Artykuły na tym blogu są nieoficjalnymi tłumaczeniami XKCD What If. Teraz również na Facebooku!

25.05.2013

Plecak odrzutowy z karabinu maszynowego


Oryginalny artykuł: Machine Gun Jetpack

Czy możliwe jest zbudowanie plecaka odrzutowego ze strzelającego pionowo w dół karabinu maszynowego?
 Rob B

Byłem nieco zaskoczony, kiedy odkryłem, że odpowiedź brzmi tak! Ale żeby naprawdę zrobić to dobrze powinieneś porozmawiać z Rosjanami.

Zasada jest bardzo prosta. Jeśli wystrzeliwujesz nabój do przodu, odrzut odpycha cię do tyłu. Więc jeśli strzelisz w dół odrzut powinien pchnąć cię w górę.

Pierwsze pytanie na jakie musimy odpowiedzieć brzmi “czy karabin może w ogóle unieść sam siebie?” Jeśli karabin waży 4,5 kilograma, a podczas strzału wytwarza siłę pozwalającą unieść jedynie 3,5 kilograma, nie będzie w stanie sam się podnieść, nie wspominając już o podniesieniu siebie i osoby.

W świecie inżynierów stosunek pomiędzy siłą ciągu urządzenia a jego wagą jest nazywany, stosownie, współczynnikiem ciągu do ciężaru. Jeśli jest mniejszy niż 1, pojazd nie uniesie się. Rakieta Saturn V podczas startu miała ten współczynnik równy 1,5.

Pomimo, że dorastałem na południu USA, nie jest ekspertem w dziedzinie broni palnej, więc aby odpowiedzieć na to pytanie skontaktowałem się ze znajomym w Teksasie. (Sądząc po ilości amunicji leżącej wkoło ich domu gotowej do mierzenia i porównywania, Teksas stał się jakąś postapokaliptyczną strefą wojny w stylu Mad Maksa.)

Jak się okazuje, AK-47 ma współczynnik ciągu do ciężaru równy 2. Oznacza to, że gdybyś postawił go na lufie i w jakiś sposób nacisnął spust, (Uwaga: Proszę, PROSZĘ, nie próbuj tego w domu) karabinek podniósłby się w powietrze podczas strzelania.

Nie jest tak ze wszystkimi karabinami. Na przykład M60 prawdopodobnie nie może wytworzyć wystarczającego odrzutu, by podnieść się z ziemi.

Ilość ciągu wytworzonego przez rakietę (lub strzelający karabin) zależy od (1) ilości masy jaką wyrzuca za siebie i (2) jak szybko ją wyrzuca. Ciąg jest iloczynem tych dwóch wielkości:



Jeśli AK-47 strzela dziesięcioma ośmiogramowymi kulami na sekundę z prędkością 715 m/s, jego ciąg wynosi:
gdzie g to przyspieszenie ziemskie i.e. 10m/s2

Ponieważ załadowany AK-47 waży tylko 4,7 kilogramów, będzie on w stanie unieść się i przyspieszać pionowo w górę.

W praktyce rzeczywisty ciąg okazuje się być 30% większy. Powodem tego jest to, że karabin nie tylko wyrzuca z siebie kule, ale również gorący gaz i wybuchowe odłamki. Ilość dodatkowej mocy zmienia się w zależności od broni i amunicji.

Całkowita wydajność zależy też od tego, czy wyrzucasz łuski z pojazdu czy wieziesz je ze sobą. Spytałem moich teksańskich znajomych czy mogliby dla mnie zważyć kilka łusek do moich obliczeń, ale okazało się, że nie mogli nigdzie w domu znaleźć wagi. Uprzejmie zaproponowałem im, że z arsenałem jaki posiadają, wystarczy znaleźć kogoś innego, kto posiada wagę. (Najlepiej kogoś z mniejszą ilością amunicji.)

Co to wszystko znaczy dla naszego plecaka odrzutowego?

Cóż, AK-47 może się podnieść, ale wyraźnie nie ma zapasu ciągu, by unieść cokolwiek cięższego od wiewiórki.

Możemy spróbować kilku karabinków. Jeśli strzelisz dwoma karabinami w ziemię, wytworzą one podwójny ciąg. Jeśli każdy karabin może wytworzyć 2 kilogramy więcej niż jego waga, dwa mogą unieść 4 kilogramy.

Teraz jest jasne do czego doszliśmy:

Jeśli użyjemy odpowiednio wielu karabinów, waga pasażera staje się nieistotna, karabinów jest ich tak dużo, że nawet go nie poczują. Razem ze wzrostem ilości karabinów, jako, że faktycznie jest to dużo osobnych karabinów lecących równocześnie, wartość współczynnika ciągu do masy urządzenia zbliża się do wartości współczynnika dla pojedynczego, nieobciążonego karabinu:
Współczynnik ciągu do masy/Ilość AK-47

Ale jest jeden problem: amunicja.

Magazynek AK-47 mieści 30 pocisków. Strzelając z prędkością 10 pocisków na sekundę, uzyskamy marne trzy sekundy przyspieszania. Możemy ten wynik poprawić za pomocą większego magazynka - ale tylko do pewnego momentu.

Okazuje się, że nie ma żadnej korzyści z użycia więcej niż 250 nabojów. Powodem tego jest podstawowy i główny problem w rakietach: paliwo czyni je cięższymi.

Każda kula waży 8 gramów, a nabój (“cała kula” - the “whole bullet”) waży 16 gramów. Jeśli zabierzemy ponad 250 nabojów, AK-47 będzie zbyt ciężki, by się unieść.

Oznacza to, że optymalna dla naszego pojazdu będzie duża liczba AK-47 (minimum 25, ale najlepiej przynajmniej 300) posiadających 250 sztuk amunicji. Największa jego wersja mogłaby przyspieszyć pionowo osiągając prędkość 100 m/s i unieść się ponad pół kilometra w powietrze. (Jeśli chciałbyś zagłębić się w bardziej szczegółowe matematyczne rozważania nad tym tu jest dobry podręcznik na start.)

Tak więc odpowiedzieliśmy na pytanie Roba. Z odpowiednią liczbą karabinków maszynowych mógłbyś latać.

Ale plecak składający się z pięciuset Kałasznikowów z pewnością nie jest zbyt praktyczny. Chyba stać nas na coś lepszego?

Moi teksańscy przyjaciele zaproponowali szereg innych karabinów maszynowych, a ja je wszystkie sprawdziłem. Niektóre były całkiem niezłe; MG-42, ciężki karabin maszynowy, miał minimalnie większy współczynnik ciągu do masy od AK-47.

GAU-8 Avenger wystrzeliwuje do sześćdziesięciu 45-gramowych kul na sekundę. Wytwarza prawie pięć ton siły odrzutu, co jest wręcz obłędne, biorąc pod uwagę, że jest montowany w samolocie A-10 "Warthog", posiadającego dwa silniki, z których każdy wytwarza cztery tony siły ciągu. Jeśli zamontowałbyś dwa takie karabiny do jednego samolotu i strzelił oboma naraz, karabiny by wygrały i zacząłbyś przyspieszać do tyłu.

Ujmując to inaczej: Jeśli zamontowałbym karabin GAU-8 na moim samochodzie, wrzucił luz i zaczął strzelać do tyłu, przekroczyłbym limit prędkości na autostradzie w mniej niż trzy sekundy.
-Wie pan dlaczego pana zatrzymałem?
-Nie.

Nawet jeśli ten karabin mógłby całkiem nieźle spełniać rolę kompaktowego silnika odrzutowego, Rosjanie skonstruowali broń, która działałaby jeszcze lepiej. Gryazev-Shipunov GSh-6-30 waży połowę tego, co GAU-8 i cechuje się jeszcze większą szybkostrzelnością. Jego współczynnik ciągu do masy dochodzi do 40, co oznacza, że gdybyś wycelował nim w ziemię i strzelił nie tylko uniósłbyś się gwałtownie w powietrze, rozpylając chmurę śmiercionośnych kul, ale doświadczyłbyś też przyspieszenia rzędu 40 g.

To o wiele za dużo. W rzeczywistości, nawet kiedy GSh-6-30 zamontowano w samolocie, odrzut był problemem:

Odrzut … w dalszym ciągu ma tendencję do wyrządzania uszkodzeń w samolocie. Ilość strzałów na minutę została zredukowana do 4000, ale to na niewiele się zdało. Światła do lądowania prawie zawsze psuły się po strzale … Wystrzeliwanie więcej niż około 30 kul w jednej serii powodowało problemy z przegrzewaniem się …

Ale gdyby w jakiś sposób przygotować człowieka, zbudować pojazd wystarczająco wytrzymały, by przetrwać przyspieszenie, zamknąć go w aerodynamicznej skorupie i upewnić się, że karabin jest odpowiednio chłodzony …
 
… z pomocą GSh-6-30 mógłbyś skakać przez góry.

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz