Welche technologischen Hürden stehen der Entwicklung einer Weltraumkanone entgegen?

Skalierung ist wahrscheinlich das größte Problem.

Zunächst einmal braucht man immer eine Oberstufe, da ein Geschütz einen nicht in eine vernünftige Umlaufbahn bringen kann. Es kann Sie hoch genug bringen und vielleicht schnell genug, aber nicht in eine Umlaufbahn.

Also muss Ihr Geschütz groß genug sein, um eine Nutzlast zu starten, einschließlich mindestens einer Art Oberstufe.

Sobald Sie auf diese Art von Größen skalieren, um bedeutende Nutzlasten zu liefern, werden diese Geschütze SEHR groß und viel komplexer, als es scheint.

Es gibt viele Probleme, die bei der Skalierung auftreten. Wenn die Dinge größer werden, muss ihre Frontfläche länger werden, der Luftwiderstand wird höher, und jetzt ist mehr Energie erforderlich, um den ganzen Weg durch die Atmosphäre zu schieben, mit ausreichender Geschwindigkeit am Ende, um nahe genug an der Umlaufgeschwindigkeit zu sein, so dass eine kleine Oberstufe kann die Umlaufbahn kreisförmig machen.

Aber wenn Sie Oberstufengröße / Nutzlast / Anfangsgeschwindigkeit abwägen, wird die anfängliche G-Last höher und höher, um eine nützliche Nutzlast zu liefern.

Die größten Probleme mit einer Weltraumkanone liegen in der einfachen Natur der Ballistik.

Wir können Railguns verwenden, um Projektile sehr schnell zu beschleunigen; viel schneller als explosive Treibmittel über die gleiche Distanz. Der aktuelle Rekord liegt bei 33 MJ; das ist ein Ein-Kilo-Projektil, das ungefähr mit Fluchtgeschwindigkeit (8127 m/s) angetrieben wird. Theoretisch könnte also die stärkste Railgun, die wir haben (derzeit in den Händen der Navy Labs, die die Technologie für eine neue Klasse von Kriegsschiffen entwickeln), ein 1-Kilo-Objekt in den Weltraum bringen.

Es gibt jedoch die von mir erwähnten Probleme. Erstens wird diese Energiemenge in der Navy-Railgun derzeit über eine Entfernung von ungefähr 12 Metern in einer Zeitspanne von 10 Millisekunden auf das Projektil übertragen. Eine Geschwindigkeitsänderung von 8000 m/s in einem 1-kg-Projektil über 0,01 Sekunden entspricht einer Beschleunigungskraft von 800.000 Newton, was etwa 81.632,65 G-Kräften entspricht. Menschen können etwa 14 G überleben, wenn sie flach auf dem Rücken oder Bauch liegen, und 4 G ist das Maximum, dem wir unsere Astronauten gerne in sitzender Position aussetzen, da sie nicht alle Kampfpiloten in bester Verfassung sind, die 6-8 G bewältigen können für lange Manöver.

Um dasselbe Delta-V mit einer auf 40 m/s ² (knapp über 4 G) begrenzten Beschleunigung zu erhalten, wären 200 Sekunden erforderlich, in denen Sie 800.000 Meter zurückgelegt hätten (die erforderliche Länge des Laufs der Railgun). 800.000 Meter sind knapp 500 Meilen; Sie sprechen davon, eine Strecke von Dallas nach El Paso, TX, mit Millimetertoleranzen für die Abweichung pro Kilometer Strecke von der perfekten Geraden zu bauen. Es wäre das größte und teuerste einzelne Tiefbauprojekt, das die Menschheit je unternommen hat; bei weitem größer als die derzeitigen Hochgeschwindigkeitszugsysteme, größer als der CERN-Supercollider, größer als das US-Interstate-Projekt.

Zweitens reisen Sie in dem Moment, in dem Sie das Fass verlassen, so schnell wie nie zuvor. Der Luftwiderstand wird Sie verlangsamen, und die Luft ist direkt an der Erdoberfläche am dicksten, wo es am billigsten ist, diese 500-Meilen-Strecke zu bauen. Sobald Sie also das Fass verlassen, werden Sie mit Mach-25-Winden gesprengt, die Sie sofort unter die Fluchtgeschwindigkeit verlangsamen werden. Und wenn es in Dallas regnet (denken Sie daran, dass Sie in Richtung der Erdrotation von Westen nach Osten reisen möchten, um die zusätzliche Winkelgeschwindigkeit von 465 m/s auszunutzen), zerschmettern die Regentropfen die Windschutzscheibe. Wir mildern dies mit modernen Raketen ab, indem wir unsere Beschleunigung und Geschwindigkeit begrenzen, bis wir die Troposphäre verlassen. An diesem Punkt drosseln wir die Rakete auf maximale Leistung, wenn die Luft dünner wird. Unsere Railgun hingegen müsste auf einer Neigung von etwa 7 * gebaut werden, mit der Mündung etwa 100.000 Fuß in der Luft, damit das Projektil den schlimmsten Luftwiderstand vermeiden kann, wenn es den Lauf verlässt. Jetzt nehmen Sie das bereits teuerste Projekt der Geschichte und fügen ihm die Aufgabe hinzu, eine Rampe zu bauen, die 36 Mal höher ist als der Burj Khalifa, und das ist bei weitem die kürzere Dimension. Wir arbeiten jetzt auch beim Beschleunigen gegen die Schwerkraft, was zusätzliche 1,225 m/s ^{2 erfordert}auf die Beschleunigung unserer Railgun, nur um die Schwerkraft zu berücksichtigen (wir sind bereits davon ausgegangen, dass Luftwiderstand und andere Reibung im Lauf vernachlässigbar sind).

Schließlich sind 33 MJ unser aktueller Weltrekord für die Übertragung von kinetischer Energie in ein Projektil über Magrail, ohne es vollständig zu zerstören, und das reicht nur aus, um ein Kilo auf Fluchtgeschwindigkeit zu bringen. Der Space-Shuttle-Orbiter wiegt leer 130.000 kg. Das leichteste Fahrzeug, das wir je in den Orbit gebracht haben und das menschliches Leben unterstützen kann, war die Mercury-Kapsel mit 1.400 kg; Eine Railgun, die diese Kapsel in die Umlaufbahn bringen kann, müsste im Idealfall nicht ein Millijoule weniger als 46,2 GJ kinetische Energie auf die Kapsel übertragen können. Im Großen und Ganzen ist das nicht viel; es geht um den jährlichen Stromverbrauch eines durchschnittlichen Kühlschranks. Das sind jedoch immerhin Ineffizienzen und Verluste, die, wenn Sie

Da wir in letzter Zeit viele Fragen zu diesem Thema gestellt haben, möchte ich mich nur mit einigen Faustregeln einmischen, die mir sehr natürlich erscheinen. Im Gegensatz zu Raketen sieht eine Kanone die maximale Dichte der Atmosphäre an ihrem schnellsten Punkt. Vorausgesetzt, Sie verstehen die Notwendigkeit, eine Umlaufbahn zu kreisförmigisieren, und Sie verstehen, dass hohe Beschleunigungen eine gehärtete Ausrüstung erfordern, kann die Realisierbarkeit vieler Vorschläge durch Hüllkurvenberechnungen für den Luftwiderstand leicht ausgeschlossen werden.

Hier ist eine hilfreiche Metrik, um die Atmosphäre zu betrachten: Die Massendicke der Atmosphäre ist die Masse pro Flächeneinheit, wenn man auf Meereshöhe direkt in den Himmel blickt.

Schauen Sie in einem naiven Sinne direkt auf eine Kugel. Teilen Sie seine Masse durch die Fläche (gleiche Fläche, die er der Atmosphäre präsentiert). Ein genauerer Ansatz wäre, die Widerstandsgleichung zu manipulieren. Wir sind nicht ausschließlich an der Kraft auf das Projektil interessiert. Alternativ betrachte ich den Geschwindigkeitsverlust aufgrund seiner Reise durch die Atmosphäre,$\Delta v$hier. Ich habe aus der Widerstandsgleichung Folgendes erhalten, unter der Annahme, dass die Gesamtgeschwindigkeit deutlich größer ist als der Verlust in der Atmosphäre (wenn nicht, ist es sowieso nicht lebensfähig).

Wenn dieses Verhältnis etwa 1 beträgt, haben Sie aus praktischen Erwägungen keine Chance. Es wird in der Atmosphäre verglühen, und selbst wenn nicht, können Sie diese Geschwindigkeiten nicht erzeugen. Geschwindigkeiten nahe der Umlaufbahn wurden nie nachgewiesen. Wenn Sie dieses Verhältnis also nicht deutlich unter 1 drücken können, ist die Idee aus dem Fenster. Ich werde alle Begriffe unten durchgehen und sie mehr oder weniger in Dinge unterteilen, die völlig unmöglich über ein bestimmtes Fenster hinausgeschoben werden können, und Dinge, die keine inhärente Beschränkung haben.

Harte Grenzen:

• C_d der Luftwiderstandsbeiwert für Geschosse liegt in der Nähe von 0,2 für gut konstruierte Geschosse. Sie können es leicht ein bisschen höher oder ein bisschen tiefer schieben, aber es gibt keinen annähernd größenordnungsmäßigen Spielraum. Die hohen Mach-Zahlen machen es zu einem noch engeren Bereich für verschiedene Formen.
• epsilon, ist die Korrektur für eine dünnere Atmosphäre in höheren Lagen. Für den Mt. Everest beträgt der Faktor etwa 0,3. Ich würde einen Faktor von 0,5 für die Platzierung auf einem hohen Berg glauben. Offensichtlich sind Starts auf See mit dem vollen Faktor 1 konfrontiert.
• rho, die durchschnittliche Dichte des Projektils wird durch Ihr Treibmittel eingeschränkt, wenn Sie seine Umlaufbahn kreisförmig machen wollen. Dies ist sehr niedrig, wahrscheinlich etwa 1,0 spezifisches Gewicht. Wenn Sie ein anderes Schema (wie einen Rotovator) durchführen, können Sie ihn mit Stahlnutzlast vollpacken und theoretisch maximal 7,0 oder 8,0 erreichen. Es sei denn, Sie schicken Uran oder so etwas. Ich gebe ihm 2,0 für eine praktische Nutzlast.
• f, das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Projektils ist durch aerodynamische Überlegungen begrenzt. Raketen sind in der Regel sehr schlank, haben aber aktive Kontrollsysteme. Flossen können hier helfen, den Umschlag zu verschieben. Aber selbst damit nenne ich ein "hartes" Limit von etwa 10.
• sin(theta), dieser Faktor arbeitet gegen Sie, und das beste Szenario ist 1. Dies würde für suborbitale vertikale Starts gelten. Bei Orbitalstarts riskieren Sie, die Spitze einer Waffe überhaupt zu zerstören, wenn dieser Winkel nicht niedrig genug ist. Sie könnten etwas direkt nach oben schießen und dann die erforderlichen 7,8 km / s verbrennen, aber dies würde ein sehr schlechtes Massenverhältnis ergeben und kann wahrscheinlich nicht so konstruiert werden, dass es der Kanonenbeschleunigung standhält. Für Quichlaunch würde ich hier einen Wert von 0,5 vergeben.

Weiche Grenzen:

• D, ist der Durchmesser, der als Maß für die Gesamtgröße der Nutzlast dient. Wie groß darf es sein? Wie groß kannst du eine Waffe bauen?

Wir müssen also unser (einziges) weiches Limit verwenden, um die anderen harten Limits zu umgehen. Ich nehme vorerst ein Geschwindigkeitsverlustverhältnis von 0,2. Sie könnten dies dehnen, aber nicht viel. Sie kommen tatsächlich mit einer Reihe von Parametern heraus wie:

Das klingt nicht erschreckend groß. Aber wenn Sie es zu einem Start auf Meereshöhe ändern, erhöht sich die erforderliche Masse um den Faktor 8 , da die Masse mit D^3 skaliert. Ich war auch sehr großzügig mit dem Faktor Durchmesser zu Länge. Eine Geschossform mit einem Faktor von 5 hätte wiederum die 8-fache Masse. Wenn wir also nach so etwas wie einem praktischen Seestart suchen, um letztendlich die Umlaufbahn zu erreichen, liegt die Mindestmasse näher an der Größenordnung von 750 kg.

Sie können hier sehen, wie die Mindestgröße stark von den Annahmen des von Ihnen verwendeten Systemtyps abhängt. Nichtsdestotrotz sind 10–750 kg immer noch ein Startbereich für die minimale Geschossmasse, die erforderlich ist, damit das System jemals funktioniert.

Aber die Geschossgröße und -geschwindigkeit setzen auch der Mindestgröße der Waffe selbst Grenzen. Wenn Sie Drücke in der Größenordnung von 50.000 psi erreichen können, würde der 750-kg-Koffer (Schnellstart) bei 8 km / s ein Volumen von etwa 110 m ^ 3 benötigen. Das ist groß.

Vergleichen Sie, ein Kernreaktor-Druckbehälter hat wahrscheinlich etwa das 2-3-fache Volumen davon. Es ist auch ungefähr 1/20 des Drucks. Und es kostet über 100 Millionen Dollar.

Einfache Materialanforderungen für einen Druckbehälter sind proportional zum Produkt (Druck) x (Volumen). Es sieht also nicht gut aus für unsere Weltraumkanone, obwohl die Wirtschaftlichkeit schwerer Schmiedestücke alles andere als einfach ist. Andererseits könnte eine minimalistische Weltraumkanone, die am Hang eines hohen Berges montiert ist, ein hartes Kostenminimum unter der 10-Millionen-Dollar-Skala haben.

Oder Sie könnten einfach einen Falcon 9-Flug für etwa 50 Millionen US-Dollar kaufen. Natürlich könnten Sie mit der Weltraumkanone eine bessere Wirtschaftlichkeit erzielen, wenn Sie sie oft genug verwenden, um die Kosten ausreichend zu amortisieren. Der jährliche Gesamtbedarf an Nutzlast für LEO beträgt jedoch nur etwa 240 Tonnen . Der Falcon 9 kann 10 Tonnen auf einen Schlag tragen. Nur ein kleiner Bruchteil der Nutzlasten konnte durch die Weltraumkanone (gehärtete Ausrüstung) ersetzt werden. Vielleicht gäbe es also genug Nachfrage nach der Weltraumkanone, um 1 oder 2 Äquivalente für Raketenstarts zu ersetzen. Darüber hinaus sind die Risiken enorm. Die weltweite Flugfrequenz müsste viel größer sein, damit die Menschen ernsthaft das notwendige Kapital hineinstecken.

Ich denke, es gibt ein weiteres, grundlegenderes Problem, das in den anderen Antworten nicht erwähnt wurde. Der Reibungswiderstand eines Körpers mit der Luft nimmt quadratisch mit der Geschwindigkeit zu. Die Widerstandskraft ist gegeben durch ( entnommen aus diesem Wikipedia-Artikel )

• $\rho$ist die Dichte der Flüssigkeit.
• $C_D$ist der Luftwiderstandsbeiwert, der allerdings mit der Geschwindigkeit abnehmen kann.
• $A$ist die Querschnittsfläche.
• $v$ist die Geschwindigkeit des Objekts relativ zur Flüssigkeit.

Dies ist ein Problem, da eine Kanone die gesamte Energie abgeben müsste, die erforderlich ist, um das Objekt gleich zu Beginn in die Umlaufbahn zu bringen, was bedeutet, dass die gesamte Energie eher in der Geschwindigkeit des Objekts als in der chemischen Energie seiner Booster gespeichert werden müsste . Dies würde die erforderliche Gesamtenergiemenge aufgrund der quadratischen Abhängigkeit der Widerstandskraft erheblich erhöhen.

In mehreren Beiträgen wurde atmosphärischer Luftwiderstand erwähnt. Drag verlangsamt das Raumschiff. Das Reisen mit 8 km/s durch die Troposphäre verursacht auch Hitze und Stress. Das Raumschiff würde eine stabile Struktur und ein Wärmeschutzsystem benötigen, oder es würde verbrennen und / oder wie eine Bierdose zerknittern.

Ein wichtiger Faktor wäre der Winkel der Flugbahn, wenn das Raumfahrzeug die Mündung verlässt. Wenn das Raumfahrzeug in einem Flugbahnwinkel von 0 Grad (mit anderen Worten horizontal) abfliegt, muss es einen langen Weg durch die Atmosphäre zurücklegen. Eine riesige Luftsäule würde verdrängt:

Der Teil des Weges, der durch die Atmosphäre verläuft, ist rot gefärbt.

Auf einer Fahrt von rund 8000 Kilometern erträgt das Schiff langsamen Widerstand, Hitze und Druck.

Wenn der Flugbahnwinkel nahe bei 90 Grad liegt (mit anderen Worten fast vertikal), ist die Reise durch die Atmosphäre viel kürzer. Nur rund 100 Kilometer hält das Schiff extremer atmosphärischer Reibung stand. Aber dann wäre die Umlaufbahn eine langgestreckte Ellipse, die schnell zurückkehren und auf die Erdoberfläche aufprallen würde:

Eine typische Rakete startet mit einem nahezu senkrechten Aufstieg. Je dünner die Luft wird, desto mehr neigt sie sich der Horizontalen zu. Es macht keine große horizontale Verbrennung, bis sich das Schiff weit über dem größten Teil der Atmosphäre befindet. Dies ist keine Option für Weltraumwaffen.

Die Vorstellung ist für luftlose Welten wie Luna oder Ceres viel praktikabler.

Grundsätzlich besteht das Problem darin, dass ein funktionierendes Raumschiff nur für 3 G bis 30 G ausgelegt ist; typische Raketen nur bis etwa 100 Gs. (3,5 für das Shuttle, 30-60 für Interkontinentalraketen.) Eine vernünftige Startröhre würde eine Austrittsgeschwindigkeit von mehr als 7,8 km/s (die LEO-Geschwindigkeit) erfordern. Wenn man 1 km/s für atmosphärische Verluste hinzufügt, ergibt das einen Bedarf von etwa 8,8 km/s; Runden wir der Einfachheit halber auf 9 km/s auf. Beachten Sie, dass durch das HARP-Projekt der US Navy ein 180 km hoher suborbitaler Flug mit einer Startgeschwindigkeit von 3,6 km/s und einem nahezu vertikalen Start erreicht wurde.

9 km/s, bei einigermaßen robusten 30 G, sind ein Haar über 30,6 Sekunden. Das erfordert (mit d = 0,5 AT ^ 2) 137644 m ... fast 138 km. (Die HARP-Raumkanone war 41 m lang und startete mit 3600 m/s, nahezu senkrecht, und etwa 18500 G.)

Der sichere Spitzenstart der Elektronik liegt bei etwa 15500 G (wird bei Artilleriegeschossen verwendet), aber es ist höchst unwahrscheinlich, Raumfahrzeuge dafür zu entwickeln. Bei dieser Beschleunigung und unter Verwendung desselben Ziels von 9 m/s ist es 274 Meter lang und 0,06 Sekunden lang im Lauf.

Ein vernünftigerer Maßstab sind die 100 G, die routinemäßig bei kurzzeitigen Aufprallereignissen überlebt werden - es ist ein guter Maßstab für das Überleben des Rahmens von relativ dünnhäutigen Fahrzeugen. (Schließlich überstehen die meisten Autos dieses Niveau relativ unbeschadet. Es ist auch die Beschleunigung der Sprint Interceptor Missile.) Bei 100 G sind das 9,2 Sekunden in der Röhre und ungefähr 41,5 km lang.

Ein menschensicherer Start ist 12 G ... für ein Ziel von 9 km / s muss es 345 km lang sein und dauert 70,6 Sekunden in der Röhre.

Wie man sieht, ist die Länge der Röhre eine große Grenze. Im Wesentlichen muss man eine kleine Rakete starten – es braucht nicht viel Delta-V, gerade genug, um das Perigäum anzuheben – und daher ist das vernünftige Niveau eine Rakete mit hoher Beschleunigung. Dabei ist es unpraktisch, aber machbar. (Entwürfe dafür wurden von verschiedenen Ingenieurschulen als Beispielprobleme ausgearbeitet.) Das Problem besteht darin, dass das Gas nur so schnell beschleunigen kann und um einen konstanten Schub aufrechtzuerhalten, muss eine zusätzliche Verbrennung entlang des Rohrs hinzugefügt werden.

Es ist jetzt möglich, aber unpraktisch. Es wäre eine monumentale Architektur, die für Menschen unbrauchbar wäre, aber eine praktische Methode, um bestimmte Kategorien von Nutzlast in den Orbit zu bringen - Massenflüssigkeiten wie Treibstoff, Wasser und Luft und Rohmaterialien für den Bau wie Träger. Es würde Schlepper im Orbit erfordern. Jeder Fehler hat auch keinen Abbruchmodus, da die Nutzlast während des Fluges nicht mit Energie versorgt wird.

• http://en.wikipedia.org/wiki/Space_gun
• http://en.wikipedia.org/wiki/G-Force

Ich habe gerade das Kinetic Launch-System gesehen. Es gelang ihm, einen suborbitalen Start durchzuführen, aber es ist ein orbitaler Start im Jahr 2024 geplant. Es dreht ein Objekt und schießt es mit extrem hoher Geschwindigkeit heraus.

Es würde jedoch immer noch eine Verbrennung in der zweiten Stufe erfordern.

https://www.slashgear.com/spinlaunch-kinetic-launch-system-feiert-einen-erfolgreichen-testflug-12699130