Railguns-Designs für Handgewehre und Raumfahrzeuge

1. Railguns können auf alles Leitfähige schießen. Die Energie eines Geschosses ist mv^2. Wolfram ist schwer und so steigt die Masse. Das ist gut, wenn Sie die kinetische Energie maximieren möchten, weil Sie auf etwas Hunderte von Kilometern entferntes in der Atmosphäre schießen. Handwaffen sind nicht so genau, es sei denn, Sie bauen eine Computer-Supersniper-Führung ein (was ich für eine Weltraumschlacht mag). Ein Projektil gibt keine Energie an Reibung im Weltraum ab. Ihre Projektile können weniger massiv sein und werden aufgrund der großen Geschwindigkeit immer noch einen Schlag versetzen. Sie können sie aus Kohlefaser herstellen. Ihre Space Marines (die sie herumschleppen müssen) werden es Ihnen danken.

2. Echte Railguns tragen ihre Schienen im großen Stil ab. Die Schienen müssen vor dem Brennen vorbereitet werden. Sie könnten die Schienen auch aus Kohlefaser machen und die Space Marines sie zwischen den Schüssen abschleifen, oder einen Laufreiniger an einem Stock haben, den sie in die Mündung hinein- und herausschieben, um sie zu reinigen.

Alternativ könntest du jede Railgun einen Schuss abgeben lassen. Die Space Marines tragen viele Fässer. Jedes Teleskop wird herausgezogen und für den einmaligen Gebrauch befestigt und dann entsorgt.

3. Eine Einweg-Railgun bietet die Möglichkeit eines Einweg-Kondensators für jeden Lauf. Es würde mit dem Einzelschuss entladen und dann verworfen werden.

4. Eine leichte Alternative zu Metall- oder Kohlefaserschienen könnten Plasmaschienen sein. Mein Schema dazu: http://www.halfbakery.com/idea/Plasma_20Rail_20Railgun#1186761424 Die Schienen bestehen aus einem dünnen Draht. Eine Ladung trägt sie zu Plasma ab, und dann trägt das Plasma die Ladung. Du brauchst bei jedem Schuss neue Drähte. Sie können sie von einer Spule an der Waffe abrollen.

5. Längere Schienen (längerer Lauf) = mehr Beschleunigung. Höherer Strom = mehr Beschleunigung. Sie werden Probleme mit ohmscher Erwärmung in Ihrem Projektil und Ihren Schienen bekommen. Sie könnten Ihre Projektile und Schienensupraleiter herstellen, um dies teilweise zu beheben. Ein weiteres Schema: http://www.halfbakery.com/idea/Superconductor_20railgun_20projectile#1137552946

Ah, die glücklichen Tage von 2006 ...

Es gibt mehrere Antworten auf Fragen zu Railguns/Coilguns direkt hier im Worldbuilding Stack Exchange:

Gibt es einen Vorteil bei einer Railgun / Coilgun mit mehreren Läufen?

Was ist praktikabler als futuristische Infanteriewaffen, Rail/Coilguns oder Lasergewehre?

Machbarkeit eines Coilgun-Systems für den subluminaren interplanetaren Transport

Was sind die Vorteile einer Coilgun gegenüber einer Railgun?

Ich kann Sie auch auf die immer nützliche Atomic Rockets - Site verweisen, auf der Sie die Gleichungen finden können, die zur genauen Beantwortung Ihrer Fragen erforderlich sind.

Die kürzere Antwort ist, dass Sie ziemlich sorgfältig definieren müssen, was Sie tun möchten. Eine Infanteriewaffe, die als Langstrecken-"Kampfgewehr" (halbautomatisch, relativ großes Kaliber [7 mm+]) verwendet wird, hat andere Anforderungen als etwas, das einem aktuellen militärischen Sturmgewehr ähnelt (selektives Feuer, Projektile im Kaliber 6 mm). Ein Anti-Material-Gewehr, das Gebäude oder Fahrzeuge beschädigen kann, ist eine ganz andere Bestie.

Die Anforderungen werden dann Ihr Stromversorgungssystem steuern, und dann können Sie sich Dinge wie Wärmeableitung, Stromkopplung (ein loser Stecker verdirbt wirklich jedem Grunzen den Tag ....) und so weiter ansehen. Coilguns sind ebenfalls elektromagnetische Waffen, und Sie können die Effizienz zwischen den beiden Waffentypen vergleichen:

Schauen Sie sich Atomraketen an und sehen Sie, was passiert, wenn Sie versuchen, ein zehn Cent großes Projektil mit 100 G aus einem 100 km langen Lauf abzufeuern ...

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 erneut sicher, dass Ihre Einheiten konsistent sind).

Wenn Sie eine Synchronspulenpistole mit einem Permanentmagneten im Projektil verwenden, muss diese Temperatur unter dem Curie-Punkt liegen, sonst wird das Projektil unmagnetisch. Wenn Ihr Coilgun-Projektil aus Supraleitern besteht und Sie die Meissner-Effekt-Abstoßung verwenden, muss diese Temperatur niedriger sein als die kritische Temperatur des Supraleiters, oder Ihr Supraleiter wird nicht supraleitend. Wenn Sie eine asynchrone Coilgun verwenden, die induktive Kräfte auf Leiterschleifen verwendet, muss diese Temperatur niedriger sein als die Schmelztemperatur Ihres Projektils. Wenn die Temperatur zu hoch ist, müssen Sie entweder ein Material verwenden, das mit höheren Temperaturen umgehen kann, die Coilgun effizienter machen oder eine niedrigere Geschwindigkeit für das Projektil akzeptieren.

Bestimmen Sie das maximale Magnetfeld, das Ihre Coilgun handhaben kann. Wenn Sie eine Synchronspulenkanone mit Permanentmagneten verwenden (wahrscheinlich im Projektil, mit den Feldspulen entlang des Laufs), sind Sie durch ein Sättigungsfeld von etwa 0,2 bis 2 Tesla begrenzt, jenseits dessen Ihre Effizienz schnell abfällt. Wenn Sie Supraleiter verwenden, ist Ihr Feld durch das kritische Feld des Supraleiters begrenzt. Bei herkömmlichen Supraleitern vom BCS-Typ sind Sie dadurch auf Felder von mehreren zehn Tesla oder weniger beschränkt, bei Hochtemperatur-Supraleitern können Sie möglicherweise 100 bis 200 Tesla erreichen. Wenn eine asynchrone Coilgun verwendet wird, die Induktion verwendet, um normal leitende Projektile zu starten, gibt es keine offensichtliche physikalische Obergrenze für die Magnetfeldstärke, obwohl hohe Feldstärken eine massive Verstrebung erfordern, um zu verhindern, dass der Lauf explodiert.

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 Projektils und damit des Laufs kennen, wissen Sie, wie lang der Lauf sein muss

Länge = Volumen / Fläche

Wenn der Lauf unannehmbar lang ist, müssen Sie entweder herausfinden, wie Sie ein stärkeres Feld im Lauf erhalten, oder das Projektil kürzer machen (wenn Sie nachrechnen, können Sie sehen, dass die Lauflänge ein Vielfaches der Projektillänge ist für ein gegebenes Feld, Material, Effizienz und Endgeschwindigkeit) oder mit einer geringeren Geschwindigkeit des Projektils auskommen.

Nehmen wir als Beispiel an, wir haben eine synchrone Coilgun und die Coilgun kann 1-Tesla-Felder erzeugen (eine gute Zahl, die den Ferromagneten nicht sättigt). Unser vermuteter Ferromagnet ist wahrscheinlich hauptsächlich Eisen, mit etwa 8000 kg/m3. Um 100 km/s zu erreichen, benötigt man 40 TJ pro Kubikmeter Projektil. Da dies die 100-Millionen-fache Energiedichte des Feldes ist, muss das Projektil das 100-Millionen-fache seines Volumens überstreichen, um auf die gewünschte Geschwindigkeit zu beschleunigen. Das bedeutet, dass Sie eine Beschleunigungsbahn benötigen, die 100 Millionen Mal so lang ist wie Ihr Projektil. Wenn das Projektil die Größe eines Zehncentstücks hat und 1 mm dick ist, benötigen Sie eine 100 km lange Strecke. Wenn 2,5 % der Energie aufgrund von Ineffizienzen als Wärme in das Projektil gelangen, erhalten Sie 100 GJ Wärme pro Kubikmeter Projektil oder 12 MJ/kg. Dies ist das Dreifache der spezifischen Energie, die durch die Detonation hochexplosiver Sprengstoffe freigesetzt wird, sodass Sie davon ausgehen können, dass Ihr Projektil wie eine Bombe in Ihrem Coilgun-Lauf explodiert. Folglich scheint dies ein nicht durchführbares Design zu sein.

Für mich als Waffennerd wäre die beste Idee, so viele Schusswaffenanaloga wie möglich zu verwenden.

Die aus meiner Sicht am schwierigsten zu beantwortende Frage wäre, wie man eine solche Waffe antreibt. Ohne zu sehr auf physische Details einzugehen, hätten Railguns wahrscheinlich abnehmbare Magazine, die sowohl das Projektil als auch eine billige Einwegbatterie enthalten. Diese Magazine würden so konstruiert, dass die Batterie beim letzten Schuss die letzte Energie verbraucht, und dann würde das Magazin wie bei einem modernen Gewehr ausgetauscht. Ihr Vorschlag zur Leistungsanpassung könnte durch Magazine mit unterschiedlichen Spannungen umgesetzt werden.

Für Kugeln würde ich sagen, entweder Blei oder Stahl würde ausreichen. Gegen ungepanzerte Ziele möchten Sie eigentlich ein weicheres Projektil, damit es sich stärker verformt und mehr Energie in das Ziel entlädt. Stahlgeschosse wären aus dem gegenteiligen Grund die bessere Wahl gegen gepanzerte Ziele.