Könnte irgendeine existierende Waffe die Karman-Linie erreichen?

Es gibt einen laufenden Kickstarter, um eine HARP-ähnliche Waffe zu bauen, die mehrere Kammern hat und eine Nutzlast in den "Raum" feuern kann. Ich sehe nicht, wo das Kriterium dieser Person für den Weltraum ist, außer der Tatsache, dass er suborbital sein soll. Ich würde davon ausgehen, dass die Nutzlast über 100 km hoch wird. So wie ich es verstehe, hat HARP nicht bis zur Karman-Linie geschossen.

https://www.kickstarter.com/projects/1682852725/the-starfire-space-cannon

Wenn man über die Zahlen nachdenkt, sollte das minimale Delta v durch die Kinematik auf Highschool-Niveau bestimmt werden:

h = v 0 t − 1 2 g t 2 v = 0 = v 0 − g t v = 2 h g ≈ 1.4 k m s

Während dies mit einer einzigen Kammer schwer zu erreichen wäre, liegt es am sehr, sehr fernen Ende der üblichen Mündungsgeschwindigkeiten . Wenn man sich danach umsieht , sehen Panzerkanonen so aus, als könnten sie 1.750 m/s erreichen. Natürlich habe ich den schwierigen Teil weggelassen - den Luftwiderstand.

Gibt es existierende Waffen, die, wenn sie nach oben gerichtet sind, die Karman-Linie erreichen würden? Und gibt es dokumentierte Beispiele dafür?

Im Kickstarter, glaube ich, verwendet der Typ sogar den Begriff „Umlaufbahn“ an einer Stelle, als ich die Hoffnung auf das Projekt aufgab. Entweder irrt er sich in seiner Terminologie oder er ist völlig übertrieben ehrgeizig bei dem Versuch, ein Projektil in die Umlaufbahn zu schießen. Das heißt, ich würde mich freuen, wenn er mir das Gegenteil beweist und ein kleines Projektil im Orbit lässt!! Scheint höchst unwahrscheinlich..
@SteveMidgley Ich würde wirklich gerne seine Strategie hören, um die Zirkularisierung zum Brennen zu bringen, die erforderlich wäre, um die Umlaufbahn zu machen ...
@Erik Es ist nicht orbital. An den Stellen, wo er das sagt, spricht er darüber, was er irgendwann mal machen möchte. Der Kickstarter ist auf suborbital beschränkt.

Antworten (2)

Ja, es ist geschafft :

Im Projekt HARP wurde eine 410-mm-Kanone der US Navy mit einem Kaliber von 100 verwendet, um eine 180-kg-Kugel mit 3600 m / s oder 12.960 km / h (8.050 mph) abzufeuern und einen Höhepunkt von 180 km zu erreichen ( 110 Meilen), also einen suborbitalen Raumflug durchführen.

Oder, wenn Sie diesem Link aus der von Ihnen erwähnten Kickstarter-Kampagne folgen (Grafs hervorragende Geschichte des HARP-Projekts):

Die dritte und letzte 16-Zoll-Kanone des HARP-Programms wurde auf dem Yuma-Testgelände in Arizona installiert. . . . . Der einzige Anspruch der Yuma Gun auf Ruhm war, dass sie am 18. November 1966 ein Martlet 2-Fahrzeug auf eine Weltrekordhöhe von 180 km brachte, die noch heute besteht.

Ich bin ein bisschen überrascht, dass Sie Ihre Antwort auf Gibt es ein Nicht-Raketen-Weltraumstartkonzept in Reichweite der aktuellen Materialwissenschaft und -technologie nicht erwähnt haben? Das Konzept von John Hunter scheint mir viel praktikabler als das Starfire-Projekt und beinhaltet das Einbrennen in die Umlaufbahn für das, was ursprünglich ein ballistisches Projektil ist.
Ich selbst stand dem Projekt von Richard Graf anfangs sehr skeptisch gegenüber, weniger nach der Lektüre seines Artikels über Gerald Bull (eine Fallstudie zum Sieg der Politik über die Wissenschaft). Wenn Sie die Kommentare am Ende der Kickstarter-Seite durchgehen, werden Sie sehen, dass er die anfängliche G-Kraft mit seinem Ansatz auf 10.000 Gs reduziert hat, immer noch weit übertrieben für matschige Menschen, aber ausreichend (er behauptet), um zu gehen ordnungsgemäß ausgelegte elektronische Komponenten unbeschädigt.
Näherungs- und Radarelektronik werden routinemäßig in AAA-Kanonenprojektilen verwendet, die 30.000 G erzeugen.

Ich hatte gehofft, dass ich sagen könnte, dass dies physikalisch machbar ist, aber nachdem ich die Zahlen durchlaufen habe, scheint es leider nicht. Lassen Sie mich zunächst die verschiedenen Behauptungen auf Kickstarter auflisten:

  • Bohrungsdurchmesser: 8 Zoll
  • Maximaler Druck: 60.000 psi
  • Rohrlänge: 45 Fuß
  • Höhe: 274,9 m über dem Meeresspiegel
  • Mündungsgeschwindigkeit: 1500 m/s (in den Kommentaren erwähnt, ich kann dies später lockern)
  • Die maximale Höhe der Nutzlast wird vom Qualifizierer "Weltraum" mit 100 km angenommen

Der Bohrungsdurchmesser tötet es. Mit diesen Parametern geht das nicht. Ich werde dies zeigen, indem ich basierend auf offensichtlichen physikalischen Einschränkungen eine maximale und minimale Masse für den Schuss festlege. Ich werde zeigen, dass diese Anforderungen widersprüchlich sind und von diesem Gerät nicht erfüllt werden können.

Maximale Masse

Das ist einfach, weil uns ein maximaler Verbrennungsdruck gegeben ist. Das Kernkonzept des Projekts ist, dass es mehrkammerig sein wird. All dies ermöglicht es ihnen, diesen Antriebsdruck über ein längeres Segment des Laufs aufrechtzuerhalten, als es eine einzelne Verbrennungskanone zulassen würde. Die tatsächlichen Drücke könnten also niedriger sein, aber sie können nicht höher sein. Dies beschränkt leicht die kinetische Energie, die das Projektil haben kann. Die folgende Berechnung ist einfach, führt aber nur zu Konservatismus. Ich führe keinen Gegendruck aus der Luft oder so ein – also bin ich hier so großzügig wie möglich.

E = F × d = ( P EIN ) × d = ( 60 , 000  psi ) π ( 4  in ) 2 ( 45  ft ) = 184 M J

Dies scheint einfach genug. Wenn wir die Mündungsgeschwindigkeit mit 1500 m/s annehmen, dann finden wir heraus, dass die maximal schießbare Masse 163,5 kg beträgt . Die Nutzlast muss leichter sein, sonst kann die Waffe sie nicht auf die erforderliche Geschwindigkeit beschleunigen.

Mindestmasse

Im OP habe ich die erforderliche Geschwindigkeit angegeben, die erforderlich ist, um es ohne Luftwiderstand zur Karman-Linie zu schaffen. Beachten Sie, dass die derzeit angegebene Mündungsgeschwindigkeit 100 m/s höher ist. Die Erdatmosphäre konzentriert sich hauptsächlich um die ersten 10 km des Meeresspiegels. In einer Annäherung können wir uns also diese Atmosphäre als dünnes Blatt vorstellen, durch das die Kugel hindurchkommen muss, mit anderen Worten, wir schreiben den Geschwindigkeitsverlust aufgrund des Gravitationspotentials entlang dieser Bahn nicht zu.

Nehmen wir die Massendicke der Atmosphäre an μ , können wir die Energie, die durch Ziehen verloren geht, wie folgt schreiben:

Δ E = 1 2 μ v 2 EIN C d = 150.2 M J

Eine großzügige Annahme, die ich machte, war, die zu nehmen v in dieser Gleichung als die Geschwindigkeit, die benötigt wird, um die Karman-Linie zu erreichen, 1,4 km/s. Das ist die niedrigere der Optionen, sodass die Auswirkungen des Luftwiderstands unterschätzt werden. Die Fläche ergibt sich (wieder) aus dem Bohrungsdurchmesser. Der Luftwiderstandsbeiwert kann nachgeschlagen werden. Ich nehme an, es ist eine perfekte Kugel mit einem Koeffizienten von 0,47.

Dies ist nur die Energie, die beim Schleppen verloren geht. Daran muss das Projektil vorbeikommen und dann noch genug Energie haben, um es bis zur Karman-Linie zu schaffen. Dies ist mathematisch einfach einzurichten. Damit legen wir eine Mindestmasse fest .

1 2 m v 1 2 − Δ E = 1 2 m v 2 2 m = Δ E 1 2 ( v 1 2 − v 2 2 ) = 1 , 035.9 k g

Das Projektil muss massiver sein, um seinen Impuls zu bewahren, wenn es die Atmosphäre passiert. Der Widerspruch ist offensichtlich. Es muss so massiv sein, aber die Waffe kann nicht die Energie liefern, um es dorthin zu bringen, weil der Lauf einfach nicht groß genug ist.

Sie können dies auch nicht beheben, indem Sie die Parameter anpassen. In der obigen Gleichung habe ich 1500 und 1400 m/s für v1 und v2 verwendet. Aber v1 größer machen. Sie erreicht die Parität mit der anderen Anforderung erst weit über 2.000 m/s. Wir sind uns alle einig, dass die kinetische Energie der Sprengstoffe nicht ausreicht, um dies zu erreichen. Es ist absolut physikalisch unmöglich. Sehen Sie sich viele andere Fragen auf dieser Website zum Thema an, um das Warum zu erläutern. Aus diesem Grund ging HARP zu leichten Gaskanonen über - um näher an Umlaufgeschwindigkeiten heranzukommen.

Im Vergleich zu anderen

Das Beispiel der Panzerkanone, das ich zitiert habe, schlägt ebenfalls fehl. Seine Parameter fallen noch schlechter aus als beim Starfire. Mit der möglichen Ausnahme einiger schwerer Munition von Schlachtschiffen lautet die Antwort auf die Frage, die ich gestellt habe, mehr oder weniger "Nein".

Die akzeptierte Antwort enthält Details zum HARP-Schuss, der das bewirkt hat, was dieses Projekt versucht. Es ist also möglich, aber es gibt einen entscheidenden Unterschied - sie haben eine 16-Zoll- Bohrung verwendet. Das Thema meiner Berechnungen ist, dass eine 8-Zoll-Bohrung zu klein ist. Wenn Sie den Bohrungsdurchmesser verdoppeln, vervierfachen Sie die maximale Energie, die Sie hineinstecken können. Ich glaube, es war auch länger, was es hier noch weiter von der energetischen Beschränkung entfernt.

Es sieht so aus, als ob das Starfire-Projekt in der Lage sein könnte, die Nutzlasten ein paar Kilometer hoch zu starten, aber es kann nicht weiter gehen. Das kann physikalisch nicht passieren. Ich bin gespannt auf Herausforderungen an die Mathematik, die ich verwendet habe, und die darin enthaltenen Annahmen. Aber wie es jetzt aussieht, kommt dies nicht annähernd in die Nähe des Weltraums.

Diese Antwort geht davon aus, dass das Projektil den gleichen Durchmesser wie der Lauf haben muss. Panzer feuern üblicherweise 'Discarding Sabot'-Patronen ab, bei denen ein langer, dünner, schwerer Kern von einem leichten Block umgeben ist, der auseinanderfällt, wenn er den Lauf verlässt. Ansonsten ist es eine hervorragend detaillierte Antwort!
Auch der Luftwiderstandsbeiwert für eine Kugel von 0,47 gilt nur unter bestimmten Bedingungen, schon gar nicht im Überschallflug. Für eine Kugel kann sie viel niedriger gemacht werden, in der Größenordnung von 0,1.
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