Wie man einen Panzer baut, der mit einer 1-GJ-Railgun ausgestattet ist

WISSENSCHAFT

Der Wert, mit dem Sie sich bei der Konstruktion gegen Rückstoß befassen müssen, ist nicht Energie, sondern Impuls.

Die kinetische Energie eines Projektils wird mit der Gleichung formuliert:

wobei E die kinetische Energie, m die Masse des Projektils und v die Geschwindigkeit ist.

Das Momentum hingegen wird mit dieser ähnlichen Gleichung berechnet:

Dabei ist p der Impuls (vom lateinischen Petere oder Impuls), m die Masse und v die Geschwindigkeit.

Die Impulsänderung eines Objekts wird als Impuls bezeichnet . Das Impuls-Impuls-Theorem und die Impulserhaltung werden weitgehend verwendet, um Szenarien zu berechnen, die Newtons drittes Bewegungsgesetz beinhalten (gleiche, aber entgegengesetzte Reaktionen oder Rückstoß, wenn Sie es vorziehen).

Kinetische Energie und Momentum sind also eindeutig sehr ähnliche Werte, aber sie sind nicht ganz gleich. Insbesondere wenn Sie zwei Kanonen haben, die unterschiedliche Projektile abfeuern, eine ist schnell und leicht und die andere langsam und schwer, können die Energien gleich sein, aber der Rückstoß wird nicht gleich sein, oder umgekehrt. Dies ist auf das Quadrat der Geschwindigkeit zurückzuführen , das wir in der Gleichung der kinetischen Energie sehen. Das bedeutet, dass wir unser Projektil genau definieren müssen, um dieses Problem richtig zu analysieren.

GESCHICHTE

Jetzt, wo das aus dem Weg ist, können wir uns etwas Geschichte ansehen. Es gab tatsächlich Waffen (sogar Projektilwaffen), die kinetische Nutzlasten in der gleichen Größenordnung wie Ihre Railgun geliefert haben. Insbesondere die von Nazideutschland verwendete Eisenbahnkanone Schwerer Gustav konnte eine Nutzlast von etwa 1,8 Gigajoule (v = ~ 720 m / s, m = ~ 7100 kg) liefern. Der Rückstoß, den die Waffe erfahren würde, betrug etwa 5.112.000 Newtonsekunden (eine Einheit, um die wir uns nicht wirklich kümmern müssen).

Die erstaunliche Energie, die der Große Gustav lieferte, wurde hauptsächlich durch das massive Projektil und nicht so sehr durch die Geschwindigkeit des Projektils erreicht. Theoretisch könnten wir diese Attribute definitiv umkehren und ein kleines Projektil mit Hyperschallgeschwindigkeit abfeuern. Wenn wir beispielsweise eine Mündungsgeschwindigkeit von 1 % der Lichtgeschwindigkeit hätten, müsste das Projektil nur etwa ein Milligramm wiegen, um ein Gigajoule Energie zu liefern. Leider haben wir diesbezüglich ein Problem.

Es stellt sich heraus, dass es innerhalb der Atmosphäre eine Obergrenze für die Geschwindigkeit gibt. Die atmosphärische Erwärmung verdampft buchstäblich Dinge, die zu schnell reisen (was einer der vielen Gründe ist, warum Sie keine Satelliten mit einer Railgun ins All schicken können). Die schnellste Geschwindigkeit, die Sie vernünftigerweise erreichen können, liegt bei etwa 7000 m/s. Selbst bei dieser Geschwindigkeit verdampfen die meisten Materialien zu schnell, um nützlich zu sein, aber superdichte Materialien wie Uran oder Iridium werden gut genug überleben. Mit dieser Geschwindigkeit als Obergrenze müsste das Projektil, wenn wir mit 1 Gigajoule schlagen wollten, etwa 40 Kilogramm wiegen. Das ist nicht sehr unvernünftig, besonders wenn man bedenkt, dass die Granaten von Great Gustav 7 Tonnen wogen.

Mit diesen Zahlen im Hinterkopf können wir ausrechnen, wie viel Impuls die Railgun beim Abfeuern erzeugen wird: 280.000 Newtonsekunden . Im Vergleich zu Gustavs Zahl ist diese Zahl dürftig. Um einige andere zu vergleichen: Die Mark 7 16"/50-Geschütze an Bord des Schlachtschiffs der Iowa-Klasse erzeugen einen Impuls von etwas mehr als 1.000.000 Newtonsekunden. Die Primärwaffe des Kampfpanzers Abrams erzeugt einen Impuls von etwa 10.000 Newtonsekunden.

Was bedeutet das alles? Meiner Meinung nach müsste eine 1-Gigajoule-Railgun an Bord eines kleinen Schiffes oder vielleicht eines sehr großen Artilleriegeschützes mit Eigenantrieb montiert werden (ich bin ziemlich zuversichtlich, dass Waffen wie die Haubitze M110 einen ähnlichen Rückstoß erzeugen, aber ich konnte keine endgültige Ballistik finden Daten). Große stationäre Artillerie würde auch funktionieren, aber solche Waffen waren nie wirklich effektiv.

Wenn ich etwas vergessen habe oder Daten übersehen habe, lassen Sie es mich bitte wissen!

BEARBEITEN: Es stellt sich heraus, dass die M110-Haubitze einen Impuls von etwa 50.000 Newtonsekunden erzeugt, also habe ich mich tatsächlich über die Größe des beteiligten Rückstoßes geirrt. Dies deutet darauf hin, dass ein selbstfahrendes Artilleriegeschütz mit unserer hypothetischen 1GJ-Waffe einen wesentlich größeren Lafette benötigen wird als beim M110. Ich bezweifle, dass es 5-mal größer sein muss, um den 5-fachen Rückstoß zu bewältigen, aber es muss erheblich sein.

EDIT 2: Ok, noch eine Bearbeitung! Ich habe eine Waffe mit einem sehr ähnlichen Rückstoßwert gefunden: das deutsche 28cm/45 SK L/45 Naval Gun . Er erzeugt einen Impuls von etwa 260.000 Newtonsekunden, was für unsere Zwecke nah genug ist. Dieser Link enthält die meisten relevanten ballistischen und dimensionalen Daten, aber kurz und knapp ist es, dass eine Waffe dieser Größe normalerweise auf einem großen Schiff montiert ist (in diesem Fall war es die Hauptbewaffnung einiger deutscher Großschiffe aus der Dreadnought-Ära ) oder als festes Artilleriegeschütz (Küstenverteidigung oder Eisenbahnkanone). Meiner bescheidenen Meinung nach wäre es sehr schwierig, diese Kanone auf einem Panzer zu montieren, aber zumindest ein Teil dieser Schwierigkeit wird auf das Gewicht der Waffe zurückzuführen sein. Unsere Railgun nichthaben jedoch die gleichen Gewichtsbeschränkungen wie eine traditionelle Kanone, daher denke ich, dass sie immer noch machbar ist, insbesondere wenn wir moderne Materialien und Techniken verwenden.

Sie werden überrascht sein, dies zu hören, aber es gab IRL-Waffen, die Projektile mit 1GJ+ Mündungsenergie abgefeuert haben.

Der beste Weg, den ich mir vorstellen kann, um etwas von der Größe dessen, was Sie beschreiben, nicht vom Rückstoß seiner eigenen Waffe wegblasen zu lassen, besteht darin, ihm einen SEHR langen Lauf zu geben, damit das Projektil nach unten beschleunigen kann. Dies ist schließlich ein Verlustgeschäft, da die Geschwindigkeit (unter der Annahme, dass dieselbe Kraft den ganzen Lauf hinunter drückt) nur um die Quadratwurzel der Länge zunimmt.

Die zweite Option, die ich Ihnen geben kann, ist, dass Sie ein SEHR leichtes Projektil abfeuern könnten. Die Mündungsenergie steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Wenn Sie also das Gewicht des Projektils halbieren, könnten Sie (in einer perfekten Welt) die doppelte Mündungsgeschwindigkeit erreichen, was Ihnen wiederum die vierfache Mündungsenergie verleiht.

Probleme in der realen Welt bei einem extrem leichten Projektil: Der Luftwiderstand verlangsamt es sehr schnell, sodass Sie nicht viel effektive Reichweite haben. Zweitens ist diese Masse sehr hilfreich, wenn Sie möchten, dass ein Projektil Material durchdringt.

Wenn Sie sich damit zufrieden geben, nur kleinere Objekte aufzulösen, funktioniert das kleine Projektilschema gut, da diese Energie bei allem, was getroffen wird, im Grunde in eine Explosion umgewandelt wird, aber glauben Sie nicht, dass es ein Loch durch Füße aus Stahl schlagen würde, es würde einfach kaputt gehen die Außenseite davon.

Bauen Sie eine Hülle, die ein Vakuumbehälter ist, in dem sich die Masse dreht. Setzen Sie den größten Teil des 1GJ in Projektildrehung, bevor Sie es starten. Dann können Sie es mit konventionellen Geschwindigkeiten starten, sodass es den Feind 5 Meilen weiter unten trifft, anstatt am Mond vorbeizufliegen und 3 Jahre später Jupiters Ringe zu treffen.

Das Schöne an einer Railgun ist, dass die Kraft im Gegensatz zu einem Sprengstoff nicht auf einmal auf das Projektil übertragen wird, sondern über die gesamte aktive Länge der Schiene. Je länger also der aktive Beschleunigungsweg und damit die Zeit, desto weniger Kraft benötigen Sie für die gleiche Endgeschwindigkeit. (also weniger Kraft pro Zeiteinheit auf den Tank)

Dass der Rahmen den Rückstoß überlebt, ist kein so unlösbares Problem, Sie müssen den Rückstoßstoß im Grunde auf etwas außerhalb des Tanks übertragen. Moderne MBTs bestehen normalerweise aus Stahl (mit Schichten aus anderem Material bedeckt), der fast einen Fuß dick ist. In der Vergangenheit haben wir Panzer und andere Fahrzeuge aus deutlich dickerem Stahl gesehen. Es ist nicht unmöglich, den Rahmen effektiv aus einem Stück zu machen, nicht verformbar und in der Lage, den Rückstoß vom Körper des Panzers weg zu übertragen.

Es wurden Panzer gebaut, die 100 Tonnen überschritten, und Mega-Artillerie, die erheblich größer war, also ist es möglich, etwas zu bauen, das eine solche Waffe tragen könnte, aber es wäre offensichtlich sehr schwer und langsam.

Große, selbstfahrende Artillerie (wie die russische 2s7 Pion Selbstfahrlafette) verwendet eine Klinge wie ein Bulldozer (als "Rückstoßspaten" bezeichnet - danke, T) am Heck des Fahrzeugs, um den Rückstoß in den Boden zu übertragen. Die Selbstfahrlafette stoppt, setzt das hydraulische Schild ein, hebt den Lauf und macht Boom. Stöße werden direkt in den Boden unter dem Fahrzeug übertragen. Ihr Panzer könnte dasselbe tun, wäre aber offensichtlich nicht in der Lage, sich gleichzeitig zu bewegen und zu feuern.

Alternativ könnten Sie eine Art raketenähnliches Gerät entwickeln, das gleichzeitig mit der Railgun auf die Rückseite des Panzerturms feuert. Das würde den Rückstoß abschwächen, hätte aber eine begrenzte Kraftstoffversorgung.

Wahrscheinlich ist alles, was so viel Leistung hat, nicht mobil ... ein Panzer, der damit umgehen kann, kann einfach nicht existieren, wie wir das Wort Panzer derzeit verstehen .

Der Energiebedarf und die Wucht/Beanspruchung einer solchen Waffe erfordern einen stationären Einsatz. Ein Panzer hat einfach nicht das Gewicht und die strukturelle Integrität, um so viel Kraft auszuhalten.

Außerdem bedeutet der Strombedarf, dass der Panzer ein Vielfaches seines Gewichts an Batterien / Kondensatoren mit sich herumtragen müsste, um die Kanone zu betanken (ich kenne die Mathematik nicht genau).

Etwas, das 1 GJ Kraft ausstrahlt, muss in der Lage sein, das auszugleichen ... ein Panzer würde vom Rückstoß durch die Luft fliegen.

Sie könnten Artillerie-Stil bauen und das Ganze auf eine Art modifizierte Zugschienen stellen, damit es festgehalten wird und nach dem Schießen zurückgleiten kann.

Graphen ist keine gute Idee. Stark ja, aber relativ spröde. Die Rahmenmaterialien benötigen Zähigkeit und Festigkeit. Stahl zum Beispiel hat wohl das beste Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Festigkeit.

Für Panzer wird dies schwierig, da Sie möchten, dass die Waffe von innen geladen wird. Dies wird aufgrund der hohen Ströme, die mit dem anfänglichen Burst verbunden sind, eindeutig nicht möglich sein. Tatsächlich wäre es wahrscheinlich ratsam, es weit über den Passagierbereich des Panzers anzuheben, um einen versehentlichen Stromschlag durch induzierte Ströme zu verhindern.

Da Sie es sowieso draußen montieren müssen, wird Ihr Fahrzeug weniger zu einem Panzer, sondern eher zu einer motorisierten Leiter. Um Ihre Stabilität zu verbessern, montieren Sie Ihre Leiter in diesem Fall auf einer nicht leitenden Oberfläche auf dem Boden. Auf diese Weise wirkt der Rückwärtsschub so, dass die nicht leitende Basis in den Boden getrieben wird, solange Ihre Waffe über die Horizontale gerichtet ist Boden, von wo es ausgegraben werden muss. Kurz gesagt, Sie können eine 1GJ-Railgun auf einem Panzer montieren, und der Panzer bricht nicht auseinander / fliegt nicht weg, wenn die Waffe abgefeuert wird, außer dass es sich eher um einen Einzelschuss-Raketenwerfer handelt. Anscheinend können die Schienen nicht mehr als einen Schuss vertragen.

Rückstoß ist im Wesentlichen Impuls und Impuls ist im Wesentlichen Kraft/Zeit. Um den Rückstoß zu verringern, kann ich die Kraft verringern oder die Zeit verlängern, über die diese Kraft ausgeübt wird. Doppelte Zeit, halber Rückstoß, vierfache Zeit, viertel Rückstoß und so weiter.

Angenommen, ich setze, sagen wir, 1 GJ Energie insgesamt ein, um mein kaputtes Auto anzuschieben. Wenn ich das auf einmal anwende (eine Mutter eines Schlags), werde ich meine Hände und mein Auto explodieren lassen. Wenn ich das über eine halbe Stunde anwende, ist alles in Ordnung.

Stellen Sie sich nun vor, Sie montieren Ihre Railgun in einer sehr langen Halterung. Der Lauf des Panzers ist weniger ein Lauf als vielmehr ein sehr, sehr langer Rückstoßdämpfer mit der Waffe darin. Vielleicht ist der Lauf / die Wiege 40 Fuß lang und ragt an beiden Enden des Turms heraus. Beim Abfeuern gleitet die eigentliche Railgun nach hinten, bremst „sanft“ ab und überträgt ihre Energie langsam in das Chassis, anstatt einen einzigen erderschütternden Schlag zu versetzen.