Wie mächtig sind die legendären Weltraumwaffen? Das würden Sie nie erraten!

RODS FROM GOD, die legendäre ultimative Waffe, kann innerhalb von zwölf Minuten jeden Zielort auf der Welt treffen. Seine Tödlichkeit ist mit der taktischer Atomwaffen vergleichbar und kann sogar Ziele zerstören, die tief in unterirdischen Bunkern verborgen sind.

Was ist der „Stab Gottes“? Wie weit ist die Forschung fortgeschritten? Existiert es immer noch nur als Konzept? Ist seine Macht wirklich so furchterregend, wie die Legende behauptet?

Die Geschichte des Krieges? Die Geschichte des Steinwerfens!

Der Rod of God ist eine weltraumgestützte kinetische Waffe . Um es zu verstehen, müssen wir mit seinem „früheren Leben“ als kinetische Waffe beginnen. Wie der Name schon sagt, sind kinetische Waffen Waffen, die kinetische Energie nutzen, um Objekte zu töten . Der sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Sprengkopf kollidiert direkt mit dem Ziel und setzt dabei enorme kinetische Energie frei, die das Ziel zerstört.

Kinetische Waffen nehmen in der Menschheitsgeschichte eine wichtige Stellung ein. Von den Steinen und Schleudern, die die frühen Naturvölker zum Fangen von Beute verwendeten, über Pfeil und Bogen und Katapulte im Zeitalter der kalten Waffen bis hin zu den Schusswaffen nach der Erfindung des Schießpulvers – sie alle fallen in die Kategorie der kinetischen Waffen. Wenn die Trisolaraner wirklich existieren, sind die Wassertropfen, mit denen sie eine ganze Erdflotte zerstört haben, ebenfalls eine kinetische Waffe. Man kann sagen, dass die Entwicklung von Kriegswaffen tatsächlich die Methoden zum Werfen schnellerer und härterer Steine ​​verändert.

Der Kern kinetischer Waffen besteht darin , dem „Sprengkopf“ enorme kinetische Energie zuzuführen .

Die kinetische Energie eines mit menschlicher Kraft geworfenen Steins beträgt etwa 100 Joule; die kinetische Energie einer Schleuder kann durch die Beschleunigung beim Schwingen 200 Joule erreichen, was doppelt so stark ist wie beim direkten Werfen eines Steins; Ein Bogen kann die in der Verformung gespeicherte elastische potentielle Energie in die kinetische Energie eines Pfeils umwandeln . Der englische Langbogen, der von den englischen Langbogenschützen verwendet wurde, die im Hundertjährigen Krieg zwischen England und Frankreich Großes leisteten, kann eine maximale kinetische Energie von 160 Joule für den Pfeil bereitstellen. Und da die Konstruktion der Pfeilspitze den Reibungsverlust verringern kann, ist seine Tödlichkeit nicht geringer als die einer Schleuder.

Englische Langbogenschützen in Kunstwerken | Bildquelle: „Schlacht von Crécy während des Hundertjährigen Krieges zwischen England und Frankreich“ (Detail), Illustration aus einer illuminierten Handschrift des französischen Historikers Froissart aus dem 15. Jahrhundert, gesammelt von der französischen Nationalbibliothek

Nach der Erfindung des Schießpulvers entwickelten sich Methoden zum Steinewerfen. Die Energie der Schießpulverexplosion wird in kinetische Energie der Kugel umgewandelt, wodurch die Kugel augenblicklich auf eine Geschwindigkeit von 400 Metern pro Sekunde beschleunigt wird und dem Ziel enormen Schaden zufügt.

Die Erfindung des Schießpulvers inspirierte auch die Entwicklung von Waffen in eine andere Richtung: das Töten mit Sprengstoffen. Im Vergleich zu kinetischen Waffen, die zunächst chemische Energie in kinetische Energie umwandeln und das Ziel dann nach einer langen Distanz durch Luftreibungsverlust zerstören, haben sich explosive Waffen, die direkt in der Nähe des Ziels explodieren und dabei enorme Energie freisetzen, in der modernen Kriegsführung zunehmend durchgesetzt. Panzergranaten mit einer Energie von mehreren Millionen Joule sind zur dominierenden Kraft auf dem Schlachtfeld geworden und stärkere Atomwaffen sind zur entscheidenden Waffe im Spiel der Großmächte geworden.

Werden kinetische Waffen also allmählich aus der Geschichte verschwinden? Nicht wirklich . Wenn die Menschen beispielsweise tatsächlich in das Universum eindringen und das Zeitalter der interstellaren Kriege einleiten, wird die Macht von Waffen, die zum Töten auf Explosionen angewiesen sind, aufgrund des Mangels an Medium im Universum stark reduziert. Derzeit könnten kinetische Waffen die beste Lösung sein. Schließlich gibt es im Weltraum keinen Luftwiderstand, was für den Einsatz kinetischer Waffen sehr geeignet ist.
Ganz zu schweigen von der fernen Zukunft, in der kinetische Waffen und elektromagnetische Schusswaffen schrittweise entwickelt und eingesetzt werden. Durch die Verwendung elektromagnetischer Kraft anstelle einer Schießpulverexplosion zur Beschleunigung des Projektils kann dem Projektil eine höhere kinetische Energie verliehen werden.

Wir können sehen, dass die Energiequellen zum Beschleunigen des „Steins“ vielfältig sind, einschließlich der vom menschlichen Körper geleisteten Arbeit, der elastischen potentiellen Energie der Bogenverformung, der chemischen Energie der Schießpulverexplosion und der elektromagnetischen Energie des elektromagnetischen Felds, aber es gibt auch eine gemeinsame Energie, die auch in kinetischen Waffen genutzt werden kann – die potentielle Gravitationsenergie . Hier kommen weltraumgestützte kinetische Waffen her.

Vergangenheit und Gegenwart von „Rod of God“

Bereits in den 1950er Jahren schlug die Rand Corporation vor, auf der Spitze einer Interkontinentalrakete eine lange Stange anzubringen. und die Startmethode mithilfe von Satelliten wurde durch die Werke des Science-Fiction-Autors Jerry Pournelle populär und entwickelte sich schließlich zu den heutigen weltraumgestützten kinetischen Waffen.

Im Jahr 2002 veröffentlichte die RAND Corporation einen Bericht mit dem Titel „Space Weapons, Earth Wars“, der ein ganzes Kapitel enthielt, in dem die Praktikabilität weltraumgestützter kinetischer Waffen beschrieben wurde.

Im Jahr 2003 veröffentlichte die US Air Force einen Bericht mit dem Titel „The US Air Force Transformation Flight Plan“, in dem in ihrer Übersicht über zukünftige weltraumgestützte Waffen das „Hypervelocity Rod Bundle“, auch bekannt als „Rod of God“, erwähnt wird.

In diesem Bericht handelt es sich bei dem Hypergeschwindigkeits-Stabbündelsystem um einen 20 Fuß (6,1 Meter) langen und 1 Fuß (0,30 Meter) durchmessenden Wolframstab . Es wird von sechs bis acht Satelliten gesteuert, die in einer bestimmten Umlaufbahn stationiert sind, und kann innerhalb von 12 bis 15 Minuten jedes Ziel auf der Welt treffen. Dieser Wolframstab hat eine Masse von etwa 8,2 Tonnen und kann das Ziel nach dem Abschuss mit einer Geschwindigkeit von Mach 10 (zehnfache Schallgeschwindigkeit, 3400 m/s) treffen; Dabei wird sofort die Energie freigesetzt, die 11,5 Tonnen TNT (48 GJ) entspricht, und die eine Zerstörungskraft erreichen kann, die mit der einer konventionellen Bombe gleichen Gewichts vergleichbar ist.

Satellitenumlaufbahnen für den weltraumgestützten Waffeneinsatz | Bildquelle: Referenz 3

Was weltraumgestützte Waffen wirklich ins öffentliche Bewusstsein rückte, war ihr Auftreten in einer Reihe von Film- und Fernsehunterhaltungswerken sowie ihre schockierenden Auftritte wie „Gottes Urteil“.

Jerry Pournelle beschreibt die Existenz weltraumgestützter Waffen in seinem Science-Fiction-Roman Footfall, in dem er eine Thor-ähnliche Darstellung erhält.

Besucherzahl | Bildquelle: Referenz 3

Auch in der Mobile Suit Gundam-Reihe gibt es weltraumgestützte kinetische Waffen – nur dass hier der gesamte Satellit als kinetische Waffe eingesetzt wird.

„G.I. Joe: Retaliation“ aus dem Jahr 2011 nutzte exquisite Spezialeffekte, um dem Publikum die enorme Kraft astronomischer Energiewaffen vorzuführen. Schon ein einziger Wolframstab kann ein Erdbeben auslösen, das stark genug wäre, um ganz London zu zerstören.

Szene mit dem Start weltraumgestützter kinetischer Waffen | Bildquelle: Standbilder aus „G.I. Joe: Retaliation“

Neben verschiedenen Film- und Fernseharbeiten waren weltraumgestützte kinetische Waffen schon immer ein beliebter Kandidat für die ultimative Waffe in verschiedenen Spielen. Der Auftakt von „Call of Duty: Ghosts“ dreht sich um den Kampf um die Kontrolle über weltraumgestützte Waffen auf Satelliten. Schließlich warfen Terroristen einen Wolframstab in Richtung des amerikanischen Festlandes und zerstörten eine Stadt vollständig.

Weltraumwaffe Odin | Bildquelle: Standbilder aus „Call of Duty: Ghosts“

Darüber hinaus tauchen weltraumgestützte Waffen auch in einer Reihe von Spielen auf, beispielsweise „Syndicate Wars“, „Mass Effect 2“, „Halo“ und „GTA5“, die allesamt als mächtige ultimative Waffen angesiedelt sind.

Einige Leser werden vielleicht festgestellt haben, dass es sich bei allen Beschreibungen von Weltraumwaffen bisher um verschiedene Film- und Fernsehsettings und theoretische Vorhersagen handelt. Wie leistungsfähig sind weltraumgestützte Waffen und gibt es dafür experimentelle Nachweise?

Wie mächtig sind weltraumgestützte Waffen?

Im Jahr 2018 veröffentlichte ein chinesisches Forschungsteam eine Abhandlung mit dem Titel „Theoretische und experimentelle Studie zu Gesteinsdurchdringung und Bodenaufpralleffekten von Hypergeschwindigkeits-Langstabprojektilen“, in der die Auswirkungen weltraumgestützter Waffen auf den Boden detailliert simuliert und die tatsächlichen Kampfergebnisse von Wolframstäben beschrieben wurden, die auf den Boden auftreffen.

Anders als bei niedriger Geschwindigkeit kann der Aufprall eines Langstangenprojektils mit sehr hoher Geschwindigkeit auf den Boden nicht mehr als Kollision mit einem starren Körper betrachtet werden, sondern wird je nach Geschwindigkeit in drei Modi unterteilt: Durchdringung des starren Körpers, Durchdringung einer halbflüssigen Flüssigkeit und Durchdringung einer flüssigen Flüssigkeit .

1. Wenn die Projektilgeschwindigkeit v ≥ 3,0 Mach (1 Mach = 1-fache Schallgeschwindigkeit) ist, tritt eine Flüssigkeitsdurchdringung auf und zur Berechnung des Durchdringungsprozesses ist ein Strömungsdynamikmodell erforderlich. Die Bernoulli-Gleichung und die Kontinuitätsgleichung lauten:

Dabei ist v∞ die Geschwindigkeitsgrenze des Rückwärtsstrahls, K0 der Kompressionsstrahlkoeffizient des gebrochenen Mediumstrahls, der die Änderung der Beispielgeschwindigkeit während des Rückwärtsstrahlprozesses des Mediums charakterisiert.

2. Wenn die Projektilgeschwindigkeit im Bereich von 1,5 Mach < v < 3,0 Mach liegt, tritt eine halbflüssige Penetration auf und das Medium befindet sich in der Übergangszone von der inneren Reibung zum flüssigen Zustand. Zur Simulation wird das modifizierte fluiddynamische Modell verwendet.

3. Wenn die Projektilgeschwindigkeit v≤1,5 Mach ist, tritt ein Eindringen des starren Körpers auf und die dynamische Verformung des Gesteinsmediums kann durch das lineare elastische Kompressionsmodell mit innerer Reibung simuliert werden.

Die Aufprallgeschwindigkeit weltraumgestützter kinetischer Waffen liegt im Allgemeinen über Mach 10. Aus der obigen Analyse ist ersichtlich, dass das Projektil beim Eindringen in den Fels allmählich langsamer wird und sich der Eindringmodus vom Eindringen in eine Flüssigkeit zum Eindringen in eine halbflüssige Flüssigkeit und dann zum Eindringen in einen starren Körper ändert . Daher kann bei der Berechnung der Kraterreichweite der Krater entsprechend der untenstehenden Abbildung in drei Bereiche unterteilt und separat berechnet werden.

Ein vereinfachtes Diagramm zur Berechnung der Kraterreichweite bei der Demonstration der Durchdringung mit Hochgeschwindigkeitsprojektilen. Von innen nach außen gibt es die Pseudofluidzone, in der das gebrochene Gestein als eine nichtviskose, inkompressible ideale Flüssigkeit betrachtet werden kann; die Risszone, wo die Partikelverschiebung sehr gering ist; und die elastische Zone, in der die ursprünglichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Gesteins noch vorhanden sind. Bildquelle: Referenz 6

Natürlich stellte das Team nicht nur ein Modell für die Analyse bereit, sondern führte auch Analysen auf Grundlage tatsächlicher Verifizierungsdaten durch.

Originaltext | Bildquelle: Referenz 6

Mit anderen Worten: China hat einen Prototypenversuch mit weltraumgestützten kinetischen Waffen zum Angriff auf den Boden durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass ein 140 kg schwerer Wolframstab lediglich einen parabolischen Krater mit einer Tiefe von 3,0 m und einem Durchmesser von 4,6 m erzeugte.

Schematische Darstellung der Ergebnisse der Grubenbildung beim Wolframstab-Aufprallexperiment in der Wüste Gobi | Bildquelle: Referenz 6

Allerdings reicht diese Zerstörungskraft bei weitem nicht aus, um eine Stadt zu zerstören. Es scheint, dass die Qualität des Projektils noch deutlich verbessert werden muss, wenn es in der Praxis eingesetzt werden soll. Wie sich die Transportkosten und -schwierigkeiten nach Qualitätssteigerungen kontrollieren lassen, ist eine andere Frage.

Die Schwierigkeit, Gegenstände aus großer Höhe zu werfen

Können wir durch die Umwandlung von Gravitationspotentialenergie und kinetischer Energie durch Erhöhung der Höhe mehr kinetische Energie gewinnen?

Wenn wir auf der Erde mit Objekten zu tun haben, die aus großer Höhe geschleudert werden, müssen wir den Einfluss des Luftwiderstands berücksichtigen. Stellen Sie sich einen allgemeinen kugelförmigen Gegenstand vor, der in der Luft Widerstand erfährt.

Dabei ist C der Luftwiderstandsbeiwert, ρ die Luftdichte und v die Geschwindigkeit des Objekts. Man kann erkennen, dass mit zunehmender Geschwindigkeit eines Objekts der Luftwiderstand, auf den es trifft, schnell parabolisch zunimmt, bis er die Größe der Schwerkraft des Objekts erreicht. Zu diesem Zeitpunkt sind Schwerkraft und Luftwiderstand ausgeglichen und die Geschwindigkeit des Objekts nimmt nicht mehr zu.
Daher haben Objekte, die aus großer Höhe fallen, eine Endgeschwindigkeit. Die Geschwindigkeit von Regentropfen beträgt beispielsweise 8 bis 9 m/s. (Sie müssen sich also keine Sorgen machen, ob ein Wassertropfen, der aus großer Höhe fällt, Sie tötet.)

Auch bei weltraumgestützten kinetischen Waffen wird der Luftwiderstand ihre Geschwindigkeitssteigerung begrenzen. Simulationsberechnungen zufolge kann die Eintrittsgeschwindigkeit des kinetischen Energieprojektils „Rod of God“ ohne Berücksichtigung des Luftwiderstands 8221,3 m/s erreichen, was mehr als dem Doppelten der Geschwindigkeit unter Berücksichtigung des Luftwiderstands entspricht. Dies bedeutet, dass die kinetische Energie des Projektils bei fehlendem Luftwiderstand mehr als das Vierfache der ursprünglichen Energie erreichen kann.

Vielleicht können kinetische Waffen ihre wahre Macht erst dann unter Beweis stellen, wenn die Menschheit tatsächlich ins Universum vordringt, wie es in verschiedenen Science-Fiction-Werken gezeigt wird.

Verweise

[1]Stäbe von Gott | Populärwissenschaft (popsci.com)

[2] China startet erfolgreich eine weltraumgestützte kinetische Waffe mit erstaunlicher Kraft - Zhihu (zhihu.com)

[3]Kinetischer Beschuss – Wikipedia

[4] Ist die Menschheit nach Zehntausenden von Jahren der Entwicklung bereit, sich von ihrer Besessenheit mit „kinetischen Waffen“ zu lösen? - Zhihu (zhihu.com)

[5] Populärwissenschaft über APFSDS (I) Grundlegende Konzepte der Hochgeschwindigkeitspenetration von Langstabprojektilen und das Alekseevskii-Tate-Modell – Bilibili (bilibili.com)

[6] Wang Mingyang, Qiu Yanyu, Li Jie et al. Theoretische und experimentelle Studie über die Durchdringungs- und Bodenaufpralleffekte von Hochgeschwindigkeits-Langstabprojektilen auf Gestein[J]. Chinesische Zeitschrift für Felsmechanik und -technik, 2018, 37(3):9. DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2017.1348.

[7] Li Zheng. Bewertung der Schadenswirkung der weltraumgestützten kinetischen Waffe „Rod of God“[J]. Vibration und Schock, 2016, (18): 159-164,180.

Planung und Produktion

Quelle: Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Herausgeber: Zhong Yanping