nik_pog (nik_pog) wrote,
nik_pog
nik_pog

Category:

Кинетическая артиллерия реальных пацанов

Помните статью про три уровня комфорта в космосе? Описывая оружие, которое будет актуально на уровне "реальных пацанов", я сказал следующее:

В любом случае, между миллионом км и десятками тысяч образуется мертвая зона, которую, видимо, и должны перекрыть гипотетические плазменные пушки.

Эти "гипотетические плазменные пушки" - страшная беда научной фантастики. Потому что никто не знает, как они устроены. Как удержать плазму на таком расстоянии - загадка. А задача-то стоит. Уровень "реальных пацанов" существует, дистанции боя между миллионом и десятками тысяч километров возникают на нем естественным образом, а вот чем на них работать?

Постановка задачи

На каких новых физических принципах может быть основано орудие, способное поражать на расстоянии порядка 100 тыс. км цели с характерным размером 10-100 м, скоростью до 100-1000 км/с, поперечным ускорением до 2 м/с^2 с вероятностью хотя бы 5% для каждого конкретного выстрела? Под "поражать" для простоты подразумевается способность пробить эквивалент 6700 мм углерода. Масса орудия до 1000 тонн, считая механизмы наведения, заряжания, етс. и боекомплект на сто выстрелов. Ограничение по длине - 100 м. Электростанция на чертеже может быть условно не показана, но ее мощность не должна превышать 10е15 Вт. Дешевизна не главное, но она тоже важна: нельзя использовать оружейный плутоний или тритий в количестве, которое подразумевает запихивание ядерного арсенала какой-нибудь Франции в боекомплект одного орудия. В разумных количествах и в многоразовой части - можно. Орудие должно быть пушкой, поскольку ответ "управляемая ракета" очевиден, но по своей динамике ракетный бой принципиально отличается от артиллерийского, а по способности обходить разные способы защиты ракеты и снаряды принципиально отличаются. Ракеты подводит еще и "кошмар формулы Циолковского". Необходимость разгонять свое топливо собственным двигателем означает, что по сравнению со снарядами (у которых система разгона одна на всех и представляет собой внешний привод) ракеты громоздкие, горячие и дорогие. Будучи громоздкими и горячими, они уязвимы к перехвату, а будучи дорогими - не рассчитаны на долгий бой. Поэтому если на данном техническом уровне возможен артиллерийский ОБК, великие державы будут стремиться заполучить его.

Что не работает

Никакие традиционные варианты фантастического оружия для этой цели не подходят. Лазер губит дифракционная расходимость луча. Сохранить на 100 тыс. км. достаточную плотность энергии невозможно при любом разумном размере зеркала. Снизить вредное воздействие волновой оптики до приемлемого можно, если использовать гамма-лучи или жесткий рентген. Несмотря на всеобщую любовь к Веберу, с чьей легкой руки ракетолазер навечно вошел в космическую фантастику, это не выход. Жесткий рентген не слишком сильно расходится, но также он вообще не сходится. В принципе. Никаких зеркал для гамма-лучей или даже рентгена еще не придумали даже теоретики. Есть попытки фокусировки с помощью дифракции, они даже удаются на мягком рентгене. Но это замкнутый круг. Чем жестче рентген, тем сложнее соорудить для него дифракционную решетку, чем мягче рентген, тем больше у него дифракционная расходимость. Для гамма-лучей, у которых длина волны сравнима с размером атома, это безнадежно. Поэтому гамма-лазер не использует зеркало, а выглядит вот так:

Угол дивергенции, равный удвоенному арктангенсу отношения ширины излучающей среды к длине, - еще более страшный зверь, чем дифракционная расходимость. При любых реально достижимых размерах стержней пятно оказывается слишком широким гораздо раньше 100 тысяч км. Именно поэтому разерное направление СОИ прикрыли вскоре после наземных испытаний. Для поражения цели типа "боеголовка" хотя бы на тысяче километров нужна была мегатонная бомба. Только что вы заслушали приговор ракетолазеру на ТУ "реальных пацанов". Даже если удастся продвинуть отношение w/l на два порядка (резиновой технологией), будет дисквалификация за "запихивание ядерного арсенала какой-нибудь Франции в боекомплект одного орудия".

У пучкового оружия с расходимостью проблемы еще хуже, чем у лазерного, причем, скорее всего, неустранимые. Чтобы заряженные частицы не расталкивала электростатика, их нужно нейтрализовать, при этом им передается трудно контролируемый поперечный импульс. Угловой размер цели в нашей задаче составляет одну миллионную радиана, поэтому любая система, в которой возникают заметные поперечные силы, может обеспечить попадание только случайно. Если удариться в новые физические принципы и допустить управляемую гравитацию, можно будет разгонять сразу нейтральные частицы, избавившись от этой проблемы... но управляемая гравитация сильно выводит фантастику за пределы научной.

Снаряды рейлганов и койлганов слишком медленные при любых разумных размерах конструкции и разрушаются при попытке разгонять их быстрее. Двухступенчатая система, где электромагнитная катапульта разгоняет снаряд, который донаводится на цель и отправляет в нее поражающие элементы узким конусом с расстояния в 2000 км, может стать решением. При очень оптимистичной для реалистичной ЭМ-катапульты длиной 100 м скорости снаряда 100 км/с подлетное время составляет 20 минут. Дельту 2-3 км/с, а даже и все 10, можно обеспечить подрывом направленного заряда из обычной взрывчатки. Взрыв на 20 секундах подлетного времени позволяет набрать 200 км поперечного отклонения и поразить 4% требуемого круга. С учетом того, что цель действительно не может уклоняться идеально, требуемая вероятность как раз добита. Но контрмеры еще не учтены и собственная РЛС снаряда на чертеже условно не показана. Увы, подлетное время в 20 минут, а по-хорошему на порядок больше, - слишком серьезный недостаток этой прекрасной идеи. 20 минут противнику за глаза хватит для того, чтобы высадить весь собственный б/к и применить контрмеры. То есть, задача формально решена, но по-хорошему под бой с такой динамикой оптимизирована все же управляемая ракета, а не пушка.

Простой и понятный ответ

Итак, основная проблема кинетической артиллерии - первая ступень. И она решаема, если вынести разгонный трек за пределы ствола. Выше уже прозвучали ключевые слова про внешний привод. Мы можем разгонять снаряд не только магнитными полями в койлгане, но и потоком заряженных частиц, бьющих в электрический/магнитный парус. Или лазерным лучом, бьющим в световой парус. Впрочем, с лазерами как у "реальных пацанов" может быть проще сделать абляционные лазерные ракеты. При длине разгонного трека 1000 км для набора скорости 1000 км/с за 2 секунды нам надо 500 000 м/с2. Ускорение на уровне снарядов в пушках. Лазеры "реальных пацанов" могут обеспечивать разгон и на более длинном треке, разгоняя снаряд до 5-10 км/с, чтобы он проходил зону вражеской лазерной ОО достаточно быстро.

На картинке это солнечный ветер, на самом же деле в парус можно "дуть".

У такого подхода все еще остается проблема. Да, "парусные" снаряды мало уязвимы для лазерного ОО. Но все еще уязвимы для кинетического ОО, работающего путем постановки аэрозольных завес. Цель слишком большая и слишком сильно излучает на этапе разгона. И мы все еще "стреляем чемоданами с золотом", хоть и обошли кошмар формулы Циолковского, и "весь ядерный арсенал какой-нибудь Франции" уже ни при чем.

Макропушки

Да, знакомое название. Но именно такое и должно быть присуждено этому детищу сумрачного гения. Предлагается взять тонкую сферу размером от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Высокое отношение площади поверхности к массе позволяет получить на ней высокое отношение заряда к массе. Далее мы засовываем сферу в электростатический ускоритель любого из известных типов (коротко описаны в статье по ссылке). Важно, что это не койлган. Там нет поперечных сил, плохо влияющих на точность, и наведенных токов, которые испарили бы снаряд. Поэтому единственным ограничением служит предел прочности на разрыв.

Maximum acceleration = (0.75 * T) / (R * Density)
Maximum acceleration is in m/s^2.
T is tensile strength is in Pascals.
R is macron radius in meters.
Density is in kg/m^3.

Автор статьи предлагает стрелять следующими снарядами:

1) Миллиметровая алмазная сфера (1,600 MPa strength and 3510 kg/m^3 density) с отношением толщины к радиусу 1:1000 и массой 1.83*10^-9 kg. Отношение заряда к массе 1.5 - 3 C/kg. Максимально ускорение 6.8*10^11 m/s^2.

2) Микрометровая сфера из углеродного волокна (файбера) (7000 MPa strength and 1790 kg/m^3 density) с отношением толщины к радиусу 1:100 wall и массой 9.4*10^-16 kg. Отношение заряда к массе 296 C/kg при отрицательном заряде или 2960 C/kg при положительном. Максимальное ускорение 5.8*10^12 m/s^2.

3) Микрометровая сфера из несуществующих углеродных нанотрубок (63,000 MPa strength and 1000 kg/m^3) с отношением толщины к радиусу 1:10 и массой 7.8*10^-14 kg. При отрицательном заряде достигается 356 C/kg. При положительном - 3560 C/kg. максимальное ускорение 9.45*10^13 m/s^2.

4) Сфера диаметром 10 нм из углеродной решетки (200 MPa strength and 300 kg/m^3 density) массой 1.6*10^-22 kg. Отрицательный заряд 8850 C/kg. Положительный заряд 39,665 C/kg. Максимальное ускорение 1*10^11 m/s^2.

Варианты разгона предлагаются следующие:
A) Одноступенчатый электростатический ускоритель на 10 MV.
B) 100-метровый многоступенчатый электростатический ускоритель со средним градиентом напряжения 3 MV/m и общим 300 MV.
C) 100-метровый кольцевой ускоритель с полем в 10 Тл.
D) 100-метровый ускоритель, толкающий макрон электронами.
E) 100-метровый ускоритель, толкающий макрон протонами.

Скорости снарядов получаются следующими:
[Spoiler (click to open)]A1) 7.7 km/s
A2) 243 km/s
A3) 266 km/s
A4) 890 km/s

B1) 42 km/s
B2) 1,332 km/s
B3) 1,461 km/s
B4) 4,877 km/s

C1) 1.5 km/s
C2) 1,480 km/s
C3) 1,780 km/s
C4) 19,827 km/s

D1) 11,661 km/s
D2) 721 km/s
D3) Cannot.
D4) 35.7 km/s

E1) 11,661 km/s
E2) 10,392 km/s
E3) Cannot.
E4) 913 km/s


Варианты С4, D1, Е1, Е2 и с некоторой натяжкой В4 обеспечивают нас достаточно быстрым снарядом, чтобы поражать цель на нужном расстоянии. Варианты D1, Е1, Е2 используют исключительно уже существующие материалы. Ну да, мы больше не стреляем чемоданами с золотом, мы стреляем бриллиантами. Варианты с единичкой вычеркнуть. Методом исключения, выбираем Е2. То есть, базовая макропушка стреляет положительно заряженными шариками из файбера, которые разгоняются в линейном ускорителе пучком протонов. Поперечных сил здесь не возникает, потому что шарик вылетает из своего ствола один. Правда, шарики у нас слишком легкие. Каждый несет 0.05 Дж энергии. Чтобы получить что-то разумное в тротиловом эквиваленте, нужно уложить в цель буквально сотни миллиардов шариков. Попытка дешевой реализации макропушки на существующих технологиях закономерно не удалась.

Впрочем, попытка реализации дорогой удалась лучше. Вариант D1/Е1 придает каждой сфере 0,1 МДж энергии. Это не бог весть что, 24 грамма тротилового эквивалента. Но если за один залп выпускать по цели тысячу шариков (например, последовательно вбрасывая их в поток частиц или соорудив бандуру как на картинке выше), можно обеспечить эквивалент легкой артиллерии, зато с запредельной дальностью. Все равно не круто. Автор статьи предлагает использовать свое изобретение как внешний привод, и в таком качестве это нормально. Но вот для пушки нужны сферы побольше. Но они хуже разгоняются, и... упс.

Спасительный графений

К счастью, у нас есть кое-что получше файберов.

Практически достигнутый предел прочности графена 50-60 GPa. Плотность при этом 1 г/куб.м. Это значит, что предельное ускорение, которое может выдержать графеновая сфера, примерно 4*10е10 / (радиус в метрах) метров на секунду в квадрате. Миллиметровая сфера, таким образом, держит 4*10е16. На стометровой длине ее можно разогнать до релятивистских скоростей. В электростатическом ускорителе любого из известных типов, лишь бы он был достаточно мощным. Очень мощным быть не надо, поскольку у графеновой сферы стенки могут быть очень тонкими. При принципиальной возможности прицеливания это поднимает дальность стрельбы чуть ли не до световых минут. Столько покамест не надо, а значит стенки можно делать толще, добавляя массу и доводя энергию шарика до снарядов уже тяжелой артиллерии. 4 гигаджоуля - и один шарик несет энергию снарядов главного калибра линкоров ХХ века. Мощность энергетической установки 10е15 Вт позволяет вести такими шариками очень плотный огонь, лимитированный лишь скоростью зарядки конденсатора.

Можно стрелять дробью. Слова про любой ускоритель означают, что можно разгонять банально между анодом и катодом. Этот способ хорош тем, что энергия (4 ГДж) держится в нашем мега-конденсаторе до тех пор, пока у него не случится пробой. Даже если в запасе сотые доли секунды, за это время можно последовательно прогнать по стволу несколько шариков, что недоступно при "толкательном" разгоне. Друг другу они не мешают, так как будут идти со слишком большим разрывом для сил электростатического отталкивания. Стрельба дробью увеличивает вероятность попадания. Вот вам и "резиновая технология". Вот вам и макропушка.

Самое веселое: при нынешних ценах на графен снаряд стоит всего лишь около 1000 рублей, не считая формирования в сферу и накопления на ней заряда. Никаких чемоданов с золотом.

Ну как, что круче?

Макропушки или парусные снаряды?

P.S. Совсем забыл формульное подтверждение того, что задача решена.
Effective range = MV * TR^0.5 / (Chance to hit^0.25 * (0.5 * TA)^0.5))
Effective range is in meters.
M is the velocity of the macron in m/s.
TR is the target’s radius in metres.
Chance to hit is a fraction.
TA is the target’s acceleration in m/s^2

Таким образом, при подстановке из исходной задачи TR = 100, TA = 2, попадание на 100 000 км с шансом 0,05 получаем необходимую скорость снаряда 4729 км/с. Если уменьшить размер цели в 10 раз, придется увеличить скорость в 100 раз, но это физически невозможно. Поэтому, добиться индивидуального попадания на нижней границе заданного размера не получится. Но увеличить скорость в 25 раз (до 118 тыс. км/с) все еще физически возможно, а это значит, что по цели с размером 20 м мы попадаем с требуемым шансом, а это значит, что можно сделать 4 параллельных выстрела и накрыть 10-метровую. При этом, более "легкая" цель допускает использование для своего поражения полых графеновых шариков. В отличие от лазера, убывает квадратично только вероятность попадания, энергия снаряда остается неизменной.

Chance to hit = (TR/(0.5*TA * (Distance/MV)^2))^2
Chance to hit is a fraction.
TR is the target’s radius in metres.
TA is the target’s acceleration in m/s^2
Distance is the distance to cross in meters.
MV is the velocity of the macron in m/s.

Таким образом, при скорости снаряда 10000 км/с получаем на 100 000 км гарантированное попадание в цель с поперечным размером 100 метров (дредноут) и... 1% в цель с поперечным размером 10 метров (истребитель или отдельные узлы дредноута). На световой секунде будет 1,25% в цель 100 метров в дредноут (это все еще удовлетворяет условиям задачи, если делать 4 независимых выстрела), по истребителям стрелять совсем бесполезно.

Tags: кгсс, космос, техника, фантастика
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 45 comments

Recent Posts from This Journal