Далеко за хмари

Як літають космічні кораблі

(деякі примітки про «реалістичну спейсоперу»)

Далеко за хмари: Як літають космічні кораблі (деякі примітки про «реалістичну спейсоперу»)

А. Трохи про те, як кораблики літають. Пишу переважно речі на рівні абетки, бо багато людей, схоже, не знають і їх. Перепрошую у тих, хто знає. Такий собі мануал спейсоперщика-початківця.

1. Ніякого «положення взагалі» чи «руху взагалі» для космічного корабля бути не може. Будь-яке положення і, відповідно, будь-який рух у космосі можливі тільки відносно чогось. Для більш просунутих людей: будь-який рух відбувається у системі координат, яка прив’язана до певного об’єкту: Землі, Сонця чи Стрілець А*

2. «Нерухомість» корабля відносно певного небесного тіла – скоріше виключення, ніж правило. Майже завжди якщо корабель знаходиться поруч із планетою чи зіркою, він має рухатися відносно неї. Ситуація, коли іншопланетний крейсер завис десь у космосі точно над Києвом і висить так кілька годин можлива тільки в одному випадку: він на геосинхронній орбіті: тобто насправді він а) має бути на строго визначеній відстані від Землі і б) насправді він рухається, просто його рух узгоджений із швидкістю обертання Землі.

3. Космос – тривимірний. Те, що це означає, що деякі об’єкти не тільки «правіше» чи «лівіше», але ще й ОДНОЧАСНО «вище» чи «нижче». Складніше те, що в який бік «вище», а у який «праворуч» обираємо ми самі. Звичайно, є «зручні» площини – площина екватора планети, площина обертання Місяця, площина екліптики, тощо, перпендикуляри до яких можна важати «верхом» і «низом», але треба пам’ятати, що причин дотримуватися таких умовностей у гостей з іншої планети менше, ніж у Лугандонії виконувати Мінські домовленості.

4. Тривимірність «плоского» космосу і відсутність у ньому чітко визначеного напрямку призводить до того, що швидкість у ньому працює не так, як на Землі. У космосі швидкість – це вектор, який з’єднує дві точки у просторі, між якими корабель переміститься за одиницю часу (звичайно вкрай невелику). Тобто «збільшення швидкості» чи «зменшення швидкості» для того щоб наздогнати ворожий корабель, що летить попереду у «плоскому космосі» – це лише один із великої кількості способів змінти вектор швидкості.

5. Пам’ятайте, що у повністю пустому та «плоскому» космосі вектор швидкості космічного корабля для своєї підтримки не потребує додаткових зусиль. Простіше кажучи – двигун може і має бути вимкнений, а корабель буде віддалятися від станції із постійною швидкістю.

6. Прискорення у космосі теж працює не так, як ми звикли, керуючи автомобілем. На Землі ми звикли, що прискорення – це завжди просто збільшення швидкості (або зменшення, але гальмування ми зазвичай вважаємо чимось іншим). У космосі абсолютно усі способи зміни вектору руху корабля його власними силами є рівнозначними. Інакше кажучи, прискорення (а про нього теж треба думати як про вектор тут може бути прикладене у будь-якому напрямку відносно вектора швидкості. Космічний корабель у порожньому і плоскому космосі ніколи не повертає і не гальмує (якщо говорити про напрямок руху), він тільки прискорюється у певний бік.

7. Але це все для «плоского» космосу. Для простору біля тіл діаметром понад 10 км (в загальному випадку) все ще складніше. Бо тут відчутна гравітація. Поблизу Землі космос викривлений. Саме так це трактує теорія відносності. Але для астронавігатора-початківця усе те краще зводити до сили, що постійно діє на корабель. А постійна сила означає постійне прискорення.

8. Ще одна важлива ремарка. Траєкторія – це лінія за якою рухається космічний корабель. Вона може бути дуже вибагливою, але у неї є важлива властивість: у будь-якій точці вектор швидкості корабля спрямований по дотичній до неї.

9. Так от, біля масивних тіл вектор прискорення від гравітації кожної секунди складається із вектором швидкості, викривляючи траєкторії. Якщо швидкість велика (для Землі більша за 11,2 км/с) то траєкторія корабля, якщо він не прискорюється і не зачіпає планету, завжди буде параболою (крім випадків, коли швидкість вимірюється сотнями і тисячами кілометрів на секунду).

10. На певному діапазоні швидкостей орбіта корабля буде еліпсом. Для Землі це від 7,8 до 11,2 кілометра за секунду. Кругова орбіта – це лише окремий випадок еліптичної як збільшення вектору швидкості є лише окремим випадком прискорення.

11. Будь-який корабель, швидкість якого відносно планети менша за нижню межу, приречений впасти на неї, не здійснивши й одного повного оберту.

12. Орбіта – це за означенням кругова траєкторія навколо певного центру. Саме тому не описуйте ніяких «навколоцентричних орбіт» і «орбіт просто у космосі». Покинута станція чужинців, що мільйони років чекала на землян-дослідників, висить там не просто так, а обертається по геліоцентричній орбіті.

13. Міра витягнутості еліптичної орбіти називається ексцентриситетом. Він рахується від 0 до 1. 0 – кругова орбіта. 0,99 – витягнута майже у лінію. Тепер увага – магія. Вектор швидкості космічного корабля, що знаходиться на еліптичній орбіті із вимкненим двигуном (наприклад чекає, поки частина екіпажу пригодництвує на планеті) весь час змінює свій напрямок (у кожній точці орбіти він напрямлений по дотичній до неї) сам собою під дією гравітації. Але він ще й свою величину змінює при цьому.

14. Можете вважати це подовженням стрілочки. Рухаючись від найбільш віддаленої точки орбіти, яка називається апоцентром (у випадку Землі – апогеєм), величина швидкості корабля зростає. Тобто за секунду часу по орбіті він проходить все більшу і більшу відстань. Аж поки не досягає найнижчої точки орбіти (перицентру або перигею для Землі) Тут швидкість стає максимальною і в міру віддалення від планети починає зростати. Якщо ви вигадали корабель на ексцентричній орбіті, то пам’ятайте, що найближчу точку, зручну для спостережень і зв’язку він буде проминати дуже швидко.

15. Нарешті пам’ятайте, що на довгих проміжках часу простір навколо планет з атмосферою не можна вважати порожнім. На висотах до 1000 кілометрів над Землею завжди присутня чимала кількість молекул води, які дуже повільно, але гальмують космічний корабель із вимкненим двигуном. А зменшення швидкості зрештою означає зниження висоти орбіти. В кінці корабель впаде на планету.

Далеко за хмари: Як літають космічні кораблі (деякі примітки про «реалістичну спейсоперу»)

Б. Тепер трохи про те, як взагалі діє двигун космічного корабля. Знову ж, прошу пробачення у тих, для кого переповідаю відомі речі.

1. Під двигуном або рушієм ми тут будемо розуміти пристрої, які безпосередньо призводять до переміщення корабля у просторі, а не тільки створюють умови для цієї дії. Усілякі генератори гіпертунелів, стискачі простору і тому подібне ми тут не розглядаємо.

2. Вигадати двигун можна будь-який. Однак якщо хочете двигун, який хоч трошки не нехтує абсолютно усією відомо людству фізикою, він має поважати третій закон Ньютона. Тобто працює він внаслідок взаємодії двох об’єктів, що мають масу-енергію. Про масу-енергію ми говоримо, бо для багатьох з фантастичних, але теоретично можливих двигунів треба згадувати, що з точки зору теорії відносності ці поняття еквівалентні. Але у подальших поясненнях я буду зводити усе до маси.

3. Якщо відкинути різні магнітні розгінники, теоретично можливі двигуни на основі взаємодії із фізичними полями та сонячні вітрила, то решта способів руху буде реактивною. Нереактивні способи руху теж цікаві, але вони так чи інакше у здатності вільно рухати корабель обмежені.

4. Реактивні двигуни – це усі двигуни, які працюють за принципом відкидання з великою швидкістю певної маси. Ми звикли до хімічних реактивних двигунів, у яких швидкість викидання (якщо вже зовсім по-інженерному, то «витікання») маси створюється внаслідок енергії хімічних реакцій. Але існує чимало реальних чи теоретично можливих способів надати масі швидкості, які засновані на інших фізичних принципах. Але усі вони, з точки зору фізики прискорення корабля працюють абсолютно однаково.

5. Масу, яку реактивний двигун викидає в процесі роботи, я буду називати реактивною. Існують суперечки, чи для усіх типів фантастичних реактивних двигунів коректний цей термін, але термін «паливо» у цьому випадку точно коректний тільки стосовно хімічних реактивних двигунів. Для більшості фантастичних космічних кораблів термін «паливо» може означати зовсім не те, що «реактивна маса», і витрачають його кораблі зовсім за іншим принципом.

6. Реактивний двигун завжди працює за принципом збереження імпульсу. Це означає, що зміна швидкості (а швидкість у космосі, нагадую, завжди вектор) все одно за який проміжок часу буде дорівнювати добутку викинутої реактивної маси за цей період на швидкість витікання поділеному на масу самого корабля.

7. Величину зміни швидкості космічного корабля називають «дельта ве». Прискорення корабля можна розглядати як окремий випадок дельта ве. При цьому прискорення важливе коли ми говоримо про короткочасні дії корабля, наприклад про маневри у бою. У інших випадках набагато важливішим є дельта ве саме по собі.

8. Річ у тому, що на відміну від автомобіля, у якого кількість пального обмежує шлях, який він може подолати, у космічного корабля кількість реактивної маси обмежує саме дельта ве, тобто сумарний вектор зміни швидкості. У «плоскому» космосі вдалині від масивних тіл для корабля із певними характеристиками власної маси, реактивної маси та двигуна дельта ве є стало величиною.

9. Варто згадати, що величини швидкості руху небесних тіл орбітами і їхні перші та другі швидкості є величинами сталими. А отже, дельта ве, яке має витратити корабель на маневри між цими тілами й орбітами, є більш-менш постійною.

10. Варто зазначити, що не тільки для того, щоб кудись прискорюватися, але і просто для того, аби розвернутися у вакуумі, космічному кораблю теж треба поважати третій закон Ньютона та закон збереження імпульсу. Тобто у загальному випадку – теж використовувати реактивні двигуни. Тільки маленькі, адже для повороту треба значно менший імпульс. Двигуни, які обертають корабель називають двигунами орієнтації, двигуни, які його рухають – маршевими. Двигуни орієнтації можуть використовуватися не тільки для обертання, але тут для простоти ми будемо розглядати загальний випадок. Якщо хочете докладніше про обертання, корабля, то гугліть «центр маси, момент інерції, кутова швидкість». Це окрема велика тема і, можливо, я колись на ній зупинюся. Вам варто запам’ятати головне – кожний маневр повороту корабля відносно все одно якої вісі – це зміна кутової швидкості – аналог дельта ве, і після прикладання імпульсу корабель продовжить обертатися, поки не буде компенсувального імпульсу. Ну і те, що все ж на розворот, особливо великих кораблів, все ж витрачається якийсь час.

11. Космічному кораблю абсолютно необов’язково бути зорієнтованим носом по своєму вектору швидкості. У деяких випадках як він зорієнтований – неважливо. У деяких – він категорично не може бути так зорієнтований. Загальний принцип такий – якщо маршеві двигуни вимкнені, то у вакуумі немає ніякої різниці, куди вони спрямовані. Якщо маршевий двигун увімкнений, то він має бути спрямований у напрямку, протилежному тому, у якому прикладено вектор прискорення або дельта ве.

12. «Чистий» поворот космічного корабля (знову ж таки, вдалечині від масивних тіл і щільних атмосфер) виконується так: корабель розвертається перпендикулярно до вектора швидкості (з повсякденної точки зору він летить боком уперед) у тій площині, у якій буде здійснюватися поворот. І вмикається маршевий двигун. Варто зазначити, що якщо перпендикуляр не витримується суворо, то корабель все ж буде повертати у потрібному напрямку, але не так жваво. При цьому, якщо він буде «нахилений» носом до напрямку руху, то він, одночасно із поворотом буде збільшувати свою швидкість у напрямку руху. Якщо корабель навпаки, відхилений трохи двигунами до напрямку руху, то він, здійснюючи поворот, буде ще й гальмувати.

13. Виконання «чистого» прискорення – це той єдиний випадок, коли космічний корабель з увімкненим маршевим двигуном зорієнтований точно носом у напрямку швидкості. Єдиний!

14. Якщо корабель виконує «чисте» гальмування, то він летить двигунами вперед. У найпростішому випадку переліт між двома небесними тілами чи станціями – це завжди поєднання «чистого» розгону із «чистим» гальмуванням.

15. Космічні винищувачі, які закладають красиві віражі у вакуумі – це фентезі. Тобто такий маневр (за врахуванням того, що він має здійснюватися роботою двигунів орієнтації, а не аеродинамічних площин) в принципі можливий і, можливо, у деяких випадках корисний. Але з точки зору скорочення радіусу розвороту (а така задача є однією з основних у космічному бою), річ це досить абсурдна.

16. Зате для космічного винищувача можливим і звичайним є інший маневр, абсурдний з точки зору винищувачів атмосферних. Пролітаючи повз нерухому для них ціль, наприклад космічну станцію, винищувач для її обстрілу може синхронно розвертати увесь корпус для того, щоб певна точка на поверхні завжди була перед очима і, навіть, робити це із працюючим маршевим двигуном. У певних випадках таким чином можна навіть «кружляти» навколо ворожого корабля.

Далеко за хмари: Як літають космічні кораблі (деякі примітки про «реалістичну спейсоперу»)

В. Тепер, нарешті, розповідаю про двигуни.

1. Ключовою характеристикою будь-якого реактивного двигуна є його питомий імпульс. Це імпульс, який отримує корабель при викиданні двигуном 1 кг робочого тіла. Чисельно ця характеристика дорівнює швидкості витікання робочого тіла і вимірюється у тих самих метрах в секунду.

2. Звичайно, що у двигуна є потужність і це теж важлива характеристика. Але на практиці збільшення потужності двигуна при збереженні того самого питомого імпульсу означає лише можливість викидати за секунду більше робочого тіла. Це дозволяє реалізувати більше прискорення (що добре, наприклад, у бою), але на дельта ве корабля не впливає аж ніяк.

3. Сучасні двигуни усіх ракет забезпечують свій питомий імпульс енергією газів, що утворюються в результаті хімічної реакції. Це означає, що у більшості ракет для утворення робочого тіла використовуються два компоненти: паливо та окислювач. Є однокомпонентні двигуни, галузь застосування яких обмежена, і трикомпонентні двигуни, галузь застосування яких ще більше обмежена.

4. У якості окислювача у хімічних реактивних двигунах зазвичай використовуються рідкий кисень, азотний тетраоксид та флуор. У якості палива у тій чи іншій ситуації може використовуватися водень, керосин, гідразин, несиметричний диметилгідразин, аміак та пентаборан. Кожна із десятка комбінацій цих компонентів має свої переваги та недоліки, про які можна сперечатися окремо і вони не сказати, щоб дуже цікаві були для неспеціалістів. Наприклад, комбінація «водень-кисень» дуже подобається усім тим, що продукт його роботи – звичайна вода і він відносно потужний, але реалізується він навіть американськими і японськими інженерами трохи зі скрипом. А якщо ви обрали комбінацію «диметилгідразін-азотний тетраоксид», то у вас бінго. Один компонент одночасно токсичний та канцерогенний, а другий – просто токсичний. Звичайно, що варіант НДМГ+АТ дуже любили у Радянському Союзі (якщо чесно – то не тільки там).

5. Але насправді усе вищенаписане не таке і важливе. Бо питомий імпульс усіх комбінацій хімічного палива усе одно коливається у межах 3000-5000 м/с. Це мало. За такого питомого імпульсу навіть якщо ти запускаєш на орбіту для корабля окремо додатковий бак із паливом розміром із сам корабель, розігнатися вийде лише до кількох десятків кілометрів на секунду відносно Землі, навіть якщо ти не замислюєшся, як потім будеш гальмувати. А це тільки у масштабах Землі подолання території України із заходу на схід швидше ніж за хвилину. У космосі це навіть політ між Землею та Сатурном довжиною у роки.

6. Як не важко здогадатися, основна фіча усіх «фантастичних, але реалістичних» реактивних двигунів – значно більший питомий імпульс. І перший з таких двигунів, як не дивно, цілком реальний, а не фантастичний. Мова про іонний двигун, який взагалі-то вже 20 років як використовується на практиці та дає дивовижні результати. Щоправда, застосовуються вони поки що тільки для невеликих автоматичних станцій. Вже зараз у двигуна «Хаябуси» питомий імпульс – 34000 м/с. У майбутньому цілком можливо створення іонних двигунів із питомим імпульсом до 50000 м/с.

7. В іонному рушії робоче тіло являє собою іонізований газ. Іонізований газ складається із атомів, від яких відірвали електрони, а отже, ці атоми можна прискорювати магнітним полем. Зазвичай у якості робочого тіла використовують якийсь інертний газ.

8. Що дає космічному кораблю застосування рушія із більшим питомим імпульсом? Те, що якщо ми збільшимо у 10 раз питомий імпульс, значить для забезпечення кораблю того самого дельта ве нам треба буде у 10 разів менше палива. А, значить, корабель себе почуває відносно вільно у космосі.

9. Щоправда, для роботи іонного двигуна на кораблі має бути окреме джерело енергії. Для невеликих іонних двигунів поки що вистачає радіоізотопних генераторів, а у перспективі це таки має бути реактор, але винесемо це питання сьогодні за дужки.

10. Але і питомий імпульс у кілька десятків кілометрів на секунду – це все одно малувато, якщо ви описуєте війну мешканців супутників Юпітера проти колоністів у кільцях Сатурна. Кораблі все одно мають виглядати як бочки із паливом, до яких прикріплені кабіни. Наступний крок – магнітоплазмові двигуни. Ідея тут проста: якщо перетвории газ на плазму, то прискорваи його можна значно ефективніше. А отже, отримати значно більший питомий імпульс.

11. Магнітоплазмові двигуни вже з десяток років працюють у лабораторіях на Землі. До випробування у космосі ніяк не дійде справа. Теоретично їх питомий імпульс може сягати 250-300 тисяч метрів за секунду. Це багато. Це дельта ве у 90 кілометрів за секунду. Це менше ніж рок польоту від Землі до Юпітера навіть без усіляких гравітаційних маневрів, про які теж буде не сьогодні.

12. Але і це ще не все. У поки що повністю гіпотетичного термоядерного двигуна питомий імпульс може сягати кількох мільйонів метрів за секунду. А це вже (при тому ж співвідношенні палива до маси корабля) майже 900 кілометрів за секунду дельта ве. Це пара тижнів польоту від Землі до Юпітера і пара місяців – від Землі до Плутона.

13. Треба зауважити, що відносно термінів «ядерний двигун» та «термоядерний двигун» є деяка плутанина, адже під цим терміном розуміють досить велику групу досить різнородних за принципом дії рушіїв. І частіше за все під цим терміном розуміють різноманітні «вибухольоти», у дії яких так чи інакше є відмінність від класичного реактивного двигуна. Не вдаючись до подробиць, я тут розглядаю «чистий» реактивний термоядерний рушій за принципом магнітної плашки: високотемпературна плазма утримується всередині об’єму магнітним полем, у ній іде керована термоядерна реакція та існує тільки один вихід – сопло двигуна. Конструкція дуже теоретична, але ніяким законам фізики не суперечить.

14. У реактивних двигунів існує межа величини питомого імпульсу. Це 300 мільйонів метрів за секунду. Ви правильно здогадалися, що це – швидкість світла у вакуумі. І оскільки ми маємо справу із розгоном часток, що мають масу навіть наближення до цієї межі – вкрай проблематична штука.

15. Однак ми знаємо у природі процеси, які вміють розганяти газ до таких швидкостей. Мова іде про чорні діри, які вміють випускати зі своїх полюсів газ із релятивістською швидкістю. Звичайно, що повторити такого ми зараз і найближчим часом не зможемо. Але якщо описується цивілізація, яка опанувала контроль за гравітацією (а саме вона розганяє газ у чорних дірах), то цілком можливо описати релятивістський гравітаційний реактивний рушій.

16. Наостанок про красиві шлейфи за дюзами зорельотів. Ми бачимо їх завдяки тому, що викинуті частки завчасно гальмуються і випромінюють в оптичному спектрі. При збільшенні питомого імпульсу швидкість часток робочого тіла стає значно вищою за ту, що доступна для спостереження, а самих їх стає набагато менше. Тож чим більш просунутий реактивний рушій, тим менш ефектною виходить його робота.

І на цьому, мабуть, поки що все.

Далеко за хмари: Як літають космічні кораблі (деякі примітки про «реалістичну спейсоперу»)
Підписатися
Повідомляти про
0 Коментарі
Вбудовані Відгуки
Переглянути всі коментарі
0
Будемо раді дізнатися Вашу думку про публікацію :)x
()
x
Догори