Ликбез по космической цивилизации - часть III: средства передвижения

[sergeyr]

Вообще говоря, если уж мы придерживаемся принципа «только хардкор, только наблюдаемая реальность» - и, соответственно, постулата о том, что обезьянам в космосе делать нечего, то это заодно отменяет и потребность в _быстрых_ перелетах, с их затратами ресурсов, а значит и стирает грань между средством транспорта и обитаемой базой. Хорошо сконструированному саморемонтирующемуся разумному автомату спешить не обязательно, он может вообще обосноваться на подходящей блуждающей планете - и за несколько десятков миллионов лет облететь хоть полгалактики.

Для внутрисистемных перелетов можно использовать различные пересекающиеся траектории орбитальных станций ("циклеров") - получится нечто вроде орбитальных автобусных маршрутов. Комфортабельно, надежно, не затратно.
Для полетов вне расписания, но и без особой спешки - вполне подходят ионные двигатели (уже используемые) и даже солнечные парусники (для особо легких конструкций), но последние я бы использовал скорее вместо коррекционных двигателей спутников и станций.
С некоторых планет вполне может иметь смысл поднимать относительно объемные и хрупкие грузы на привычных нам химических ракетах. В конце концов, затрат невосполнимых ресурсов это не требует - такие ракеты и топливо для них можно делать с применением одних только широкораспространенных материалов (железа и аллюминия, например, в космосе довольно-таки дофига, так что если какая-то часть ракет и будет теряться при запуске, то и хрен с ними, систему это быстро не истощит).

Для переброски с орбиты на орбиту идеальная штука - орбитальные ротоваторы, т.е. гигантские тросовые "пращи", передающие "посылки" с одной орбиты на другую и обратно (последнее крайне желательно, т.к. позволяет тратить минимум энергии - при работе только в одну сторону ротоватор будет каждый раз смещаться, пока не сойдет с устойчивой орбиты вообще). Ротоваторы тоже работают строго по расписанию; вообще это некий космический аналог фуникулера, только еще более занудный - своего рода транспортный маятник.

Но всё же более энергичные перемещения вполне технически возможны - и нам, несдержанным обезьянам, более интересны именно они.
Главное, с чем приходится смирить своё воображение - это очень малая степень самостоятельности, свободы выбора курса для таких кораблей. На старте они становятся полными заложниками разгонной инфраструктуры, "выбрасывающей" корабль как гигантская, растянутая по орбитам сложносоставная катапульта. В полете они практически лишены возможности менять маршрут - корабль летит как гигантская пуля. На финише корабль остаётся заложником колоссальных затрат, потребных на его постройку и разгон - если он чуть не так сманеврирует, то просто проскочит мимо цели и не сможет уже добраться никуда, потому что и так долетел на последних соплях; межзвездный бросок и так находится на грани возможного в нашей физике, требует колоссальной растраты ресурсов, в т.ч. частично и невосполнимых, и потому никто не станет еще многократно увеличивать расходы на запуск только ради того, чтобы в конце пути корабль мог делать что ему заблагорассудится.

Итак. Космические корабли - это: во-первых - двигатели, во-вторых - сброс лишнего тепла, в-третьих - защита уязвимых конструкций от метеоритов и излучений.

Вот, например, единственный действительно хороший образ космического корабля, представленный в кинематографе:



Только в "Аватаре" это межзвездный корабль, а сия конструкция на межзвездную всё-таки не тянет, и вообще в этом фильме выглядит инородным телом - любовно вырисованный фрагмент почти-сверхтвердой космической фантастики, делающий нелепым бредом всю эту планетарную возню и саму планету Пандору.
Однако если абстрагироваться от фильма - эта картинка довольно неплоха как изображение небольшого корабля, предназначенного для переброски срочных грузов между внешней частью планетной системы и форпостами в ближнем межзвездном пространстве.

Двигатель двойной: разгон производится на парусе с помощью стационарного сверхмощного разгонного лазера, а торможение - аннигиляционными реактивными двигателями. Разгонный парус на картинке не показан - во-первых, он очень велик (на многие порядки больше самого корабля), и во-вторых - развернут он должен быть только при старте (в дальшейшем полете его нужно сворачивать и формировать из него дополнительные защитные экраны, а при торможении - сбрасывать).

Обратите внимание, что здоровенные малиново-красные блоки, занимающие большую часть площади этого кораблика - это вовсе не двигатели, а _радиаторы_, часть системы охлаждения - почти плоские трубчатые решетки с циркулирующим в них теплоносителем. На картинке они раскалены докрасна, т.е. активно работают на охлаждение (очевидно, имеется в виду, что корабль всё еще охлаждается после торможения и внутрисистемного маневрирования). Это, в свою очередь, означает, что при активной работе двигателей радиаторы раскаляются добела. При такой температуре материал радиатора должен быть очень стойким, чтобы не выпариваться за время торможения, и к тому же спектр излучения радиатора приближается к спектру излучения звезд, что затрудняет работу радиаторов в пространстве, близком к звезде. (Впрочем, с одного бока такие радиаторы могут иметь отражающее в видимом свете покрытие - это почти вдвое уменьшит их эффективность, но сохранит возможность околосолнечного маневра.)

В корме (противоположный от радиаторов конец конструкции) хорошо виден экран, защищающий корпус от свирепого лазерного разгонного излучения (при старте) и от встречных газа и пыли (в полете). В общем очень правильная деталь, только при заявленной в фильме скорости в 0.7с такой тоненький экран не спасет, конечно. Для скоростей до 0.01c такого будет, возможно, достаточно - только экран должен быть более сложной и переменной формы, а не такой красиво-ромбовидный. Зеркальная внутренняя часть - правильная деталь, она нужна при торможении, когда вдоль корпуса, подходя близко к зеркалу, фигачит сверхвысокотемпературная струя из двигателей. Только вот такое же зеркальное покрытие должны иметь, по той же причине, и все прочие конструкции кормовой части. При разгоне внутренняя поверхность отражателя, напротив, должна быть зачернена (для сброса тепла, когда в зеркальную внешнюю часть с чудовищной силой хреначит разгонный луч).

Хорошая деталь, отлично видная на картинке - очень небольшая полезная нагрузка (грузопассажирские модули - это вот те фитюльки, прилепившиеся на осевой штанге ближе к зеркалу). На груз придётся едва ли несколько процентов массы корабля, даже если считать корабль с пустыми топливными баками и сброшенным парусом, а если считать и топливо с парусом, то там и один процент полезной нагрузки вряд ли наберешь. Правда, в новой колонии или на дальнем форпосте и сам корпус, с его великолепными дорогущими материалами и автоматикой, может рассматриваться как очень даже полезная нагрузка, и может это и будет вообще всё, что такие форпосты и затребуют присылать.

Если размер такого корабля невелик, если это просто курьер или "сам собой груз", а не грузовик в нашем (обезьяньем) понимании, то требования к мощности разгонного лазера и стойкости материалов всех требующихся конструкций остаются сносными. Конечно, разгонный лазер всё равно останется скорее всего огромной конструкцией, с площадью солнечных коллекторов, сравнимой с площадью поверхности неплохой планеты... но для космической цивилизации это, вероятно, достижимо.

Для более дальних полетов понадобится скорее и вовсе иная конструкция, потому что для серьезного межзвездного перелета требования к энергетике, теплосбросу и защите корабля возрастают настолько непомерно, что с трудом укладываются (если вообще укладываются) в теоретически возможные для любых двигателей. Это означает, что и для старта, и для финиша придется использовать не только двигатели, но и какие-то хитрости.

Самая привлекательная из таких хитростей - это гравитационный маневр (он же - эффект "гравитационной пращи"; не путать с тросовой пращой орбительного ротоватора - это совершенно разные вещи).
Попросту говоря, эффект заключается в следующем.
Когда какое-то тело пролетает мимо гравитационной массы, то сначала это тело, при сближении с этой массой, ускоряется ее притяжением, а затем, после пролета, точно так же этим притяжением тормозится. В итоге тело проводит одинаковое время как в ускоряющем его гравитационном поле, так и в замедляющем, и напряженность этого поля тоже, разумеется, меняется совершенно симметрично. Как ускорилось, так и замедлилось - так что начальная и конечная скорости оказываются равны (если не считать неизбежного торможения о встречные газ, пыль и микрометеориты).
Однако предположим, что при пролете мимо этой массы корабль включил двигатель - и придал себе толчок в направлении движения. Тогда, выходя из гравитационного колодца, этот корабль проведет в тормозящем его поле меньше времени, чем провел в ускоряющем поле при сближении. Напряженность поля, меж тем, от такого маневра не менялась. Значит гравитационное при отлете успеет замедлить корабль слабее, чем успело ускорить при сближении.
Корабль сполна воспользовался гравитацией при сближении, но побыстрее вырвался из тягучих пут гравитации при отлете. Дополнительный халявный разгон!
Это и есть "эффект пращи".

Пользоваться этим эффектом умеют даже земные обезьяны - межпланетные исследовательские зонды неоднократно уже проводили гравитационные маневры вблизи разных планет Солнечной системы.

Самая привлекательная масса для такого гравитационного маневра - это, конечно, самая крупная из близлежащих масс, т.е. для солнечной системы это Солнце.
Тут возникает еще одна привлекательная мысль. Солнце не только тянет гравитацией - оно еще и жарит излучением. Нельзя ли этим воспользоваться для того же разгона?
Первое, что приходит в голову - это солнечный парус. В такой близости от Солнца плотность излучения (как электромагнитного, так и массивных частиц) достаточно велика, чтобы дать эффект, сравнимый со сфокусированным излучением мощнейших разгонных лазеров.
Второе напрашивающееся решение - это использовать интенсивное солнечное излучение для дармового разогрева реактивной массы. Интенсивность эту можно усилить, направляя на парус множество "зайчиков" от околосолнечных орбитальных зеркал.
В качестве комбинации напрашивается двойной профит: парусом собрать свет в пучок, коим и разогревать реактивную массу до бешеных температур. В такой близости от солнечного диска, правда, много от него не нафокусируешь (источник-то от точечного очень далек), но в несколько раз повысить интенсивность разогрева всё же можно.

Гравитационный маневр можно использовать при разгоне неоднократно.
Например, постройка и загрузка корабля - из материала колец и спутников Сатурна, первый разгон - простые и дешевые химические ракеты с "гравитационной пращой", опирающейся на Сатурн, затем второй разгон - парусом и реактивным двигателем с внешним разогревом у Солнца и с "пращой" от Солнца, и, наконец, третий разгон - при проходе у Юпитера, где можно попытаться использовать для ускорения какой-нибудь финт с магнитными полями (магнитное поле у Юпитера нехилое), ну и тут тоже "праща". Затем, уже на выходе из Солнечной системы, парус может еще какое-то время ловить разгонный луч от лазеров.
Этой комбинации трюков может уже хватить на разгон до приличных скоростей довольно массивного корабля - с запасами и защитой, достаточными для быстрого (за считанные сотни лет) преодоления межзвездного пространства.

При проходе мимо Солнца основной проблемой станет охлаждение, и тут уже одними излучающими радиаторами вряд ли не обойдешься - скорее реактивный двигатель придется охлаждать, "обмывая" его одноразовым (сразу сбрасываемым) хладагентом.

Торможение будет отдельной большой проблемой, особенно если корабль предназначен для освоения новой системы, т.е. никто его там с тормозными излучателями, околосолнечными зеркалами и ремонтно-спасательной инфраструктурой не ждет.

Для первого этапа торможения можно использовать "магнитный парашют", сгребающий межзвездный газ по пути. Тормозной путь, конечно, будет при этом очень длинным - в световые годы длиной, но это как раз хорошо (не нужно будет разом сбрасывать огромное количество тепла). Для ионизации газа (это необходимо для работы магнитного парашюта) можно использовать бортовой лазер (заодно используемый и для расчистки маршрута от встречных метеоритов), и кроме этого можно какое-то время держаться в пучке лазера, фигачащего из родной системы (это сработает только на небольших дистанциях, т.к. пучок неизбежно расфокусируется на таких дистанциях - допплеровско-тепловой декогеренции избежать даже теоретически невозможно, и уменьшение длины волны тут уже не поможет).

По мере торможения магнитный парашют будет терять эффективность, и на конечном этапе придется со страшной силой выбрасывать какую-нибудь реактивную массу. Тормозной факел заодно должен использоваться для частичной расчистки тормозного пути от мусора, потому что при торможении все эти массивные щиты нужно сбрасывать как можно быстрее (вот-вот превратятся в бесполезные гири на ногах).
Наконец, внутри системы-цели можно снова использовать гравитационный маневр (теперь уже не "пращу", а "ухватку") сначала у какой-нибудь планеты-гиганта, потом у звезды, и наконец - у другой планеты-гиганта.
Еще более удобно тормозить в системах двойных звезд - там "оверсаном" можно пройти два раза, да и еще одну планету-гигант в промежутке можно умудриться пройти.