Про два перспективных типа ракетных двигателей, космические авианосцы и дизайн космолетов
И снова мы пеключимся на космическую тематику. В своей статье " Большой и маленький" я писал:
В космосе, конечно, не будет деления на "корабли" и "самолеты". Речь может идти о больших и маленьких аппаратах. В связи с чем, кстати, вызывает вопросы популярная после "Звездных войн" концепция космического авианосца. Появление морских авианосцев обусловлено как раз тем, что самолеты и корабли - это принципиально разные классы вооружений, которые действуют в разных средах, имеют существенно разные ТТХ, сильные и слабые стороны. А главное - успешно дополняют друг-друга.
И вот накануне мне пришла в голову идея, что в фантастике "ближнего прицела", использующей, преимущественно, технологии, известные сегодня, действительно возможна такая ситуация, которую можно будет охарактеризовать как "господство доктрины космических авианосцев". Но обо всем по порядку. Как всегда, маленькая идея сподвигла меня на довольно большую статью, набитую, к тому же, корабликами из моего любимого фантастического сериала. В основном это будут кораблики центавриан и нарнов, потому что мне нравятся центаврианские их противостояние - единственный военный конфликт в сериале, где обе стороны находятся на сравнимом технологическом уровне. Две статьи в одной не получилось, но очень уж хорошо подошли примеры для иллюстрации некоторых тезисов. Ну и, как обычно, статья строится не на голых измышлениях, а на примерах из истории техники.
Зачем переносить авианосцы в космос
Позволю себе процитировать и, отчасти, пересказать одну из старых записей Геста. Авианосцы присутствуют в фантастике по двум основным причинам - а) это проекция текущей мировой ситуации б) Лукас. Конец цитаты. Но и у Лукаса были свои причины. Дело в том, что фантастика, несомненно, является частью литературы, а значит сюжетная необходимость перевешивает цифры ТТХ, сколь бы важны они ни были. Из всего неограниченного множества фантастических допущений мы выбираем те, которые позволят нам рассказать именно ту историю, которую мы хотим рассказать. А сюжет авианосца представляет собой сплав сразу двух очень популярных в нашей массовой культуре сюжетных фабул: "I need a hero" + "Friendship is magic". История "про авианосец", на самом деле, суть история про пилотов. И логика боя авианосцев представляет собой уникальную возможность сразу для двух ходов. Это крутой герой, коротый решает проблемы пачками за счет везения и запредельных навыков, и это сплоченный коллектив, который решает проблемы пачками за счет магии дружбы и запредельного уровня боевого товарищества, которое можно невозбранно проверять в куче бытовых историй. Про второе Гест прямо не говорил, хотя и упоминал сюжет с передумавшим в решающий момент 4 эпизода "Звездных Войн" Ханом Соло, относящийся, на самом-то деле, именно к этой серии. Кстати, серия игр "Масс Эффект" построена вокруг того же сюжета. Поскольку нет большой разницы в сюжетном отношении между космическим истребителем Люка и боевым скафандром Шепарда. Разница чисто в игровой механике. Для сюжета МЕ ничего бы принципиально не изменилось, будь "Нормандия" стелс-авианосцем, а сама игра - аркадным космосимом. А в ЗВ тема, собственно, боев космических самолетов, во всех эпизодах, снятых после "Новой надежды" отошла на второй план, став чисто декоративным элементом.
В чем разница между боем авианосцев и боем линкоров/крейсеров
Проведем сравнение вот по этой схеме.
1) Дистанция обнаружения. ЛК - всех участников видно сильно заранее, благо космос пустой, а корабль большой. АВ - возможны варианты. Сам АВ, конечно, тоже большой, а вот истребители могут быть очень маленькими. Искать объект, достигающий в наибольшем измерении пяти метров, на расстоянии до ста тысяч километров (или сколько там?) задача ни разу не из легких. А ведь он еще и не обязан быть сферическим, запросто может иметь пониженную ЭПР.
[Кстати, про ЭПР, или два слова о рациональном дизайне космических кораблей]
Вот посмотрите, между прочим, на центаврианский "центри" из "Вавилона 5". Зная, что дизайн человеческих истребителей в этом сериале был настолько рационален, что даже НАСА попросило разрешение использовать его для орбитального аппарата, я задался вопросом. Неужели Земной Альянс, волей творца, радостно превзошел в рациональности тысячелетнюю империю (называемую, правда, Республикой), с ее же тысячелетними традициями космонавтики? Я быстро додумался до логики, стоящей за центаврианским дизайном, хотя, конечно, не могу гарантировать, что Стражински (или кто там у него был за дизайнера) рассуждал именно так. Минимальная фронтальная проекция. Минимальная ЭПР. Минимальное расстояние, с которого на "центри" в принципе можно навестись, и весьма низкие шансы в него, все же, попасть в двух наиболее опасных сценариях: "сели на хвост" и "я возьму его лоб в лоб". Причем в "Вавилоне 5" истребители могут довольно резво вертеться на месте, что стирает грань между этими двумя сценариями.
Далее, посмотрев на основной истребитель режима Нарна, можно понять, что он, в условиях технологического отставания, все же способен составить конкуренцию "центри", поскольку специально заточен для боя с ним "лоб в лоб". Та же маленькая фронтальная проекция, но лучшая защита и более мощные пушки. И, кто совсем не сообразил, вот эти широкие лепестки сзади, которые можно принять за киль, - это рулевые плоскости. И работают они в потоке газа - в струе, вырывающейся из реактивного двигателя. Учитывая расстояние, на котором они расположены от центра масс, момент инерции получается довольно неплохой. Такая вот вариация на тему отклоняемого вектора тяги.
2) Подлетное время. Согласно устоявшимся штампам, ЛК - большой и неповоротливый, истребитель - маленький и стремительный.
3) Возможности прыжка опускаем, ибо так уж повелось, что никто, в принципе, не запрещает ставить гипердрайв на истребители, но сейчас, в основном, ограничивают, так или иначе, возможность резкого выхода из боя.
4) Дистанция эффективного огня. Она ведь не только от поражающих элементов зависит, но и от защищенности цели. И от маневренности, а конкретно от такого фактора, как время, за которое корабль, набирая скорость с нуля в нашей системе отчета, сместится на половину своего корпуса. Причем ускорение ограничено возможностями не только двигателя, но и экипажа. У большого корабля, каким является ЛК, время будет таким, что защита маневром бессмысленна уже на довольно большой дистанции. Зато его пассивная защита будет обеспечена самой его огромностью. Для маленьких космических истребителей все строго наоборот.
[Немножечко математики]
Уклониться от снаряда?
Снаряд - это очень маленький пучок плазмы. Его нельзя обнаружить, а значит и целенаправленно изменить курс, чтобы избежать столкновения. Значит, нужно постоянно маневрировать. Причем маневрировать так, чтобы твой маневр не просчитали. Причем не просто "сместиться на очень малое расстояние", а сместиться на расстояние порядка размера корпуса корабля. Размеры "звездных разрушителей" из большинства фантастических вселенных - порядка тысячи метров. Ну там вдоль оси движения больше, поперек меньше, но двигатели маршевые и тормозные - помощнее маневровых. Дистанцию прицельной стрельбы снаряд проходит за секунду. Имеем ускорение 2000 метров в секунду за секунду, перегрузка 2000 единиц. Причем ее надо удерживать в течении всего боя, мы же не знаем, когда именно по нам стреляют. Экипаж размажет по стенке, без вариантов. Максимум, что можно выдержать на протяжении всего боя - до десяти единиц, и то если люди в специальных костюмах, а бой скоротечный. Больше скажу, корабли размером в сотни метров тоже не смогут увернуться на расстоянии, которое снаряд проходит за одну секунду. То есть, стрельбу можно открыть с расстояния, которое снаряд проходит за десятки, если не сотни секунд. Увернуться все равно не успеют.
Продолжая нехитрую арифметику, находим, что шансы постоянно уворачиваться на расстоянии одной секунды полета снаряда имеет только машинка линейным размером метров 5. По меркам всех фантастических вселенных, это легкий москит. Но тут можно поиграться с другим параметром. Стрелять не болванкой, а расширяющимся облаком. Картечь, так сказать. Для разрушения корпуса легкого москита достаточно гораздо меньшего воздействия, чем чтобы нанести серьезные повреждения линкору. Теперь нужно будет уже сместиться на расстояние порядка радиуса облака, а его можно сделать хотя бы метров 10, и перехватить москит с гарантией. По этим же причинам осмыслены корректируемые снаряды. Там "облако" образует ядерный взрыв. И хотя твердотельный снаряд летит медленнее, потому что в том же орудии мы можем придать ему в сто раз меньшую скорость, радиус, в который нужно попасть, будет в десятки раз превосходить размеры цели. Такой снаряд может лететь пару минут.
Таким образом, попадание из импульсного оружия - вопрос прицеливания, а не маневров цели. И дальность прицельной стрельбы по крупным кораблям - скорость снаряда умножить на 10 секунд. В случае 1000 км/с, это возможность поразить цель на расстоянии 10 тысяч километров, то есть, порядка радиуса каменистой планеты. Скорее всего она будет лимитирована не ТТХ оружия, а погрешностью в определении координат цели.
Конец цитаты. И здесь мы снова можем наблюдать разумность центаврианского дизайна. Показанные в сериале крейсера делятся на два типа: тонкий блин и еще более тонкий блин. Помимо уже упомятутого мотива снижения ЭПР, здесь мы имеем мотив сокращения времени, за которое корабль может сместиться на половину наименьшего из своих линейных размеров. Используемое центаврианами построение клина или ромба оставляет свободу для такого рода маневров. "Плавники", судя по аналогии с минбарцами, имеют некоторое отношение к гравиметрическим полям, которые у есть у центавриан, но которых нет у нарнов. Известно, что "Примас" (большой крейсер) "заточен" под ближний бой, на это намекает множество орудий среднего калибра, снаряд которых, очевидно, медленнее, в поворотных башнях. Значит, ему нужно до ближнего боя дожить. Значит - максимально сократить дистанцию, на которой в него можно попасть. Для "Ворчана" верно то же самое, поскольку, несмотря на наличие курсовых пушек, сами они довольно маленькие, по меркам других рас.
Ответ Режима Нарна снова асимметричен. Они создают корабль, приспособленный для боя на дальних дистанциях. По форме он тоже "блин", но хитрость заключается в пушках. Лазер вместо импульсных орудий (Г'Кван знает, как они там решили проблему с фокусировкой) и эти самые "мины", которым не требуется прямого попадания.
Тут же мы находим и техническое объяснение того почему земные "фурии" превосходили в маневренности "центри", а "тандерболты", наоборот, уступали ему. Линейные размеры.
5) Габариты оружия. Вообще-то, это определяющий вопрос предпочтительности одной из двух доктрин.
6-9) Не создают существенных различий.
Какой отсюда следует вывод?
А вывод следующий: бой линкоров - это аналитический бой, зависящий, преимущественно, от исходных характеристик кораблей и прокачанности навыка "тактика" у командиров. Есть еще такой фактор, как слаженность команды. Рядовой матрос на линкоре - не просто винтик огромного механизма. Он может проявить героизм, и от его самоотверженности тоже зависит исход сражения. Но это совсем не тот героизм, который воспевают в западной культуре. История о том, как "Мичман Иванов, в сложной обстановке, приближенной к боевой, менял фильтр на испарителе, заткнув своей жопой телом отверстие, для его вставления и своей мужественной военно-морской грудью не давал забортному давлению в сто двадцать атмосфер проникнуть в подводную лодку и сорвать выполнение боевой задачи"( с) будет, в космическом контексте, звучать исключительно смешно, а в литературном плане делать из космооперы производственный роман.
От героя космооперы ждут, чтобы он, аки ковбой в салун, врывался в стан врага верхом на ракете, да с бластером наперевес, и крушил там все направо и налево. Для этого требуется малость - верный конь космический истребитель. Поскольку некоторые минимальные требования к правдоподобию все-же остаются, и представить себе многодневное путешествие через космос без возможности даже справить нужду сложно, доставляет героя к месту действия космический авианосец, который не дерется сам, но дает такую возможность своему крылу. Бой авиакрыльев - это ни разу не аналитический бой, зависящий, в значительной степени, от случайности, которую люди маскируют интуицией. Вместе с тем, упор на маневренность дает более зрелищные победы. Как я уже писал в той самой статье, "сюжет "герой лихо уклонился от удара" гораздо популярнее сейчас, чем "герой отважно принял удар на крепкую броню", потому что уклонение основано на ловкости, которая (в широком смысле) сегодня в большем почете, чем грубая сила". Плевать, что там и там - проявление ума, только в одном случае это ум героя на поле боя, в другом - ум конструктора, который эту броню разрабатывал. Все, что не аналитично, то романтично, а значит авианосцам в космоопере - быть.
Но как согласовать это с реальной физикой?
Не заниматься культом карго, а думать своей головой. Вместе с образом авианосца нужно переносить в будущее его суть. Это не взаимодействие больших и маленьких, быстрых и медленных, маневренных и неповоротливых ракет. Это взаимодействие двух принципиально разных классов вооружений, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны. А главное - они успешно дополняют друг-друга. Самое интересное, что перспективные технологии принципиально представляют нам возможность создать в космосе целых два класса. В соответствии с двумя существующими классами ракетных двигателей, а именно, тепловыми и электрическими, с двумя их основными характеристиками, а именно, удельным импульсом и удельной тягой.
[Двухминутка физики]
Если кто не знает, удельный импульс - это отношение создаваемого двигателем импульса к массовому расходу топлива. Имеет физический смысл скорости истечения рабочего тела, согласно уравнению Мещерского. Удельная тяга - соотношение создаваемой тяги к расходу топлива. Традиционно говорят об удельной весовой тяге, но система СИ как-то привычнее, да и массовая тяга имеет размерность ускорения, что нагляднее. Это, конечно же, отнюдь не то ускорение, которое будет придано ракете, поскольку в ней есть еще и полезная нагрузка. Но чем больше удельная тяга, тем большее ускорение двигатель может придать.
Ну а принципиальная разница между тепловыми и электрическими двигателями заключается в природе скорости истечения. В тепловых двигателях это скорость теплового движения молекул, которые могут вырываться из камеры сгорания только в одном направлении. Кстати, здесь мы можем видеть определенную элегантность текущего решения, в котором рабочее тело - и есть продукты сгорания. В электрических двигателях рабочее тело разгоняется электромагнитным полем. На сегодняшний день, создание ядерных импульсных двигателей косвенно запрещено международными конвенциями, а фотонных - затруднено недостатком опыта работы с антиматерией и отсутствием достаточно качественных источников энергии для ее промышленного производства.
Не секрет, что современные химические ракетные двигатели практически исчерпали себя. Их область применения - полеты в околоземном пространстве и запуск АМС к объектам, находящимся в пределах Солнечной Системы. Даже в этой области, они имеют существенные недостатки. Текущие размеры химических ракет нельзя значительно уменьшить. Нельзя избавиться и от многоступенчатости, которая плодит орбитальный мусор. Не желая останавливаться на достигнутом, планируя пилотируемые полеты к Венере и Марсу, и более детальное исследование внешних окраин Солнечной Системы, человечество видит перед собой два пути: а) переход к ядерным двигателям как следующему поколению тепловых; б) переход к принципиально другому типу двигателей - электрическим. Есть, конечно, еще и в) солнечный парус, все такое, но покамест нас интересуют эти два варианта.
Концептуальная новизна ядерного двигателя заключается в том, что рабочее тело нагревается не за счет собственных химических реакций, а за счет внешнего источника - энергии ядерного реактора. В перспективе, реактор не обязательно должен быть ядерным, интересующиеся могут вбить слова "электротермические двигатели" в любом удобном поисковике. Идея позволяет значительно уменьшить массу топлива за счет роста удельного импульса, не проиграть при этом в удельной тяге и отказаться от окислителя, баки с которым занимают много места. В принципе, текущий уровень технологий позволяет создать одноступенчатый орбитальный корабль, используя ядерный двигатель. Основные технические решения давно известны и опробованы. Широкому использованию ядерных двигателей мешают только долбаные экологи.
Ионный двигатель представляет собой еще более прорывную технологию. Топливо тоже отделяется от источника энергии, но теперь работают другие силы. За счет того, что электромагнитное взаимодействие в чистом виде очень сильное, за счет высокого соотношения заряда к массе, можно разогнать ионы до гораздо больших скоростей, чем скорости теплового движения при любых достижимых температурах, и увеличить удельный импульс на порядок, а то и на два. Проблема исключительно в источнике энергии, но в его роли могут выступать хоть бы и солнечные батареи. Очень практичное решение для околоземной орбиты, уже используется вовсю. Может без труда использоваться для полетов к Марсу или Венере, имея очевидное преимущество перед солнечным парусом: собранная энергия солнца может быть направлена куда угодно, использована как для разгона, так и для торможения. При этом, затраты рабочего тела перестают быть определяющими для размера. Однако, тяга двигателей этого типа не просто мала, а очень мала. То есть, на разгон уходит очень мало топлива, значимое количество энергии и просто непомерное время. В полете к Марсу или Венере лишняя неделя для снятия с переходной орбиты существенным фактором не является. А в полете к Луне? А в космическом бою?
Последствия для космического боя
Таким образом, мы имеем два типа двигателя:
1) Ионный, с его эффективностью расхода топлива, обеспечивает стратегическую маневренность. Топливо занимает мало места, но сам по себе двигатель очень громоздкий, особенно с учетом солнечных батарей, собирающих "халявную" энергию. А с учетом этих батарей - еще и очень уязвим. В общем, хорошо приспособлен для космического полета, но ни разу не пригоден для боя.
2) Ядерный, с его относительно эффективным расходом топлива и мощной тягой. Топливо занимает много места относительно космолета с таким двигателем, его скорость, и, соответственно, автономность, крайне ограничена. Зато он легко переманеврирует большой корабль с ионным двигателем.
Добавим к этому, что большая относительно общего размера маленького ядерного космолета масса топлива в масштабах большого ионного может быть весьма умеренной. И получается, что "космический авианосец" - связка из большой ионной ракеты и множества маленьких ядерных - суть логичное и осмысленное решение. В защите от атак истребителей наш космический авианосец может полагаться, помимо собственной авиагруппы, на запасы противоракет, "зенитную" артиллерию или не столь огромные, но лучше защищенные (например, использующие в качестве источника энергии не солнечные батареи, а ядерный реактор) фрегаты, которые являются передовыми бастионами этой космической крепости.
Корабль с ионным двигателем, несмотря на свою медлительность, может и сам в бою поучаствовать. Например, может использовать громоздкие и мощные системы вооружения, которые не влезают в ядерный истребитель. Может нести не многоразовые истребители, а одноразовые торпеды (ПКР). Кстати, поражать свои цели - крупные корабли - такая торпеда вполне может и прямым попаданием, благо цель ее - уничтожение авианосца, а не его крыла. А авианосец, из-за особенностей используемых двигателей и огромных размеров, резко изменить скорость не может. Между прочим, таким обазом происходит жесткое разделение оружия на "противокораблельное" и "зенитное". Получается, что, говоря о кораблях сопровождения, в обозначенной сумме технологий есть место не только для класса фрегатов ("кораблей" с "зенитным" оружием), но и для класса эсминцев ("кораблей" с "противокорабельным"). И для класса крейсеров с большими электромагнитными пушками, которые, имея возможность стрелять как единой чугуниевой чушкой, так и облаком шрапнели, могут выполнять задачи как эсминцев, так и фрегатов.
Что может помешать господству космических авианосцев?
Здесь есть два основных варианта. Первый - развитие брони. Отказ от солнечных батарей в пользу каких-нибудь компактных и, главное, эффективных источников энергии позволит убрать все жизненно-важные агрегаты внутрь "космической крепости", на глубину, до которой пушечки истребителей не дотянутся. Конечно, авианосцы все-равно сохранят свои позиции в качестве "оружия истощения", потому что это долбаный космос, скорости снарядов огромны, и даже во внешних отсеках есть много того, что можно покоцать. Но решать исход боя будут эсминцы или крейсера, действительно способные наносить великанам фатальные повреждения. Космолеты-бомбардировщики исчезнут как класс, если "противокорабельное" оружие станет слишком громоздким. Концепция линкора - большого крейсера, который сам с усами - витает в воздухе, и весь вопрос в том, чтобы разработать достаточно прочную броню или найти ей замену.
Второй вариант вытекает из исходного допущения. Если удастся создать двигатель, сочетающий в себе достоинства ядерных и ионных, космические авианосцы вымрут как класс, поскольку базовое условие - разделение космолетов на два принципиально разных класса вооружений - окажется нарушено. Те же самые крейсера, эсминцы и фрегаты трансформируются в очень большие штурмовики, бомбардировщики и истребители, которым не нужен уязвимый носитель, и которые способны атаковать противника на большом удалении от баз.