Далеко за хмари

Як космічні кораблі бачать один одного

(деякі примітки про «реалістичну спейсоперу»)

Далеко за хмари: Як космічні кораблі бачать один одного

А. Сьогодні мої космічні примітки будуть присвячені не руху у космосі, а тому, як кораблики бачать один одного з мирними і не дуже цілями.

1. Сподіваюся, ви розумієте, що коли ми у спейсопері говоримо про видимість корабликів у космосі, то у більшості випадків ми дивимося на них не очима. Тобто очима побачити кораблик можна. Але роздільна здатність людського ока така, що межа, за якою ми не можемо розрізнити об’єкт складає трохи більше за 50 000 його довжин. Тобто навіть кілометрової довжини лінкор на геостаціонарній орбіті вже не видно. З Землі на місячній орбіті не вдасться неозброєним оком розрізнити ані «Ката» з «Зоряних Воєн», ані «Еребуса» з EVEonline.

2. Можливість щось спостерігати неозброєним оком все одно не дуже важлива. Адже можливості різноманітних телескопів (у широкому сенсі) та електронних систем розпізнавання цілей все одно значно переважають можливості людських очей.

3. Коли ми говоримо про різноманітні способи побачити інший корабель у космосі, то треба пам’ятати, що маємо ми при цьому зі детекцією електромагнітних хвиль певної довжини. Радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолет, гамма-промені – усе це частини одного і того самого електромагнітного спектра, поділ якого на категорії існує тільки у нашій власній голові. Тому надалі тут я усі прилади, які безпосередньо детектують якесь джерело випромінювання на великій відстані буду називати телескопами.

4. Знову ж таки сподіваюся, що ви розумієте, що інші звичні нам на Землі способи відчути кораблі типу ультразвуку чи запаху у космосі не діють. Але в умовах практично будь-якої чужої атмосфери їх аналоги цілком працюють. Єдине виключення – частки робочого тіла, що вилетіли з двигуна. Але вони розсіюються настільки швидко, що на такій відстані корабель вже видно.

5. За межами електромагнітного спектра сьогоднішня фізика знає тільки три фундаментальні взаємодії: сильну, слабку та гравітаційну. Перші дві в рамках сучасної фізики практичного сенсу для детекції корабля не мають, адже працюють на значно-значно менших масштабах. Що стосується гравітаційної взаємодії, то з нею усе цікаво. В принципі, гравітаційні хвилі існують і, навіть, успішно детектуються прямо зараз. Але сучасна техніка навіть близько не уявляє як зробити так, щоб гравітаційний телескоп без проблем розміщувався на… ну хоча б тому кілометровому лінкорі, який на геостаціонарі вже не видно. Та ще й так, щоб він щось міг побачити таке, що іншими засобами не побачиш. Вигадати для міжзоряної цивілізації значно компактніший гравітаційний детектор більш ніж виправдано. Але все одно на совісті автора лишається спосіб яким при цьому відрізняють відкриття червоточини на відстані у мільярд кілометрів, від рухів парочки, що займаються сексом у сусідньому відсіку.

6. Насправді існує ще як мінімум один спосіб, що формально лежить за межами електромагнітного випромінювання, хоча насправді не дуже від нього відрізняється. Мова іде про детекцію нейтрино. Такі детектори існують, їх теж достатньо важко запхати на борт корабля. З ними інша проблема: характер народження цих часток і їхньої взаємодії із речовиною такий, що вони мало чим можуть допомогти спостерігачу. Докладніше раджу читати відповідні розділи фізики.

7. Важливо не забувати, що абсолютно усі типи хвиль у вакуумі розповсюджуються зі швидкістю світла. А отже, усі типи телескопів показують нам корабель не у цей момент, а у момент, який відрізняється від нашого на величину, що дорівнює відстані, поділеній на швидкість світла.

8. У космосі немає горизонту. Щось подібне до нього існує тільки поблизу від великих тіл. Але тут правильно описувати ситуацію, такої, що просто це тіло затуляє одного спостерігача від іншого. Важливо розуміти, що у корабля, який сам знаходиться по один бік планети просто не може бути на борту таких пристроїв, які можуть побачити, що знаходиться на іншому. Але це обмеження дуже легко обходиться розміщенням навколо планети додаткових спостережних платформ.

9. На значній відстані від планет та зірок можливістю ховатися за ними можна знехтувати. Це призводить до одного з найскладніших для розуміння і найдискусійніших питань у теорії спейсопери – неможливості у космосі стелсу.

10. Розберімось, що це таке. Звичний нам стелс – це явище розсіювання та поглинання електромагнітних хвиль корпусом апарату. Тобто літак чи морський корабель відбивають від себе дуже мало електромагнітного випромінювання, яке можна задетектувати. У космосі те ж саме зробити можна і, навіть захисне фарбування застосувати – пролетиш поруч і не здогадаєшся. Але це вірно тільки для тих об’єктів, які не мають всередині працюючих джерел енергії, а краще – мають температуру сильно нижчу за нуль.

11. Космос пустий, а на великих відстанях від зірок ще й усі об’єкти не особливо нагріваються ними. А от корабель, на якому, можливо є термоядерний реактор і працюють двигуни холодним бути не може. Хоча б тому, що подібні агрегати із ККД 100% це вже щось дуже недружнє до фізики, що навіть гіперперехід не такий і недружній у порівнянні із ними. А якщо ККД не 100%, то решта буде перетворюватися на електромагнітне сміття, зазвичай на тепло та радіацію. І прикол космічного корабля у порівнянні із літаком у тому, що ефективного відводу цього тепла від корпусу навколишньому повітрю теплопередачею просто немає. Бо навколо – вакуум, а у ньому зі способів передачі тепла працює тільки випромінювання, ну або відвід тепла із викиданням частини маси. А випромінювання у звичайних умовах не може забрати стільки тепла, скільки могли забрати теплопередача або конвекція.

12. Як результат, щоб не перегрітися, космічному кораблю треба це надлишкове тепло інтенсивно випромінювати. Не вдаючись до подробиць – способи це робити є, вони призводять до ускладнення конструкції корабля, наскільки, то вже питання технологій майбутнього, але один результат все ж ніяк не оминути – приховати це випромінювання надлишкового тепла – дуже і дуже важко. Настільки важко, що навіть народився міф про двигун «Шатлу» який із орбіти землі можна розгледіти за орбітою Плутону.

13. Щодо останнього треба одразу сказати: можна. Але зауважити одне. Інтенсивність ненапрямленого випромінювання від об’єкта падає пропорційно третьому ступеню відстані до нього. Простіше кажучи, одна і та сама кількість енергії припадає на все більший і більший об`єм. І її треба вловити якось. Для того, щоб її вловити, треба зібрати її у точку з великої площі. Так працюють телескопи та «локатори» і обійти цей принцип теж не так і просто, так, є інтерометрія, про яку треба розказувати окремо, але принцип все одно не оминути – засікти роботу двигуна шатла за Плутоном можна, але для цього потрібні засоби детекції значно більші, ніж може нести на собі будь-яка космічна станція, не кажучи вже про корабель.

14. Але те, що не працює на відстанях у мільярди кілометрів, на відстанях у десятки й сотні тисяч цілком собі диктує свої закони. На цих відстанях розсіювання тепла ще невелике і приховати корабель із працюючим двигуном сучасна нам фізика не дозволяє в принципі.

15. Тобто фактично, попри те, що горизонту у космосі немає, для конкретного детектора існує своя межа розрізнення інтенсивності випромінювання і більш ніж можливі ситуації, коли один супротивник бачить іншого, а той його – ні.

Далеко за хмари: Як космічні кораблі бачать один одного

Б. Отже, головним чином кораблики бачать за допомогою телескопів, для цих телескопів довжина хвилі непринципова і головний спосіб побачити кораблик – це детекція його власного випромінення, яке достатньо важко приховати. З усього цього витікає, що значну частину маси корабля має займати телескоп або, скоріше, їх масив. І знов ж таки — для космосу не існує чітких меж «бачу-не бачу». Є лише межа чутливості телескопу, яка для одиничного екземпляру пропорційна його діаметру і яка забезпечує детекцію сигналу певної інтенсивності.

1. Сигнал певної інтенсивності – це не те саме, що джерело певної потужності. Се саме певна кількість енергії, яка дійшла до корабельного телескопа з певного напрямку і була ним зібрана. При цьому варто пам’ятати, що попри те, що принципової різниці між електромагнітним випроміненням з різних частин спектра немає, вловлювати їх усі одним пристроєм вкрай важко, або зовсім неможливо. Тому, так чи інакше, для ефективності спостережень цікавою ідеєю є розміщення на кораблі одразу кількох типів телескопів.

2. З точки зору одиничного телескопу весь світ навколо є купою світлових плям доступного йому спектру. По дефолту навіть відстань до конкретної плями ми не можемо визначити, тільки інтенсивність сигналу і його частотну характеристику у межах спектру, що спостерігається. Знову ж таки, це вірно тільки для відстаней, що вимірюються мільйонами й мільярдами кілометрів, на якій робота традиційних радарів неможлива через величезний час відгуку та його слабкість. На відстанях, що вимірюються сотнями та тисячами кілометрів робота радару приблизно така ж, як і на Землі.

3. Так от, якщо ви думаєте, що робота корабельного телескопа полягає у тому, щоб побачити у порожнечі одинокий вогник, то сильно помиляєтеся. Телескоп бачить мільйони джерел випромінювання. Звідки? А про зірки ви не забули? А про достатньо близькі астероїди та планет? Усі вони випромінюють чи відображають енергію переважно у той самій видимій та інфрачервоній частині спектру, які нас найбільше цікавлять у чужому кораблі. А якщо телескоп здатен побачити одиничний ворожий лінкор із термоядерним двигуном за орбітою Юпітера, то він однозначно бачить усі зірки включно із червоними та коричневими карликами у десятках світлових років від Землі, включно із ще не відкритими у наш час. Те — пляма випромінення і те — пляма випромінення.

4. Тобто фактично задача роздивитися ворожий корабель на дальній дистанції – це задача знайти серед мільйона плям, більшість із яких дуже яскраві одну маленьку, якої до того там не було. Звичайно, коли мова іде про польоти у межах однієї системи, то задача відносно не складна. Ну я нескладна, людині то звичайно не під силу, але потужний комп’ютер цілком собі може у реальному часі відстежувати рух на небесній сфері усіх відомих об’єктів (а вони рухаються, так чи інакше) і знайти серед них крихітну плямку, якої там бути не повинно.

5. Якщо мова іде про корабель, який потрапив у не дуже знайому йому систему, то йому ще треба усі ці мільйони об’єктів наново ідентифікувати. У власній системі принаймні взаємне положення зірок і їхні інтенсивності випромінювання лишаються сталими. У незнайомій системі, навіть якщо відмести усі астероїди із кометами, то навіть знайомі зірки розташовуються не так. Треба порівнювати їхні спектри із базою даних, аби упізнати й вони перестали бути НЛО. При цьому частина спектрів може відрізнятися від відомої через доплерівський зсув, якщо їхній рух відносно даної зоряної системи істотно відрізняється від тієї, для якої було визначено спектри. Усе це вирішувані питання, але вони можуть додати екіпажу корабля чимало роботи.

6. При цьому виникає цікава ситуація: сторона, яка краще вивчила зірки навколо певної системи має перевагу у детектуванні ворожих кораблів перед тією, яка бачить їх уперше. Просто тому, що швидше знаходить однозначно ворожі сигнали.

7. Звичайно, ви можете одразу згадати, що корабель якось особливо має летіти на фоні зірок і що у нього має бути своя унікальна частотна характеристика випромінення (сигнатура). В принципі вірно, але є купа нюансів. Оскільки по дефолту ми не можемо виміряти відстань до об’єкта, то фактично ми можемо вимірювати тільки кутову швидкість об’єкта, тобто коли він летить прямо на нас або прямо від нас ми нічого не бачимо, він від якогось коричневого карлика не буде відрізнятися.

8. З відокремленням кораблів від астероїдів та комет все ще гірше. У них, зазвичай теж присутній власний рух відносно зірок. Звичайно, що комплексні спостереження усі ці проблеми вирішують, але пам’ятайте, що упізнавання ворожого корабля одразу по тому, як інтенсивність випромінювання від якого перетне межу чутливості телескопу – штука вкрай сумнівна. Скоріше мова буде іти про хвилини та години.

9. Із сигнатурою сигналу все теж цікаво. Сигнатура, яку бачить телескоп – це не те саме, що сигнатура на радарі. Коли ми маємо справу із радаром, то ми бачимо наш власний електромагнітний імпульс, відбитий від цілі. Ми знаємо його початкові характеристики, тому одразу можемо сказати про об’єкт багато цікавого. З космічним об’єктом на телескопі ми бачимо тільки його власний спектр випромінення. Ми не знаємо нічого про його джерело і початкові характеристики. Тут вже питання дискусійне: чи будуть ці характеристики аж так сильно відрізнятися від характеристик зірок, у яких спектри й характер випромінення часом мають достатньо вибагливий вигляд? Принаймні конструктори кораблів будуть усіма правдами й неправдами добиватися того, щоб з великої відстані випромінення корабля було максимально схожим на якусь середньостатистичну зірку.

10. І ще про зірки. Теоретично можлива ситуація, коли корабель, наближуючись до супротивника ховається у випроміненні якоїсь зірки. Штука це дуже складна на практиці та непевна через те, що той, хто наближується про позицію супротивника теж має дуже приблизне уявлення, але на дурничку, якщо така можливість є, то можна і спробувати. Прискіпливий спостерігач, який налаштував комп’ютер телескопа на від фільтрування взагалі усього що хоч трохи відрізняється від норми, цілком може і помітити, але «сховатися на фоні зірок» насправді можливо, хоча і вимагає купи умов.

11. Що стосується «випромінення в інший бік». Теоретично це можливо, принаймні ЗНИЗИТИ інтенсивність випромінення у певній напівсфері на порядок цілком реально. На превеликий жаль, конструкція корабля однозначно визначає, що випромінювання зайвого тепла має бути у тому напрямку, куди спрямовано його маршеві двигуни. Бо у тому напрямку корабель так чи інакше випромінює. І якщо корабель просто не повертається до ворожих спостерігачем двигунами, то такий фокус дійсно допомагає йому заховатися.

12. Питання лише у тому, наскільки реально тривалий час не повертатися до супротивника двигунами. Нагадую, що точно навпроти двигунів супротивнику бути не потрібно. Просто у тій же напівсфері. А корабликам для того, щоб маневрувати, треба крутити дуп… тобто я хотів сказати маршевим двигуном у різні боки. Тобто фактично такий спосіб маскування дуже сильно обмежує маневр корабля. Особливо сильно обмежується можливість гальмування відносно цілі, бо для цього кораблю треба розвернутися до неї тим місцем, яким він випромінює. Питання про те, наскільки це погано, залишу для подальших дискусій. Тим більше, що якщо мова іде про проникнення вглиб контрольованого супротивником простору системи, то ховати випромінення доведеться ще й від його баз, які залишилися позаду, що майже неможливо.

13. Наостанок про інтерферометрію. Якщо коротко, то багато малих телескопів, сигнали з яких сумуються працюють краще за один великий. І якщо вони знаходяться один від одного на відстані у десятки і сотні кілометрів – це навіть краще. Як результат, ціла ескадра, телескопи якої працюють як єдине ціле має серйозну перевагу у можливості виявлення перед одиничним кораблем. Ну а розгалужена стаціонарна система спостереження взагалі має переваги перед усім.

14. Як результат, у мене вийшла наступна картина. Чіткої межі виявлення корабля у космосі немає. Переважна більшість кораблів на відстані у мільярд кілометрів лишається непомітною, потім вірогідність їх детекції зростає аж поки на відстані біля мільйона кілометрів (трохи більш як три відстані до Місяця) сховатися стає майже неможливо. Ескадра на орбіті власної планети має дуже суттєві переваги у детекції перед одиничним кораблем, який вторгся у систему ззовні.

Все написане – не для того, аби принизити чиїсь уявлення про космос, а виключно заради того, аби зробити описи космічних польотів та боїв цікавішими й надати нові цікаві ідеї.

Далеко за хмари: Як космічні кораблі бачать один одного
Підписатися
Повідомляти про
0 Коментарі
Вбудовані Відгуки
Переглянути всі коментарі
0
Будемо раді дізнатися Вашу думку про публікацію :)x
()
x
Догори