Questão:
A pólvora pode levá-lo à lua?
James Jenkins
2013-07-29 20:08:20 UTC
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Em 'Da Terra à Lua' (1873), de Júlio Verne, Um canhão enorme é usado para enviar uma nave espacial à lua. Uma discussão animada no capítulo IX leva ao uso de 400.000 libras de algodão fulminante para lançar seu navio à lua.

Duas perguntas;

  1. 1.600.000 libras (725.748 kg) de pó equivalem a 400.000 libras (181.437 kg) de algodão fulminante, para elevação?
  2. Deixando de lado todas as outras questões, a quantidade de sustentação levaria você à lua?
Parece um trabalho para Mythbusters.
Sem realmente olhar para a densidade de energia da pólvora, eu apostaria que nenhuma quantidade poderia levá-lo à lua.
@deltree Muito mais relevante: http://what-if.xkcd.com/24/
Acho que você precisa esclarecer (2), você quer dizer "levar algo à lua" ou "levar uma pessoa à lua". São dois empreendimentos totalmente diferentes, já que obter um pedaço de metal ali requer capacidades um tanto diferentes do que levar uma pessoa viva para lá.
Questões de química e ciência de materiais podem atrapalhar muito antes que a balística atrapalhe. O nível de energia liberado por essa escala de explosão, supondo que você consiga acender a pólvora nessa escala, explodiria seu canhão muito antes de lançar seu projétil para cima a 12 quilômetros por segundo. Eu ficaria chocado se você pudesse lançar uma bola de aço inoxidável para o espaço desta forma.
Tópicos para leitura obrigatória: [V-3] (https://en.wikipedia.org/wiki/V-3_cannon) e [Gerald Bull] (https://en.wikipedia.org/wiki/Gerald_Bull).
Lendo sobre o trabalho de Gerald Bull, você pensaria que poderia ser feito. Se você imaginar um cano de canhão grande, longo e forte o suficiente, e uma grande carga de propelente inflamada na parte inferior, poderia esperar que o propelente queimasse de baixo para cima, de modo que os gases em expansão permanecessem abaixo do propelente não queimado, de modo que o projétil poderia continuar acelerando enquanto ainda houver combustível para queimar e barril para conter os gases? Você não seria limitado pela velocidade da frente de detonação porque tudo está se movendo com o projétil em aceleração.
Isso desafia um pouco o escopo, mas aqui está outro e se? sobre o uso de armas de fogo para produzir impulso: http://what-if.xkcd.com/21/
Os maiores problemas seriam: forças g - barril longo o suficiente / grande, mas queima progressiva para atingir a velocidade de escape em uma aceleração aceitavelmente baixa; fricção dentro do cano da arma em velocidades hipersônicas; viagem hipersônica em uma atmosfera de baixa altitude com aquecimento e perda de velocidade. Talvez possível, mas longe de ser prático.
Quatro respostas:
#1
+52
PearsonArtPhoto
2013-07-29 22:21:24 UTC
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O requisito do Delta V para o lançamento é de cerca de 14 km / s até a órbita lunar baixa, de acordo com a Wikipedia. Isso significa que você teria que atingir uma velocidade de 14 km / s para orbitar a lua. Parte disso terá de ser feito do espaço, mas a maior parte poderia, teoricamente, ser feito do solo. Então, o que você precisa fazer para que isso aconteça?

Na Segunda Guerra Mundial, os alemães desenvolveram um projétil de artilharia que podia viajar a 1,67 km / s. Ele usou 200 kg de pólvora e disparou um projétil de 106 kg. Vamos apenas supor que você possa escalar infinitamente para cima (provavelmente não, mas vamos supor por um momento). Além disso, vamos supor uma massa de 1000 kg para o navio (provavelmente seria maior). Considerando tudo isso, você precisaria de 10 vezes mais para lançar a nave na mesma velocidade e cerca de 72 vezes mais para lançar a nave na órbita lunar. Isso aumentaria para cerca de 14.400 kg de pó, ou cerca de 16 toneladas de pó, muito menos do que Jules Vern afirmou que você precisaria. Então, por que não fazemos isso?

Embora em teoria alguém pudesse chegar à lua assim, o golpe de canhão puro não seria suficiente para pousar na lua, pelo menos de maneira controlada. Você acabaria pousando na lua com a velocidade de escape lunar de 2,4 km / s, sem um foguete para pará-lo. Além disso, as forças da gravidade exercidas sobre você no lançamento seriam enormes, a eletrônica do projétil de artilharia deve ser avaliada em 15.000 Gs. Boa sorte em conseguir que uma pessoa sobreviva a isso. E também, a física não é bem escalável como indiquei aqui, mas os números fornecem uma boa aproximação de primeira ordem.

O perfil de lançamento de um foguete é quase o melhor caso para levar astronautas ao espaço, em termos da quantidade de gravidade. Você realmente precisa se esforçar continuamente por algum tempo. No entanto, um canhão ferroviário pode fornecer um pouco da velocidade necessária para orbitar, se você planejar cuidadosamente para que isso aconteça.

Achei que o principal contra-argumento era que, uma vez que você passa a velocidade térmica dos produtos de reação, você basicamente não obtém nenhuma utilidade marginal em termos de velocidade crescente.
@AlanSE: Sinta-se à vontade para escrever sua própria resposta, a minha é muito difícil, admito. Para mim, o maior problema é que você não poderia parar se dependesse de um cânone para lançar para qualquer lugar, então ...
Embora obviamente houvesse problemas de aceleração e desaceleração se as pessoas estivessem envolvidas, um sistema como esse (teoricamente) poderia ser usado para reabastecer matérias-primas da Terra para uma base lunar? Talvez fazer uma cama de pedra / poeira lunar esmagada para pousar, ou algum tipo de almofada de ar ... isso seria o suficiente para evitar que pedaços da lua explodissem a cada reabastecimento?
@PeterLeppert: Sim, isso é possível, mas provavelmente não usando uma abordagem de canhão. Talvez um canhão elétrico, por razões declaradas de outra forma.
O lançamento seria mortal o suficiente para matar tudo que pudesse ser morto no pouso ...
@ ŁukaszLech Não, o lançamento não mataria nada que estivesse na lua perto de lá quando o navio pousasse. Por que você afirma que seria?
@AJMansfield eu quis dizer, tudo o que aconteceria para viajar com tal navio.
12km / s é uma velocidade necessária para atingir a órbita baixa da Terra. Para atirar um projétil para a lua, você deve ser capaz de alcançar o ponto Lagrangiano entre a Terra e a Lua. Ele está situado a 385000 da terra, então a velocidade do projétil necessária para o tiro deve ser muito maior para alcançá-lo do que apenas para atingir a baixa órbita possível com um tiro de 12km / h.
10 para alcançar a órbita baixa da Terra, 14 para alcançar LLO. Opa ... Ajustará conforme necessário.
#2
+25
Thomas Pornin
2013-07-30 01:22:02 UTC
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Pelo que eu sei, a onda de choque na detonação de explosivos não vai mais rápido do que cerca de 2,5 km / s, então uma bala não será impulsionada além dessa velocidade, não importa quantos barris de pólvora você acumule. A onda de choque pode ser acelerada se a operação ocorrer em um ambiente de alta pressão, mas atingir velocidade suficiente para chegar à órbita (cerca de 8 km / s) parece difícil, muito menos ir para a Lua.

Você pode fazer um sistema de vários estágios, no entanto: um canhão que dispara outro canhão que dispara um terceiro canhão, e assim por diante. No final das contas, você acaba com um foguete, não um canhão. É uma questão de definição ...

(Uma variante com um explosivo um pouco mais forte que a pólvora está sendo seriamente investigada, mas duvido que aconteça em breve.)

A aceleração também achataria de uma forma muito literal qualquer vertebrado com o azar de ter sido selecionado para esta viagem. Os canhões espaciais são mais do que especulação ociosa, mas são para lançar materiais a granel, não pessoas.

#3
+12
Kevin
2013-07-29 22:36:00 UTC
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A massa máxima teórica absoluta que 1.600.000 libras de pó poderia lançar para a lua é um pouco menos de 35.500 kg. O cálculo não é tão difícil (introdução à física baseada em cálculo), mas é um tanto longo e complicado, e seria muito feio em um site como este sem mathjax. No entanto, isso faz duas suposições principais que não podem realmente acontecer: sem resistência do ar , e todo o pó queima instantaneamente, transferindo toda a sua energia para o foguete (nenhuma para uma chama visual, nenhuma para som, etc. Ainda estou trabalhando em uma análise quantitativa desses efeitos, mas tenho certeza de que a contabilidade pois a resistência do ar ou a velocidade de queima finita do foguete tornaria impossível chegar à lua.

A velocidade máxima que um foguete movido a propelente pode atingir depende da massa do foguete, da massa do propelente e a velocidade de exaustão da exaustão. De acordo com James Jenkins, o navio pesava 20.000 libras; o propelente é, é claro, 1.600.000 libras. Usando uma velocidade de escape típica de pólvora negra de 800 m / s. Sem lutar contra a gravidade, essa quantidade de pólvora poderia impulsionar o navio para pouco mais de 3 , 500 m / s, bem abaixo da velocidade de escape da Terra de 11.200 m / s. Virando um pouco, essa relação de massa exigiria uma velocidade de exaustão de quase 2.550 m / s. E para completar, os 160 libras de propulsor dados poderiam lançar um foguete de pouco menos de 1,5 libras; seriam necessários 24 bilhões de libras de propelente para lançar o foguete completo de 20.000 libras.

O navio de Júlio Verne tinha 108 polegadas de diâmetro, pesando 20.000 libras (9.071 kg) http://en.wikisource.org/wiki/From_the_Earth_to_the_Moon/Chapter_VIII
#4
+5
geoffc
2013-07-29 23:35:02 UTC
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Há uma história que diz que o primeiro objeto feito pelo homem a atingir a velocidade de escape foi uma tampa no estilo de um buraco de homem, sobre uma saída de exaustão, de um teste de bomba nuclear subterrânea.

No entanto, eles citam isso no site.

Mas a suposição de que pode ter escapado da Terra é implausível (a discrição do Dr. Brownlee em fazer uma reivindicação de prioridade está correta recomendado). Deixando de lado se um objeto não erodinâmico extremamente hipersônico poderia sobreviver à passagem pela atmosfera inferior, parece impossível para ele reter muito de sua velocidade inicial ao passar pela atmosfera. Um projétil hipersônico lançado ao solo tem o mesmo problema de manter sua velocidade que um meteoro que se aproxima. De acordo com a American Meteor Society Fireball e Meteor FAQ, meteoros pesando menos de 8 toneladas não retêm nenhuma de sua velocidade cósmica ao passar pela atmosfera, eles simplesmente acabam como uma rocha em queda. Apenas objetos pesando muitas vezes essa massa retêm uma fração significativa de sua velocidade.

De outra perspectiva divertida, há uma ótima história de ficção científica chamada Nave espacial King Davids por Jerry Pournelle que postula um universo onde as sociedades navegantes interestelares não irão intervir a menos que seu planeta alcance a órbita, e por razões políticas um planeta requer voo espacial o mais rápido possível, então eles constroem uma nave tripulada, que usa a abordagem de disparar arma para baixo, (uma espécie de versão química de Orion) para alcançar a órbita.

Pournelle é divertido para escrever boa ficção científica e tem discussões interessantes sobre as questões envolvidas.

Por que isso é impossível? Ir para a velocidade de escape não requer que o vetor esteja ao longo do horizonte "local".
Não tenho certeza de como isso responde à pergunta. Embora interessante, presumo que seja apenas um mito urbano, e nenhuma parte dele tenta realmente responder à pergunta. : |
@DeerHunter - A tampa do bueiro não pulverizaria sob tamanha pressão antes que pudesse atingir a velocidade de escape, ou pelo menos queimaria em chamas enquanto estivesse na baixa atmosfera?
@DeerHunter I quis dizer impossível para orbital não escapar velocidade. Mas a velocidade de escape parece excessivamente alta até mesmo para um evento nuclear.
@TildalWave Responde por analogia. Se é improvável que mesmo um evento nuclear tenha tido sucesso em gerar impulso suficiente para a velocidade de órbita / escape, parece muito provável que qualquer evento de pólvora também não teria sucesso.
Geoffc: Não é impensável do ponto de vista puramente balístico (se não fosse pela baixa atmosfera) imaginar alcançar a órbita com um tiro direto, já que dar a volta na Lua pode puxar um pouco o periapsia ... (sim, Eu sei, especulação ociosa) @TildalWave - o último (queimando em chamas) é bastante provável.
Geoffc - a analogia não é científica. Cuidado com as analogias quando você não fez ou não pode fazer os cálculos, mesmo no verso de um envelope.
Alguém perguntou sobre esta bomba em [skeptics.se]?
Este foi o teste Pascal-B da Operação Plumbob. A velocidade inicial era de no mínimo 66km / s; mais lento e teria sido observado em mais de um quadro da câmera de alta velocidade filmando o teste: http://en.wikipedia.org/wiki/Operation_Plumbbob#The_first_nuclear-propelled_manmade_object_in_space
@DanNeely: Acredito que esse artigo seja a fonte disso, e de fato, tem uma citação que se relaciona diretamente com a questão em questão. Como tal, editei a pergunta para incluir as informações relevantes.
Na verdade, acho que esta é uma das melhores respostas porque destaca o que um foguete pode fazer que a pólvora não pode e que é levantar algo relativamente devagar pela atmosfera até que possa ser acelerado com segurança para velocidades orbitais / de escape sem queimar.


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