題:
超級炮發射衛星
user108787
2016-05-25 17:50:31 UTC
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我首先要說的是,我認為這不是可行的發射方法,否則NASA和其他太空機構現在將使用它。

它是基於英國廣播公司的新聞報導薩達姆·侯賽因的“超級槍支”,但幸運的是,這種怪獸從未完成,甚至沒有經過全面測試。

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這些巨型圓柱體是有史以來設計最艱鉅的工程之一的競爭者中僅存的幾個殘片之一:一種名為“大巴比倫”的“超級炮”,它可以從156m長的槍管向軌道發射衛星( 512英尺)嵌入在小山中。

我們沒有考慮噴槍的工程學方面的原因,而是基於物理的原因導致我們無法安排一系列線性爆炸,而是採用了閥門式裝置來防止砲彈在每個階段向下彈射,從而最大程度地提高了升力到有效載荷以逃逸速度。

再次,我要強調的是,我認為今天沒有使用此想法是出於物理(而非工程)原因。我只是不知道它們是什麼。即使使用我們今天擁有的最強大的炸藥,槍管是否需要這麼長的長度也是如此簡單?

豎琴發射槍在1960年代進行了測試,但從未達到所需逃逸速度的一半以上。

Merci beaucoup,儒勒·凡爾納(1828-1905)。 從地球到月球

據我所知這是非常低效的
請注意,並不是目前的任何啟動機制都可以被認為是高效的。
這一點無關緊要,但是我曾經聽說有一個最荒謬的計劃來應對可想像的全球變暖,而且它涉及到這樣的槍支。該計劃是在大地和太陽之間傳送玻璃碎片,作為對大地的“遮陽篷”。問題是,誰擁有這個“聰明”的主意,很快就會意識到所需的玻璃量將遠遠超過地球上所有沙子的數量,並且發射這麼多火箭是不可行的,所以他有了另一個絕妙的主意,用這些槍來發射即使摔了一下也會摔碎的超薄玻璃片:/
@AndreasC感謝您的評論。這是完全沒有關係的,但實際上,抵制全球變暖的最荒謬的計劃只是否認該問題的存在。
這是一個非常受歡迎的計劃...
有幾個問題:(1)使物體進入軌道所需的加速度會破壞幾乎所有經過空間測試的電子部件[除其他外需要輻射硬化];(2)槍口速度足以加熱任何裸露的表面,以至於需要外來材料來承受熱量;(3)離開砲管後幾乎無法控制彈丸,因此會受到大氣變化的影響;(4)等
@JonCuster:實際上,火箭是相當高效的:https://en.wikipedia.org/wiki/Propulsive_efficiency。如果最終速度是排氣速度的三倍,則理論上火箭的推進效率約為。60%。如今,發動機的熱力學效率為40-70%,理論極限約為75%。獵鷹9的第一級空載重量估計為23-26t(僅為LEO有效載荷13t重量的兩倍),第二級空載重量估計為4.7t。由於它也進入LEO,因此該材料理論上可以在軌道上重複使用。
有一架(IIRC)納粹槍使用炸藥沿其槍管放置,以進一步將有效載荷推向前方。(我忘記了細節,它是您半邊看過的電視節目之一),儘管許多人認為它不會,但它顯然起作用了。他們在實驗室中展示了一個迷你版,效率非常高。是否將有效載荷送入軌道是另一回事(儘管我認為,如果不將火箭炸毀,則將其發射到火箭接管的高度可能會起作用!)
@gbjbaanb-[V3加農炮(Wikipedia)](https://en.wikipedia.org/wiki/V-3_cannon)?
相關:[我們為什麼不使用彈射器進入太空?](http://space.stackexchange.com/q/5463/415)在[space.se]上
有關“利用”核爆炸將固體物體發射到太空的相關討論:http://www.skepticblog.org/2011/12/15/united-states-beat-sputnik/
給出一些答案:實現軌道需要第二次沖動(並且是誰在建造),我不得不假設巴比倫的砲將用於*脫軌衛星。
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@Mazura,我認為它從來沒有奏效。但是,與美國後期設計不同,它並未針對發射進行優化。我還沒有在電視上看到它,只是在Wikipedia上。
@honeste_vivere [自導砲兵](http://breakingdefense.com/2016/01/excalibur-goes-to-sea-raytheon-smart-artillery-shoots-back/)已經存在多年了。加速電子設備將是困難的,但也許並非沒有可能。
@JS。-是的,但沒有大砲以$ \ gtrsim $ 13 km / s的速度行進。有些微電子元件可以承受約50000 g的重量(例如,在bun堡炸彈中),但這些元件在太空的高輻射環境下不起作用。大多數經過太空測試的電子設備看起來已經有10多年的歷史了,因為真正的微電子設備受科學航天器(更不用說軍事或商用航天器)的單次事件擾亂等等的困擾。
七 答案:
Solomon Slow
2016-05-25 22:31:49 UTC
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其他答案未提及以下事實:沒有任何單一沖動(例如,從槍中發射)就可以將彈丸發射到軌道上。用槍發射的純彈道導彈必須撞回行星,或者必須完全從行星中逃脫。

為了達到軌道,至少必須向彈丸施加兩次 次脈衝。第一個(從槍支)將其發射到返回表面的橢圓形彈道中,然後第二個脈衝必須由火箭發動機施加,以在彈丸到達初始頂點的那一刻使軌道“圓形化”橢圓形。

我知道這個答案不是很物理-是-它不包含數學或引用來支持我的主張--但這是_錯誤?_(例如,為什麼要投反對票)?
無論如何我還是不會被詹姆斯貶低,我認為有人誤讀了它,有效載荷需要一個火箭。
這是個好的觀點。如果考慮到大氣摩擦,則可能會安排某種良好的最終軌跡。然而,這些巨型槍支的真正目的當然是亞軌道跳:基本上是廉價的洲際彈道導彈。
如果地球沒有大氣層,那你是對的。但是,如果將其發射到大氣層中,然後通過衝擊加熱使其減速,這可能是第二次需要的衝動。
這是非常正確的。甚至以上評論中的摩擦論點也無法挽救砲彈的發射。摩擦力始終與運動方向相反,而逆行推力永遠不會使近地點升高。
帆船在摩擦中做有趣的事情,也許我們的假想衛星也可以。
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謝謝詹姆斯,我從小就讀《從地球到月球》,並且喜歡它,因此是個問題。
@ChrisWhite飛機也不能飛行。(當然,升降機仍然無法使近地點處於大氣層之上,因此仍然無法解決問題)
@ChrisWhite是正確的,為了使軌道圓化,您需要在最高點處施加推進脈衝。摩擦永遠不會那樣做,因為它總是逆行力。如果您對此表示懷疑,請嘗試一下Kerbal Space Program,它會幫助您了解這些東西的工作原理。
如果您在沒有空氣的行星上,理論上您可以直接向自己的前方開槍,並且如果子彈以正確的速度射出,那麼它將完美地繞著地球升空,直到其命中為止你在後面。 與此相關的是,在裝有空氣的行星上,可以減慢向前的運動,您只需要計算合適的發射角,以使彈丸在到達頂點時保持正確的動量以保持軌道運動。
雖然摩擦天生就不是負力提升。因此,您可以利用氣氛來解除圍手術期。但是,除非第三者遇到您的軌道,否則它將始終包括其被更改的最後一點。您可以使用提舉的身體將圍手術期放在較高的大氣層中,但不要更高。您仍然需要進行循環。
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值得一讀的文章:_“在第一階段使用大型槍支,而不是扔掉火箭的第一階段,將使該硬件可以重複使用並易於維修。” _。這似乎可以接受,因為槍支需要第二次燃燒。
問題的鏈接中包含了該論點,所以我不確定為什麼它被認為是妨礙我們今天使用該設計的原因-他們知道此限制,而不認為它是限制。
將此非答案移交給社區Wiki。我只想指出一個複雜的問題,而其他答案都忽略了。僅此而已,這是一個複雜的問題,而不是無法克服的理論障礙。杰拉爾德·布爾(Gerald Bull)認為,砲彈發射是將衛星送入軌道的可行方法。(要么,要么是他在騙薩達姆·侯賽因,這聽起來確實不是一件明智的事情。但是後來,想起來,_幫助薩達姆證明自己也不是太聰明了……)無論如何,我確保他比我更了解彈道技術,...玩得開心。
該問題明確地詢問了一系列爆炸是否可以使彈丸達到逃逸速度。這個答案只是說你需要第二次燃燒才能使軌道圓化。沒錯,但這與問題絕對無關。它怎麼有這麼多投票?
[KSP](https://kerbalspaceprogram.com/en/)告訴我,無論我如何努力,您的觀點都是正確的。
好的,我正在嘗試提供一些解釋以及我的答案,但由於你們不喜歡我的解釋,也許您會聽美國航空航天局的科學家們的話... https://www.researchgate.net/publication/234224858_Temporary_orbital_capture_of_ejecta_from_comets_and_asteroids_Application_to_the_Deep_Impact_experiment “這項旨在[...深入實驗]的實驗模仿了彗星表面的自然火山口事件。 此類隕石坑事件造成的...或可能被暫時困住 繞核旋轉” 臨時,b / c太陽風最終將其吹走。
tfb
2016-05-25 18:54:32 UTC
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任何由這種槍發射入軌道的東西都需要在較低的大氣層中以軌道速度(實際上是高於軌道速度)行進。溫和地說,這通常是不希望的:真的會嚴重發熱。

真的很嚴重。無論發射速度如何,都需要發射一個很大的彈丸使其穿過大氣。
user16622
2016-05-25 18:19:38 UTC
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除了這些不同項目的內部彈道方面,人們很快意識到,槍支發射的任何衛星在槍支射擊過程中都必須承受很高的重力載荷,並且衛星的尺寸和質量將受到極大的限制。槍膛的尺寸和推進劑在不損壞槍支的情況下可以提供的最大衝動。

準備了針對衛星的特殊設計,以使敏感的電子設備不會被槍支射擊而損壞,並且認識到槍支無法提供足夠的速度到達軌道,因此設計了帶有助推火箭的衛星,可在高空拋射後進行發射槍支。

該項目由於各種原因,一些預算和一些政治原因而結束。越南不斷升級的戰爭導致許多研究項目的經費被削減,而該項目最初是美國和加拿大之間的共同努力。當兩國之間的關係因有關越南的不同政策而陷入困境時,該項目被淘汰的時機已經成熟。

Lawrence B. Crowell
2016-05-25 20:36:13 UTC
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我認為問題的核心是人們是否可以沿著槍管的長度安排推進劑的連續燃燒。這樣,加速度沿著發條盒的長度以更平緩的方式發生。由於來自推進劑的膨脹氣體在殼體中膨脹,膨脹氣體的壓力沿下降的方式下降,這意味著主力或加速載荷不在彈丸運動的開始。

您仍然有很大的加速度。假設槍管的長度為$ 100 $ m,並假設彈丸在槍管末端具有軌道速度($ \ simeq 10 ^ 4m / s ^ 2 $)。然後使用基本方程$ 2ad = v_f ^ 2-v_i ^ 2 $ $$ a = \ frac {v ^ 2} {2d} = \ frac {10 ^ 8m ^ 2 / s ^ 2} {200m} = 5.0 \乘以10 ^ 5m / s ^ 2。 $$ 這是平均加速度,如果您正確設計推進劑的發射,則可能是幾乎恆定的實際加速度。這是相當大的。

還有另一個問題。射彈離開槍支時,會因其在大氣中產生的巨大衝擊波而減慢速度。因此,您需要以更高的加速度發射彈丸,以彌補這一損失。

Loren Pechtel
2016-05-27 11:11:49 UTC
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另一個令人討厭的因素:推進劑的膨脹速度是多少?採取儒勒·凡爾納方法,由於膨脹速度太低,無論您向槍中放多少粉末,航天器都將遠遠不夠。您的飛船將永遠不會超過推進劑的膨脹速度。

但是請注意,您不必使用炸藥(或可燃氣體混合物,這是我見過的最好的化學太空槍設計,它使用的是天然氣,沒有噴桿)即可建造太空槍。考慮海軍正在使用的軌道炮-超級槍式速度,發射器中沒有任何東西可以繁榮。不過,您仍然需要強硬的電子設備。

對於fixed發射器,您可以使用線性電動機而不是電磁炮。

還要記住的另一個頭痛問題:太空槍的簡單瞄準會比直接上升時會通過的14.7 psi穿透更大的lot大氣壓。這建議了另一種方法:使發射角度盡可能陡峭,如果可以建立所需的垂直速度,則超過80度將是理想的。我從花生畫廊聽到關於需要軌道速度的信息嗎?如果您的垂直速度足夠高,您可以以很小的水平速度逃脫。以18,000 mph的速度幾乎直線上升,然後您會後退。以24,500英里/小時的速度幾乎直線上升,這是另一回事-目標是盡可能地出去而不使您的軌道被太陽束縛。在此跳躍過程中,您只需要足夠的水平速度就可以行駛4000英里(並且您可以在跳躍中花幾天的時間,根本就沒有太大的速度),只是在掠過大氣層後下來然後進行一次空中捕獲演習。最後,您仍然需要進行圓化燃燒,但是遇到的阻力要比直接去軌道要少得多。

現在,如果您在沒有大氣的身體上,則直線電機確實會發光。您仍然需要進行循環化操作,但您不必與大型拖曳作鬥爭,也不必擔心諸如摧毀您的發射系統的飛艇衝擊波之類的事情。零噴射角度很好,因此助推器沒有長度限制。您不再需要強硬的電子設備,這樣的系統甚至可以用於載人運輸。(將助推器軌道包裹在月球周圍,並且您的載人速度僅受繞軌道時向心力的限制。如果我沒有弄清楚足以提供從太陽逃逸到太陽撞擊的任何數學信息)。/ p>

感謝您的出色回答,以及您投入的時間。我的意思是,這很好,但是您和我讀過同樣的科幻小說嗎?
Adam Davis
2016-05-27 23:40:09 UTC
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對於那些可以將初始階段對準有利於最終軌道的方向的船舶而言,軌道插入已經足夠困難。

這種設計要求固定的發射方向,這對於除了軌道與砲彈軌跡重合的那些衛星以外的所有衛星來說,都是嚴重浪費機載燃料。

即使可以用燃油克服。真正的問題是規模和規模。擬議的設計旨在發射體積較小的輕型衛星,最大直徑為1米,包括發射所需的任何外殼或殼體。

今天的衛星通常比公路上的汽車和公共汽車大得多-直徑容易超過2米,並且重量遠遠超過這把小槍所能承受的重量。

從理論上講,您可以使噴槍變大更長,但除了製造和燃料成本成倍增加外,您還會發現發射所需的能量成倍增加。

乍一看,這應該不是問題,因為我們當前的發射也存在同樣的問題,但是這種設計有一個特殊的缺點-射擊開始時車輛的行駛速度必須比結束時快得多,因為它將消耗大量能量通過大氣低層的密集大氣。

我們當前的火箭技術可以相對緩慢地啟動,燃燒更少的燃料,並隨著它們變得越來越快以及它們開始穿過稀薄的大氣而逐漸上升。

這意味著所需能量的指數增加會同時影響兩者,但是由於起步如此之快,噴槍需要更大的指數增加。

dmafa
2016-05-25 18:41:43 UTC
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假設您有這樣的槍。下一步的邏輯步驟是在衛星上安裝一門小型火砲,該火砲會擊退數個小彈殼,從而加速衛星的飛行,確實嗎?如果這種小型機載槍真的使用許多小彈殼(分子大小),那麼您得到的只是一枚傳統火箭。顯然,如果從傳統平台發射火箭或用火箭發射火箭,所需能量並沒有太大差別,但是後一種技術的工程難度很大。

我不認為這是下一個合理的步驟。
有一個相當大的差異:砲彈方法不需要舉起任何推進劑/反應物質。
我不認為尊重能源的區別如此重要。火箭的第一階段(加上助推器)的作用與槍支完全相同,即向其餘火箭提供初始衝力,一旦燃料耗盡,便脫離。因此,在第一階段脫離接觸時,火箭的其餘部分具有一定的速度,沒有推進劑,坦克,發動機等。完全就像被砲擊一樣。我同意使用噴槍可以減輕第一階段的燃油重量,但必須使用某些粉末。帶槍的主意不錯,但是對我來說,槍對火箭的效率看起來並不高。
@dmafa我認為這需要實際計算。土星五號重約3000噸,濕潤後可進入LEO約140噸(約佔TLI的三分之一)。對我來說,尚不清楚槍支在某種理論上不能做得更好(特別是在大氣環境下操作:我認為在大氣環境下顯然不可行)。
我添加了反對票,因為從理論上講這可能是正確的,但沒有答案。是的,必須吸收能量和反應質量會產生巨大的影響(這就是方程式中存在指數的原因)
@tfb好,讓我們嘗試。從來沒有計算過任何槍支。首先尋找槍粉的能量能力。所獲取的[7.62x39mm卡拉什尼科夫回合彈丸](https://en.wikipedia.org/wiki/7.62×39mm)數據,維基給出的子彈重量為7.9 g,速度為730 m / s。計算動能m * v ^ 2/2 = 0.0079 * 730 * 730/2 = 2100J。Wiki中編寫了相同的能量,因此我對該數字感到滿意。將能量除以1.6 g的填充重量,獲得比率2100 / 0.0016 = 1.3e6 J / kg。據我了解,這是我們可以從槍粉中得到的東西。
@dmafa,查找[Tsiolkovsky火箭方程](https://en.wikipedia.org/wiki/Tsiolkovsky_rocket_equation)。然後考慮它的含義。真的考慮一下。那自然的日誌看上去並不漂亮。隨身攜帶燃料很貴。
第二個問題:將140噸油提升到LEO需要什麼能量?將其乘以7.9 km / s的平方再除以2,得到140000 *(7900)^ 2/2 = 4.35e12J。該能量需要多少粉末?將其除以1.3e6的比率,得到3.3e6千克,即3.3e3噸= 3,300噸。這個數字看起來非常接近3,000噸土星V的重量。因此,我認為用槍來代替火箭而不是能源有效的選擇,我認為沒有任何好處。同意,計算遠遠不夠準確,就我所知,只是以最簡單的方式進行了計算。如果可以做得更好,那就好。
@dmafa我強烈懷疑該回合將[cordite](https://en.wikipedia.org/wiki/Cordite)或類似物用作其推進劑,而不是火藥。我已經好多年沒讀這本書了,但我想甚至朱爾斯·凡爾納都用過槍*棉*([硝化纖維素](https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrocellulose))-他喜歡這些東西。
@dmafa,誰說槍必須由火藥提供動力?
@Chris H和所有人:伙計們,有人能粗略估計一下需要多少堇青石或任何其他(現有最好的)推進劑來充填槍支,以產生與火箭一樣的勢頭,使用一定量的噴氣燃料將相同的有效載荷輸送到LEO?根據我的經驗法則(上圖),推進劑的質量大致相同。我尊重齊奧爾科夫斯基方程式,必須支付這個對數價格。我只想說:**就所需的推進劑質量而言,**與火箭相比,**將無法提供足夠的優勢(好幾倍)**,從而使它對於處理髮射技術的麻煩變得有趣起來。
我很高興改變我的看法,如果你們中的任何人能夠證明所需數量的任何現有槍支推進劑(根據您的選擇)以像土星V一樣舉起140噸(或任何其他曾飛過LEO的火箭,再次由您選擇)以及將其與火箭燃料的使用量進行比較。到目前為止,我還沒有看到槍支的好處。請參閱上面的計算原因。
@dmafa我強烈懷疑,至少從地球表面開始,您是對的。我看到的最合理的SF版本是基於月球的。我認為美國的提案使用了氣體-空氣推進劑。我認為該系統不是用於繁重的工作,而是用於許多較小的衛星。
@Chris H,我剛剛指出,固體物質的有效推進劑遠低於液體。無法解釋為什麼,我在化學上不太好。這就是為什麼用於固體發射的固體推進劑是這種想法本身固有的缺點,甚至在人們開始思考技術難題之前就很明顯了。拒絕投票的人在沒有提供任何論點的情況下根本不承認這一點,好。但是,正如您所說,如果他們打算在項目中使用燃氣,那將改善情況。我還是比較相信液體,但是直到有人對氣體系統進行測試之前,這一點才是難以理解的。
附註:發現實際上是噴氣推進劑的氣體已在[Tupolev Tu-155](https://en.wikipedia.org/wiki/Tupolev_Tu-155)飛機上進行了測試。不幸的是,我不希望在任何地方發布測試數據來與液體燃料飛機進行比較。知道他們的測試結果會很有趣。飛機的用途與太空發射不同。
@dmafa燃料很便宜。考慮一下獵鷹9號機:全部費用,約6000萬美元。燃油:20萬美元甚至不到火箭的1%。槍支發射使發射器在家中準備再次發射。
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