تفنگ فضایی

تفنگ فضایی (انگلیسی: Space gun)، که گاهی به آن تفنگ وِرن (انگلیسی: Verne gun) نیز گفته می‌شود، یک روش نظری برای پرتاب یک جسم به فضا با استفاده از یک ساختار بزرگ شبیه به تفنگ یا توپ است؛ بنابراین، تفنگ‌های فضایی می‌توانند به‌طور بالقوه روشی برای پرتاب فضایی غیرموشکی فراهم کنند. این گمانه‌زنی وجود دارد که تفنگ‌های فضایی می‌توانند ماهواره‌ها را در مدار زمین قرار دهند (اگرچه برای رسیدن به یک مدار پایدار، پیشرانش ماهواره پس از پرتاب ضروری خواهد بود) و همچنین می‌توانند فضاپیماها را با عبور از سرعت گریز زمین که حدود ۱۱٫۲۰ کیلومتر بر ثانیه (۴۰٬۳۲۰ کیلومتر بر ساعت؛ ۲۵٬۰۵۰ مایل بر ساعت) است، به فراتر از کشش گرانشی زمین و به سایر بخش‌های منظومه شمسی پرتاب کنند. با این حال، این سرعت‌ها برای اکثر سیستم‌های پیشرانش عملی بیش از حد در محدوده ابرصوتی (Hypersonic) قرار دارند و همچنین باعث می‌شوند بیشتر اجسام به دلیل گرمایش آیرودینامیکی بسوزند یا توسط نیروی پسار از هم بپاشند؛ بنابراین، یک کاربرد محتمل‌تر در آینده برای تفنگ‌های فضایی، پرتاب اجسام به مدار پایینی زمین (Low Earth orbit) خواهد بود، که در آن نقطه می‌توان موشک‌های متصل به آن‌ها را روشن کرد یا اجسام توسط ماهواره‌های مداری قابل مانور «جمع‌آوری» شوند.

در پروژه هارپ (Project HARP)، یک پروژه دفاعی مشترک بین ایالات متحده و کانادا در دهه ۱۹۶۰، یک تفنگ ۴۱۰ میلیمتر (۱۶ اینچ) با طول ۱۰۰ کالیبر متعلق به نیروی دریایی ایالات متحده برای شلیک یک پرتابه ۱۸۰ کیلوگرم (۴۰۰ پوند) با سرعت ۳٬۶۰۰ متر بر ثانیه (۱۲٬۹۶۰ کیلومتر بر ساعت؛ ۸٬۰۵۰ مایل بر ساعت) استفاده شد که به اوج ۱۸۰ کیلومتر (۱۱۰ مایل) رسید و در نتیجه یک پرواز زیرمداری انجام داد. با این حال، یک تفنگ فضایی هرگز با موفقیت برای پرتاب یک جسم به مدار یا خارج از کشش گرانشی زمین استفاده نشده است.

مسائل فنی

نیروی جی بالایی که احتمالاً توسط یک پرتابه بالستیک پرتاب‌شده به این روش تجربه می‌شود، به این معناست که یک تفنگ فضایی قادر به پرتاب ایمن انسان یا ابزارهای ظریف نخواهد بود و در عوض به بار، سوخت یا ماهواره‌های مقاوم‌سازی‌شده محدود می‌شود.

رسیدن به مدار

یک تفنگ فضایی به خودی خود قادر به قرار دادن اجسام در یک مدار پایدار به دور جرمی (سیاره یا غیره) که از آن پرتاب شده‌اند، نیست. مسیر حرکت یک مدار سهموی، یک مدار هذلولی یا بخشی از یک مدار بیضوی است که در نقطه پرتاب یا نقطه‌ای دیگر به سطح سیاره ختم می‌شود. این بدان معناست که یک محموله بالستیک اصلاح‌نشده، همیشه در اولین گردش خود به سیاره برخورد خواهد کرد، مگر اینکه سرعت آن به اندازه‌ای بالا باشد که به سرعت گریز برسد یا از آن فراتر رود. در نتیجه، تمام محموله‌هایی که برای رسیدن به یک مدار بسته در نظر گرفته شده‌اند، حداقل نیاز به انجام نوعی اصلاح مسیر دارند تا مدار دیگری ایجاد کنند که با سطح سیاره تلاقی نداشته باشد. یک موشک می‌تواند برای تقویت بیشتر استفاده شود، همان‌طور که در هر دو پروژه پروژه هارپ و پروژه Quicklaunch برنامه‌ریزی شده بود. اندازه چنین اصلاحی ممکن است کوچک باشد؛ به عنوان مثال، طرح مرجع StarTram نسل ۱ شامل مجموعاً ۰٫۶ کیلومتر بر ثانیه (۱٬۳۰۰ مایل بر ساعت) احتراق موشک برای بالا بردن حضیض به خوبی بالای جو هنگام ورود به یک مدار پایینی زمین با سرعت ۸ کیلومتر بر ثانیه (۱۸٬۰۰۰ مایل بر ساعت) است.^[۱]

در یک سیستم سه جسمی (مسئله سه جسم در سیستم‌های گرانشی) یا بزرگ‌تر، یک مسیر کمک گرانشی ممکن است در دسترس باشد، به طوری که یک پرتابه با سرعت گریز که به دقت هدف‌گیری شده، مسیرش توسط میدان‌های گرانشی اجرام دیگر در سیستم تغییر کند و در نهایت با استفاده تنها از دلتا-وی پرتاب، به مدار سیاره اولیه بازگردد.^[۲]^[۳]

آیزاک نیوتون در آزمایش فکری خود با قرار دادن توپ خیالی‌اش بر بالای یک کوه بسیار بلند و فرض مقاومت هوای ناچیز، از این ایراد جلوگیری کرد. اگر پرتابه در یک مدار پایدار قرار گیرد، به دور سیاره خواهد چرخید و پس از یک گردش به ارتفاع پرتاب بازمی‌گردد.^[۴]

شتاب

برای یک تفنگ فضایی با لوله تفنگ به طول (l) و سرعت مورد نیاز (Ve)، شتاب (a) از فرمول زیر به دست می‌آید:

a={\frac {v_{e}^{2}}{2l}}

به عنوان مثال، با یک تفنگ فضایی با «لوله تفنگ» عمودی که از پوسته زمین و تروپوسفر عبور می‌کند و مجموعاً طولی حدود ۶۰ کیلومتر (۳۷ مایل) (l) دارد و سرعتی (Ve) کافی برای فرار از گرانش زمین (سرعت گریز که روی زمین حدود ۱۱٫۲ کیلومتر بر ثانیه یا ۲۵٬۰۰۰ مایل بر ساعت است)، شتاب (a) به‌طور نظری بیش از ۱٬۰۰۰ متر بر مجذور ثانیه (۳٬۳۰۰ فوت بر مجذور ثانیه) خواهد بود که بیش از ۱۰۰ نیروی جی (g) است. این مقدار حدود ۳ برابر تحمل انسان در برابر نیروی جی است که حداکثر بین ۲۰ تا ۳۵ جی^[۵] در طول تقریباً ۱۰ ثانیه‌ای که چنین شلیکی طول می‌کشد، می‌باشد. این محاسبه، کاهش سرعت گریز در ارتفاعات بالاتر را در نظر نمی‌گیرد.

تلاش‌های عملی

پروژه هارپ، یک نمونه اولیه از تفنگ فضایی.

توپ V3 (۱۹۴۴–۴۵)

برنامه توپ وی-۳ آلمان در طول جنگ جهانی دوم، تلاشی برای ساختن چیزی نزدیک به یک تفنگ فضایی بود. این توپ که در منطقه پا-دو-کاله در فرانسه مستقر بود، برنامه‌ریزی شده بود که ویرانگرتر از دیگر سلاح‌های انتقامی نازی باشد. این توپ قادر به پرتاب گلوله‌های ۱۴۰ کیلوگرم (۳۱۰ پوند) با قطر ۱۵ سانتیمتر (۵٫۹ اینچ) به مسافت ۸۸ کیلومتر (۵۵ مایل) بود. این تأسیسات در ژوئیه ۱۹۴۴ توسط بمباران نیروی هوایی سلطنتی با استفاده از بمب‌های تالبوی بمب سنگرشکن نابود شد.^[۶]

پروژه تحقیقاتی ارتفاع بسیار بالا (۱۹۸۵–۱۹۹۵)

برنامه دفاع موشکی بالستیک ایالات متحده در دهه ۱۹۸۰، حامی پروژه تحقیقاتی ارتفاع بسیار بالا (SHARP) بود. این پروژه که در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور توسعه یافت، یک تفنگ گازی سبک است و برای شلیک آزمایشی اجسام با سرعت ماخ ۹ استفاده شده است.

پروژه بابل (۱۹۸۸–۱۹۹۰)

برجسته‌ترین تلاش اخیر برای ساخت یک تفنگ فضایی، پروژه بابل مهندس توپخانه، جرالد بول، بود که در رسانه‌ها به عنوان «ابرتوپ عراقی» (Iraqi supergun) نیز شناخته می‌شد. در طول پروژه بابل، بول از تجربیات خود در پروژه هارپ برای ساخت یک توپ عظیم برای صدام حسین، رهبر عراق بعثی، استفاده کرد. بول پیش از تکمیل پروژه ترور شد.^[۷]

راه‌انداز سریع (Quicklaunch) (۱۹۹۶–۲۰۱۶)

پس از لغو پروژه SHARP، توسعه‌دهنده اصلی آن، جان هانتر، شرکت Jules Verne Launcher را در سال ۱۹۹۶ و سپس شرکت Quicklaunch را تأسیس کرد. تا سپتامبر ۲۰۱۲، شرکت Quicklaunch در تلاش بود تا ۵۰۰ میلیون دلار سرمایه جمع‌آوری کند تا تفنگی بسازد که بتواند یک انبار پیشران را سوخت‌گیری کند یا مواد فله‌ای را به فضا بفرستد.^[۸]^[۹]^[۱۰]

شتاب‌دهنده‌های رم (Ram accelerator) نیز به عنوان جایگزینی برای تفنگ‌های گازی سبک پیشنهاد شده‌اند. پیشنهادهای دیگر از تکنیک‌های الکترومغناطیسی برای شتاب دادن به محموله استفاده می‌کنند، مانند کویل‌گان‌ها و ریل‌گان‌ها.

در داستان

شلیک یک تفنگ فضایی در رمان *از زمین به ماه* اثر ژول ورن

اولین انتشار این مفهوم ممکن است توپ نیوتون در کتاب رساله‌ای بر سامانه جهان او در سال ۱۷۲۸ باشد، اگرچه این مفهوم عمدتاً به عنوان یک آزمایش فکری در مورد گرانش به کار رفته بود.^[۱۱]

شاید مشهورترین تصویرسازی‌ها از یک تفنگ فضایی در رمان ۱۸۶۵ ژول ورن به نام از زمین به ماه و رمان ۱۸۶۹ او دور ماه ظاهر شده باشد (که به‌طور آزاد در فیلم ۱۹۰۲ سفر به ماه اقتباس شد)، که در آن فضانوردان با سفینه‌ای که از یک توپ پرتاب می‌شود، به ماه پرواز می‌کنند. نمونه مشهور دیگر توسط مریخی‌ها برای آغاز تهاجم خود در کتاب ۱۸۹۷ اچ. جی. ولز به نام جنگ دنیاها استفاده می‌شود. ولز همچنین از این مفهوم در نقطه اوج فیلم ۱۹۳۶ چیزهای آینده استفاده کرد. در یکی از اولین رمان‌های علمی-تخیلی لهستانی، در کره نقره‌ای اثر آندژی ژووافسکی که در سال ۱۹۰۳ منتشر شد، فضانوردان با استفاده از یک تفنگ فضایی به ماه پرتاب می‌شوند. این وسیله تا سال ۱۹۶۷ در فیلم‌هایی مانند موشک ژول ورن به ماه نیز به نمایش درآمد. در بازی ویدیویی ۱۹۹۱ Ultima: Worlds of Adventure 2: Martian Dreams، پرسیوال لوول یک تفنگ فضایی می‌سازد تا یک فضاپیما را به مریخ بفرستد.

بازی ویدیویی ۱۹۹۲ امپراتوری فولاد، که یک بازی شوتم آپ با زیبایی‌شناسی استیم‌پانک است، در مرحله هفتم خود یک تفنگ فضایی را به نمایش می‌گذارد که توسط شخصیت شرور اصلی، ژنرال استایرون، برای پرتاب خود به ماه استفاده می‌شود.

در رمان ۲۰۱۲ هانو راجانیمی به نام شاهزاده فراکتال، یک تفنگ فضایی در «جنت‌المدفع» (Jannah-of-the-cannon) که با یک بمب هسته‌ای ۱۵۰ کیلوتنی کار می‌کند، برای پرتاب یک فضاپیما از زمین استفاده می‌شود.

بازی ویدیویی ۲۰۱۵ سوما یک تفنگ فضایی را نشان می‌دهد که برای پرتاب ماهواره‌ها به کار می‌رود.

ترور جرالد بول و توپ پروژه بابل، نقطه شروع رمان ۱۹۹۴ فردریک فورسایت به نام مشت خدا نیز بودند. در رمان کوتاه ۲۰۰۱ و رمان ۲۰۱۵ لری باند به نام Lash-Up، چین از یک تفنگ فضایی برای نابود کردن ماهواره‌های جی‌پی‌اس آمریکایی استفاده می‌کند.

در بازی نقش‌آفرینی ۲۰۰۴ Paper Mario: The Thousand-Year Door، روستایی از باب-امب‌ها یک تفنگ فضایی را اداره می‌کنند تا پیپر ماریو و همراهانش را به پایگاه اکس-نات‌ها در ماه بفرستند.

جرالد بول و پروژه بابل، بخش جدایی‌ناپذیری از داستان رمان ۲۰۱۵ لوئیز پنی به نام The Nature of the Beast هستند.

جستارهای وابسته

مدار زمین‌ایستا: مدار دایره‌ای در ارتفاع ۳۵٬۷۸۶ کیلومتر (۲۲٬۲۳۶ مایل) بالای زمین که توسط ماهواره‌های مخابراتی استفاده می‌شود.
آسانسور فضایی
حلقه پرتاب

پیوند به بیرون

منابع

↑ "StarTram2010: Maglev Launch: Ultra Low Cost Ultra High Volume Access to Space for Cargo and Humans". startram.com. Retrieved April 28, 2011.
↑ Clarke, Victor C. Jr. (1970-04-10), An Essay On the Application and Principle of Gravity-Assist Trajectories For Space Flight (PDF), Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, p. 7, archived from the original (PDF) on 2016-04-18, retrieved 2013-08-13, By induction then, it is obvious that the process of diverting a spacecraft from one planet to another might be continued indefinitely, if the planets were in favorable positions.
↑ Minovitch, Michael (August 23, 1961), A Method For Determining Interplanetary Free-Fall Reconnaissance Trajectories (PDF), Jet Propulsion Laboratory Technical Memos, pp. 38–44
↑ Newton, Isaac (1728). A Treatise of the System of the World. F. Fayram. pp. 6–12.
↑ "David Purley Bio". Anton Sukup's Autographs of F1 Drivers. Retrieved July 31, 2006. Purley was subjected to the highest G-forces ever survived by a human being - 179.8G - when the car went from 108mph to zero in just over half a meter
↑ RAF staff (6 April 2005). "RAF History - Bomber Command 60th Anniversary". Bomber Command: Campaign Diary. RAF. Archived from the original on 6 July 2007. Retrieved 23 October 2013.
↑ Lowther, William (1991). Arms and the Man: Dr. Gerald Bull, Iraq, and the Supergun. Presidio Press. ISBN 978-0-89141-438-4.
↑ "Quicklaunch Affordable Space Access". TekLaunch Inc. Archived from the original on 2011-07-24.{{cite web}}: نگهداری یادکرد:پیوند نامناسب (link)
↑ "Jules Verne Launcher Company Concept". astronautix.com. Archived from the original on August 27, 2002. Retrieved November 11, 2011.
↑ Elahi, Amina (January 15, 2010). "A Cannon for Shooting Supplies into Space". Popular Science. Retrieved November 11, 2011.
↑ Greg Goebel (1 November 2019). "[4.0] Space Guns". Spaceflight Propulsion (v1.4.0 ed.).

[1] "StarTram2010: Maglev Launch: Ultra Low Cost Ultra High Volume Access to Space for Cargo and Humans". startram.com. Retrieved April 28, 2011.

[2] Clarke, Victor C. Jr. (1970-04-10), An Essay On the Application and Principle of Gravity-Assist Trajectories For Space Flight (PDF), Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, p. 7, archived from the original (PDF) on 2016-04-18, retrieved 2013-08-13, By induction then, it is obvious that the process of diverting a spacecraft from one planet to another might be continued indefinitely, if the planets were in favorable positions.

[3] Minovitch, Michael (August 23, 1961), A Method For Determining Interplanetary Free-Fall Reconnaissance Trajectories (PDF), Jet Propulsion Laboratory Technical Memos, pp. 38–44

[4] Newton, Isaac (1728). A Treatise of the System of the World. F. Fayram. pp. 6–12.

[Purley-5] "David Purley Bio". Anton Sukup's Autographs of F1 Drivers. Retrieved July 31, 2006. Purley was subjected to the highest G-forces ever survived by a human being - 179.8G - when the car went from 108mph to zero in just over half a meter

[6] RAF staff (6 April 2005). "RAF History - Bomber Command 60th Anniversary". Bomber Command: Campaign Diary. RAF. Archived from the original on 6 July 2007. Retrieved 23 October 2013.

[7] Lowther, William (1991). Arms and the Man: Dr. Gerald Bull, Iraq, and the Supergun. Presidio Press. ISBN 978-0-89141-438-4.

[8] "Quicklaunch Affordable Space Access". TekLaunch Inc. Archived from the original on 2011-07-24.{{cite web}}: نگهداری یادکرد:پیوند نامناسب (link)

[9] "Jules Verne Launcher Company Concept". astronautix.com. Archived from the original on August 27, 2002. Retrieved November 11, 2011.

[10] Elahi, Amina (January 15, 2010). "A Cannon for Shooting Supplies into Space". Popular Science. Retrieved November 11, 2011.

[11] Greg Goebel (1 November 2019). "[4.0] Space Guns". Spaceflight Propulsion (v1.4.0 ed.).

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]

[۹]

[۱۰]

[۱۱]