Стрельба в Космосе (типичные Заблуждения Читателей/Авторов твердой КосмоНаучФантастики)

Своеобразное дополнение и развитие моего старого БлогПоста и концепта КосмоБродилки (https://author.today/post/138500?c=7229225&th=7229225):

Типичные Заблуждения (с точки зрения физики и физиологии) авторов и читателей фантастики/фэнтези - https://author.today/post/126808

Итак:

Как полетит пуля, если в космосе выстрелить из пистолета?..

На поверхности Земли и за пределами атмосферы разные условия — это известно любому школьнику, который не прогуливал уроки физики и астрономии. Соответственно, результаты одних и тех же телодвижений подчас выходят разными. Конечно, ни один космонавт в здравом уме – а любой действующий космонавт непременно должен быть в здравом уме – не станет, скажем, палить из огнестрела в открытом космосе. Но давайте попробуем представить, что случится, если кому-нибудь такое все же придет в голову.

Выстрел в атмосфере

Понятно, что пуля не может лететь бесконечно и безгранично, каким бы мощным ни было оружие, из которого она выпущена. Снаряд, выпущенный, например, из пистолета Макарова пролетает максимум 350 метров, а прицельная дальность составляет всего-то 50 метров. Пуля, летящая к цели из ствола автомата Калашникова, способна «зацепить» на дистанции до 1500 метров. Если же выстрел будет произведен из винтовки «Сумрак», то цель будет поражена на дистанции до 4178 метров.

Самое дальнобойное артиллерийское орудие в истории – немецкая «Пушка Кайзера Вильгельма» – метало смертоносные снаряды на 130 километров. Баллистические ракеты летают на расстояния от 10 до 400 километров. Но какие бы дистанции снаряд ни покрывал, сколь мощный импульс ему ни придавай – непременно наступит момент излета.

Сопротивление атмосферной толщи в конце концов возьмет верх.

Но в космосе, как известно, таких проблем не возникает. Там царит вакуум и невесомость. Так как же поведет себя пуля, если вылетит из ствола в космосе? И будет ли иметь хоть какое-то значение дальнобойность оружия?

Выстрел в открытом космосе

Вопрос оказался не таким простым, каковым выглядит при поверхностном рассмотрении. Даже американский астронавт Клейтон Андерсон, шесть раз слетавший в космос и проработавший в НАСА более 30 лет, затруднился с ответом. Он не смог даже утвердительно заявить, что пуля непременно направится в сторону того объекта, на который была нацелена. Измерение скорости полета снаряда, а равно силы его удара, – Андерсон предоставил на откуп ученых-физиков. Им и вправду известен ответ на данный вопрос.

Физик и разработчик программного обеспечения Фрэнк Хейл убежден, что космический вакуум не сделается преградой для выстрела. Потому что сам по себе выстрел, с технической точки зрения, никак не связан со средой, в которой он производится. Запал, окислитель, взрывчатое вещество, выбрасывающее пулю, – ничему этому нимало не противоречит невесомость. Даже не только не мешает, но и способствует.

Атмосферный воздух, которого нет в открытом космосе, не станет сдерживать движение пули – и ее движение станет практически бесконечным. Вот только о точности говорить не придется, да и траектория выйдет своеобразной.

Пуля будет двигаться по кругу, сообразуясь с движением орбиты Международной Космической Станции (МКС) и выстрелившего астронавта. Положение в пространстве относительно других движущихся объектов обусловит дальнейшую судьбу выпущенного снаряда. Так, МКС перемещается в вакууме примерно со скоростью 7600 метров в секунду.

Начальная скорость пули варьируется примерно от 120 метров в секунду до 1200 метров в секунду: как мы выяснили, убойность орудий может различаться радикально. Выстрел по прямой приведет к более вытянутой орбите, которая всегда будет оставаться на уровне или выше орбиты МКС. Если же пальнуть вверх, вниз или вбок, то в конце концов пуля может сойти с орбиты и даже погрузиться в атмосферу.

Вовсе нет нужды проверять подобное экспериментально. Достаточно информации о технических характеристиках оружия и его массе, о массе патрона и пули, о траектории движения самого стреляющего астронавта, а также о том, как это все соотносится с движением МКС. Возможные результаты такого рода испытаний высчитываются с математической точностью.

Впрочем, уверенность американского физика Фрэнка Хейла не разделяют наши специалисты. По их мнению, высока вероятность того, что при выстреле не произойдет вообще ничего результативного.

Военный эксперт Алексей Леонков не верит даже в потенциальную возможность открыть огонь за пределами атмосферной толщи. Нынешнее огнестрельное оружие устроено так, что для срабатывания ему необходим кислород. Если же его нет, то и о возможности выстрела говорить не приходится.

По мнению кандидата технических наук Дмитрия Дьяконова, отдача от выстрела в вакууме будет сильнейшей, поскольку атмосферная толща перестанет сдерживать не только движение пули, но и движение тела стреляющего. Впрочем, не исключен и такой вариант, что тело стрелка – в силу гораздо большей массы – останется на месте, а пуля улетит вперед так же, как это происходит на Земле. Только, понятное дело, без должной прицельности и со смещением траектории движения.

Если выстрел будет произведен, как обычно, «от плеча», то сила, приложенная не к центру тяжести, создаст «рычаг» – и стрелка заболтает в безвоздушном пространстве, вращая тело вокруг собственной оси. Справиться с такой «болтанкой» самостоятельно может быть непросто.

Не исключено также, что энергии не хватит для повторного выстрела: невозможно будет перезарядить оружие – ввиду того, что вероятен выход его спускового механизма из строя. Пока что этот вопрос никто не выяснял и не просчитывал.

Как видим, позиция американских исследователей о понятности и предсказуемости выстрела в космическом вакууме – не так уж бесспорна и вызывает вопросы. Видимо, о «космическом выстреле» ничего не будет понятно, пока не удастся воспроизвести его экспериментально.

Ещё одна версия:

Что будет, если выстрелить в космосе?

Клейтон С. Андерсон, дважды бывший астронавт Международной Космической Станции, шестикратный космический путешественник, сотрудник НАСА на протяжении тридцати лет:

Ну, если бы пушка была заряжена, кто-то оказался бы в большой опасности… особенно если бы он целился в стенку автономного отсека! Хотя я и не эксперт по выходу за пределы воображения, я могу предположить, что если пистолет действительно заряжен, то пуля последует туда, куда стрелок направляет оружие и производит выстрел (а если это не так, я бы обвинил во всем Робонавта[1]). Пуля будет двигаться в противоположную сторону за счет сил импульса от пороха в камере ствола. Не могу представить, что она будет перемещаться слишком быстро, но сила «удара/отскока», о которой я сужу по собственному опыту, может быть существенной. Полагаю, физики должны ее измерить.

Будет гораздо интереснее сделать это в вакуумном пространстве во время выхода в открытый космос. Тогда пуля будет путешествовать вечно, а космонавт – если он не прикреплен никак к космической станции – опять же, будет двигаться в противоположном от пули направлении столько, сколько позволит его трос безопасности. В таком случае они медленно вернутся к исходной позиции благодаря способности троса стягиваться, или трос порвется, превратив космонавта в сценарий отчаянной мольбы и активации его SAFER (упрощенного устройства для спасения космонавта при внекорабельной деятельности) в надежде вернуться «домой» на станцию.

Фрэнк Хейл, физик, разработчик программного обеспечения:

Выстрелить в космосе? Это вполне реально. Вакуум в открытом космосе не будет проблемой для выстрела. Для работы оружия не нужен кислород. Порох или другое взрывчатое вещество в патроне, который содержит пулю, не зависит от атмосферы. У него есть окислитель, смешанный с горючим веществом, и идеально подходящий для выстрела в безвоздушном пространстве. Даже запал, ударяемый бойком огнестрельного оружия, абсолютно автономен, и может работать в вакууме.

Стрелять в космосе оружие будет даже немного лучше, чем на Земле. Пуле не нужно будет «протакливаться» сквозь воздух и  сжимать его сразу же после выхода из пистолета/ружья. Воздух не будет снижать скорость движущейся пули,  так что диапазон действия оружия станет по сути бесконечным, а пуля, в свою очередь, будет двигаться по круговой траектории, однако ее траектория будет отличаться от траектории оружия/стрелявшего. Например, скорость пути Международной Космической Станции (МКС) приблизительно составляет 17000 миль в час, что равно 7600 м/с. Начальная скорость пули колеблется от 120 м/с до 1200 м/с в зависимости от вида оружия, и поэтому круговая траектория пули будет непохожа на таковую астронавта, который выстрелил. В общем, выстрел в прямом направлении орбиты приведет к более вытянутой орбите, которая всегда будет оставаться на уровне или выше орбиты МКС. Если огонь открыт в противоположном направлении, в конечном итоге пуля может погрузиться в атмосферу и сойти с орбиты.

Нет никакой нужды стрелять из оружия, чтобы проверить, работает он или нет. Разница между массой пули и массой оружия плюс человека, который держит оружие, указывают на то, что пуля получает практически всю кинетическую энергию при выстреле, даже если они оба получают одинаковый импульс. Тем не менее, если предположить, что астронавт перемещается в космосе свободно, и линия дула не указывает на центр массы ствола + астронавта, выстрел из огнестрельного оружия передаст астронавту небольшой угловой импульс.

Для более точных подсчётов можно привести в пример карабин М4, который имеет начальную скорость пули 910 м/с. Оружие весит 3.4 кг, а пуля весит 4 г. Космический костюм МКС весит около 124 кг, и если предположить, что астронавт весит 70 кг, тогда масса оружия, астронавта и космического костюма составляет около 197 кг. Если начальная скорость пули 910 м/с, то импульс пули составит 3.6 Нс (4 г * 910 м/с). Если астронавт + оружие имеют одинаковый импульс,  то пуля сместится на 18 мм/с (4 г * 910 м/с /197 кг). Тогда у астронавта будет очень маленькая скорость. Кинетическая энергия пули составит 1656 Дж (смотрите 4 г * (910 м/с)^2/2), в то время как астронавт + оружие будут иметь кинетическую энергию, равную 0.02 Дж (122 кг * (18 мм/с)^2/2). Таким образом, как я уже говорил, всю кинетическую энергию получает пуля. В худшем случае, если пуля пролетит около головы астронавта, то он будет вращаться в пространстве каждые три минуты, что может легко контролироваться вспомогательным двигателем, используемым астронавтом для передвижения.

Охлаждение является единственной проблемой при многочисленных выстрелах. Охлаждение в космосе будет радиационным, но никак не конвекционным, поэтому оружие может перегреться. Я доверяю смазке, которая используется для огнестрельного оружия и испаряется очень медленно. Поэтому я сомневаюсь, что смазка высохнет гораздо быстрее, чем на Земле.

**************

Детали и подробности по данной Теме (Типичные Заблуждения /с точки зрения физики и физиологии/ авторов и читателей космофантастики и научной фантастики)  можно посмотреть и обсудить в систематизированном блоге-обсуждалке на АТ: "Космобродилка" (https://author.today/post/138500 ) - специализированный, постоянно действующий междусобойчик-флудилка для Авторов АТ, пишущих в жанрах Космической Научной Фантастики и Твердой НФ.