Вопросы научной фантастики: о космических истребителях
Вопросы научной фантастики: о космических истребителях
Должен сразу сказать, что я не верю в космические истребители.
Сама по себе идея легкого космического аппарата, управляемого пилотом подобно боевому самолету, слишком уж явно пришла «с Земли». Из атмосферной авиации и палубных самолетов морского флота. А одно из основных правил, когда рассматриваешь войну в Космосе — ко всем земным аналогиям надо относиться с сомнением.
Одна из главных проблем космического истребителя – это то, что он оперирует в одной среде с тяжелыми кораблями (т.е. вакууме). В морской войне, палубный самолет имел преимущества в мобильности над линкором, поскольку двигался в менее плотной среде (воздухе), в то время как линкор в более плотной (воде). Но в Космосе это не так! Космический истребитель и космический линкор движутся в совершенно одинаковом вакууме, и их динамические характеристики полностью зависят от развиваемого ускорения и запаса характеристической скорости (дельта-V). А они определяются чисто инженерными решениями.
Ничто принципиально не мешает построить огромный космический дредноут, который будет иметь равное истребителю отношение тяги и массы рабочего тела к полной массе корабля. Такой дредноут будет иметь равное истребителю ускорение, и равную характеристическую скорость – то есть по многим динамическим характеристикам будет ему идентичен.
Представьте, сравнения ради, что “Ямато” вдруг поднялся из воды, и на скорости в 450+ км/ч начал гоняться по небу за надоедливыми американскими самолетиками. Насколько “легко” будет теперь с ним справиться для палубной авиации?
ПРИМЕЧАНИЕ: Следует, однако, отметит, что маленький и компактный истребитель, скорее всего, будет маневреннее линкора. Просто потому, что он легче и короче, и при равной скорости разворота центробежная сила и связанные с ней неприятности влияют на компактный корпус истребителя значительно меньше, чем на огромную “центрифугу” поворачивающегося дредноута. Также ему проще преодолевать инерцию. То есть истребителю проще менять вектор ускорения и выписывать маневры уклонения – что вполне может иметь тактическое значение.
Вторая большая проблема, с которой сталкиваются космические истребители – это отсутствие в Космосе горизонта. За крайне редкими исключениями (вроде орбит планет и колец газовых гигантов), в Космосе негде прятаться. Неприятель узнает об атаке истребителей в тот же самый момент, когда те отделятся от своей базы. Ни о какой внезапности атаки не идет и речи: истребители приближаются к цели, которая заранее и полностью готова отразить их атаку.
А так как наиболее дальнобойным оружием в Космосе, является лазерное и ракетное – которое истребители как раз использовать эффективно не могут, из-за небольших размеров и малой полезной нагрузки – то истребителям придется, возможно, часами продираться сквозь заградительный огонь противника, прежде чем они сумеют атаковать врага.
Но самый худший удар по идее космического истребителя наносит старая добрая физика. А точнее, “кошмар формулы Циолковского”. Которая, напомним, выглядит вот так:
V = I * ln(m0/m1)
Где:
* m0 – стартовая масса полностью заправленного корабля
* m1 – “сухая” масса корабля, с выработанным рабочим телом
* I – удельный импульс, отношение тяги к секундному расходу массы рабочего тела.
* V – дельта-V, конечная скорость (относительно исходной) приобретаемая после выработки рабочего тела.
ПРИМЕЧАНИЕ: рабочее тело – то, что ракета выбрасывает из сопел, топливо – то, откуда она берет энергию для выбрасывания. У химических ракет, топливо и рабочее тело – это одно и то же. А вот у термальных атомных, например, ракет, топливо – это уран в реакторе, а рабочее тело – это нагреваемое реактором вещество, выбрасываемое через сопла. Мы говорим именно о рабочем теле.
Чем же так ужасно это простое уравнение для отважных космических пилотов — высокомерных имперских асов-аристократов, раздолбайских летающих цирков межзвездных Федераций и суровых патриотов-коммунистов-прогрессоров? Давайте разберемся:
А) Итак, предположим, что у нас есть истребитель “сухой” массой 100 тонн, оснащенный двигателем с удельным импульсом в 1000 секунд и высокой тягой (то есть торчшип). Предположим, что он стартует с астероидной базы, чтобы атаковать приближающийся корабль противника и для разгона навстречу неприятелю ему необходимо суммарно 10 км/с дельта-V.
Преобразуем формулу Циолковского для поиска m0. Она приобретет вид:
M0 = m1 * e V/I
Чтобы не возиться с уравнениями, я использовал очень удобный онлайн-калькулятор.
http://www.quantumg.net/rocketeq.html
Подставляем в окошечки значения:
* дельта-V (dv) – 10.000 м/с
* удельный импульс (isp) – 1000 секунд
* Масса конечная (m1) – 100.000 кг
* Массу начальную (m0) мы как раз и ищем, нажимаем recalc рядом с ней.
Итак, мы получили значение m0 равное 277.432 кг. Это масса нашего истребителя в момент старта, полностью заправленного рабочим телом. Из них 100 тонн – собственно, сам истребитель, а остальные 177 – рабочее тело. Кажется, вполне приемлемо.
Но на самом деле, все только начинается.
ПРИМЕЧАНИЕ: здесь и далее мы пренебрегаем для простоты массой самих баков.
В) Допустим, наш истребитель успешно выполнил заход, и цель превращена в облако остывающей плазмы. Удачливый и довольный отважный пилот уже предвкушает поздравления от командира и попойку с приятелями в баре. Но чтобы предаться всем этим восхитительным spoils of war, ему нужно сначала как-то вернуться обратно на базу.
И тут начинаются проблемы.
Наш истребитель, разгоняясь для атаки противника, израсходовал 10 км/с характеристической скорости, и в данный момент несется в пустоту, плавно закручиваясь вокруг Солнца. Поскольку это истребитель (и не обладает большими резервами жизнеобеспечения), то он не может просто позволить себе скользить месяцами через Космос, пока законы баллистики не откроют ему хорошее “окно” для возвращения. Ему нужно вернуться домой как можно скорее.
А для этого ему нужно для начала сбросить 10 км/с набранной скорости удаления от носителя.
Для этого, ему нужно взять с собой еще 177 тонн рабочего тела. Но просто прибавить эти 177 тонн мы не можем – потому, что эти 177 тонн нам тоже нужно разгонять на стадии A. Стало быть, изначальная масса истребителя на стадии А должна включать массу рабочего тела для торможения, и массу рабочего тела для разгона этой массы.
Снова воспользуемся онлайн-калькулятором:
* дельта-V (dv) – 10.000 м/с
* удельный импульс (isp) – 1000 секунд
* Масса конечная (m1) – 277.000 кг (100 тонн корабля + 177 тонн рабочего тела для торможения)
Получаем значение m0 равное 768.488 кг – округлим до 768 тонн. Из них 100 тонн – масса, собственно, корабля, 177 тонн – масса рабочего тела для торможения, а оставшиеся 491 тонн – масса рабочего тела для разгона. Наш истребитель изрядно “потолстел”, увешался подвесными баками в пять раз больше собственной массы. Но это еще присказка, не сказка не так плохо.
Хуже будет впереди.
C) Теперь наш истребитель выполнил торможение и сбросил избыточную скорость. Неплохо бы теперь двинуться в обратный путь к базе, где пилота уже с нетерпением поджидают друзья, а также потенциальные романтические интересы сексуально совместимых видов. И желательно не потратить на этот путь сильно много времени.
Но… чтобы разогнаться к базе, нам опять нужно рабочее тело. Если мы хотим вернуться столь же быстро, как улетали, то нам нужно 177 тонн рабочего тела, чтобы иметь 10 км/с дельта-V на обратный путь. И эти новые 177 тонн надо (вдобавок и имеющимся) разогнать на стадии А, после чего затормозить на стадии B.
Думаю, все понимают, что делаем дальше? За калькулятор!
* дельта-V (dv) – 10.000 м/с
* удельный импульс (isp) – 1000 секунд
* Масса конечная (m1) – 945.000 кг (добавляем еще 177 тонн к предыдущему расчету)
Получаем m0 равное 2.621.738 кг. Иначе говоря, 2622 тонны. Из них 100 тонн – сам корабль, а остальные 2522 тонны – рабочее тело.
Наш славный истребитель выглядит уже малозаметной фитюлькой на фоне громады баков, в 25 с лишним раз превышающих его по массе. Хорошо, если мощности нашего движка хватает, чтобы разгонять этот огромный массив рабочего тела (с прилагающимся к нему истребителем). Но, по крайней мере, мы уже летим домой и все кончилось…
Или нет?
D) Наш истребитель, наконец, возвращается домой и исстрадавшийся пилот уже видит родной шлюз, за которым его примут в дружеские объятия товарищи, и более-чем-дружеские – стройные инопланетные красавицы/красавцы сексуально совместимых видов. Скоро, уже совсем скоро он будет с ними… пожалуй, даже слишком скоро. Пилоту кажется, что он как-то чересчур уж быстро двигается, сближаясь с базой на 10 км/с. На такой относительной скорости, даже Хэн Соло не осилит мягкую стыковку.
Да, все верно. Чтобы мягко состыковаться с базой (а не испариться вместе с ней во вспышке сверхскоростного столкновения) истребитель должен снова тормозить. Снова сбрасывать с таким трудом набранную на стадии C скорость возвращения. А это значит, что ему нужны еще 177 тонн рабочего тела для второго (теперь уже финального) торможения… и устрашающая бездна тонн добавочного рабочего тела, чтобы разогнать дополнительную массу на стадии А, затормозить на стадии В, и разогнать обратно на стадии С.
Снова к калькулятору (теперь уже последний раз, честно!)
* дельта-V (dv) – 10.000 м/с
* удельный импульс (isp) – 1000 секунд
* Масса конечная (m1) – 2799.000 кг (добавляем еще 177 тонн к предыдущему расчету)
Получаем m0 равное 7.765.341 кг. Или 7765 тонн, из которых 5143 тонны расходуются только на начальном разгоне. Наш гордый истребитель, со всеми его могучими двигателями, отчаянным пилотом, и прозрачным кокпитом (украшенным игральными костями на цепочке) превратился в крошечное, почти незаметное дополнение к громадному комплексу баков, превосходящих его массу в семьдесят семь раз!
Огромный бак и крошечное остальное. Да, так устроены космические корабли.
Позитивная сторона – такая громада баков служит спрятанному между ними истребителю хорошим прикрытием от неприятельского огня. Негативная сторона – если хотя бы один из “возвратных” баков (нужных на стадиях B, C и D) окажется пробит, истребитель не сможет самостоятельно вернуться.
Для большей наглядности, разложим массы по таблице:
Теперь предположим, что вместо истребителя мы пускаем одноразовую беспилотную ракету с такой же массой (100 тонн “сухой”) и такими же характеристиками двигателя. От которой требуется только долететь до цели, и все.
Подставляем значения в наш верный калькулятор:
* дельта-V (dv) – 10.000 м/с
* удельный импульс (isp) – 1000 секунд
* Масса конечная (m1) – 100.000 кг
* Массу начальную (m0) мы как раз и ищем, нажимаем recalc рядом с ней.
Значение m0 равно 277.432 кг. Все. 177 тонн рабочего тела вполне хватит ракете, чтобы разогнаться навстречу цели и совершить свой единственный – первый и последний – боевой заход. Возвращаться ей, как легко понять, не нужно.
Теперь мы видим прагматичную реальность: одноразовая ракета, летящая “в один конец”, в 28 раз эффективнее истребителя, летающего “туда и обратно”. При этом единственное, в чем ракета реально уступает истребителю, это в отсутствии на борту пилота, способного принимать сиюминутные решения. С другой стороны… кто сказал, что это вообще недостаток? Если истребитель вынужденно ограничен возможностями жизнеобеспечения пилота, то беспилотная ракета может оставаться в полете и месяцы и годы — неумолимо настигая свою цель.
Присутствие человека (или когнитивного искусственного интеллекта) в космической войне требуется в основном тогда, когда нужно принимать сиюминутные решения, и задержка сигнала не позволяет передоверить их людям и компьютерам в тылу. То есть речь идет о дистанциях в миллионы километров. Но истребитель, с его ограниченной системой жизнеобеспечения, для такого удаленного оперирования не приспособлен, вот в чем загвоздка! Он просто не способен уйти от базы достаточно далеко, чтобы связь превратилась для него в реальную проблему.
Gunstar из The Last Stargfighter куда ближе к канонерке, чем классические истребители…
Подведем итоги: хотя легкие космические аппараты, делающие ставку на маневр, в космической войне, безусловно, возможны – это будут не истребители, а полноценные (пускай и сравнительно маленькие) корабли, способные к длительному автономному полету. По сути, это, скорее, будут аналоги боевых катеров/миноносцев и небольших корветов/канонерок, нежели аналоги палубной авиации. Нишу же “истребителей” — а равно штурмовиков, бомбардировщиков и т.д. — целиком и с избытком занимают дальнобойные ракеты.
