问题

枪在外太空能使用吗?

回答
这个问题很有意思,也确实触及了一些科学原理。简单来说,枪在外太空当然是能使用的,但它表现出来的效果以及我们能想到的使用场景,会和在地球上大相径庭。

首先,我们得从子弹的发射原理说起。一把枪,无论是在地球上还是在太空中,其核心工作原理都是一致的:利用火药燃烧产生的气体膨胀,瞬间推动子弹离开枪膛。这个过程,说到底是一种化学反应和物理过程的结合。火药在燃烧时会产生大量的高温气体,这些气体在密闭的枪膛内迅速膨胀,压力急剧升高。根据牛顿第三定律,作用力与反作用力是相等的,当膨胀的气体猛烈地将子弹推向前方的同时,它们也会产生一个大小相等、方向相反的推力作用在枪上,这就是后坐力。

那么,在没有空气的太空环境下,这个过程会受到什么影响呢?最关键的一点是:后坐力依然存在。火药燃烧产生气体推动子弹,这个过程不需要空气作为介质。气体膨胀的力作用在子弹上,自然也就会在枪上产生反作用力。所以,当你在太空中扣动扳机时,子弹会以极高的速度飞出去,而枪也会向相反的方向“退”一下。

但这“退”一下,和在地球上感受到的后坐力,在体验上是截然不同的。因为在太空,你和枪都是处于失重状态,没有任何支撑力把你固定在地面上。当你开枪时,子弹飞走,枪会因为后坐力向后运动。由于没有重力也没有空气阻力来“拉住”你或者枪,你会感觉到一股推力,让你和枪一起向后飘去。而且,一旦开始运动,除非遇到外力,否则你会以恒定的速度继续运动下去,直到撞上什么东西或者你主动采取措施停止。

再来说说子弹本身。子弹在太空中飞行,也没有了空气阻力。在地球上,子弹在空中飞行时会受到空气的摩擦和压力的影响,导致速度逐渐减慢,飞行轨迹也会受到空气动力学的影响而弯曲(例如仰角射击,弹道是抛物线)。但在太空,没有空气,子弹一旦离开枪口,就会按照牛顿第一定律,保持其速度和方向,在引力(如果有的话,比如围绕地球飞行时)的作用下沿着轨道飞行,或者在没有引力的情况下直线飞行,直到撞上目标或者被其他引力场捕获。

这意味着什么呢?如果你瞄准一个静止的目标开枪,而你和目标都没有相对运动,子弹会笔直地飞向目标。但如果你和目标都在移动,那么瞄准就需要非常精确地考虑到你们各自的运动轨迹。更重要的是,子弹一旦射出,它就会一直飞下去,除非遇到阻碍。在地球上,子弹最终会因为重力落地,或者因为速度减慢而停止。在太空中,如果它没有命中目标,它可能会在宇宙空间中永远地飞行下去,直到遇到其他天体或者被其他引力捕获。

所以,从技术上讲,枪在太空是能用的。你可以射击,子弹会飞出去。但是,很多我们在地球上习以为常的射击场景和效果,在太空都将不复存在。比如,你可能无法像在地球上那样稳定地持枪,后坐力会让你的身体和枪一起不受控制地漂移。而如果你试图用枪来“击退”敌人,那么你和敌人都会因为后坐力而各自远离,这可能是一种双方都不太希望看到的“逃离”。

想象一下,你穿着厚重的宇航服,在空间站的外侧进行维修。突然,有个讨厌的小行星碎片朝你飞来,你掏出了一把“特制”的手枪(当然,这只是个假设)。你瞄准,扣动扳机,子弹“咻”地一声飞了出去。与此同时,由于没有支撑,你感觉一股力量推着你和枪向后飘去。如果你没有抓稳,你可能会开始在太空中打转。而那颗小行星碎片,一旦被子弹击中,它改变的不仅仅是方向,更可能因为撞击而碎裂,这些碎片又会变成新的危险。

总而言之,枪在太空能用,但它更多的是一种遵循物理定律的发射装置,而那些我们在电影里看到的,比如火焰在真空中燃烧得更旺,或者子弹飞行轨迹更“炫酷”的画面,更多的是艺术创作的夸张。实际的物理原理,是基于化学反应和惯性,它们在真空中一样有效,只是我们感受到的“运动”和“结果”会截然不同。

网友意见

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还没看就想问:“没有氧气子弹怎么打火?“的朋友,请控制一下你提问的冲动,可能你还没有看我的答案,可能你看完了没注意,可能是我没有标红加粗打下划线服务不到位。所以我调整下放到最前面。

发射药燃烧需要氧化剂,但氧化剂不是只有氧气。现代枪械弹药本身就是密封封装的,本来就不接触空气,其发射药含有氧化剂,不需要氧气。

--------------------二更--------------

我的结论还是:我们目前使用的轻武器,如果不经专门改装,在太空中短时间可以正常使用,长时间使用会有问题。

————————更在前——————

哈哈,有评论问我学识不够在这里瞎科普是不是很好玩——确实不好玩,而且这样做确实不对。但是真正掌握相关技术的工程师,真的会来耐心回答我们这个无聊的问题吗?(礼貌的营业性微笑)

我也是因为最近在瞎做太空轻武器的设定,所以对真正的太空武器会有什么样的需求也稍微做了一些考量,希望能把相关的要素加入到设定中去。最早这里的答案是按照我自己想到的一些点来回答的,有很多遗漏的地方,后来根据评论中一些很有道理的批评,再查阅了一些相关内容,进行了修正。但是到后来我自己也觉得应该把一些像冷焊这样的漏掉的点再进一步确定一下。虽然我的原始答案欠缺不少,但是通过按照各位评论的方向继续整理,如果能够得到一个更加完善的结果,我个人觉得也是个不错的结局。

所以尽管我已经有了我自认为还比较确定的答案,我还是找了更懂行的大佬请教了一下,得到一个更能说服我自己的答案再来装逼。为此我打扰了轻武器专业在读研究生和航天企业在职的工程师两位党国精英的午休时间,对评论区着重提到的几个问题确认了一下。

——————————割————————

  1. 冷焊问题:

冷焊是我开始时完全没有考虑到的问题。在经过一番学习之后,我认为它并不影响我的原结论,但是确实是我的一个重大缺失和知识盲点,特此进行补充讨论。

按照航天企业大佬的说法:冷焊只是航天设备面临的问题中一个很小的问题,实际上工件故障本身就相对来说不是主要问题,更常见的还是电子设备故障。

不少评论提到了冷焊问题,似乎严重到瞬间就能把整支枪变成一块废铁。但是冷焊的形成条件是很苛刻的,并不是说两块材料并在一起,在真空中就分分钟因为粒子扩散黏在一起——特别是界面压力如果不够的话。发生冷焊需要光洁的表面,在一定压力下,经过一段时间才会发生。而采用镀膜涂层处理接触表面就能够有效阻止冷焊现象的发生。例如:“海盗号”火星登陆器上的某轴承,承载为2100MPa,未镀膜,运行近5分钟,发生了冷焊粘连的故障。

首先,现代枪械的枪机等活动部件以及机匣,基本都要采用涂层技术对表面进行保护,比如qpq盐浴,以及一些竞技枪械采用的土豪金色氮化钛枪管涂层,对活动部件的涂层保护可以做到相当到位。如果我们只是考虑现代枪械能够做到的水平,而不仅限于目前现成的枪支型号的话,全身氮化钛涂层的枪也是可以的,因为这项技术本身是现在枪械在实际使用中就在应用的,所以算不上是针对太空条件的专门改装。而且海盗号的轴承承载的压力2100MPa是什么概念呢?膛压大约是轻武器部件需要经常承受的最大压力,7.62x51mm弹或.308win是目前欧美各国军警最常用的狙击步枪和精确射手步枪弹药之一,算是常用弹药里面动能比较可观的了。发射时膛压一般不超过500MPa,而且承压时间也仅为1/1000秒左右。远远达不到海盗号轴承事故条件的级别。而其它部件之间的接触面的压力,因为没有了重力,在静止状态下最大的大概就是因为被复进簧顶着,机头和闭锁节套顶着的力了。同样,很多人举例的伽利略号探测器主伞未打开的故障,是在旅行了三年之后,(后面划重点)在“覆盖在几根骨架上的润滑物质和氧化层在摩擦的作用下被过早地磨损掉”的情况下,才发生冷焊的。如果氧化层和润滑物质完好,就不会发生。

采用氮化钛涂层土豪金枪管的Glock、SW M&P和春田XDM手枪


2. 热辐射

这个是不少评论中提到的核心问题。我在最早的回答中主观上认为热辐射的效率太低,在太空中缺少导热介质而造成散热问题是主要因素,没有更进一步考虑这个问题,但是看来很多评论觉得我这么做还是很草率的。事后的结果虽然证明我的结论不变,但是我还是发现我对热辐射确实认识不足。

我因为看了不少解释,对热辐射的定义都是说其只与辐射物体的温度的四次方有关,还反问一位评论的朋友他真的确定温差越大辐射效率越大吗。实际上确实还是很温差有关,只是远没有大到影响我的结论的程度。在热传递和热对流中,热是由高温物质向低温物质传递的。而热辐射,只要高于0K的物质都会发出热辐射,而受到辐射的物质也会吸收辐射。所以在进行计算总的热辐射功率时,还需要减掉高温枪管从环境吸收的那部分。也就是(balahbalah一堆系数)*(T^4-Te^4),其中T是物体温度,Te是环境温度。不是我臆想的公式,大佬给的公式就这么写的,我只是把系数省略了,方便理解。

举一个例子来进行辅助计算,有个测试是M249连续射击700发,烧熔了消音器。

该消音器是SilencerCo的SWR消音器,铝制外壳,由于M249本身的材料、设计,特别是开膛待机的设计,枪管已经炽红的情况下,仍然没有发生故障,(虽然管子肯定是废了),但是消音器已经不行了。铝的熔点是660摄氏度,也就是933K,室温Te1取个整,27摄氏度,也就是约300K,宇宙背景温度Te0为4K,那么(T^4-Te1^4)和(T^4-Te0^4)有多大差别呢,3.4%。也就是说,从地面到宇宙空间,在同样枪管温度达到600度的情况下,热辐射效率在外太空中仅提高了3.4%。也就是说,如果一支枪在地面上气冷+热辐射两条途径不能起到有效散热的话,那么到外太空里,仅依靠效率提升了3.4%的热辐射散热,肯定还是不够用的。

3.实例分析

实际上其他答案中也提到了前苏联把轰炸机上拆下来的23mm机炮安装在军用侦察空间站Almaz上,并且成功发射,只是因为对空间站整体结构震动太大,后来没有进行广泛应用。但是从Almaz的布置图来看,这门23mm炮可能并没有完全暴露在外太空里,自动机部分还是某种程度上处在壳体保护之下,只是不确定是不是和宇航员活动区域隔离开。对本问题的参考价值存疑。

4.后坐力

有评论指出后坐力会让宇航员乱转导致后面无法正常射击的问题。我觉得这和枪械能用并不相矛盾。枪械的射击功能还是完善的,不能视为不能用。只是需要相应调整使用方法。比如Almaz就是用空间站的推进器来抵消23mm炮后座带来的偏移。即使是单兵轻武器,配合单人的喷气背包,也能比较及时地进行修正,不过应该是需要编写比较复杂的自动控制程序。

——————————————以下是原答案————————————————

从火药的击发和内部结构自动循环方面来说没有问题。因为火药内涵氧化剂,所以击发后火药燃烧并不需要空气中的氧气,就像很多枪械在水下也可以击发,影响其正常使用的主要是进入机匣、枪管或导气组件的水干扰了正常的自动循环。

但是长时间来说,普通枪械在太空中是无法长时间正常使用的,特别是全自动射击。主要是缺少空气作为导热介质。自动武器一直需要解决的一个问题就是过热。长时间自动射击可能造成枪械故障、枪管毁坏,甚至弹膛过热引爆膛内弹药等问题。早期自动武器比如马克沁机枪,必须采用水套设计进行水冷却。后来随着设计、工艺、材料的进步,以及对机枪机动性要求的提升,水冷被淘汰,取而代之的是气冷,比如哈齐开斯机枪,枪管上就设计有大量散热片。如今,自动功能已经普及,自动步枪上似乎已经没有了专门的散热结构,但这是因为自动步枪实际使用中并不以全自动射击为主要的使用方式,其枪管可以耐受短促的自动射击并快速通过与空气换热降温。而专门用于全自动设计的武器,还是要经过特化的设计。通用机枪一般要具有快速更换枪管的功能、班用机枪较自动步枪要采用更厚的枪管以增大热容量、有些还采用开膛待机的方式进一步加快散热、加特林则采用多枪管和旋转的方式减少每根枪管的热量并通过运动加速散热。而不管哪种轻武器换热设计,都是基于一个基本条件----由一种介质,不管是空气还是水,把热量带走。太空里恰恰没有。这就会给散热带来很大的问题。

评论里有朋友说,外太空不是很冷吗,零下200多度,怎么散热还会造成问题?外太空确实温度很低,真空温度应该式接近0K。但是“冷”是一种主观感受,是失去热量造成的,而不是单纯的温度低造成的。而温度是分子热运动剧烈程度的量度,是由物质的多寡和其微观粒子运动的活跃程度共同构成的。而太空温度低的原因是,没有物质。而热的传递三种形式中,热传导和热对流都是需要介质接触带走热量,没有物质也就是没有这两种形式的热传递,无法通过这两个途径散热。

评论区也有很多朋友指出除了热传导和热对流之外,热量也可以通过热辐射的方式散失出去,并不一定需要导热介质,只是考虑到热辐射的效率,我主观上觉得很可能无法满足轻武器的使用需求,可能需要更进一步计算确定,不过总的来说我认为缺少介质进行热传导散热是主要的问题。

如果在太空中进行长时间的连续射击,可以想象枪管升温后,需要相当长时间进行降温,即使是很长间隔的单发射击,也和全自动无异。如果不额外增加冷却装置,其温度会急速升高并导致故障。当然,有其他答主指出如果全自动射击射手就该转的像陀螺一样了,不管怎么说,反正枪打响了(笑)

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