom Kurs abzubringen.

Stellen Sie sich nun einen Schuss aus dem Orbit vor. Es wird eine viel längere Strecke zurücklegen und daher viel länger Zeit haben, um natürlich abgeblasen zu werden. Es wird auch durch hohe Atmosphäre reisen, wo die Windgeschwindigkeiten viel größer und viel chaotischer sind. Wind und Thermik werden einen erheblichen Einfluss auf die Flugbahn der Geschosse haben.

Das Problem ist, dass er so weit schießt, dass sich die Windgeschwindigkeit und -richtung ändern, wenn die Kugel fliegt. Dies gilt insbesondere, weil er durch die Atmosphäre feuert. Die Geschwindigkeiten und Richtungen der Winde sind in der oberen Atmosphäre nicht nur viel größer, sondern ändern sich auch erheblich, wenn Sie durch die Atmosphäre reisen. Es gibt viele Winde, Thermik und andere Wettermuster, durch die seine Kugel fliegen wird.

Selbst wenn wir davon ausgehen, dass Ihr Scharfschütze ein Roboter mit einer unglaublich perfekten KI war, die sich sofort an komplexe mathematische Berechnungen wie die Rotation der Umlaufbahn, die Fallgeschwindigkeit der Kugel und sogar die Änderung der Masse der Kugel anpassen könnte (sie wird bei den Geschwindigkeiten an Masse verlieren). es bewegt sich, und diese Änderung hätte einen spürbaren Effekt) kann Ihr Roboter den richtigen Schusswinkel nicht berechnen, es sei denn, er kennt alle Wettermuster von hier bis zu Ihrem Ziel. Es reicht nicht aus, eine einzelne Flagge zu verwenden, Sie müssen Informationen über Wettergeschwindigkeiten in der gesamten Atmosphäre kennen. Er würde mindestens Dutzende von Datenpunkten benötigen, um genügend Informationen über die Windgeschwindigkeiten entlang der Flugbahn der Kugel zu haben, um genügend Rohdaten zu haben, um solche Informationen berechenbar zu machen.

Wenn er nicht Dutzende von Wetterballons hat, die in einer recht diagonalen Linie zu seinem Ziel fliegen, hat er einfach nicht genug Rohdaten, um mit einer auch nur annähernd zuverlässigen Genauigkeit zu berechnen, wohin er schießen muss, egal wie perfekt er ist.

Dazu kommt ein noch langweiligeres Problem. Selbst wenn er perfekt schießt, wird er sein Ziel nicht treffen, weil sein Ziel nicht da ist, wenn es ankommt. Die ISS ist ziemlich weit vom Boden entfernt, 400 km um genau zu sein, und es braucht Zeit, um so weit zu reisen.

Angenommen, Ihre Kugel bewegt sich mit Unterschallgeschwindigkeit (wenn sie mit Überschallgeschwindigkeit fliegt, haben Sie ganz andere Probleme), kann sie nicht schneller als 342 m / s fliegen. Selbst wenn wir im Zweifelsfall davon ausgehen, dass Sie direkt nach unten schießen und die Kugel es schafft, während der gesamten Fahrt genau an der Schallmauer zu bleiben, würde es immer noch über 19 Minuten dauern, bis sie den Boden erreicht. Sie können den Standort Ihres Ziels nicht 19 Minuten im Voraus vorhersagen, wenn Sie schießen. Sie müssten Ihre Kugel während der gesamten Fahrt zuverlässig mit Mach 10-Geschwindigkeit bewegen, um Ihr Ziel in weniger als 2 Minuten zu erreichen, und selbst das ist wirklich zu lang, um eine zuverlässige Chance zu haben, vorherzusehen, wo er sein wird.

Nur wenn die Kugel wirklich groß ist.

Das Problem, jemanden mit einer Kugel aus dem Weltraum zu treffen, besteht darin, dass jeder winzige Luftstrom, den Sie nicht genau vorhergesagt haben, Ihr Ziel verfehlen wird. Wenn Sie eine Kugel durch die gesamte atmosphärische Säule schießen, wird es solche Luftströmungen geben. Über ein paar Sekunden, durch ein paar Meilen Luft, kann es möglich sein, das Windverhalten genau vorherzusagen, aber bei einer Fluggeschwindigkeit von fünffacher Schallgeschwindigkeit (auf Meereshöhe) fliegt Ihr Scharfschützengeschoss etwa fünf Minuten lang bevor es sein Ziel trifft. Sie müssen nicht nur genau wissen, wie die Windverhältnisse unter Ihnen sind, sondern auch wissen, wie sie sich in dieser Zeit verhalten werden.

Mit einer ausreichend großen Waffe, die ausreichend große Kugeln abfeuert, müssen Sie natürlich nicht perfekt zielen. Solange Sie beim Auftreffen genügend kinetische Energie freisetzen, um alles im Umkreis von wenigen Metern oder Dutzenden Metern um den Aufprallpunkt herum zu verdampfen, kann Ihre Kugel vom Wind ein wenig herumgewirbelt werden, ohne dass etwas beeinträchtigt wird.

Mit einer ausreichend großen Waffe spielt es keine Rolle, ob das Ziel tief in einem unterirdischen Silo vergraben ist, finden Sie einfach eine Waffe, die diese schießen kann:

Im Bild: eine sehr große Kugel.

Nachtrag: Der Chicxulub-Meteor ist wahrscheinlich etwas groß, um als "Kugel" zu gelten, aber kleinere Projektile funktionieren, solange Sie sie schnell genug bewegen. So etwas wie eine 200-Gigajoule-Railgun wird wahrscheinlich ausreichen.

1- Woraus sollte das Geschoss bestehen, wie sollte es geformt sein und wie sieht es vorher und nachher aus?

Die Munition muss aus einem Material bestehen, das der Hitze des Wiedereintritts standhält. Wolfram oder eine Art Spezialkeramik sollte ausreichen. Es ist schwierig, die richtige Hyperschallform zu finden, aber ein stabförmiges Objekt mit einem kleinen Frontquerschnitt wird weniger Energie abgeben als die runden flachen Frontflächen, die in Wiedereintrittsfahrzeugen mit menschlicher Bewertung verwendet werden.

2- Angenommen, das Ziel befindet sich auf dem Äquator. An welcher Stelle schießt man am besten auf ihn und wohin zielt man?

Jeder, der Kerbal Space Program spielt, wird Ihnen sagen, dass es schwierig ist, ein Projektil aus der Umlaufbahn zu entfernen, sodass es einen bestimmten Punkt trifft. Hier ist ein Videovon Scott Manley, der versucht, Präzisionstreffer mit einem Telefonmast aus Wolfram aus dem Orbit auszuführen. Er braucht mehrere Versuche, um ein Ziel von der Größe eines Gebäudes zu treffen. Deorbiting eines kleinen Projektils, das sich natürlich noch leichter abblasen lässt als ein Wolfram-Telefonmast. Das Treffen eines sich bewegenden Ziels ist eine Bazillion zu einem Schuss. Das einfache Zielen aus der Umlaufbahn erfordert lächerliche Datenmengen, um die Umlaufbahnrotation, die Thermik in der Atmosphäre, die genauen Flugeigenschaften beim Wiedereintritt, die genaue Umlaufbahnhöhe, die Ladungseigenschaften in der Ionosphäre und Stratosphäre, die genaue Zielposition usw. usw. zu berücksichtigen Munition ist Ihre einzige Chance, den armen Saft, den Sie töten wollen, tatsächlich zu treffen.

Ich habe einmal gehört, dass die Genauigkeitsanforderungen für das Hubble-Weltraumteleskop dem entsprechen, einen Laserpointer auf das Washington Monument in Washington DC zu kleben und einen Cent zu treffen, der auf dem Empire State Building in NYC platziert ist. Angesichts der Entfernungen sind die Genauigkeitsanforderungen für diese Waffe im Weltraum ziemlich ähnlich.

3- Passiert etwas besonders Interessantes beim Aufprall?

Es macht ein großes blutiges Durcheinander. Alles mit ausreichender Masse, um den Schwung aufrechtzuerhalten, der durch die Atmosphäre aus dem Orbit abbremst, während es auf dem Ziel bleibt und einen erheblichen Teil der Orbitalgeschwindigkeit erreicht, wird alles, was es trifft, absolut zerstören. Kinetische Energie berechnet sich mit:

$E_\text{k} =\tfrac{1}{2} mv^2$

wobei m die Masse und v die Geschwindigkeit ist. Ein Objekt in LEO hat also eine Geschwindigkeit von 7,8 km/s. Nehmen wir an, die Munition wiegt 10 kg und hat 2,8 km/s durch den Wiedereintrittswiderstand verloren. Also 0,5 x 10 kg x 5,0 m/s^2 = 125 000 000 Joule = 125 Megajoule. Wenn wir diesen Rechner verwenden , um zwischen Joule und Tonnen TNT umzurechnen, erhalten wir 29,5 kg TNT. (Die Seite vermerkt nicht, welche Art von Sprengstoff verwendet wird, aber TNT ist eine sichere Annahme.)

Sie müssen also nicht genau nah herankommen, aber es ist wirklich schwierig, nah dran zu sein.

Die meisten technischen Probleme wurden in anderen Antworten angesprochen, daher sind hier einige Probleme, die erweitert werden sollten:

1. Eine Kugel aus einem einzigen Material wird nicht funktionieren, da sie auf ihrem Flugweg viele verschiedene Regime bewältigen muss, vom Weltraum über den Eintritt in die Atmosphäre bis hin zum Fliegen mit Endgeschwindigkeit zum Ziel, sobald es die Plasmahülle verlässt. Ein dichter Kern aus etwas wie Wolfram oder abgereichertem Uran wird benötigt, um die hohe Dichte bereitzustellen, um die Atmosphäre zu durchdringen, ohne zu viel Geschwindigkeit zu verlieren. Eine Art keramischer "Mantel" wird benötigt, um die Auswirkungen des Wiedereintritts zu reduzieren (andernfalls wird Ihre Kugel zu einem Strom aus geschmolzenem Metall, der über den Himmel fliegt) und um die Geschwindigkeit zu erreichen, die erforderlich ist, um der Umlaufbahn der ISS entgegenzuwirken und wieder in die Atmosphäre einzutreten. Ich würde eine leitfähige Schicht vorschlagen, die mit dem elektromagnetischen Feld einer Spulenkanone interagieren kann (oder alternativ einen Sabot mit einer leitfähigen Basis für eine Railgun.

2. Da sich die ISS mit Orbitalgeschwindigkeit bewegt, haben Sie das Problem, Ihre Kugel dazu zu bringen, genug zu verlangsamen, um den Wiedereintritt zu starten. Eine XKCD „What IF“ ( https://what-if.xkcd.com/58/ ) sagt uns, dass man 1000 Meilen in den 3 Minuten und 30 Sekunden zurücklegen könnte, die man braucht, um das Lied „I’m Gonna Be“ zu singen (was hat die Zeile "nur um der Mann zu sein, der tausend Meilen gelaufen ist, um vor deiner Tür zu fallen") Wenn Sie nur einen Schuss ausrichteten, würden Sie drastisch über das Ziel hinausschießen und jemanden auf einem Schiff im Atlantik treffen, wenn Sie auf das Big Bad in Rio de Janeiro zielten. Ein normales Gewehr bietet der Kugel nicht genügend Geschwindigkeit, um einen erfolgreichen Orbitalwechsel vorzunehmen, und selbst eine 16-Zoll-Marinekanone eines Schlachtschiffs würde dies angesichts der Grenzen von Schießpulver als Treibmittel schwer tun. Eine Railgun oder Coilgun hat theoretisch die Fähigkeit dazu, oder Sie könnten das verwenden, was bereits funktioniert, und aus dem Projektil eine Rakete machen ...

3. Was passiert, wenn die Runde das Ziel trifft? Nichts Gutes. Die Patrone bewegt sich beim Auftreffen mit Überschallgeschwindigkeit, sodass sie erheblich mehr Energie hat als eine herkömmliche Gewehrpatrone (je nachdem, wie massiv sie ist [siehe oben], kann sie die kinetische Energie haben, die der Energiefreisetzung eines Stocks entspricht). hoch Explosiv). Außerdem folgen Objekte, die sich mit dieser Geschwindigkeit bewegen, nicht mehr den üblichen Regeln des Aufpralls und der Energieübertragung. Es ist üblich, sich das aufprallende Objekt fast als Flüssigkeit vorzustellen. Das beste terrestrische Beispiel ist ein HEAT-Gefechtskopf einer Panzerabwehrwaffe. Die Explosion des Gefechtskopfes konzentriert sich darauf, einen Kegel aus Kupfer oder ähnlichem Metall "von innen nach außen" zu drehen und ihn auf @ Mach 25 (zufälligerweise fast Umlaufgeschwindigkeit) zu beschleunigen, wo ein paar Unzen Metall sich seinen Weg durch dichte Materialien wie Stahlpanzer bahnen. und praktisch alles andere. Der Schutz dagegen besteht darin, entweder die Explosion weit genug entfernt zu machen, dass der Metallstrahl Energie verliert (die "Lamellenpanzerung" bei modernen Fahrzeugen), oder den Strahl zu stören, indem eine Mikrosekunde vor dem Auftreffen auf den Hauptkörper des Panzers eine Stahlplatte auf ihn abgefeuert wird (die ziegelartige "explosive reaktive Panzerung", die Sie sehen, wie sie russische Panzer bedeckt). Dies sind keine praktikablen Optionen, die eine Person auf dem Kopf tragen kann, um sich vor einem Projektil ähnlicher Größe zu schützen, das aus der Umlaufbahn kommt (selbst ein Gebäude oder Panzer wird ein solches Projektil wahrscheinlich nicht aufhalten). Selbst ein Beinaheunfall kann das Ziel töten, da ein Hyperschallprojektil beim Vorbeiflug eine massive Schockwelle erzeugt und der Aufprall auf dem Boden Material wie Beton oder Gestein mit beträchtlicher Geschwindigkeit abplatzen lässt. Der Schutz dagegen besteht darin, entweder die Explosion weit genug entfernt zu machen, dass der Metallstrahl Energie verliert (die "Lamellenpanzerung" bei modernen Fahrzeugen), oder den Strahl zu stören, indem eine Mikrosekunde vor dem Auftreffen auf den Hauptkörper des Panzers eine Stahlplatte auf ihn abgefeuert wird (die ziegelartige "explosive reaktive Panzerung", die Sie sehen, wie sie russische Panzer bedeckt). Dies sind keine praktikablen Optionen, die eine Person auf dem Kopf tragen kann, um sich vor einem Projektil ähnlicher Größe zu schützen, das aus der Umlaufbahn kommt (selbst ein Gebäude oder Panzer wird ein solches Projektil wahrscheinlich nicht aufhalten). Selbst ein Beinaheunfall kann das Ziel töten, da ein Hyperschallprojektil beim Vorbeiflug eine massive Schockwelle erzeugt und der Aufprall auf dem Boden Material wie Beton oder Gestein mit beträchtlicher Geschwindigkeit abplatzen lässt. Der Schutz dagegen besteht darin, entweder die Explosion weit genug entfernt zu machen, dass der Metallstrahl Energie verliert (die "Lamellenpanzerung" bei modernen Fahrzeugen), oder den Strahl zu stören, indem eine Mikrosekunde vor dem Auftreffen auf den Hauptkörper des Panzers eine Stahlplatte auf ihn abgefeuert wird (die ziegelartige "explosive reaktive Panzerung", die Sie sehen, wie sie russische Panzer bedeckt). Dies sind keine praktikablen Optionen, die eine Person auf dem Kopf tragen kann, um sich vor einem Projektil ähnlicher Größe zu schützen, das aus der Umlaufbahn kommt (selbst ein Gebäude oder Panzer wird ein solches Projektil wahrscheinlich nicht aufhalten). Selbst ein Beinaheunfall kann das Ziel töten, da ein Hyperschallprojektil beim Vorbeiflug eine massive Schockwelle erzeugt und der Aufprall auf dem Boden Material wie Beton oder Gestein mit beträchtlicher Geschwindigkeit abplatzen lässt. bei modernen Fahrzeugen) oder um den Jet zu stören, indem eine Mikrosekunde vor dem Auftreffen auf den Hauptkörper des Panzers (die ziegelartige "explosive reaktive Panzerung", die Sie sehen, die russische Panzer bedeckt) eine Stahlplatte darauf geschossen wird. Dies sind keine praktikablen Optionen, die eine Person auf dem Kopf tragen kann, um sich vor einem Projektil ähnlicher Größe zu schützen, das aus der Umlaufbahn kommt (selbst ein Gebäude oder Panzer wird ein solches Projektil wahrscheinlich nicht aufhalten). Selbst ein Beinaheunfall kann das Ziel töten, da ein Hyperschallprojektil beim Vorbeiflug eine massive Schockwelle erzeugt und der Aufprall auf dem Boden Material wie Beton oder Gestein mit beträchtlicher Geschwindigkeit abplatzen lässt. bei modernen Fahrzeugen) oder um den Jet zu stören, indem eine Mikrosekunde vor dem Auftreffen auf den Hauptkörper des Panzers (die ziegelartige "explosive reaktive Panzerung", die Sie sehen, die russische Panzer bedeckt) eine Stahlplatte darauf geschossen wird. Dies sind keine praktikablen Optionen, die eine Person auf dem Kopf tragen kann, um sich vor einem Projektil ähnlicher Größe zu schützen, das aus der Umlaufbahn kommt (selbst ein Gebäude oder Panzer wird ein solches Projektil wahrscheinlich nicht aufhalten). Selbst ein Beinaheunfall kann das Ziel töten, da ein Hyperschallprojektil beim Vorbeiflug eine massive Schockwelle erzeugt und der Aufprall auf dem Boden Material wie Beton oder Gestein mit beträchtlicher Geschwindigkeit abplatzen lässt. Dies sind keine praktikablen Optionen, die eine Person auf dem Kopf tragen kann, um sich vor einem Projektil ähnlicher Größe zu schützen, das aus der Umlaufbahn kommt (selbst ein Gebäude oder Panzer wird ein solches Projektil wahrscheinlich nicht aufhalten). Selbst ein Beinaheunfall kann das Ziel töten, da ein Hyperschallprojektil beim Vorbeiflug eine massive Schockwelle erzeugt und der Aufprall auf dem Boden Material wie Beton oder Gestein mit beträchtlicher Geschwindigkeit abplatzen lässt. Dies sind keine praktikablen Optionen, die eine Person auf dem Kopf tragen kann, um sich vor einem Projektil ähnlicher Größe zu schützen, das aus der Umlaufbahn kommt (selbst ein Gebäude oder Panzer wird ein solches Projektil wahrscheinlich nicht aufhalten). Selbst ein Beinaheunfall kann das Ziel töten, da ein Hyperschallprojektil beim Vorbeiflug eine massive Schockwelle erzeugt und der Aufprall auf dem Boden Material wie Beton oder Gestein mit beträchtlicher Geschwindigkeit abplatzen lässt.

Detailliertere Antworten erfordern Experimente.....

Zusammenfassung: Nicht für etwas, das vernünftigerweise als "Kugel" bezeichnet werden könnte

Die Berechnung der Aerodynamik einer Kugel, die sich durch die Atmosphäre bewegt, ist schwierig. Glücklicherweise sind die Energieniveaus so hoch, dass wir die Aerodynamik größtenteils ignorieren und stattdessen als Aufprall zwischen dem Geschoss und der Atmosphäre behandeln können. Dies bedeutet, dass wir Newtons Näherung für die Einschlagtiefe verwenden können :

Die Eindringtiefe D ist die Länge des Eindringkörpers L multipliziert mit dem Verhältnis der Dichte des Eindringkörpers$\rho_1$auf die Dichte des Ziels$\rho_2$.

Die atmosphärische Dichte variiert, aber wir können sie anhand des Luftdrucks an der Oberfläche als äquivalent zu 10 Metern Wasser annähern. Daraus können wir errechnen, dass ein Osmiumgeschoss (Dichte: 22,6 g/cm ³ ), das aus dem Orbit abgefeuert wird, mindestens 45 cm lang sein muss, um beim Aufprall eine vernünftige Geschwindigkeit beizubehalten.

Ja, Sie können jemanden aus dem Orbit schnappen, aber Sie werden ein Brecheisen verwenden, keine Kugel.

Realistischerweise bezweifle ich das. Es ist einfach zu viel Luft im Weg, es spielt keine Rolle, wie groß oder schwer Ihre Kugel ist, ohne Rakete wird der Luftwiderstand sie auf Endgeschwindigkeit verlangsamen. Ich meine, du wirst genauso viel Glück und dieselbe Wirkung haben, als würdest du eine Kugel aus dem Flugzeug werfen. Obwohl das immer noch tödlich sein könnte.

Alternativ gibt es Vorteile bei der Verwendung einer Ballistik anstelle eines Lasers und der Verwendung einer kleineren (15-20 mm) Patrone anstelle einer Orbit-Boden-Rakete. Eine Laserwaffe wäre extrem präzise, ​​benötigt aber viel Energie und liefert nicht annähernd so viel „Durchschlagskraft“. Eine Rakete könnte zu leicht verfolgt/abgefangen werden. Ein kleines Hyperschallgeschoss kann mit moderner Technologie im Orbit verfolgt werden, aber sobald es in die Stratosphäre fällt, kann es schwierig sein, unmöglich zu bestimmen, woher genau der Schuss kam. Eine Überlegung für jeden Scharfschützen.

Der wichtigste Aspekt Ihrer Geschichte ist: Welche Technologie auch immer erforderlich ist, um etwas so Verrücktes hervorzubringen, das Ergebnis hängt von einem gewissen Maß an menschlichem Können ab. Daher müssten wir einen vollständig automatisierten Prozess, die „Point and Click“-Methoden, ausschließen. Um das idyllische Bild eines Scharfschützen mit einer ruhigen Hand und einem Auge im Zielfernrohr zu bewahren, sollten wir ein lasergeführtes, flossenstabilisiertes Geschossabgabesystem in Betracht ziehen.

Sie benötigen ein ähnliches Waffensystem . Das gefällt mirweil es eine Mündungsgeschwindigkeit von 1450 m / s aufweist. Es muss wahrscheinlich skaliert werden. Beachten Sie das Sabot-Design des Geschosses. Wahrscheinlich hätten wir ein ähnliches Design wie unsere Kugel, aber anstatt den Sabot nach dem Schießen wegzuwerfen, würde er verwendet werden, um die Kugel während des Wiedereintritts zu schützen. Dies würde es uns ermöglichen, nahezu jedes Material für den Kern/das Geschoss für eine Vielzahl von Anwendungen zu verwenden. Der Wiedereintritt wäre schneller als die Zeiten, die ein Raumschiff gegeben hätte, das auf Aerobreak ausgelegt ist. Unser Sabot wurde entwickelt, um den Luftwiderstand zu lehren und vielleicht sogar einige äußere Schichten abzubrennen. Und ich bin mir nicht sicher, in welchem ​​Winkel dieser Fuß absolut unmöglich wird - es könnte unmöglich sein, direkt auf ein Ziel zu schießen, aber wir sollten wahrscheinlich davon ausgehen, dass ein gewisses Maß an High-Tech-Material dies ermöglichen könnte. Ich erinnere mich, dass ich gehört habe, dass die Wärme, die ein Objekt erfährt, das in die Atmosphäre eintritt, umgekehrt proportional zum Luftwiderstandsbeiwert ist. Deshalb sind Wiedereintrittsfahrzeuge stumpf konstruiert. Unser Projektil soll die Atmosphäre mit Geschwindigkeiten durchschneiden, die etwas über dem Space-Shuttle beim Eintritt liegen (~9 kps), also muss unser Sabot, und ich vermute hier nur, eine proportionale Menge an Wärme tolerieren.

Wenn ich dem Rat von Wikipedia folge, sind das ÜBER 9000 Grad Kelvin. Huch! Einige exotische Materialien auf jeden Fall! Sie könnten einen echten akademischen Nerd dazu bringen, die Berechnung tatsächlich durchzugehen - ich bin mir nicht sicher, wie gut ein Sabot den Luftwiderstand lehren könnte und wie viel das überhaupt ausmachen würde.

Wenn unser Scharfschütze 100 km (eine "Parkhöhe") von der Oberfläche entfernt eingesetzt wird, beträgt die kürzeste Fallzeit, die wir möglicherweise erreichen können, ~ 1,67 Minuten vom Schuss bis zum Aufprall, wenn eine Mündungsgeschwindigkeit von 1000 m / s angenommen und der atmosphärische Luftwiderstand ignoriert wird. Dann faktorisieren wir (SchleppzeitenZukunftstechnologie-Handwinken). Um den Luftwiderstand zu berücksichtigen, sind solche präzisen Berechnungen erforderlich, die ADD übernimmt. . . Es gibt zu viele Variablen! Die Troposphäre ist um den Äquator herum dicker als die Pole, und dies wirkt sich auf die Gradientendichte von Luft / Höhe aus, und natürlich müssen Sie die Größe, das Gewicht und die Form des Geschosses berücksichtigen. Aber nach all dem Rechnen könnte es passieren, dass die Kugel schließlich mit einer dürftigen Endgeschwindigkeit auf die Oberfläche auftrifft, und das ist nicht sehr aufregend, also müssen wir an diesem Punkt ein zukunftstechnologisches Handwinken einführen. Vielleicht hat die Kugel einen kleinen Inline-Staustrahl. Aber ich denke, das macht es zu einem Rollenspiel. Schätzen Sie auf jeden Fall, dass die Kugel Ihres Scharfschützen etwa > 2 Minuten unterwegs verbringt.

Jedenfalls lautet die allgemeine Theorie, sobald der Sabot in ausreichend niedriger Höhe abgeworfen wird und die flossenstabilisierte Einheit den Abstieg steuert, geführt vom Laser, geführt von Ihrem bösen *** l337 als %!#& Scharfschütze. SOOOOOO plausibel!

Zunächst einmal würde das Zielfernrohr, das erforderlich ist, um eine Person auf diese Entfernung zu erkennen, nicht auf ein Standardgewehr passen, also sprechen wir tatsächlich von einer hochspezialisierten Waffe.

Sie müssten Folgendes berücksichtigen:

• Die Geschwindigkeit der ISS und ihre planare Bewegung relativ zur Erdoberfläche.
• Die Rotation der Erde selbst.
• Mehrere Schichten atmosphärischer Störungen und Windgeschwindigkeiten.
• Ihr Winkel relativ zum Ziel.
• Die Geschwindigkeit Ihres Projektils.
• Die genaue Höhe des Kopfes des Ziels.
• Die unvorhersehbare Bewegung des Ziels. Schlagen Sie ihn am besten, während er still sitzt.
• Die Lichtgeschwindigkeit.

Zum Glück für Sie wurden die meisten dieser Probleme bereits gelöst! Um die unglaublichen Bilder des Nachthimmels zu erhalten, die wir derzeit mit bodengestützten Teleskopen machen, erstellen wir einen künstlichen Stern per Laser und verwenden „adaptive Optik“, das sind nur Spiegel auf Kardanringen, die sofort auf jede Verzerrung reagieren die bekannte Position dieses Lasersterns.

Teleskope haben auch Systeme, die sie bewegen, um das stellare Objekt im Sucher zu halten und die Erdrotation auszugleichen.

Ein ähnliches Computerleitsystem könnte den Lauf Ihrer Waffe mit der zukünftigen Position Ihres Ziels ausrichten, wobei Windgeschwindigkeiten, Druckschichten und Drift, die durch die Erdrotation sowie die Bewegung der ISS verursacht werden, berücksichtigt werden. Es muss zusätzlich die berücksichtigen Unterschied zwischen der Geschwindigkeit des Lasers zum Ziel und der Geschwindigkeit des Geschosses.

Ich würde eine Keramikkugel in der Standardform einer Scharfschützenkugel verwenden, die nach dem gleichen Verfahren wie die Schutzkacheln der Space Shuttles hergestellt wird, um der intensiven Hitze standzuhalten, ohne sich zu verformen. Es ist wichtig, dass Sie beim Abfeuern des Schusses so vertikal wie möglich sind, da die Erdatmosphäre Ihren Schuss sonst ablenken wird. Sie könnten möglicherweise sogar im richtigen Winkel von der Atmosphäre abprallen.

Schließlich und etwas unfairerweise möchten Sie mit einer sehr hohen Geschwindigkeit schießen, um das Risiko zu verringern, dass Ihr Ziel dem Schuss ausweicht, aber zu schnell, und Ihre Kugel verbrennt, bevor sie den Boden erreicht. Dies geschieht bei etwa 74 km/s.

In Bezug auf das, was es unserem Opfer antun wird, ist die Geschichte überraschend wenig hilfreich. Nur eine Person wurde jemals von einem Meteoriten getroffen (eine Ann Hodges im Jahr 1954), was im Wesentlichen das ist, was Sie beabsichtigen, und sie wurde nur verletzt. Ich vermute, dass Ihre Kugel leicht durch Ihr Opfer hindurchfliegen wird, um auf dem Bürgersteig unter ihm zu zersplittern und einen Krater in der Größe eines Baseballs zu hinterlassen.

Selbst wenn wir alle atmosphärischen Bedingungen ignorierten, wir hatten überhaupt keine Reibung, die Raumstation bewegte sich nicht und das Ziel des Scharfschützen war perfekt auf das Ziel usw., Sie konnten es immer noch nicht schaffen.

Das genaueste Scharfschützengewehr, das jemals hergestellt wurde, das Anti-Material-Gewehr Gepárd M1 , hat eine Genauigkeit von 0,7 Bogenminuten. Wenn die ISS der Erde am nächsten ist, umkreist sie sie in einer Höhe von 409 km. Dadurch ergibt sich ein Ziel mit einem Durchmesser von mehr als 80 Metern, was sich allein aus den Eigenschaften der Waffe selbst ergibt, ohne dass das Geschoss durch die Atmosphäre usw. abgebremst wird.

Und das ist das genaueste, was man mit einem Gewehr erreichen kann. Die M1-Version des Gewehrs, das ich als Beispiel verwendet habe, tauscht absolut alles gegen Genauigkeit ein: Es hat fast keine beweglichen Teile, ist extrem schwer, fasst eine einzelne Kugel und kann nicht nachgeladen werden, ohne es auseinanderzunehmen. Eine spätere, praktischere Version ähnelt den Parametern des berühmten amerikanischen M82.

Obwohl der wichtigste Grund, warum es unmöglich ist, von anderen Antworten beschrieben wird, insbesondere von dsollen , habe ich diese Begründung eingefügt, um darauf hinzuweisen, dass Sie immer noch ein 80-Meter-Zielgebiet hatten, selbst wenn alle von den anderen Antworten aufgeworfenen Probleme nicht vorhanden waren als besten Fall .

Vielleicht hat er ein Sci-Fi-Scharfschützengewehr. Wenn die Kugel den Lauf der Waffe verlässt, verwendet sie eine Technologie, die schneller als Licht / Hyperraum ist, um sofort vorwärts zu springen und nur wenige Meter vom Ziel entfernt aufzutauchen. Auf diese Weise sind Wind-/Schwerkrafteffekte und sich bewegende Ziele kein Problem mehr. Mit Ihrem extrem teleskopierbaren Zielfernrohr müssen Sie nur noch die Standortlinie festlegen. Vermutlich hilft das Zweibein bei der Stabilisierung, während es sich an die relative Bewegung der Erde anpasst.

Die Verwendung jeglicher Art von Waffe ist überflüssig. Alles, was Sie brauchen, ist etwas, das stromlinienförmig ist und eine geeignete Endgeschwindigkeit hat.

Holen Sie sich eines davon ...

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... und lassen Sie es mit Ihren Superzielkräften einfach fallen. Wenn es den Boden erreicht, wird es so schnell sein, dass es direkt durch Ihr Ziel und mehrere Meter in den Boden geht.

Wenn Ihr Ziel nicht so gut ist, besteht Ihre beste Chance darin, die Position des Ziels anzupassen. Fangen Sie ihn und lassen Sie ihn von jemandem zum geschätzten Ankunftsort der "Kugel" fahren, wenn sie fällt. Es kann von einem eingebetteten Miniatursender verfolgt werden.

Verwenden Sie eine wirklich lange Kugel.

So lange, dass seine Masse verhindert, dass es vom Kurs abgetrieben wird. Vielleicht könnte der Schwanz der Kugel so konstruiert werden, dass er vorhersehbar kurz vor dem Auftreffen auf das Ziel verbrennt.

Wenn wir eine Spezialwaffe haben können, werde ich mir eine mit vielen Läufen besorgen. Es wird ein riesiges Array schießen, das viele Probleme ausgleichen wird.

Oder vielleicht können wir einfach ein spezialisiertes Cluster-Projektil verwenden, das sich vor einem vorbestimmten Aufprallpunkt in einem Array auflöst.

Diese Optionen würden ziemlich viel Kollateralschaden verursachen.

Ich bin sicher, dass das Projektil mit einigen begrenzten Führungsoptionen manipuliert werden könnte, um den Kurs vor dem Aufprall zu ändern und atmosphärische Veränderungen, Umgebungsvariablen, sich bewegende Ziele usw.