madshepherd

Category:

Заметки о космической фантастике #3. Как летать близко

Итак, вы сумели разорвать оковы тяготения, парите на орбите,  любуетесь космосом... и тут сволочь-капитан врывается в кабину пилота,  орёт на вас трёхэтажным матом и требует немедленно запускать двигатели,  потому что пассажиры, понимаешь, заплатили за круиз по всегалактически  известным садам Альфа Центавры, а до них ещё долететь надо. Что делать?  Только грустно пожать плечами, бросить взгляд на затянутую в облегающий  костюмчик стюардессу и начать полёт.

В фантастике, понятное дело, вы домчите любителей цветочков до места очень быстро. А в реальности?

А реальность... ну вы поняли

Сначала  давайте представим, что всегалактически известные сады Альфа Центавры  расположены на Марсе, и летят наши туристы именно туда. Всё-таки  долететь куда-то в пределах одной звёздной системы несколько проще, чем  отправляться к другому солнцу.

Концептов именно космических  двигателей, т. е. изначально предназначенных для перемещения  в безвоздушном пространстве, на сегодня имеется немало, и, в отличие  от предыдущей главы, тут дела всё-таки обстоят чуть получше: есть  успешно испытанные прототипы, а кое-что даже имеет возможность выбраться  за их пределы. Все эти интересные штуки, однако, не позволят долететь  к Альфа Центавре — но об этом позже.

Почему бы не использовать  старый добрый химический двигатель, раз уж мы на нём взлетели? Тут надо  сделать небольшое отступление в дебри теории. Любой ракетный двигатель  характеризуется таким параметром, как удельный импульс. Честно говоря,  его определение на википедии кажется лично мне на редкость таинственным  для непосвящённого: какое-то там отношение количества движения к расходу  топлива... хотя это характерно для физики. Долой канцеляриты: удельный  импульс — это показатель эффективности ракетного двигателя. Чем он выше,  тем меньше топлива аппарат затратит на увеличение своей скорости.  Замечу, это касается только расхода — и больше ничего.

Традиционные  химические двигатели на всяких нитрометанах и гидразинах очень мощны,  но тратят на разгон очень много топлива. Это приемлемо, если мы хотим  взлететь на орбиту, но для набора скорости вне её — уже не очень. Ракете  попросту не хватит горючего, чтобы достичь высоких скоростей.

Тут-то и приходят на помощь новые разработки.

Электрический двигатель

Как несложно (наверное) догадаться, это такой двигатель, который ускоряет ракету за счёт электроэнергии.

Однако  в космосе это несколько сложнее, чем на земле, где можно поставить  на машину асинхронный электродвигатель и не париться, используя для  разгона сцепление колеса с дорогой, а крутящий момент получая с помощью  вращающегося магнитного поля. В космосе единственным доступным способом  остаётся реактивное движение, таким образом, общий принцип ракетного  электрического двигателя построен на разгоне рабочего тела с помощью  магнитного поля, получая таким образом ускорение.

Обычно в  качестве топлива выступает ксенон: он ионизируется в специальной камере,  после чего положительные ионы газа разгоняются, ускоряя корабль, а  электроны утилизируются. Выглядит это приблизительно вот так:

Классификация  двигателей зависит от того, переходит ли рабочее тело в состояние  плазмы или нет, какое поле используется для разгона и так далее.

Электрические  двигатели бесполезны для подъёма ракеты на орбиту. В перспективе они  смогут достичь тяги в несколько ньютонов — для сравнения, тяга одного  спейс-иксовского «Мерлина» — 730тысяч ньютонов, а один Falcon 9  поднимают девять таких «Мерлинов». Однако плазменный или ионный  двигатель могут работать очень долго, тратя при этом крохи топлива, и  когда ЖРД давно потухнет, они будут работать. И в конечном итоге  разгонят корабль до куда более высоких скоростей.

Другими словами,  упомянутые выше любители цветочков будут ждать целыми сутками, пока  их лайнер разгонится до приличной скорости, а вы-пилот сможете спокойно  пить кофе и обжиматься в кабине со стюардессой — напряжённых космических  погонь не будет. Если представить, что ракета с ЖРД тягой 730  килоньютонов — это Ламборгини Диабло, разгоняющаяся с нуля до сотни  за 4 секунды, то ракета с электрическим двигателем — это драндулет,  достигающий той же сотни за 4 дня (собственно, у АМС «Dawn» примерно  такое ускорение и было во время полёта). Само собой разумеется, что для  мочилова в космосе, отчаянных манёвров и радиопередач в духе «АААА ВАСЯ  ВРАГ У МЕНЯ НА ХВОСТЕ БДЫЩЬ БУ-БУХ» подобный способ передвижения  не особо годится, хотя, к примеру, в Звёздных войнах на кораблях стоят  именно ионные двигатели. И, естественно, к настоящим они имеют очень  мало отношения, впрочем, то же самое можно сказать практически обо всём  в мире франшизы.

Ионный двигатель

Что  у нас там в реальности? В реальности всё сложно. АМС «Dawn» поставила  рекорд скорости, используя три ионных двигателя на ксеноне. Каждый  двигатель обладал тягой менее 0,1 ньютона, но и весил всего 9 кг, а сам  аппарат на старте — чуть больше тонны. Разгонялся он несколько лет, имея  на борту 425 кг ксенона. Однако технологии не стоят на месте:  электрические двигатели сейчас активно развиваются, так что всё у них  ещё впереди.

Пример очередного и пока крайнего шага в их развитии —  это Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR), он же  магнитоплазменный двигатель. Ионизация рабочего тела в нём производится с  помощью радиоволн, после чего полученная плазма разгоняется  электромагнитным полем. Плазма при этом не контактирует с конструкцией  двигателя (а это увеличивает срок его службы на порядки), сам же  двигатель способен выдавать тягу в десятки раз большую, чем ионный.  Кроме того, вместо ксенона VASIMR использует гораздо более дешёвый и  доступный аргон.

Что будет дальше? Трудно сказать. Лично я  предполагаю создание гибридных двигателей с возможностью использовать  как обычную химическую или ядерную тягу для сложных манёвров, в том  числе и в термосфере, так и плазменный режим для штатного разгона в  космосе. Скорее всего, никуда не денутся и гравитационные манёвры — если  отправить наш лайнер на Нептун, будет очень удобно получить при случае  дополнительный разгон у, например, Юпитера. Заодно и туристы насладятся  видами гигантской планеты. Однако о регулярных рейсах в современных  условиях говорить не приходится: чтобы уверенно летать хотя бы с Земли  на Марс, пусть даже за полтора месяца, нужны гораздо более эффективные  двигатели, чем VASIMR.

Впрочем, первые баллистические ракеты тоже были далеки от идеала.

А  как насчёт фантастики? К сожалению, ионные двигатели там отсутствуют  как класс. У некоторых писателей упоминаются плазменные, но с реальными  образцами вроде VASIMR у них общего только слово "плазменный" в  названии. Причина, на самом деле, очевидна: кораблям любой уважающей  себя космооперы нужны мощные двигатели, чтобы истребители могли  маневрировать вокруг авианосцев, уклоняться от ракет и взрывать звёзды  смерти. Для всего этого ионный двигатель годится чуть менее чем никак.  Примерно так же дело обстоит и в твёрдой НФ, где в центре сюжета обычно  совсем другие вещи, а перемещение в космосе - всего лишь  костыль-обоснуй, и неважно, на чём там летает корабль, главное, что он  прилетает с Земли на Марс за неделю или две, а лучше за пару дней. 

Другими  словами, медленный бережливый двигатель попросту непригоден для  подавляющего большинства используемых в фантастике сюжетов.

Космические паруса

У  света есть своё собственное давление - слабое, но всё же есть.  Осознание этого факта привело людей к идее солнечного паруса, который  работает так же, как и обычный, но вместо ветра использует солнечный  свет. 

Плюсы такого подхода очевидны. В первую очередь это халява -  солнце светит всем и бесплатно. Во вторую... э-э, в общем, на первом  пункте плюсы заканчиваются и начинаются минусы.

Для начала это  низкая - нет, действительно низкая - тяга. Если тяга ионного двигателя  показалась вам до смешного маленькой, то вы просто ещё не видели  солнечный парус: на земной орбите каждый метр полотна сообщает аппарату  усилие в 9e-6 ньютон, т. е. 0,000009 ньютон. Соответственно, парус  размером, скажем, 100 на 100 метров сообщит нашему лайнеру тягу в 0,09  ньютона - в десять раз меньше, чем ионный двигатель. 

Кроме того,  ускоряться на этом парусе можно только в сторону от солнца - галсами в  космосе идти нельзя. Кроме того, указанная выше значение тяги - это для  земной орбиты, а дальше оно будет падать, причём не линейно, а по  квадратичной зависимости (а это нивелирует единственный плюс - на парусе  нельзя ускоряться бесконечно). Кроме того, такой огромный парус надо  ещё развернуть. Кроме того, из-за большой площади он становится уязвим  для космического мусора - каждая песчинка будет пробивать это  ультратонкое полотно, превращая его в решето. Кроме того...

Ну, в  общем, дальше продолжать, наверное, будет излишним. О солнечных парусах  почитать можно у Кларка в рассказе "Солнечный ветер", они упоминались у  Пьера Буля в "Планете обезьян", да и ещё много где. Реальность, увы...

Так оно выглядит на Земле

Почему  бы не использовать в качестве дополнительного движителя лазерный луч,  хотя бы теоретически? Потому что лазер, к сожалению, имеет угол  расхождения, хоть и небольшой. Когда корабль улетит на достаточное  расстояние, связь пропадёт. От Солнца до пояса Койпера (как у Уоттса в  "Ложной слепоте") дострельнуть лазером не получится, а если бы даже и  получилось, возникает другая проблема: настройка и точность. Изменение  угла на долю угловой секунды вызвало бы срыв корабля с лазерного  "поводка", а учитывая, что свет идёт до Плутона девять часов, вернуть  его обратно было бы затруднительно.

Ядерный двигатель

Это  тоже далеко не фантастический концепт - первые разработки ЯРД появились  ещё в 50-х годах. Суть ядерного двигателя очень проста - есть ядерный  реактор, есть рабочее тело (чаще всего старый добрый водород). Реактор  нагревает рабочее тело, которое радостно устремляется в космос, разгоняя  корабль. Вот так:

По  сравнению с обычными ЖРД такой двигатель обладает значительно более  высоким удельным импульсом и меньшей тягой (но повыше, чем у ионника),  что делает его более эффективным в космосе, чем на земле. Лёгкие газы  вроде водорода при той же энергии будут иметь более высокую скорость,  чем тяжёлые продукты сгорания химического топлива. 

Например,  единственный советский ЯРД РД-0410 обладал тягой в 35,2 кН и удельным  импульсом 9000 м/с, а американские NERVA - 333 кН и 8500 м/с (для  сравнения, спейс-иксовские ЖРД "Мерлин" - 740 кН и 3000 м/с  соответственно). Однако в ходе разработок возникло множество трудностей,  в результате чего приоритет отдали жидкостным двигателям. 

Сейчас  пациент скорее мёртв, чем жив. Впрочем, в  последнее время народ  зашевелился - и NASA, и Роскосмос возобновили  разработки. Может, и не  зря.

Ну а в фантастике ЯРД фигурирует достаточно редко, в основном  в твёрдой НФ. Как правило, потому, что в космоопере либо вообще не  заморачиваются упоминанием типа двигателей, либо летают на  хреноптаниуме.

Термоядерные ракетные двигатели

С  описанием устройства тут посложнее, чем в предыдущих случаях -  готовьтесь, гуманитарии. Впрочем, абстрактное математическое мышление  для понимания не требуется, так что не отмажетесь.

Сначала что-нибудь попроще. Итак, вот схема открытой аксиально-симметричной ловушки:

Розовая  колбаска в центре - это плазмоид, сгусток плазмы, ограниченный  магнитной ловушкой. Его окружают создающие эту самую ловушку кольца из  сверхпроводящих магнитов (синенькие квадратики, нарисованы в разрезе,  отмечены как "катушки магнитной системы"), с краёв плазма запирается  катушками, генерирующими мощное магнитное поле - их называют пробками.  Рабочее тело во всю эту конструкцию нагнетается плазмоганомплазмотроном. Собственно, в гипотетическом термоядерном реакторе  такого типа предполагается поставить два запирающих зеркала-пробки с  обеих сторон, как и нарисовано на картинке, но так как нам надо получить  тягу, с одной стороны создаётся магнитное сопло. 

Таким образом,  плазма поступает в нашу магнитную ловушку, где разогревается (на  картинки это делается с помощью инжектором) и улетает в космос. Тяга и  удельный импульс такого двигателя, при его габаритах (100 м в длину) и  массе (70-100 тонн в лучшем случае) сравнима с электрическими, что не  особо радует, учитывая предполагаемые затраты хотя бы на вывод всего  этого барахла в космос.

Та же самая ловушка в суровой реальности


Выше  описан ТЯРД непрерывного действия, но, естественно, это далеко не  единственный способ использовать термоядерную реакцию в качестве  движителя. Другой вариант - импульсный двигатель, работающий на эффекте  z-пинча. Пинч - это явление, когда протекающий в плазме или металле ток  создаёт магнитное поле, которое в свою очередь действует на окружающие  заряженные частицы и через них влияет на токовый канал, сжимая его или  вовсе разрушая. Z-пинч - частный случай, когда проводник представляет  собой столб из плазмы. 

Устроено это так: два компонента рабочего  тела подаются в камеру сгорания, где мощный электрический импульс  превращает их в плазму и запускает термоядерную реакцию. Дальше  срабатывает z-пинч, который сжимает плазму и выбрасывает её через  магнитное сопло из сверхпроводящих катушек, вызывая тягу в 38 кН при  удельном импульсе 200000 c. 

Если вы пробежали глазами текст выше,  не задерживаясь на техническом порно, то вот общий вывод: ТЯРД - это  двигатели для космоса, двигатели с малой тягой, но высоким удельным  импульсом. Проблем, однако, у них выше крыши: так уж получилось, что  взрывать термоядерные бомбы человек уже научился, а нормально  контролировать реакцию - ещё нет. Так или иначе, ТЯРД - штуки большие и  тяжёлые, и насколько они окажутся востребованы и эффективны, судить ещё  рано. Сейчас это пока фантастика.

Кстати, что там в фантастике? Да  толком ничего. Проблема, разумеется, в том, что гораздо проще описать  варп-двигатель, работающий на хреноптаниуме, чем копаться в  зубодробительных терминах. Причём проще и писателю, и читателю. 

Так  что стоит дважды подумать, прежде чем перетаскивать открытые ловушки с  амбиполярным запиранием в художественный текст. Но если дозированно -  почему бы и нет?

Двигатель на антиматерии

Если  электрические двигатели уже эксплуатируются, ядерные существуют на  стадии прототипа, а термоядерные - хотя бы в виде теоретического  реализуемого концепта, то этот персонаж принадлежит к области чистой  фантастики, хоть и основанной на реальных физических принципах.  Соответственно, поэтому он популярен у фантастов (из самого свежего -  "Ложная слепота" Уоттса, да и я как бы тоже причастился). Ведь  антиматерия для современной науки очень близка к хреноптаниуму: если  физики ещё кое-как могут что-то о ней сказать, то инженеры пока только  чешут в затылках. Фантастика же в 99% случаев рассматривает  эксплуатирующиеся проекты. 

На первый взгляд концепт очень  перспективен: энергии при аннигиляции выделяется на порядки больше, чем  даже при термоядерном синтезе. На практике значительная часть её улетает  в форме бесполезных нейтрино, а остальную надо ещё как-то применить.  Ведь аннигиляция сама по себе не создаёт тяги, значит, требуется рабочее  тело. Однако использовать плазму - не наш метод, чаще всего аннигиляцию  называют источником энергии для фотонного двигателя.

Суть его  проста: фотон, несмотря на отсутствие массы покоя, обладает импульсом,  равным постоянной Планка, делённой на длину волны. А раз у него есть  импульс, значит, он может сообщать тягу. Соответственно, нужно создать  мощный пучок света, который и будет толкать корабль вперёд. О мощности,  необходимой для создания значимой хотя бы по сравнению с космическим  парусом тяги, приходится только гадать.

Проблема заключается ещё   и в том, что для производства антиматерии при нынешних технологиях  нужно затратить на несколько порядков больше энергии, чем может дать  аннигиляция. Соответственно, экономически в этом нет никакого смысла.

Другой  вариант, более реалистичный, на мой взгляд - использовать более  традиционные вещи вроде термоядерной реакции, где антиматерия выступает  её катализатором. В этом случае топливная смесь из дейтерия и трития  сжимается и облучается пучком антипротонов, что разогревает её до нужной  температуры и запускает реакцию. Дальше - как в прошлом пункте.

Двигатели  на антивеществе многократно более популярны, чем ядерные и  электрические. Причина тут лежит, на мой взгляд, в том, что на сегодня  нет даже теоретической модели такого двигателя, что снимает все вопросы к  автору. Достаточно сказать "мой корабль летает на антиматерии" - и всё,  никто не придерётся, что в книжке неправильно описан принцип разгона  плазмы в электромагнитном поле. Как можно неправильно описать  несуществующее? Никак. Вместе с тем концепт гипотетически реализуем, что  позволяет на этой основе авторам гордо причислять свои книжки к твёрдой  НФ, хотя содержание этих историй целиком состоит из мочилова, секса и  пафоса. 

Фотонные двигатели использовались у Стругацких, у Лема, у  Дугласа Адамса и ещё много у кого. В сущности, их применение обосновано  примерно теми же причинами.

Суровая реальность пространственно-временного континиума

В  фантастике, как правило, никто никогда не думает о траекториях полёта, о  взаимном расположении кораблей в пространстве и прочих подобных вещах.  По большой части это и не требуется, потому что книга совсем о другом,  но иногда фантазия доходит до абсурда. Например на одном из мелких  сетевых конкурсов мне доводилось читать рассказ про вторжение злых  инопланетян на Землю. Злые инопланетяне раздолбали защитный форпост на  Плутоне, и земляне отступили, внимание, к Нептуну, чтобы встретить  вражин у ещё одной базы на его спутниках. Типа, второй защитный эшелон.  Логика автора очевидна: он мыслил нормальными 2D-представлениями о войне  на Земле, но космос, разумеется, живёт по другим законам. В реальности  Нептун мог находиться по другую сторону от Солнца, нисколько не мешая  злым инопланетянам лететь к Земле. Более того, все планеты Солнечной  системы вращаются приблизительно в плоскости эклиптики, и злые  инопланетяне вполне могли прилететь откуда-то, грубо говоря, "сверху",  вообще не пересекая орбиты внешних планет.

В другой истории три  космических корабля окружили в открытом космосе катер главного героя и  потребовали сдаться, а он думает, мол, всё, из кольца не вырваться. И  сдаётся, трус несчастный, чтобы пафосно сберечь жизнь сидящей рядом  красотки. Но если вспомнить математику, то окажется, что три точки  всегда образуют плоскость - наш парень вполне мог рвануть  перпендикулярно этой плоскости, получив на хвост трёх злых вражин, но  превратив "окружение" в погоню. Чтобы более-менее плотно "окружить"  кого-то в космосе, нужно по меньшей мере четыре корабля - по числу  вершин тетраэдра. Да и то это будет достаточно жиденько, учитывая  отношения размеров кораблей и расстояний между ними.

Далее, в  космосе никто не летает по прямой. Причина лежит в том, что Земля отнюдь  не стоит на месте, а сам аппарат обычно сперва выходит на околоземную  орбиту и только потом улетает в космос на вольные хлеба, имея, помимо  второй космической скорости относительно Земли, ещё и инерционное  движение по орбите всё той же Земли. Кроме того, он движется в  гравитационном поле Солнца и планет, и "выпрямление" траектории  потребовало бы постоянной работы корректирующих двигателей, то есть  дополнительного расхода топлива. Разумеется, это нафиг никому не нужно.

Поэтому  сейчас в основном с орбиты на орбиту переходят с помощью так называемой  Гомановской траектории, суть которой заключается в использовании  короткого импульса в определённых точках орбит (в простейшем случае это  перицентр и апоцентр). На словах, разумеется, ни хрена не ясно, так что  вот картинка:

1  - орбита Земли, 3 - орбита, скажем, Марса. С помощью первого импульса  аппарат сходит с орбиты Земли в точке 2 и начинает движение по  эллиптической траектории к орбите Марса. Достигнув её, он снова включает  двигатели и с помощью второго импульса выпрямляет полёт в точке 3,  переходя уже на орбиту Марса.

Однако у этого метода есть  существенные недостатки, если мы говорим об экономически целесообразных  космических полётах. Главный из них, это, разумеется, время. Полёт по  такой траектории в случае Марса займёт около 9 месяцев в лучшем случае,  для внешних планет это значение сильно увеличивается. Кроме того,  необходимо учитывать расположение небесных тел друг относительно друга.  Вот, например, как летел упомянутый выше зонд Dawn с ионными  двигателями:

Как  можно заметить, ему пришлось совершить почти два витка вокруг Солнца и  гравитационный манёвр у Марса (не Юпитер, но тоже сойдёт), чтобы  добраться до Весты, хотя прямое расстояние между Землёй и Вестой гораздо  меньше. А потом и ещё половину, чтобы добраться к Церере, хотя  опять-таки прямой путь куда короче. Ионные двигатели, конечно, разгоняют  корабль, но чуда не делают (на схеме thrust - это участки с работающим  двигателем, coast - пассивный полёт). Космос - он такой. Жестокий. 

Нет,  конечно, гомановская траектория - не единственный способ летать между  планетами. Да и в случае мощного эффективного двигателя можно будет  значительно сократить время перелёта, убрать ненужные витки и так далее.  Но факт остаётся фактом - летать в космосе куда сложнее, чем обычно  описывают фантасты.

Error

Anonymous comments are disabled in this journal

default userpic