Энергетика
3 поста
Настоящий космический бой
Одно из обсуждений здесь на Пикабу коснулось космических боёв. Не таких, как нам показывают в фильмах и играх, а тех, которые могли бы происходить в реальности.
Некоторое время назад я уже размышлял на эту тему, теперь хочу поделиться своими соображениями, каким мог бы быть бой между двумя космическими кораблями в реальности.
(Опять много букв!)
Мы будем рассматривать только те технологии, которые допускаются современной физикой, поэтому я не буду касаться сверхсветовых двигателей, инерциоидов, двигателей без выброса реактивной массы, силовых полей, тахионных излучателей и прочих экзотических изобретений фантастов и режиссёров.
Космос представляет собой новый уникальный театр военных действий, с которым человечество никогда ранее не сталкивалось. В фильмах и компьютерных играх можно часто видеть некое воссоздание морских сражений эпохи наполеоновских войн или адмирала Нельсона, где огромные корабли дают друг в друга грандиозные залпы из исполинских орудий, а между ними, как уже происходило во Вторую Мировую, идёт ожесточённый бой маленьких истребителей. Создателей этих фильмов и игр можно понять, так как зрелищность в индустрии развлечений много важнее реалистичности.
Реальный же космический бой будет выглядеть не так эпично, происходить гораздо быстрее, и в целом, смотреть в нём особо будет не на что.
Давайте подробнее разберём все фазы космического боя, и начнём с обнаружения противника.
В космосе, несмотря на то, что он кажется большим, холодным и пустым, как бы это не казалось кому-то парадоксальным, всегда прекрасная видимость и отсутствуют плохие метеоусловия, что подводит нас к первому новшеству - скрытность в космосе невозможна. В космосе нельзя подкрасться к противнику незаметным. Любой космический корабль излучает тепло и будет хорошо заметен на фоне холодного космоса за многие сотни тысяч, если не миллионы километров (даже слабосильный ионный двигатель можно засечь современными средствами обнаружения на расстоянии до 1 астрономической единицы /~150 млн. км/).
Чтобы просто затаиться, можно попробовать излучать всё своё тепло в противоположном направлении от противника, но, во-первых, это технически трудно-реализуемо, во-вторых, данной тактике легко противодействовать запуская следящие зонды, оснащённых детекторами инфракрасного излучения в разных направлениях.
Ещё труднее сделать конструкцию своего корабля такой, чтобы он мог запасать тепло во внутренних радиаторах, но рано или поздно наступит перегрев, который может повредить или вовсе уничтожить такой корабль.
Рис.: Радиатор на МКС
Вопреки распространённому мнению, непосредственное маневрирование может быть и не связано с сжиганием топлива, например, при использовании "солнечного паруса", однако, развиваемая им "тяга" крайне низка, двигаться он позволяет только в направлении от Солнца, а размеры самого паруса настолько велики, что могут быть обнаружены в видимом диапазоне электромагнитного излучения обычным телескопом.
Итак, мы увидели противника (а он увидел нас!), теперь необходимо определить, что это за противник. Используя спектрометрию мы исследуем яркость и температуру реактивных струй, покидающих его двигатели, сопоставляем эти данные с наблюдаемым ускорением, и узнаём массу вражеского корабля. Тепловые ловушки и прочие цели-обманки не сработают. И противник, и мы знаем все характеристики друг друга, возможности нашего вооружения и средств защиты.
Космический бой будет проходить в условиях беспрецедентной осведомлённости о силах, средствах и местонахождении противника. Никакого "тумана войны", поле боя открыто как шахматная доска.
Рис. Скрин из игры Children of a dead Earth
Начиная сближение, следует иметь в виду, что оно будет происходить на скоростях, измеряемых в километрах или даже десятках километров в секунду. На принятие решений у нас будут миллисекунды, поэтому мы полностью исключаем человеческий фактор и включаем боевой компьютер, так как человек не способен анализировать информацию и принимать решения с требуемой скоростью. Далее, всё управление боем будет происходить исключительно "на автопилоте".
Мы готовимся к сражению до первого попадания, так как, вероятнее всего, одного попадания окажется достаточно для уничтожения противника. Не исключён так же исход, когда в результате космической дуэли погибнут оба противника.
Не увидим мы и красочных боёв истребителей в стиле "Звёздных войн". Космический истребитель может лететь в заданном направлении, при этом стрелять вперёд, назад, вверх, вниз, изменяя свою ориентацию в пространстве как угодно. Чтобы повторить сцену кинематографического боя двух истребителей, два враждующих пилота должны действовать сообща, координируя свои движения, двигаясь с одной скоростью, в одном направлении, синхронно включая маневровые двигатели.
Наш корабль весьма мал, до размера линкоров Второй Мировой или авианосцев современности, ему далеко. Нет смысла делать большие корабли, когда что одного попадания ядерного заряда или просто кинетической болванки будет, скорее всего, достаточно, чтобы его уничтожить или безнадёжно вывести из строя. Не сильно обнадёживающе. Кроме того, большой корабль столкнётся с большими нагрузками на конструкцию при маневрировании и попросту развалится. Нет на нём и серьёзной брони, так как от прямого попадания она всё равно не защитит, а масса сильно увеличится, что отрицательно скажется как на запасе хода, так и на манёвренности, а скорость и манёвренность корабля - его единственная надежда на выживание. Именно по этой причине, любой беспилотник получает огромное боевое преимущество перед пилотируемыми кораблями. Мало того, что ему не надо нести в себе системы жизнеобеспечения, пустое пространство для проживания экипажа, защиту от радиации, запасы пищи и средства спасения, но, кроме того беспилотный корабль оказывается гораздо манёвреннее, ведь ему не надо следить, чтобы перегрузки при ускорении, маневрировании и торможении оказывались переносимыми для экипажа. Хорошо сконструированный беспилотник может выдерживать ускорение в десятки g, может быть, даже сотни, что гарантированно убьёт человеческий экипаж, а в космической битве, если ты недостаточно быстр - ты мёртв.
Любой наш манёвр - это придание ускорения в занном направлении, которого можно достичь согласно третьему закону Ньютона только путём отбрасывания реактивной массы - включением двигателя и сжиганием топлива. Одной из важнейших характеристик любого космического аппарата является запас характеристической скорости (дельта-V или dV), который измеряется в км/с (или м/с). Её можно описать как максимальное изменение скорости, которое способен произвести корабль, используя имеющийся запас топлива, иными словами запас манёвренности. Чем больше наш dV, тем больше изменнний траектории мы можем себе позволить. Есть два способа заставить космический корабль ускоряться быстрее - сжигать больше топлива за единицу времени, либо использовать более высокую температуру сгорания. Первое даёт большую тягу, но увеличивает расход топлива, второе - пониженный расход топлива, но более низкую тягу.
В погоне за высоким dV на счету каждый килограммм. Именно поэтому, наш корабль не должен иметь на борту ничего лишнего (вроде человеческих существ и средств обеспечения их жизнедеятельноси), а если экипаж и необходим, то чем меньше он будет - тем лучше. Идеальный боевой космический корабль должен состоять из набора вооружений, прикреплённых к двигателю с топливными баками.
Рис. : вот так скучно и неказисто может выглядеть наш корабль. Кадр из игры Children of a dead Earth.
Нет, мы не увидим лазеры на нашем корабле. Несмотря на кажущуюся привлекательность данного вида вооружений, давайте честно посмотрим фактам в глаза - лазеры слишком громоздки для космического боя. Давайте прикинем: для уничтожения ракеты или дрона, который вращается, снижая эффективность нагрева, и имеет покрытие с хорошей теплоёмкостью, потребуется энергетическое воздействие в 60-80 КДж/см^2. Хорошо сфокусированному ультрафиолетовому лазеру, мощностью в 100 МВт потребуется от 2 до 4 секунд, чтобы уничтожить такую цель на дистанции в 10 тыс. км, от 20 до 40 секунд на 30 тыс. км и от 70 до 113 секунд на дистанции в 50 тыс. км. Может, и неплохо, но подобный лазер имеет зеркало диаметром в 10 метров, подобная выходная мощность потребует порядка 1 ГВт электроэнергии, а сама установка будет генерировать 900 МВт тепловой энергии, которую надо будет отводить при помощи массивных радиаторов. Импульс в несколько секунд должен будет сопровождаться минутами на охлаждение и отвод паразитного тепла. Турель с таким лазером будет размером с небольшой дом и потребует отдельного реактора для запитки, кроме того, она не сможет быстро вращаться при прицеливании. Если мы имеем дело с атакующим, хаотично маневрирующим роем из ракет и дронов, некоторые из которых могут ещё и распылять газ или жидкость, которая будет дополнительно рассеивать луч, можно понять, что применение подобного монстра будет абсолютно неэффективным.
Так что же вместо лазеров? Посмотрим на вооружение нашего корабля.
В первую очередь, на борту имеется несколько сотен вооружённых автономных дронов. Дроны различаются по виду и назначению:
Одни - дроны-перехватчики, имеющие очень высокую скорость и манёвренность. Их задача - уничтожение элементов вражеского роя (ракет и дронов). Они начинены мелкими поражающими элементами и тяжёлым сердечником. По возможности, он выстреливает шрапнель в сторону вражеской ракеты или дрона стараясь вывести из строя двигатели, системы управления или ориентации, главная задача такого выстрела - прекратить маневрирование цели, превратив её в свободно-летящую. При исчерпании боезапаса, такой дрон получает целеуказание и таранит вражеский дрон или ракету, стараясь достичь максимальной кинетической энергии удара.
Второй тип дронов - постановщики помех - такие дроны распыляют аэрозоль или газ, рассеивающий лазерные лучи, а так же имеет на борту мощные радиоизлучатели, глушащие сигналы вражеского роя.
Третьи - дроны-разведчики - начинены инфракрасными датчиками, радарами и лазерными дальномерами, обеспечивая рой и материнский корабль полной информацией о местонахождении, траекториях, скоростях и прочих характеристиках вражеского роя.
Компьютер на материнском корабле анализирует обстановку, просчитывает оптимальные варианты нейтрализации вражеского роя, даёт индивидуальные целеуказания, и в целом руководит процессом.
Четвёртый тип - собственно, ракеты - те же дроны, только имеющие на борту ядерный или термоядерный заряд. Их задача - уничтожение материнского корабля. Это самые тяжёлые и тяговооружённые дроны из всего роя. Их задача, хаотично изменяя свою траекторию добиться максимально-возможного сближения с вражеским материнским кораблём и подорвать заряд.
Несмотря на кажущийся огромным разрушительный потенциал ядерного и термоядерного оружия, следует иметь в виду, что для эффективного поражения взрыв подобного боеприпаса должен произойти как можно ближе к цели, так как в космосе отсутствует два из важнейших поражающих факторов подобного оружия - температура и ударная волна. Поражающее воздействие наших и вражеских ракет с ядерными и термоядрными боеголовками связаны лишь с электромагнитным излучением высокой интенсивности, и эта энергия убывает пропорционально квадрату расстояния до цели, поэтому крайне важно дать нашим ракетам достаточно времени для того, чтобы подойти как можно ближе к вражескому кораблю.
Каждый элемент роя поддерживает связь с соседями при помощи радиосвязи или направленных лазерных лучей, когда вражеские помехи и ядерные взрывы делают радиосвязь ненадёжной. Будучи отрезанными от коммуникаций с остальным роем, дрон или группа дронов способны самостоятельно продолжить выполнение боевой задачи в меру своих возможностей, либо предпринять действия по восстановлению коммуникаций.
Из-за небольшого размера дронов запас dV у них не велик. Очень оптимистичным для будущих технологий можно считать бюджет в 5-10 км/с. Это сравнимо с dV стартующей с Земли на орбиту ракетой. И хотя, в открытом космосе, такого запаса хватит, чтобы долететь до Плутона, так как свободно-летящий по прямой траектории дрон представляет собой прекрасную мишеть, необходимость в частом маневрировании, и высоком ускорении при манёврах серьёзно сокращает дистанцию активного взаимодействия с противником.
Последней линией обороны, на близких расстояниях, как ни странно, в противодействии вражеским ракетам и дронам, является скорострельное кинетическое оружие (банальные пушки и пулемёты). Да, пороховое оружие прекрасно работает и в космосе (в герметичной гильзе достаточно окислителя для сгорания пороха). Хотя принцип метания может быть любым (электромагнитные пушки, например), у порохового оружия есть преимущество - оно компактнее и не требует подвода дополнительной энергии. Эффективность в космосе будет даже выше, так как пули/снаряды не тормозятся о воздух и не теряют своей скорости. Тем не менее, нам необходимо помнить о законе сохранения импульса - даже повреждённая нашим снарядом вражеская ракета всё ещё представляет опасность, так как движется к нам на относительной скорости порядка (десятков) км/с, и имеет высокую кинетическую энергию, поэтому ммпульс наших снарядов должен быть достаточно высоким, чтобы погасить эту энергию. Нам необходимо кинетическое оружие с высокой дульной энергией. Большая скорость снаряда предпочтительнее большой массы, так как энергия удара растёт линейно пропорционально массе и квадратично пропорционально скорости (Е = m*v^2 / 2).
Не следует забывать и о перегреве. Отвести тепло в космосе можно только излучением, поэтому каждой такой пушке потребуется мощный радиатор.
Скорость сближения двух кораблей может колебаться от нескольких метров в секунду (на параллельных курсах) до десятков километров в секунду (на встречных курсах).
Встречный курс представляет собой наибольшую опасность для обоих противников, так как даже обыкновенная гайка на подобной скорости способна прошить корабль насквозь и нанести серьёзные повреждения. Кроме того, поскольку время столкновения очень мало, дроны покажут себя наиболее эффективно, так как не успеют за это время истратить свои запасы топлива, и будут способны нанести максимальный урон противнику. Обратной стороной медали является то, что и на уничтожение вражеских дронов времени будет крайне мало. Наиболее вероятный исход столкновения на встречных курсах - взаимное уничтожение.
Сближение на параллельных курсах может происходить с любой скоростью (хоть 1 см. в год), и тактика здесь совершенно другая - это борьба на истощение. Чьи дроны ранее израсходуют своё топливо, тот и проиграл, так как времени на эффективное обнаружение и уничтожение будет более чем достаточно. Поскольку запас дронов ограничен, большие шансы на успех имееет тот корабль, у которого больше дронов на борту. При равных силах, наиболее вероятным исходом станет ничья, когда ни один корабль не сможет вывести другой из строя.
Вот, примерно так, по моему мнению мог бы выглядеть реальный космический бой. В этих размышлениях для меня осталось загадкой только одно - какая в этом всём цель - кому и зачем может потребоваться вести неимоверно-дорогостоящие боевые действия в открытом космосе.
В космосе хватит места на всех.
Показать полностью
10
