Zerstörung von Hypervelocity-Runden mit mehr Hypervelocity-Runden

In einer früheren Frage fragte ich nach der Verwendung eines vergrößerten Peitschenschilds zum Schutz vor einer 250-kg-Wolfram-Runde, die sich mit etwa 60 km / s fortbewegt. Die fragliche Runde hat einen Durchmesser von „etwa“ 10 cm und eine Länge von „etwa“ 1 Meter. Die Schlussfolgerung war, nein, der Peitschenschild würde unwirksam sein, weil er nur einen kleinen Teil der Wolframgeschosse abrasieren würde, die sich größtenteils unbeschadet bis zum Hauptrumpf fortsetzen würden, fair genug. Aber was passiert, wenn Sie die ankommende Runde mit einem weiteren ziemlich beträchtlichen Schuss in die andere Richtung treffen?

Angenommen, Sie feuern eine 10-kg-Stahlpatrone mit vergleichsweise geringen 3 km / s auf die ankommende Wolframpatrone ab. Die kombinierte Geschwindigkeit beträgt etwa 63 km/s, und nach meinen Berechnungen auf der Rückseite des Umschlags sollte der Aufprall mehr als das Zehnfache der Energie freisetzen, die zum Verdampfen der Wolframpatrone erforderlich ist (wenn die von mir angegebenen Zahlen nicht ausreichen, davon aus, dass Masse und Geschwindigkeit des Abfanggeschosses ausreichen, um ungefähr diesen Wert für kinetische Energie zu erreichen). Die Stahlkugel ist komplett weg ... aber ist die Wolframkugel? Wird dieser Aufprall nur etwa 10 kg von der Wolfram-Patrone abtragen und den Rest dem Ziel überlassen? Wird die Wolframpatrone verdampft? Wird es in faustgroße Stücke geblasen?

Was genau von der ankommenden Patrone übrig bleibt, macht einen großen Unterschied für das Ziel, auf das geschossen wird. Eine Plasmawolke kann durch eine magnetische Abschirmung behandelt werden; Eine Staubwolke kann mit einem Whiple-Schild behandelt werden. Faustgroße Brocken? Sie brauchen eine ziemlich kräftige Rüstung. Meist intakte Runde? Viel Glück.

Ich werde nicht behaupten, dass dies eine vollständige Antwort ist, aber hier ist eine Simulation einer Kollision bei 15 km / s .
@CortAmmon Preeeeeeety…. Und informativ! :D
Sollen wir uns nur auf die tatsächlichen Auswirkungen und Trümmer konzentrieren? oder die Plausibilität, eine Hypervelocity-Runde überhaupt abzufangen? Nicht einmal große Raketen in der Atmosphäre können wir zuverlässig abfangen...
@Shadowzee Nehmen wir an, das Problem, etwas mit der Querschnittsfläche Ihrer Faust zu treffen, die sich mit 60 km / s bewegt, wurde gelöst. Wir reden nur darüber, was nach dem Aufprall passiert.
Anstatt das ankommende Projektil im Totpunkt zu treffen, warum nicht in einem Winkel, auf diese Weise wird sein Kurs geändert, selbst wenn 100 % des Projektils den Aufprall überleben und Ihr Schiff meilenweit verfehlen.
@V.Aggarwal Vermisse dein Schiff. Es können andere Schiffe oder Wasserfahrzeuge, vielleicht Zivilisten oder kritische Ressourcen usw. in der neuen Flugbahn sein.
@PabloH Richtig, das muss sehr genau berechnet werden, wo das Projektil abgelenkt wird, aber es sollte kein sehr kompliziertes Problem sein, Bordcomputer-KI kann es leicht handhaben, Vielleicht trifft das Projektil mehr als einmal, um das zu bekommen Ergebnisse.
Ich bin mit der Idee von @V.Aggarwal an Bord. Die Berechnung der neuen Flugbahn des Projektils scheint nicht viel schwieriger zu sein, als das Projektil überhaupt zu treffen. Für aktuelle Computer ist es also nahezu unmöglich, dies schnell genug zu tun, aber für OP-Computer bereits gelöst.

Antworten (3)

Unter Weltraumbedingungen ist Wolfram sehr spröde. Sogar monokristallines Wolfram wird wahrscheinlich beim Aufprall vollständig zersplittern. Dies ist für einen Impaktor nicht so schlecht, es sei denn, Sie schießen auf ein gehärtetes Ziel (eigentlich könnte es wünschenswert sein, auch weil Wolfram pyrophor ist und eine Wolke aus Wolframsplittern in der Sauerstoffatmosphäre eines unter Druck stehenden Raumschiffs eine anständige Imitation einer thermobaren Bombe liefert ).

Wenn Sie es also treffen können, erwarte ich nicht, dass Impaktoren aus reinem Wolfram überhaupt ein Problem darstellen. Sie werden sich in Staub auflösen, und dieser Staub wird das Schiff wahrscheinlich mit großem Abstand verfehlen.

Der Impaktor könnte dann aus Impaktorlegierungen (Wolfram-Nickel-Eisen mit 90 % Wolfram oder mit Wolframcarbid dotierte poröse Matrix aus Wolfram – Nickel – Eisen – Kobalt mit 90 % Wolfram) hergestellt sein . Letzteres hat eine stark verbesserte Durchschlagskraft gegen gehärtete Ziele gezeigt , was sich in einer guten Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen von eisernen Gegenschlagkörpern niederschlägt.

Die wahrscheinliche Folge ist, dass der vordere Teil des Impaktors explodiert, während der hintere Teil weitgehend unversehrt bleibt. Trotzdem wird das Projektil unter fast allen Umständen einem erheblichen seitlichen Schub ausgesetzt, der in jeder realistischen Entfernung sicherstellen sollte, dass es das Ziel verfehlt.

Viel hängt von der Entfernung ab, in der der Impaktor abgefangen wird.

Der Aufprall würde sicherlich die Flugbahn des Impaktors verändern, selbst wenn er sonst nichts bewirkt; Selbst eine kleine Ablenkung kann den Unterschied zwischen einem Aufprall und einem harmlos vorbeifliegenden Geschoss ausmachen, das das Ziel verfehlt. Und in ausreichender Entfernung (z. B. 600 Kilometer) könnte ein zweiter Gegenimpaktor das Projektil vielleicht noch treffen, während er noch 0,3 Sekunden vom Aufprall entfernt ist.

(Ich weiß nicht, ob ein "geschichteter" Impaktor - ein Impaktor, der an zwei Stellen entlang seiner Länge verdünnt wurde, um ihn in drei Abschnitte zu unterteilen - besser abschneiden würde; ob der Kollisionsschub die Verbindung zwischen den beiden zerbrechen würde Abschnitte, wobei der hintere Abschnitt in seiner Flugbahn fast unverändert blieb, während der vordere zerfiel. Besser ein Drittel des Projektils, um das Ziel zu erreichen, als nichts. Wahrscheinlich hätte jedes angreifende Schiff mehrere Arten von Impaktoren zur Auswahl).

In einer Situation mit Punktverteidigung wäre ein Angreifer besser dran, viele kleinere Projektile abzufeuern, um die Punktverteidigung zu sättigen, als zu versuchen, ein größeres Projektil zu entwickeln und zu implementieren, das einen Punktverteidigungstreffer tolerieren kann.
Ich bin mir nicht sicher, ob die Physik, die bei der Herstellung besserer moderner Impaktoren eine Rolle spielt, auch bei Runden mit 60 km / s zutrifft. Moderne Railguns bringen Sie auf etwa 3 km/s ... und diese hier hat 400-mal so viel kinetische Energie pro Kilogramm.
@FlyingLemmingSoup Ohne andere Faktoren wie attrition sollte die Physik mindestens bis zu den ersten Prozent der Lichtgeschwindigkeit halten. Ich glaube, ich habe gelesen, dass sich jenseits von 1-2 km/s jeder Impaktor meistens bereits wie eine Flüssigkeit verhält , während bei relativistischen Geschwindigkeiten, um Randall Munroe von XKCD falsch zu zitieren, "im Grunde ein Klecks Partikel in enger Formation fliegt" (dh , die Art der Sache spielt keine Rolle mehr).
Genau wie @LSerni sagt: Das Ende der Stange wird nicht einmal bemerken, dass die Spitze verdampft wurde, es wird durch die Wolke aus Stahltrümmern hindurchgehen, bevor die Druckwelle, die die Stange hinaufwandert, sie erreicht hat. Und selbst wenn der Stab zerbrochen ist, haben Sie immer noch einen Klumpen von Fragmenten, die in enger Formation mit vernachlässigbarer seitlicher Bewegung fliegen. 60 km/s sind wirklich verdammt schnell, man müsste es treffen, während es noch ein paar Dutzend Kilometer entfernt ist, damit sich die Wolke aus Fragmenten genug ausbreiten kann, um weniger gefährlich zu werden.
Übrigens: 250 k G ⋅ 60000 2 M 2 2 S 2 = 450 G J Das sind etwa 110 Tonnen TNT. Es spielt keine Rolle, ob das über eine Fläche von einem oder zehn Metern verteilt ist, Sie müssten es mindestens in den 100-m-Bereich verteilen, um eine Hoffnung zu haben, es würdevoll zu absorbieren.

Angenommen, Sie feuern eine 10-kg-Stahlmunition auf die ankommende Wolfram-Runde mit vergleichsweise geringen 3 km / s ab

Dies unterscheidet sich nicht von einem statischen Whipple-Schild aus Stahl und einem ankommenden Projektil, das sich mit 63 km / s fortbewegt. Das Problem ist immer noch, dass sich Aufpralle mit hoher Geschwindigkeit nicht wie Aufpralle mit niedriger Geschwindigkeit verhalten und die Auswirkungen von Kollisionen daher kontraintuitiv sind. Aus diesem Grund werden z. B. ruhigere Kollisionen (z. B. 15 km / s) als aufeinander abspritzende Flüssigkeitsstrahlen modelliert ... intermolekulare Bindungen bedeuten angesichts der beteiligten Aufprallkräfte nichts.

Das bedeutet, dass der gesamte Klappentext für Peitschenschilde genauso gilt wie für Abfanggeschosse.

Wird die Wolframpatrone verdampft? Wird es in faustgroße Stücke geblasen?

Es ist nicht ganz klar, was damit passieren wird. Im schlimmsten Fall wird ein kurzes Stück des Impaktors abgetragen und der Rest kommt einfach weiter. Verwenden Sie dieselbe Annäherung an die hydrodynamische Penetration wie beim letzten Mal ... wenn Ihr Stahlprojektil den gleichen Durchmesser wie das ankommende Projektil hat, ist es 4 cm dick und wird etwa 2,5 cm von der Vorderseite des Aufpralls abgetragen. Das ist nicht so gut, aus der Sicht des Ziels.

Ich habe kürzlich etwas über "Kraterstärke" gelesen, ein Begriff, der die Ausdehnung eines Kraters in einem festen Objekt behandelt. Ich bin mir nicht ganz sicher, wie dies auf Hypervelocity-Impaktoren zutrifft ... es passt nicht gut zur Idee hydrodynamischer Jets, das ist sicher, aber es behandelt die Vorstellung von etwas, das explodiert, wie Sie vielleicht erwarten, dass es eine Menge freisetzt Energie in kurzer Zeit. Es wurde auch von Luke Campbell vorgeschlagen, der ein bisschen mehr über solche Dinge weiß als ich und sich mehr Gedanken darüber gemacht hat. Also mit allem, was gesagt wurde, nehmen Sie dies mit einer kleinen Prise Salz .

Die Kraternäherung definiert das Kratervolumen v C = E P / S C Wo E P ist die kinetische Energie des Projektils und S C ist die Kraterfestigkeit des betreffenden Materials, handgewellt auf das Dreifache seiner Streckgrenze. Die Streckgrenze von Wolfram beträgt 750 MPa, daher wird seine Kraterfestigkeit mit 2,25 GJ/m 3 definiert . Wenn wir uns den Wolfram-Impaktor als stationär vorstellen und der Stahl-Interceptor mit 63 km/s einfliegt, hat er eine kinetische Energie von fast 20 GJ. Das ergibt ein Kratervolumen von 8,82 m 3 und somit eine Kratertiefe (definiert als Radius einer Kugel mit diesem Kratervolumen) von etwa 2,1 m.

Bei dieser Annäherung wird der Impaktor tatsächlich in Stücke gerissen. Hurra! (Es deutet auch darauf hin, dass Ihre Whipple-Abschirmung in der vorherigen Frage besser ist als ursprünglich erwartet, also werde ich das irgendwann noch einmal überdenken).

Jedoch .

Unter der Annahme der hydrodynamischen Eindringtiefe wird der Stahlabfangkörper in den vorderen paar Zentimetern des Impaktors mehr oder weniger "aufgebraucht". Die Energie der Kollision muss daher entlang des Impaktors durch einfache alte Atome übertragen werden, die zusammenstoßen. Wenn dies mit Schallgeschwindigkeit in Wolfram von 5,2 km/s geschieht, dauert es 1/5200 Sekunde, bis der Impaktor vollständig zerfällt, und hat in dieser Zeit eine Strecke von 11 m zurückgelegt. Wenn der Abfangjäger den Impaktor näher am Schiff trifft, sind Sie immer noch in großen Schwierigkeiten (dies deutet auch darauf hin, dass Ihre 50-m-Abschirmlücke in Ihrer vorherigen Antwort wahrscheinlich ein vernünftiger Abstand ist). Ich bin mir nicht sicher, mit welcher Geschwindigkeit sich die Trümmer ausbreiten werden, da dies die Ausarbeitung von Energiebudgets und anderen Dingen erfordert, und ich fühle mich zu faul dafür.

Als nächstes gibt es viel Schwung in einer Vierteltonnenschnecke, die sich mit 60 km / s fortbewegt. Ihr kleines Stahlprojektil kann genug Energie liefern, um es aufzubrechen, aber diese Bits werden ziemlich groß sein und den größten Teil ihrer ursprünglichen Geschwindigkeit und Richtung beibehalten. Das ist nicht so sehr „abplatzen“ als vielmehr ein erschreckender Schrotschuss des Untergangs. Nicht so viel Verhängnis wie ein meterlanger Wolframstab, aber Sie müssen sich vielleicht trotzdem mit einer Wolke aus faustgroßen 60 km / s-Projektilen auseinandersetzen (es spielt übrigens keine Rolle, ob sie fest oder geschmolzen sind).

Eine Plasmawolke kann durch eine magnetische Abschirmung behandelt werden; Eine Staubwolke kann mit einem Whiple-Schild behandelt werden. Faustgroße Brocken? Sie brauchen eine ziemlich kräftige Rüstung. Meist intakte Runde? Viel Glück.

Ich glaube nicht, dass es Staub sein wird. Und denken Sie daran, selbst wenn es Staub war , erfordert eine Vierteltonne Staub, die sich mit 60 km / s fortbewegt, einen ziemlich großen Peitschenschild, und dieser Peitschenschild wird danach ein ziemlich großes Loch darin haben.

Was den Umgang mit Plasma über eine magnetische Abschirmung angeht ... noch einmal, die Überreste des Impaktors haben einen beträchtlichen Impuls, und Sie haben eine kurze Zeit, um eine beträchtliche Kraft darauf auszuüben, um ihn abzulenken. Ich werde hier nicht versuchen, das herauszufinden (Magnetmathematik ist schwierig :-(), aber es klingt ein wenig zweifelhaft.

Lassen Sie uns zum Schluss noch einmal auf diese faustgroßen Brocken zurückkommen. Am Ende meiner letzten Antwort sagte ich Folgendes:

Die einfachste Gegenmaßnahme aus Sicht des Angreifers besteht darin, mehrere kleinere Projektile abzufeuern, die entlang ihrer Flugbahn leicht voneinander getrennt sind.

Dies gilt immer noch. Kolineare kinetische Penetratoren werden hervorragend darin sein, die Verteidigung in der Tiefe zu besiegen, obwohl ausreichend Interceptor-Railgun-Feuer in der Lage sein könnte, alle Projektile zu vernichten, bevor sie das Ziel erreichen. Die andere Alternative, viele lange, schlanke Projektile (eine Art paralleler Impaktor anstelle eines seriellen) würde jeweils eine Railgun-Runde erfordern , was sehr, sehr schnell jede plausible Verteidigung überwältigen kann. Eine Kombination der beiden Ansätze opfert die schiere One-Hit-Kill-Fähigkeit der monolithischen Wolframkugel für eine riesige Wolke aus kinetischem Tod, gegen die es unpraktisch ist, sich zu verteidigen.

Wenn man bedenkt, dass der Impaktor eine kinetische Energie von ungefähr 110 Tonnen TNT hat, denke ich, dass es tatsächlich sicherer ist, den Impaktor nicht zu zerbrechen: Wenn der Impaktor ganz ist, geht er einfach an einer Stelle durch das Schiff und verdampft alles auf seinem Weg, lässt aber den Rest des Schiffes intakt. Wenn es sich ausbreitet, ist der Effekt eher wie eine kleine Atombombe, die neben dem Schiff explodiert.
@cmaster ksbes hat in seiner Antwort auf die letzte Frage fast dasselbe vorgeschlagen . Sie könnten in Ordnung sein, solange die Flugbahn nicht zu nahe an etwas zu Wichtigem kommt, aber auf einem Kriegsschiff gibt es nicht viel Spielraum für "nutzlosen Raum". Eine kleine Atombombe, die draußen explodiert, ist einer drinnen vorzuziehen!
@StarfishPrime: Die Antworten auf die letzte Frage haben mich tatsächlich dazu veranlasst, eine Welt von Weltraumschlachtschiffen zu entwerfen, in der wir fast völlig nutzloser Raum sind: Kilometerlange Netze aus schnell austauschbaren Schienen mit montierten, mobilen, mehrfach redundanten Pods voller wichtiger Ausrüstung (oder vielleicht nur Köder). Die Idee war, dass selbst wenn eine kleine Atombombe 'innerhalb' des Schiffes explodierte, es keine wirklich große Sache war.
@JoeBloggs große, weiche Schiffe sind nicht härter als kleine, harte. Eine größere Anzahl kleinerer Penetratoren kann verwendet werden (z. B. durch Hinzufügen einer Sprengladung zu einem großen kinetischen Projektil) und Casaba-Haubitzen und bombengepumpte Laser können aus größerer Entfernung verwendet werden, da sie weniger hartes Material durchdringen müssen. Sie können nicht unbegrenzt skalieren, da Sie Probleme haben werden, Ihr Schiff zu drehen, ohne dass sich das Chassis verzieht oder bricht, was auch Ihre Manövrierfähigkeit einschränkt.
@StarfishPrime: Ja! Das Lustige an diesem Schiffsdesign ist, dass es ein weiches, austauschbares, leicht zu durchquerendes Gerüst ist (selbst wenn es zerstört ist), auf dem eine Reihe harter Knoten kriechen. Waffen, die gegen weiche Ziele wirksam sind, sind gegen die besorgniserregenden Teile (feindliche Waffen usw.) nicht nützlich, und die harten Knoten können sich genug bewegen, um auszuweichen, ohne endlos Reaktionsmasse zu verschwenden. Eine der Einschränkungen, die zu einer solchen Konstruktion führen, ist das stark begrenzte Delta V, das eine Beschleunigung der vom Boden gepumpten Masse erfordert. Grundsätzlich wird das Schlachtschiff in einem kompakten Paket gestartet und dann ausgepackt. Es ist Weltraumkrieg von Ikea.

Versuchen Sie, das ankommende Projektil nicht direkt zu treffen. Wenn Sie es leicht außeraxial treffen, werden Sie die Flugbahn leicht anstoßen. Und dann wird die ankommende Runde verfehlen.

Dies ähnelt einigen Vorschlägen zur Verteidigung von Asteroiden .

Dazu müsste der Abfang mehrere Dutzend Kilometer vor dem Ziel erfolgen. Auf jeden Fall machbar, aber das Szenario, an das ich hier denke, ist eher eine letzte Verteidigungsmaßnahme mit Dumbfire-Railgun-Projektilen, die diese Art von Treffer wahrscheinlich nicht erzielen werden.
@FlyingLemmingSoup Wenn der Gegenschuss kugelförmig ist, ist die Wahrscheinlichkeit eines genauen Aufpralls in der Mitte vernachlässigbar. Bei ±20° (als nahezu senkrechter Einfall) wird ein Querschnitt von etwa 12 % des gesamten Kugelquerschnitts definiert (sin(20°)²) = 12 % Wahrscheinlichkeit eines nahezu senkrechten Einfalls. Um ein ablenkendes Verhalten zu begünstigen, verwenden ein Hagel von kegelförmigen Gegenschlagkörpern einen Konus – eine Null-Totpunkt-Aufprallquerschnittsfläche.
Sie werden es mit ziemlicher Sicherheit nicht aus seiner Achse schlagen. Hypervelocity-Einschläge funktionieren so nicht. Wenn Sie das Projektil in die Seite treffen können, verringern Sie seine Wirksamkeit ernsthaft, aber das ist, gelinde gesagt, eine knifflige Angelegenheit.
Wenn Sie es von der Seite treffen können, ist es nicht auf Sie gerichtet.
Was ist eigentlich, wenn Sie es von der Seite über vorgeschobene Punktverteidigungsdrohnen treffen?
@Alice Das ist eigentlich so ziemlich das, was ich für die primäre Verteidigungslinie im Sinn hatte. Ich frage mich nur, ob es wirklich Sinn macht, Railguns für die Nahverteidigung gegen solche Runden zu haben.
@FlyingLemmingSoup Angesichts der potenziellen Vielfalt an Projektiltypen und -größen und Feuerraten ist es nicht offensichtlich, dass es Sinn macht, irgendeine Methode zum Abschießen eingehender dummer Projektile zu verwenden .
@StarfishPrime Eine Frage, die ich ein anderes Mal überlege, ist, ob eine Partikelkanone funktionieren könnte. So etwas wie eine Kreuzung zwischen einer Casaba-Haubitze und einem Antimaterie-katalysierten Fusionstriebwerk; eine Kanone, die die Explosion eines Fusionsbrennstoffpellets in einen relativ schmalen Kegel lenkt. Was passiert, wenn Sie das ankommende Projektil mit genügend Energie treffen, um es zu verdampfen, wenn diese Energie in Form eines Partikelstrahls vorliegt?
@FlyingLemmingSoup es könnte gut funktionieren, obwohl Sie ziemlich viel Energie in ein dummes Projektil pumpen müssen, um es zu verdampfen. Das Problem ist wiederum, dass die Projektile, die Sie abfangen, billig sind und der Abfangmechanismus, den Sie verwenden, teuer ist. Die Verteidigung des Ziels kann durch eine große Anzahl kleiner Fragmente zermürbt werden, und dann kann der Gnadenstoß von einem einzigen großen Projektil ausgeführt werden. Ein-Schuss-Partikelstrahlen sind besser geeignet, um teure Waffen wie Raketen mit Atomsprengköpfen abzufangen.
Zerstörung von Hypervelocity-Runden mit mehr Hypervelocity-Runden
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