伝説の宇宙兵器はどれほど強力でしょうか?絶対に想像できないよ！

伝説の究極兵器「RODS FROM GOD」は、12 分以内に世界中のあらゆる目標地点を攻撃することができます。その殺傷力は戦術核兵器に匹敵し、地下深くに隠された標的を破壊することさえ可能である。

「神の杖」とは何ですか?研究はどの程度進みましたか?それはまだ概念としてのみ存在しているのでしょうか?その力は本当に伝説通り恐ろしいものなのでしょうか？

戦争の歴史？石投げの歴史！

ロッド オブ ゴッドは宇宙ベースの運動エネルギー兵器です。それを理解するには、運動エネルギー兵器としての「以前の人生」から始めなければなりません。名前が示すように、運動エネルギー兵器は運動エネルギーを使用して物体を破壊する兵器です。高速移動する弾頭が目標物に直接衝突し、巨大な運動エネルギーを放出して目標物を破壊します。

運動エネルギー兵器は人類の歴史において重要な位置を占めています。初期の原始人が獲物を捕らえるために投げた石や投石器から、冷兵器時代の弓矢や投石機、火薬誕生後の銃器に至るまで、すべて運動エネルギー兵器の範疇に入ります。もしトリソラ人が本当に存在するなら、彼らが地球艦隊全体を破壊するために使用した水滴もまた運動エネルギー兵器である。戦争兵器の発達により、実はより速い石やより硬い石を投げる方法が変化しつつあるともいえます。

運動エネルギー兵器の核心は、いかにして巨大な運動エネルギーを「弾頭」に供給するかである。

人間の力で投げられた石の運動エネルギーは約 100 ジュールです。パチンコの運動エネルギーは、振り回すことで加速し、200ジュールに達することがあり、これは石を直接投げる場合の2倍の力です。弓は変形時に蓄えられた弾性位置エネルギーを矢の運動エネルギーに変換することができます。イギリスとフランスの百年戦争で大きな功績を残したイギリスの長弓兵が使用したイギリスの長弓は、矢に最大160ジュールの射撃運動エネルギーを与えることができ、矢じりの設計により摩擦損失を減らすことができるため、その殺傷力はパチンコに劣りません。

芸術作品に描かれたイギリスのロングボウ兵 |画像出典: 「イギリスとフランスの百年戦争中のクレシーの戦い」(詳細)、15 世紀フランスの歴史家フロワサールの彩飾写本からの挿絵、フランス国立図書館所蔵

火薬の出現後、石を投げる方法が進化しました。火薬の爆発エネルギーが弾丸の運動エネルギーに変換され、弾丸を瞬時に秒速400メートルまで加速し、標的に甚大なダメージを与えます。

火薬の誕生は、爆発による殺傷という別の方向への兵器の開発にも影響を与えました。まず化学エネルギーを運動エネルギーに変換し、その後長距離の空気摩擦損失を経て最終的に標的を殺す運動エネルギー兵器と比較して、標的の近くで直接爆発し、巨大なエネルギーを放出する爆発性兵器が、現代の戦争で徐々に優勢になってきました。数百万ジュールのエネルギーを持つ戦車の砲弾が戦場で支配的な力となり、さらに強力な核兵器が大国間のゲームにおける究極の武器となった。

では、運動エネルギー兵器は徐々に歴史から消えていくのでしょうか?あまり。例えば、人類が本当に宇宙に進出し、星間戦争の時代を迎えると、宇宙には媒体がないため、爆発によって殺傷する兵器の威力は大幅に低下するでしょう。現時点では、運動エネルギー兵器が最善の解決策となるかもしれない。結局のところ、宇宙には空気抵抗がないので、運動エネルギー兵器の使用に非常に適しています。
遠い将来は言うまでもなく、運動エネルギー兵器や電磁砲兵器も徐々に開発され、応用されつつあります。火薬の爆発の代わりに電磁力を使用して発射体を加速すると、発射体に高い運動エネルギーを与えることができます。

「石」を加速させるエネルギー源は、人体による仕事、弓の変形による弾性位置エネルギー、火薬の爆発による化学エネルギー、電磁場の電磁エネルギーなど多岐にわたることがわかりますが、運動エネルギー兵器にも使用できる共通のエネルギー、つまり重力位置エネルギーもあります。宇宙ベースの運動エネルギー兵器はここから生まれます。

「ロッド・オブ・ゴッド」の過去と現在

ランド研究所は 1950 年代初頭に、大陸間ミサイルの頂上に長いポールを設置することを提案しました。衛星を使った打ち上げ方法は、SF作家ジェリー・パーネルの作品によって人気を博し、最終的に今日の宇宙ベースの運動エネルギー兵器へと進化しました。

2002 年、ランド研究所は「宇宙兵器、地球戦争」という報告書を作成しました。この報告書には、宇宙ベースの運動エネルギー兵器の実用性を説明する章が 1 つ含まれていました。

2003年、アメリカ空軍は「アメリカ空軍変革飛行計画」と題する報告書を発表し、将来の宇宙兵器の概要の中で「神の杖」としても知られる「超高速ロッドバンドル」について言及した。

この報告書では、超高速ロッドバンドルシステムは、長さ 20 フィート (6.1 メートル)、直径 1 フィート (0.30 メートル) のタングステンロッドです。特定の軌道に配置された6～8基の衛星によって制御され、12～15分以内に世界中のあらゆる標的を攻撃することができます。このタングステン棒の質量は約8.2トンで、発射後マッハ10（音速の10倍、秒速3400メートル）の速度で標的に命中することができます。瞬間的にTNT火薬11.5トン（48GJ）に相当するエネルギーが放出され、同じ重さの通常の爆弾と同等の破壊力を発揮します。

宇宙兵器配備のための衛星軌道 |画像出典: 参考文献 3

宇宙兵器が世間の注目を集めるようになったのは、一連の映画やテレビの娯楽作品に登場したことや、「神の審判」のような衝撃的なパフォーマンスによるものだった。

ジェリー・パーネルは、SF小説『フットフォール』の中で宇宙兵器の存在を描写しており、その小説の中では、ソーのようなパフォーマンスが見られる。

フットフォール |画像出典: 参考文献 3

宇宙ベースの運動エネルギー兵器は機動戦士ガンダムシリーズにも登場しますが、衛星全体が運動エネルギー兵器として使用されます。

2011年に公開された『G.I.ジョー リタリエーション』では、精巧な特殊効果を駆使して、観客に天文学的エネルギー兵器の驚異的な威力を見せつけた。タングステン棒一本だけでも、ロンドン全体を破壊するほどの強力な地震を引き起こす可能性があります。

宇宙ベースの運動エネルギー兵器の発射シーン |画像出典:『G.I.ジョー: リタリエーション』のスチール写真

さまざまな映画やテレビ番組に加えて、宇宙ベースの運動エネルギー兵器は常にさまざまなゲームにおける究極の武器の候補として人気を博してきました。 「コール オブ デューティ ゴースト」の冒頭は、衛星上の宇宙兵器の制御をめぐる闘争を中心に展開します。結局、テロリストはアメリカ本土に向けてタングステン棒を発射し、都市を完全に破壊した。

宇宙兵器オーディン |画像出典: 「コール オブ デューティ ゴースト」の静止画

さらに、「シンジケートウォーズ」「マスエフェクト2」「Halo」「GTA5」といった一連のゲームにも宇宙ベースの兵器が登場し、いずれも強力な最終兵器として設定されている。

読者の中には、これまでの宇宙兵器に関する説明はすべて、さまざまな映画やテレビの設定や理論的な予測であったことに気づいた人もいるかもしれません。宇宙兵器の威力はどの程度ですか？実験による検証は行われましたか？

宇宙兵器はどれほど強力ですか?

2018年、中国の研究チームは「超高速長棒弾の岩石貫通と地面衝突効果に関する理論的および実験的研究」と題する論文を発表し、宇宙配備兵器が地上に与える影響を詳細にシミュレートし、タングステン棒が地面に衝突した実際の戦闘結果を説明した。

低速の場合とは異なり、超高速の長棒状弾が地面に衝突した場合、もはや剛体衝突とはみなされず、速度に応じて剛体貫通、半流体貫通、流体貫通の3つのモードに分けられます。

1. 発射体の速度 v ≥ 3.0 マッハ (1 マッハ = 音速の 1 倍) の場合、流体の浸透が発生し、浸透プロセスを計算するために流体力学モデルが必要になります。ベルヌーイ方程式と連続方程式は次のとおりです。

ここで、v∞は後方ジェットの速度限界、K0は破砕媒体ジェットの圧縮ジェット係数であり、媒体の後方噴射プロセス中の例示速度の変化を特徴付けます。

2. 発射体の速度がマッハ 1.5 < v < マッハ 3.0 の範囲にある場合、半流体の浸透が発生し、媒体は内部摩擦から流体状態への遷移領域にあります。修正された流体力学モデルがシミュレーションに使用されます。

3. 発射体の速度v≤1.5マッハの場合、剛体の貫通が発生し、線形弾性内部摩擦圧縮モデルによって岩石媒体の動的変形をシミュレートできます。

宇宙ベースの運動エネルギー兵器の衝突速度は、一般的にマッハ10以上です。上記の分析から、発射体が岩石を貫通するにつれて、発射体は徐々に減速し、貫通モードが流体貫通から半流体貫通、そして剛体貫通へと変化することがわかります。そのため、クレーターの範囲を計算する際には、下図のようにクレーターを3つのエリアに分けて個別に計算することができます。

超高速弾の貫通を実証する際のクレーター範囲の計算の簡略図。内側から外側にかけては擬似流体領域があり、ここでは破砕された岩石は非粘性、非圧縮性の理想的な流体とみなすことができます。粒子の変位が非常に小さい亀裂領域。そして弾性帯では、岩石の初期の物理的および機械的特性が依然として保持されています。画像出典: 参考文献 6

もちろん、解析のためのモデルを提供するだけでなく、実際の検証データに基づいた解析も行いました。

原文 |画像出典: 参考文献 6

つまり、中国は地上を攻撃するための宇宙配備型運動エネルギー兵器の試作実験を行ったことになる。実験の結果、140kgのタングステン棒では深さ3.0m、直径4.6mの放物線状のクレーターしか作れないことが判明した。

ゴビ砂漠におけるタングステン棒衝突実験によるピット形成結果の模式図 |画像出典: 参考文献 6

この破壊力は、確かに都市を破壊するには程遠いものです。実際に使用するには、弾丸の品質を大幅に改善する必要があるようです。品質が向上した後に輸送コストや難易度をどうコントロールするかは別の問題です。

高いところから物を投げることの難しさ

重力による位置エネルギーと運動エネルギーの変換を利用して、高度を上げることでより大きな運動エネルギーを得ることができるでしょうか？

地球上では、高高度から投げられた物体を扱うときは常に、空気抵抗の影響を考慮する必要があります。空気抵抗を受ける一般的な球形の物体を考えてみましょう。

ここで、C は抗力係数、ρ は空気密度、v は物体の速度です。物体の速度が増加すると、物体が受ける空気抵抗の大きさは、物体の重力の大きさに達するまで放物線状に急速に増加することがわかります。このとき、重力と空気抵抗がバランスし、物体の速度はそれ以上増加しなくなります。
そのため、高高度から落下する物体には終端速度があり、例えば雨滴の速度は 8～9m/s になります。 （ですから、高いところから落ちてきた水滴で死んでしまうのではないかと心配する必要はありません。）

同様に、宇宙ベースの運動エネルギー兵器の場合、空気抵抗によって速度の増加が制限されます。シミュレーション計算によると、空気抵抗を考慮しない場合、「神の杖」運動エネルギー弾の進入速度は8221.3m/sに達し、空気抵抗を考慮した場合の2倍以上になります。これは、空気抵抗がない場合、発射体の運動エネルギーが元の 4 倍以上に達する可能性があることを意味します。

おそらく、人類が本当に宇宙に進出したときにのみ、さまざまな SF 作品で示されているように、運動エネルギー兵器がその真の力を発揮できるようになるでしょう。

参考文献

[1]神からの杖 |ポピュラーサイエンス (popsci.com)

[2] 中国、驚異的な威力を持つ宇宙ベースの運動エネルギー兵器の打ち上げに成功 - 知乎（zhihu.com）

[3]運動エネルギー爆撃 - Wikipedia

[4] 数万年にわたる発展を経て、人類は「運動エネルギー兵器」への執着から脱却する準備ができているのでしょうか？ - 知乎（zhihu.com）

[5] APFSDSに関するポピュラーサイエンス（I）長棒弾の高速貫通の基本概念とアレクセーエフスキー・テイトモデル - ビリビリ（bilibili.com）

[6] Wang Mingyang、Qiu Yanyu、Li Jie、他。超高速長棒弾の岩石に対する貫通力と地面衝突効果に関する理論的および実験的研究[J]。中国岩石力学工学ジャーナル、2018年、37(3):9。 DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2017.1348。

[7] 李徴宇宙配備型運動エネルギー兵器「神の杖」のダメージ効果の評価[J]。振動と衝撃、2016、(18):159-164、180。

企画・制作

出典：中国科学院物理研究所

編集者：鍾延平