Вопросы научной фантастики: война на космических коммуникациях
Вопросы научной фантастики: война на космических коммуникациях
В отношении войны в Космосе мне часто доводилось слышать следующий аргумент: «какие могут быть военные действия, если в пространстве между планетами нет никаких точек, за которые нужно сражаться?» Такое мнение связано с популярным представлением космического пространства как огромного океана с редкими крошечными островами, в котором нет ни континентов, ни архипелагов — ничего, что могло бы ограничивать свободу передвижения по нему. И если нет узостей, ограничивающих траффик, то каким образом, например, можно вести войну на коммуникациях?
Однако, это не так. Или, вернее сказать, не вполне так. «Узости» вполне себе существуют и в Космосе — но очерчивает их не география, а баллистика в тесной связи с экономией.
Немного теории для начала: наиболее экономически эффективным путем межпланетного перемещения является т.н. Гомановская траектория. Она представляет собой вытянутую эллиптическую орбиту, в апоцентре и перицентре пересекающая исходную и целевую орбиты.
Главное достоинство Гомановской траектории — это минимальные затраты дельта-V на перелет. Необходимы всего два прожига двигателей: первый, чтобы перейти с исходной орбиты на переходную, и второй — чтобы перейти с переходной орбиты на целевую. Недостатком является сравнительно долгое время пути: траектории подобного рода не особенно быстрые. Однако (если не рассматривать сценарии с т.н. «торчшипами», то есть кораблями, способными поддерживать значительное ускорение непрерывно на протяжении всего полета), межпланетные перелеты вообще являются небыстрым делом. С другой стороны, затраты дельта-V напрямую влияют на экономичность перелета. Чем меньше тонн рабочего тела для двигателей нужно брать на каждую тонну массы корабля, тем лучше.
Итак, предположим, что космический корабль “Е.И.В. КоммунистЪ Первой Гилiдии Иванъ Непреклонецъ” подрядился доставить 200 тонн груза с Земли на Марс. “Непреклонецъ” оснащен достаточно совершенным твердотельным ядерным ракетным двигателем на водороде, удельным импульсом в 800 м/с. Масса, собственно, корабля – со всеми его двигателями, конструкциями, топливными баками, отсеком экипажа и запасами на время пути, но БЕЗ учета рабочего тела – составляет 200 тонн. Напоминаю, что мы говорим о корабле с ядерным двигателем, поэтому “топливо” (уран в реакторе) и “рабочее тело” (нагреваемый реактором водород, выбрасываемый через дюзы) для него разные вещи.
Сколько рабочего тела должен взять на борт “Непреклонецъ”, чтобы при заданных параметрах добраться до Марса? Перелет между Землей и Марсом, по самой “дешевой” (в плане дельта-V), Гомановской траектории потребует округленно 6 км/с характеристической скорости и 211 дней.
В принципе, затраты дельта-V можно свести к 3,6 км/с, если использовать торможение об атмосферу Марса, чтобы погасить переходную и орбитальную скорость. Однако, такой маневр зависит от способности корабля выдержать тепловые и вибрационные нагрузки при “цеплянии” атмосферы. Кроме того, он требует чрезвычайно точного прицеливания – если корабль незначительно промахнется мимо атмосферы, он промахнется мимо Марса. Так что в нашем случае мы его рассматривать не будем.
Воспользуемся формулой ракетного движения, выведенной великим теоретиком космонавтики Константином Эдуардовичем Циолковским. Она выглядит следующим образом:
V = I * Ln (M1/M2)
Где:
M1 – масса полностью заправленного корабля (конструкция + нагрузка + топливо).
M2 – масса корабля с пустыми баками (только конструкция + нагрузка).
I – удельный импульс (отношение тяги двигателя к расходу рабочего тела в секунду)
V – характеристическая скорость.
Значения M2, I и V нам известны, требуется найти M1.
Подставив значения и выполнив расчеты, получаем, что M1 – масса полностью заправленного “Непреклонцъа” — составляет 860 тонн, из которых M1-M2=850-400=460 тонн составляет рабочее тело. Иначе говоря, более половины массы корабля составляет содержимое баков.
Как можно видеть, теоретический запас дельта-V очень близок к требуемому, практически без резерва. Но это нормально для гражданских космических перелетов. В отличие от условий Земли, в межпланетном перелете очень мало внешних по отношению к кораблю факторов, которые могли бы вызвать значимое отклонение от курса. Движущийся по баллистической траектории в сфере Хилла Солнца, “Непреклонецъ” практически не подвергается воздействию каких-либо посторонних факторов и не нуждается в сколь-нибудь значимом резерве хода. Для небольших же коррекций имеющегося запаса хватает с лихвой, затраты дельта-V на них невелики по сравнению с разгоном и торможением.
Теперь настало время вспомнить, что мы рассматриваем вопрос о космической войне. В один “прекрасный” день перелета, капитан “Непреклонцъа” получает срочное сообщение с Земли: по данным телескопов, космический крейсер Либерально-Авторитарного Правления Коалиции Астероидов (сокращенно ЛАПКА) выполнил прожиг двигателями, и перешел с круговой околосолнечной орбиты на переходную. Просчеты траектории показывают, что N дней спустя, крейсер пройдет всего в нескольких сотнях километров от “Непреклонцъа”. С предсказуемым для беззащитного транспорта результатом.
Что может сделать капитан “Непреклонцъа”, чтобы спасти свой корабль? Проблема в том, что ничего. Его крошечный резерв дельта-V не позволяет ему изменить траекторию так, чтобы избежать перехвата крейсером и вернуться затем на путь к Марсу. Если он израсходует хотя бы чуть-чуть больше резерва, то ему уже не хватит рабочего тела, чтобы затормозить возле Марса. Таким образом, даже если “Непреклонецъ” избежит перехвата крейсером, его судьба незавидна:
* В лучшем случае, “Непреклонецъ” окажется достаточно близко к Марсу и сумеет замедлиться достаточно (возможно, ценой сброса груза), чтобы спасательный корабль сумел догнать его и снять незадачливый экипаж.
* В худшем случае, сильно отклонившийся от курса “Непреклонецъ” будет нестись по эллиптической орбите до тех пор, пока система жизнеобеспечения не откажет, и корабль не превратится в баллистическую гробницу для своего экипажа.
Исходя из таких “радостных” перспектив, очевидно, что если капитан “Непреклонцъа” хочет избежать встречи с крейсером и доставить-таки груз до Марса, то ему нужно озаботиться запасом дельта-V для уклонения заранее. Предположим, что капитан хочет иметь хотя бы 1 км/с резерва. Что он для этого может сделать?
Первой мыслью, конечно, является увеличить запас рабочего тела. Однако, тут нас поджидает неожиданная проблема: дополнительное рабочее тело тоже надо разгонять. При тех же параметрах двигателя и груза, чтобы увеличить запас дельта-V “Непреклонцъа” до 7 км/с, нам нужно взять с собой дополнительные 110 тонн рабочего тела. И это еще в том случае, если нам не потребуются к нему еще и дополнительные баки (то есть дополнительный водород можно залить в имеющиеся), а если потребуются, то придется увеличивать и массу корабля — что, в свою очередь, тоже потребует дополнительного рабочего тела на то, чтобы ее разгонять!
Если же, предположим, чтобы разместить дополнительное рабочее тело, “Непреклонецъ” должен прицепить еще и дополнительный бак массой (пустой) 10 тонн, то нам потребуется уже 130 тонн рабочего тела, чтобы обеспечить желаемую дельта-V в 7 км/с.
Альтернативой будет уменьшить количество полезного груза на 50 тонн. Тогда имеющихся 460 тонн рабочего тела должно хватить, чтобы обеспечить “Непреклонцъу” дельта-V порядка 7,1 км/c. Однако, тут мы уже влезаем в сложности экономики. Можно ли делить на части конкретный груз? И если можно, то оправдает ли уменьшившаяся выручка стоимость перелета?
Таким образом, мы видим наглядную демонстрацию: отклонения от оптимума в Космосе стоят дорого. И это всего лишь 1 км/с дополнительной скорости. Более значительный запас хода приведет либо к экспоненциальному росту массы корабля, либо в итоге к снижению массы груза до нуля. Легко понять, что экономика космических перелетов не может позволить ни безумно огромных запасов рабочего тела — которые, если противник НЕ атакует, оказываются бесполезным балластом — ни кораблей, возящих исключительно самих себя.
Вынужденная привязанность транспортных кораблей к наиболее выгодным траекториям и стартовым окнам для них, создает, соответственно, необходимые нам «узости» для влияния на коммуникации. Неважно, что эти «узости» могут быть шириной в миллионы километров.
Я условно подразделяю войну на космических коммуникациях на рейдерские и блокадные операции:
* Рейдерские операции — это операции, целью которых является конкретный транспортный корабль или конвой. Их задачей является не полное прерывание судоходства, а снижение его рентабельности и эффективности за счет потенциальной угрозы перехвата.
Пример рейдерской операции: см. выше – крейсер ЛАПКА перехватывает незадачливый “Непреклонецъ”. Целью крейсера является конкретный транспорт, крейсер не ставит задачей перехвата всех кораблей, которые могут двигаться от Земли к Марсу.
* Блокадные операции – это операции, целью которых является закрытие для оппонента стартового окна вообще. Их целью может даже не быть транспортное космоходство противника как таковое: их целью является не дать противнику воспользоваться Гомановскими траекториями в то время, когда взаимное положение планет оптимально и имеются стартовые окна для перелетов.
Пример блокадной операции: ЛАПКА направляет эскадру на орбиту квазиспутника Земли (то есть флот движется вокруг Солнца с тем же периодом обращения, что и Земля, но достаточно далеко, чтобы не стать спутником Земли). Любые транспортные корабли, которые Совет Имперских Народных Комиссаров (сокращенно СОВИНКОМ) Земли попытается запустить к Марсу, будут легкой мишенью для ракет кораблей Пояса. И если СОВИНКОМ не наскребет достаточно военных кораблей, чтобы отогнать блокирующую эскадру, то транспортное сообщение Земля-Марс будет прервано.
Один из вариантов орбиты квазиспутника Земли на примере астероида Круитни
Подклассом операций на коммуникациях может являться минирование — т.е. расположение пассивных боевых платформ (например, пусковых контейнеров с ракетами) на квазиспутниковых орбитах с таким рассчетом, чтобы они перекрывали переходные траектории на необходимый период времени. Следует понимать, что в космических условиях «скрытное» минирование крайне затруднено. Сами по себе космические мины могут быть сделаны практически невидимыми для удаленного наблюдателя, но незаметно вывести мины на нужную траекторию чрезвычайно сложно. Космические минные постановки, скорее, должны будут опираться на огромное количество дешевых — например, надувных — ложных целей, выставленных вместе с настоящими минами, с целью максимально усложнить и замедлить операции по их уничтожению.
Интересной особенностью космической рейдерской войны является то, что в ней рейдер не может позволить себе физически завладеть призом. Затраты дельта-V на то, чтобы уравнять скорости с призом, высадить призовую команду на его борт, и затем направить оба корабля к новому назначению будут просто чудовищны. Аналогично экономически нереален и переход команды приза на рейдер с последующим уничтожением приза.
Что же может в таком случае рейдер, если война имеет “цивилизованный” характер, и просто расстрелять приз вместе с командой – неприемлемо? Все потенциальные решения в данном случае сводятся к тому, чтобы заставить команду приза выполнять приказы рейдера – угрожая уничтожить его в случае неподчинения.
Например:
* Угрожая уничтожением, рейдер требует от приза сбросить груз в вакуум, и затем выполнить демонстрационный прожиг двигателей. Во-первых, чтобы исключить возможность подбора груза, а во-вторых – чтобы убедиться, что приз действительно стал легче (а не просто сбросил за борт пустую тару). В этом случае рейдер довольствуется уничтожением груза, отпуская приз восвояси.
* Альтернативой является иметь в радиусе досягаемости приза танкер-заправщик или буксир с большим запасом дельта-V (и призовой командой на нем). В этом случае, рейдер, угрожая уничтожением, требует от приза изменить траекторию так, чтобы встретиться с заправщиком, принять на борт призовую команду, и стартовать к дружественному (для рейдера) порту. В этом случае, рейдер захватывает и корабль, и груз. Однако, такое решение требует наличия заправщика/буксира, и способности приза до него добраться.
P.S. В завершение, а что же случилось с нашим “Е.И.В. КоммунистЪ Первой Гилiдии Иванъ Непреклонецъ”? Не имея резерва дельта-V, чтобы уклониться от атаки рейдера, и так и не сумев добиться от бюрократической машины СОВИНКОМ’а отправки военных кораблей на помощь, капитан “Непреклонцъа” принял единственно разумное решение: вступил в переговоры с рейдером ЛАПКА. Инструкции командира рейдера были просты и безжалостны — сбросить груз и провести коррекцию траектории, или же быть уничтоженными. Оказавшись в безвыходном положении, экипаж “Непреклонцъа” был вынужден подчиниться, и спустя N дней имел неудовольствие наблюдать, как рейдер, проскочив всего в паре сотен километров от “Непреклонцъа”, использовал сброшенные грузовые контейнеры как практическую мишень для своих лазеров и рейлганов. Запасы и оборудование, стоимостью в миллиарды космочервонцев, превратились в быстро рассеивающееся облако обломков, летящее по эллиптической траектории. Все, что оставалось команде пустого “Непреклонцъа”, это уныло продолжать свой полет к Марсу, выслушивая в эфире гневные отповеди осаждаемого страховыми агентами СОВИНКОМ’а…
