Настоящие космические сражения в Children of a Dead Earth, часть 1

Мейнстрим игр о войне в космосе — это разноцветные “пиу-пиу” лазеры, стрельба в упор, нулевая скорость относительно абсолютного пространства и прочие совершенно нереалистичные вещи. Поэтому симулятор Children of a Dead Earth, моделирующий сражения на доступных сейчас технологиях, дарит совершенно уникальный опыт. А кроме того, что играть просто интересно, он ставит серьезные вопросы о том, как могут проходить настоящие войны в Солнечной системе, и имеет огромное образовательное значение.

Бой на орбите Марса. Цветные линии — не лазеры, а трассеры снарядов рейлганов

Поле боя

Орбитальная механика для неподготовленного человека выглядит очень непонятной. Лучше всего она воспринимается в процессе игры, но некоторые основы желательно дать заранее. Прежде всего, действие будет происходить в Солнечной системе, и любой объект будет находиться на орбите какого-либо ее небесного тела. Что такое орбита? Говоря очень просто и коротко, под воздействием притяжения тяжелого тела другое тело (спутник, корабль, ракета, и т.п.) будет двигаться по траектории, представляющей собой коническое сечение (окружность, эллипс, параболу, гиперболу) с фокусом, находящимся в центре масс системы, который в нашем случае будет внутри тяжелого тела. Несколько параметров определяют, как будет выглядеть эта траектория:

• Перицентр — наименьшая высота орбиты
• Апоцентр — наибольшая высота. Не имеет смысла для параболы и гиперболы
• Экцентриситет — параметр, определяющий тип орбиты. 0 — окружность, от 0 до 1 — эллипс, 1 — парабола, >1 — гипербола
• Наклонение орбиты — определяет угол между плоскостью орбиты и базовой плоскостью, в качестве которой выступает экватор небесного тела или плоскость эклиптики

Еще один параметр является критически важным для всех космических аппаратов. Запас характеристической скорости или delta-V — это величина, на которую аппарат может изменить скорость на своих двигателях. Например, у нас есть химический ракетный двигатель и топлива на 2 км/с. Мы можем потратить их, как хотим, — разгоняясь, тормозя, изменяя наклонение орбиты. Когда delta-V окажется равным 0, у нас кончится топливо, и мы уже никак не сможем изменить свою траекторию. Параметр удобен тем, что ему безразличен тип двигателя и топлива, и можно сравнивать любые аппараты.

Примерные значения delta-V в м/с для перелетов между планетами

Интересно, что в CoaDE запас delta-V у кораблей обычно меньше, чем требуется для полноценного перелета между небесными телами. Предполагается, что корабли летят с дополнительными баками, которые сбрасываются перед началом сражения и никак в игре не видны.

Расчет маневра для перехвата группировки противника на орбите Венеры

Интерфейс управления кораблями немного похож на Kerbal Space Program, но здесь кораблям даются команды, а маневрируют они самостоятельно.

Для точного расчета маневра есть очень удобный инструмент, переключающий базовое тело для отображения траектории. На скриншоте выше мы прицеливаемся в точку встречи, изменив базовое тело с Венеры на флот противника. Эта возможность незаменима в сложных миссиях.
Кроме этого, есть еще несколько терминов, которые полезно знать:

• Точки Лагранжа — пять точек в системе двух тел, например Земля — Луна, около которых возможны длительно существующие орбиты третьего тела — корабля или спутника (и в игре есть довольно сложная миссия привезти топливо кораблю, застравшему в этой точке).
• Сфера Хилла — область, в которой преобладает гравитационное воздействие определенного тела. Например, покинув сферу Хилла Земли, корабль окажется в сфере Хилла Солнца. В игре в последних, самых сложных, миссиях, бои идут вокруг Юпитера и Сатурна, и надо учитывать и использовать притяжение их спутников при планировании маневров.

Из законов орбитальной механики следуют некоторые неочевидные особенности космического поля боя:

1. Для того, чтобы вступить в бой, необходимо выполнить сложные маневры, чтобы сблизиться с противником на расстояние действия своего оружия. Противник дополнительно затрудняет задачу своими маневрами.
2. Тот из противников, у которого заканчивается delta-V, теряет инициативу, и противник с сохранившимся запасом характеристической скорости будет определять характеристики сближения. Вообще, стационарная цель совершенно беспомощна, потому что ее можно обстреливать с огромного расстояния абсолютно безнаказанно.
3. На орбите вокруг одного небесного тела можно реализовать самые разнообразные варианты сближения, как с минимальной взаимной скоростью на сходящихся курсах, так и с огромной на пересекающихся или встречных.
4. Диапазон возможных скоростей взаимного сближения начинается от околонулевых и может достигать десятков километров в секунду. Например, при экономичном с точки зрения расхода топлива перелете Земля — Марс финальная скорость около Марса составит примерно 6 км/с. Если выйти на встречную траекторию, то скорость может достигнуть и 50 км/с (но такая траектория потребует >30 км/с delta-V). На реалистичных технологиях на орбите одного небесного тела разумно ожидать максимальную скорость сближения от околонулевой до нескольких километров в секунду.
5. Чем легче центральное тело, тем дешевле с точки зрения delta-V выглядят маневры. Около легкого астероида можно легко развернуться на месте и начать движение в противоположном направлении, а вот на орбите тяжелой планеты того же объема delta-V хватит только чтобы немного изменить параметры орбиты.

Двигатели

Без возможности изменять орбиту невозможно не только космическое сражение, но и сколько-нибудь серьезное исследование космоса. А изменение орбиты невозможно без двигателя. В ближайшем будущем основу космических двигателей будут составлять различные конструкции с выбросом реактивной массы, — солнечные и электромагнитные паруса, а также двигатели, отталкивающиеся от магнитного поля планеты, слишком неуниверсальны. Основными характеристиками для космических двигателей являются:

• Удельный импульс. Показывает, насколько эффективно двигатель расходует топливо. Чем выше удельный импульс двигателя, тем меньше топлива ему потребуется, чтобы разогнать корабль до требуемой скорости. Измеряется в метрах в секунду или секундах.
• Тяга. Некоторые модели двигателей с высоким удельным импульсом отличаются очень маленькой тягой, поэтому их можно использовать не в любой ситуации.

Химический двигатель

С химических ракетных двигателей началось освоение космоса как таковое. Они отличаются низким удельным импульсом и сейчас уже близки к физическим пределам своей эффективности, но, благодаря сравнительной простоте и высокой тяге относительно других типов, они являются основными двигателями современной космонавтики. Освоение космоса требует более высокого удельного импульса, но совсем эти двигатели не исчезнут.

В CoaDE пока представлены исключительно жидкостные ракетные двигатели с одним или двумя компонентами, поэтому подробней рассмотрим только их. Принцип работы сравнительно прост. В камере сгорания топливо разлагается (если компонент один) или сжигается окислителем (если компонентов два) с выделением большого количества тепловой энергии. Превратившись в высокотемпературный газ, оно попадает в сопло Лаваля, преобразующее тепловую энергию газа в кинетическую энергию его быстрого истечения.

Камера сгорания и сопло Лаваля двигателя РД-107/108. На таких летают российские ракеты “Союз”

В реальной жизни популярны компоненты “жидкий кислород-керосин” из-за простоты и высокой плотности керосина, “жидкий кислород — жидкий водород” из-за высокого удельного импульса (примерно 4,4 км/с) и “несимметричный диметилгидразин — азотный тетраоксид” из-за того, что может очень долго храниться при комнатной температуре. Максимальный достигнутый удельный импульс химического двигателя 5,32 км/с получен при использовании трехкомпонентного топлива “литий-фтор-водород”, крайне неудобного в практическом применении (литий должен быть очень горячим, а водород — холодным, компоненты вызывают коррозию трубопроводов, а выхлоп токсичен).

В CoaDE самой эффективной топливной парой будет “фтор-водород” (УИ 4,6 км/с). В реальности ее никто использовать не будет, потому что выхлопом такого двигателя будет очень вредная для окружающей среды плавиковая кислота, но по сюжету игры Земле уже настал конец, и об экологии выжившие остатки человечества не заботятся. Также в CoaDE пока не учитывается необходимость теплозащиты криогенных баков — жидкий кислород можно хранить без теплоизоляции, но вот жидкий водород будет слишком активно испаряться.

Проектирование химического ракетного двигателя

В игре учитывается стехиометрическое соотношение (отношение долей топлива и окислителя, позволяет либо сжигать топливо полностью, либо иметь избыток одного из компонентов в выхлопе), необходимость подавать компоненты турбонасосами, охлаждать камеру сгорания и сопло одним из компонентов (используется в реальности, иначе двигатель просто расплавится) и поворачивать двигатель для маневрирования. Гибкость игрового конструктора позволяет создавать самые разные двигатели, пригодные для широкого спектра задач, от больших и эффективных маршевых двигателей до компактных двигателей ориентации. Химические двигатели в CoaDE используются в основном для ракет и дронов.

Ядерная ракета

Нагретый газ для сопла Лаваля можно получить не только химической реакцией горения. С этой задачей отлично справится ядерный реактор. Поэтому еще в середине 20 века в СССР и США начались экспериментальные проекты ядерных ракетных двигателей РД-0410 и NERVA.

NERVA в разрезе

Принцип работы ядерного ракетного двигателя прост. Управляемая ядерная реакция производит очень много тепла. Через реактор протекает рабочее тело, которое нагревается (при этом охлаждая реактор) и выбрасывается через сопло. Из формулы удельного импульса следует, что, чем меньше молекулярная масса рабочего тела, тем быстрее оно будет выбрасываться, и тем более эффективным будет двигатель. Поэтому в реальных проектах в качестве рабочего тела предполагалось использовать водород. В CoaDE же сложилась любопытная ситуация — самым эффективным видом топлива получается дейтерид водорода — молекула из одного атома водорода и одного атома дейтерия (изотоп водорода с одним нейтроном). В условиях высокой температуры реактора дейтерид водорода будет диссоциировать (двухатомная молекула — распадаться на отдельные атомы), и молекулярная масса будет меньше, чем у практически не диссоциирующего при температуре реактора H2.

В реальной истории оба проекта не продвинулись дальше испытаний, и большим сюрпризом стала недавняя новость о разработке ядерного двигателя для российской крылатой ракеты «Буревестник». В игре они являются одними из наиболее подходящих — дело в том, что удельный импульс у ядерной ракеты примерно в два раза выше, чем у химической, и без проблем можно создать двигатель с высокой тягой. А проблема радиоактивного выхлопа не важна, когда корабль летит за пределами атмосферы.

Тяжелый корабельный ядерный маршевый двигатель с тягой 120 тонн и удельным импульсом 9,4 км/с

Электронагревный ракетный двигатель

Еще один способ получить горячий газ — использовать электрический нагреватель. Достоинством этого двигателя является то, что может использоваться любое рабочее тело, вплоть до отходов жизнедеятельности. Рабочее тело можно нагревать до очень высокой температуры, что позволяет получать высокий удельный импульс, примерно в два раза выше химических ракет. Недостатками схемы является то, что нагрев требует очень много электричества (а это значит, что в системе реактор-нагреватель будут потери на преобразование энергии), и то, что двигатель имеет небольшую тягу.

Баки с бутаном и электронагревный двигатель

В реальности двигатели этого типа достаточно активно используются в космонавтике уже много лет. Небольшая тяга не является проблемой, если спутник не маневрирует активно. А вот в CoaDE они занимают вспомогательную нишу, применяясь на некоторых кораблях в качестве двигателей ориентации.

Магнитоплазменный двигатель

Несмотря на то, что сопло Лаваля является весьма эффективной тепловой машиной и имеет КПД до 70%, есть способы выбрасывать рабочее тело с гораздо более высокими скоростями. Для этого используются электрические эффекты — сила Кулона, эффект Холла, полевая эмиссия и другие. В CoaDE представлен только один тип — магнитоплазменные двигатели (МПД).

На фото выше показан работающий МПД. Штырь по центру — катод (отрицательный электрод), вокруг него цилиндрический анод (положительный электрод). Между ними протекает ионизированный газ, который разгоняется силой Лоренца до очень высоких скоростей. Удельный импульс МПД может достигать десятков километров в секунду, но за это приходится платить тем, что они потребляют на порядки больше энергии при сравнимой с электронагревными двигателями тяге.

Удельный импульс 42 км/с, но потребляет 10 мегаватт и имеет тягу всего 28 кг

В реальной космонавтике различные виды электрореактивных двигателей применяются уже достаточно широко. Их нельзя поставить на ракету-носитель, но на спутниках вполне хватает тяги в несколько граммов, при условии, что двигатель будет включаться на часы и дни непрерывной работы.

Ядерная импульсная ракета

Интересная идея появилась в середине 20 века. Огромное количество выделяемого атомной бомбой тепла теоретически можно использовать для движения. Для этого на самой бомбе нужно разместить запас превращающегося при взрыве в плазму рабочего тела, а на корабле установить плиту-отражатель, воспринимающую и амортизирующую удар плазмы.

В динамике это выглядело бы примерно так:

Принцип движения был успешно испытан на макете с химической взрывчаткой. В реальной истории проект стал жертвой договора о запрете ядерных испытаний 1963 года и того, что на этом движителе попытались создать проект военного корабля, астрономическая стоимость которого не понравилась политикам. А жаль — теоретический удельный импульс находился на уровне десятков километров в секунду, и тяга тоже должна была быть приличной.

Вот так выглядел один из первых проектов боевых космических кораблей в истории человечества. На его вооружении должны были стоять сотни ядерных боеголовок, гаубицы, стреляющие плазмой маршевых зарядов, морские 127-мм и 30-мм орудия. В CoaDE этот двигатель, к сожалению, пока не представлен.

Энергетика

Различным системам корабля для функционирования нужна электрическая энергия, и в космосе есть несколько способов ее получить.

Солнечные батареи очень широко используются сейчас, но будут иметь смысл в ситуации будущего воображаемого космического конфликта только как аварийный вариант. Во-первых, они большие, хрупкие и вырабатывают мало электричества. Например, солнечные панели МКС имеют общую площадь 3200 м2, но вырабатывают не больше 120 кВт. Во-вторых, количество энергии, поступающее от Солнца, подчиняется закону обратных квадратов, и, например, на орбите Юпитера, который в пять раз дальше от Солнца, чем Земля, такая же солнечная панель сможет произвести в 25 раз меньше электричества. Неудивительно, что в CoaDE их нет.

Топливные элементы превращают водород и кислород в воду и электричество. Это очень удобно для полетов длительностью 2-3 недели, поэтому их ставили на “Аполлоны” и Спейс Шаттлы. Но для сценария многомесячных перелетов они не годятся.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы активно используются в современной космонавтике там, где не хватает солнечных батарей и требуется длительная работа. Принцип их работы очень прост — изотоп с небольшим периодом полураспада, например, плутоний-238, распадается естественным образом, выделяя при этом тепло, которое подается на термопару — два металла, вырабатывающие электричество на разнице температур.

РИТЭГи хороши тем, что они могут работать десятилетиями (и работают, на “Вояджерах” они функционируют уже 40 лет) и не требуют никакого управления, но отличаются очень низким КПД, требуют дорогое топливо и имеют смысл только для небольшой мощности. Реальные РИТЭГи обычно не мощнее сотен ватт, в CoaDE имеют смысл генераторы не мощнее десятков киловатт, иначе они становятся слишком тяжелыми.

В CoaDE отдельно проектируется РИТЭГ, отдельно — радиаторы для рассеивания тепла

И только атомные реакторы могут обеспечить уровни мощности и плотности энергии, пригодные для боевых действий в космосе. В крайне упрощенном виде они работают так: при распаде некоторых тяжелых атомов выделяются нейтроны. Эти нейтроны можно направить в другие атомы и вызывать их распад с выделением тепла и новых нейтронов. Перемещая в реакторе поглотители и отражатели нейтронов, можно получить управляемую ядерную реакцию с выделением огромного количества тепла. Затем это тепло можно направить в какую-нибудь тепловую машину, чтобы перевести его в электричество. Способов преобразования много — турбины, двигатели Стирлинга, термоэлектрические, термоэмиссионные, термофотоэлектрические преобразователи и другие.

Реактор Kilopower, недавно прошедший испытания

В реальной космонавтике атомные реакторы использовались в СССР, который запустил три с лишним десятка спутников радиолокационной разведки с атомным реактором БЭС-5 “Бук”

Макет БЭС-5 “Бук”, слева реактор, справа радиаторы системы теплообмена

При массе 900 кг “Бук” имел тепловую мощность 100 кВт и электрическую 3 кВт. Позже в двух полетах испытывался реактор “Топаз-1” с тепловой мощностью 150 кВт и и электрической 6 кВт.

В CoaDE атомный реактор — основной источник энергии. В качестве тепловой машины доступен только термоэлектрический генератор (термопара). В реакторе всего два контура, в первом теплоноситель переносит тепло от реактора к термопаре, во втором — отводит тепло с термопары на радиатор.

Интересный эффект возникает при манипулировании температурой на выходе термопары. Чем больше разница температур, т.е. чем ниже выходная температура, тем выше эффективность термопары. Но чем ниже выходная температура, тем большая площадь и масса радиаторов потребуется, потому что эффективность излучения тепла пропорциональна первой степени площади, но четвертой степени температуры. В итоге выходная температура ниже 1000 градусов Кельвина не имеет смысла — радиаторы становятся слишком тяжелыми. А выше 2500 К их не получается сделать потому, что начинают терять прочность даже самые жаростойкие материалы.

Терморегуляция

На фотографии Международная космическая станция. Красными стрелками обозначены радиаторы системы теплообмена. Их общая площадь составляет примерно 470 м2 и они могут отводить всего лишь 70 кВт тепла, потому что работают при невысокой температуре.

А это — один из самых тяжелых кораблей из набора по умолчанию в CoaDE, слева радиаторы жилых отсеков, работающие при невысокой температуре и не светящиеся, справа ярко сияют радиаторы на карбиде кремния, отводящие тепло реакторов и лазеров и имеющие температуру выше 1000 К.
Но, возможно, такие большие светящиеся панели в будущем не будут использоваться. В реальной космонавтике активно ведутся работы по созданию капельных радиаторов, где вместо излучающей поверхности между генератором и приемником летит поток капель минимально испаряющейся в условиях вакуума жидкости. Такие радиаторы лучше потому, что поток капель имеет гораздо большую излучающую поверхность, и радиатор будет весить в разы меньше. Модели уже испытывались на “Мире” и МКС, и они могут появиться в космосе уже в ближайшие десятилетия.

Фотографии экспериментов с капельными холодильниками в невесомости