Форсажная камера на низкой опорной орбите, ч.1
Не думал, что напишу продолжение поста " А теперь орбита". Но сегодня со мной произошла очень типичная история. Я случайно наткнулся на статью. И теперь форсажная камера, пробитая веером шрапнели, не дает мне молчать.
Какое оружие в космосе самое лучшее?
Итак, у нас есть новый претендент. Пушки были. Были и ядерные ракеты, которые начинают непредсказуемо маневрировать. По сравнению с тем, что раньше попадало в форсажную камеру, автор этой статьи просто без фантазии. У него первым и главным оружием является ракетный двигатель.
Я недавно сам рассказывал, что в сеттинге The Expanse лучшим оружием будут осколочные торпеды. Но достигается это в силу специфических условий сеттинга, а именно фатального отставания мощности того, что там называют оружием, от актуального реактивного двигателя. Выполняется ли это для современного человечества? Я уже приводил формулу для мощности реактивного двигателя. Подставим в нее данные для первой ступени РН "Протон".
428,6 тонн реактивной массы расходуется за 121,35 секунд. Получается расход 3532 кг/с. Тяга 10^8 Н. P=F^2/(2*u)=2,8*10^12 Вт. Впечатляющая мощность того же порядка, что и потребная для перелетов "космической шпаны". Но надо понимать, что это первая ступень. Там шесть маршевых двигателей в боковых блоках. Вторая ступень расходует 157,3 тонны за 211,1 с, итого 745 кг/с. При тяге 2400 кН мощность уже 7,7*10^9 Вт. Третья ступень расходует 43 тонны за 325 с, итого 132 кг/с. При тяге 583 кН мощность 2,57*10^9 Вт. Записали: порядок величины - гигаватты.
И вроде бы мы приближаемся к тому, что считали для кораблей далекого будущего. Но...
В-третьих, слово предоставляется закону квадрата-куба. Требуемая мощность зависит от F квадратично, а от u - линейно. Поэтому чисто за счет увеличения реактивной массы крейсер заметно быстрее не полетит, ему нужно повышать плотность энергии.
Но приближаемся за счет увеличения реактивной массы. А увеличение реактивной массы ведет к кошмару формулы Циолковского, потому что эту массу тоже надо разгонять. И баки, где она размещается, тоже. И несущие конструкции, которые распределяют ускорение по ракете. А когда мы начнем говорить о межпланетном перелете, окажется, что все намного хуже. Потому что массу, затрачиваемую на торможение и на обратный путь (кто бы мог подумать) тоже нужно разгонять. Складывается прекрасная ситуация, в которой 60-метровая 700-тонная башня выводит на низкую опорную орбиту 23,7 тонны. А чтобы три человека смогли метнуться кабанчиком до Луны и обратно, им нужна 110-метровая 3000-тонная башня. Почувствуйте вес. Мы используем химические ракеты не потому, что это хорошо и прекрасно, а потому что иначе никак не умеем. Именно поэтому, если говорить о современных и перспективных технологиях, "Протона" как целого у вас на орбите не будет. А будет разгонный блок "Бриз". Его двигатель создает в вакууме тягу примерно 20 кН, имеет до 20 тонн топлива, работает на нем 3200 секунд, тратит 6,25 кг/с, имеет мощность 6,4*10^7 Вт. Записали: порядок величины - десятки мегаватт.
Для сравнения, мощность современной ствольной артиллерии имеет порядок величины сотни мегаватт. В отличии от The Expanse, в реальности оружие и двигатели находятся в одной весовой категории.
Почему двигатель так важен?
На Земле ракеты имеют преимущества из-за сопротивления среды, которое резко возрастает с ростом скорости движущегося тела. Поэтому идти с постоянно включенным двигателем - единственный способ преодолеть большое расстояние. Но в космосе все не так. В космосе есть второй закон Кеплера, который говорит, что скорость в афелии и перигелии эллиптической орбиты может драматическим образом отличаться. И есть эффект Оберта, который говорит, что реактивный двигатель тем эффективнее, чем с большей скоростью он движется. Это заключение контринтуитивное, но имеет очень конкретные практические следствия. Орбитальные маневры должны осуществляться с помощью как можно более коротких (в идеале мгновенных) импульсов, подаваемых в нужных местах. Именно в этом проблема тезиса:
На космических расстояниях очень часто совершенно без разницы, что ионному двигателю придётся разгоняться дольше, чем химическому, если рабочего тела в баках того же объёма на этот разгон ему хватает, а цели - нет.
[N.B.]N.B.: Даже в космосе идти с постоянно включенным двигателем - все еще единственный способ преодолеть большое расстояние за разумное время. Гомановские траектории хороши с точки зрения изменения скорости, а биэллиптические орбиты еще лучше. Но жизнь коротка. Меньшее время возможно при использовании гиперболической траектории, но она слишком энергозатратная, и химическую ракету на нее без гравитационных маневров не вывести. То есть, пока у нас не появится более эффективных двигателей, регулярные полеты к чему-то кроме Луны, Венеры и Марса сталкиваются с серьезными трудностями.
Из-за неспособности к выдаче мощных и условно мгновенных импульсов ионному двигателю на один и тот же орбитальный маневр придется тратить больше энергии, чем химическому. Самые эффективные маневры для ионных двигателей просто недоступны. Так что нет, есть чертовски большая разница, кому разгоняться дольше. При малой удельной тяге вы не сможете повторить маневры цели, у которой удельная тяга больше. Расстояние не единственная ваша беда в мире, где сохраняются импульс, энергия и момент импульса.
Но главная проблема космического утюга с ионным двигателем даже не в эффекте Оберта, а в том, что цель не хочет быть пораженной. Она кратковременно включает свои более мощные двигатели, и утюг промахивается. До встречи на следующем витке? Рано или поздно у цели закончится топливо. Но в бою вам не нужно подстрелить врага "рано или поздно", вам нужно сделать это быстрее, чем он выполнит свою задачу. Разбомбит ваш город, например. Так что, ионный двигатель для доставки к цели шрапнели подходит отвратительно. А вот обычная пушка (или электромагнитная катапульта) как раз разгоняет снаряд за счет условно мгновенного импульса. Если снаряд - твердотопливная ракета, которая включается в окрестности цели, он к тому же имеет хорошие шансы ее переманеврировать. Добавляем сюда дистанционный подрыв снаряда - и пусть цель пытается выйти из облака осколков.
А как же лучи смерти?
Авиационные лазерные системы, которые были испытаны СССР и США, имеют мощность в мегаватты. Вывод очевиден: до нормальных лазеров, которые могли бы потягаться в бою с ракетами или пушками за счет грубой силы, всяким А-60 и YAL-1 далеко. И беда тут даже не в отводе тепла, а в том, что наша цивилизация, живущая за счет химических источников энергии, пока что не нашла достаточно эффективной химии. Или нет. Существуют неодимовые лазеры, которые применяются в лазерной плавке и термоядерном синтезе. Их мощность - тераватты. Энергия при этом та же, что и у авиационных лазерных систем, только импульс короче. Если удастся приспособить такую мощность к оружию, то оно будет иметь одно критически важное преимущество перед шрапнелью.
Как мы помним, sir Isaac Newton is the deadliest son of a bitch in space. Движущиеся тела продолжают двигаться, пока на них не действуют внешние силы. Шрапнель, которая пролетела мимо цели, обязательно кого-нибудь убьет, когда-нибудь и где-нибудь. Ладно если она летела по гиперболической траектории, в таком случае ваши шансы убить кого-нибудь, на кого вам не плевать, крайне малы. Но если вы стреляли во что-то на низкой опорной орбите, то невостребованная шрапнель останется там же. И обломки уничтоженной цели останутся там же. И шрапнель из выпущенных целью противоракет останется там же. И обломки перехваченных ракет останутся там же. Становится довольно тесно, не так ли? Вы захватили господство на орбите, именно для этого все и затевалось. Теперь это ваши проблемы, потому что получившаяся в итоге гора мусора, разлетающегося во все возможные стороны, угрожает вашим аппаратам. Выражаясь языком автора прочитанной мной статьи, готова подарить им столько же любви и заботы, сколько взрыв аналогичной массы тротила. В метании космических утюгов, как и в тотальной ядерной войне, нельзя выиграть. Можно только сыграть вничью, и только если вообще не начинать.
Лазер светит именно туда, куда вы им посветили, свет распространяется мгновенно и сам по себе орбиту не засоряет. Да, КПД лазера ниже в теории, но на практике никто не хочет умирать. Цель будет отстреливаться, цель будет уворачиваться, и пока вы попадете в нее кинетическим снарядом, КПД поравняется. А вот "коэффициент вредного действия" у лазера ниже. Используя его абсолютную точность, можно отстрелить вражескому аппарату антенны, двигатели и радиаторы, сделав его бесполезным куском мусора, который медленно варится в собственном соку, при минимальном образовании опасных осколков. В перестрелке лучами смерти выиграть можно. Так что, лучи смерти - оружие сильнейшей стороны, желающей господство на орбите захватить и использовать. А космические утюги - оружие слабейшей стороны, исповедующей принцип "так не доставайся же ты никому". Кстати, слепить лазерами системы ориентации космических утюгов гораздо удобнее, чем посылать утюги-перехватчики, чтобы устроить доггифайт.
[N.B.]N.B. Это преимущество лазеров критично именно в орбитальном бою. В суборбитальном бою (например, в случае перехвата баллистических ракет) все упадет на землю, поэтому мусор вас не беспокоит, но цель должна быть не ослеплена, а именно разрушена. В бою на гиперболических траекториях шрапнель улетит в беспредельные глубины космоса, и это вас тоже не беспокоит. Но пока у нас нет существенно более эффективных, чем было описано выше, способов выводить полезную нагрузку в космос, полноценной колонизации Солнечной системы не будет. А это значит, что для 95% грузов Земля будет либо пунктом отправления, либо пунктом назначения. А это значит, что любое космическое сражение при современных и перспективных технологиях (т.е., до достижения уровня "космической шпаны" по энергетике) сводится к орбитальному. Нет нужды лететь куда-то далеко, если груз можно перехватить прямо тут.
Но можно же использовать атомную бомбу
Да, из поражающих факторов ядерного взрыва в космосе представлены только световое излучение и проникающая радиация. Да, световое излучение быстро слабеет, а проникающая радиация легко экранируется. Можно, конечно, заметить, что не так уж и легко в условиях кошмара формулы Циолковского. Экранировать ее нужно слоями вещества, а вещество - разгонять до космических скоростей. Если интенсивность гамма-лучей вдвое ослабляют 3 см стали, то с быстрыми нейтронами сложнее: от них придется заслоняться топливными баками. Но ядерная бомба абсолютное оружие не поэтому. А потому, что по плотности энергии на порядки превосходит все доступное нам в химических реакциях. Эту энергию можно использовать для накачки гамма-лазера, который будет светить на цель с такой интенсивностью, что ее никакая броня не спасет. Выделение половины энергии луча в первых трех сантиметрах брони приведет к взрыву.
У атомного оружия есть единственная настоящая проблема. Оно использует такие дефицитные вещества, как обогащенный уран и оружейный пултоний, в таких количествах, что дешевым быть не может. Есть еще мелкие разрешимые проблемки, о которых я упоминал ранее, но это главная, и с ней ничего не поделаешь.
Продолжение следует...
Какое оружие в космосе самое лучшее?
Итак, у нас есть новый претендент. Пушки были. Были и ядерные ракеты, которые начинают непредсказуемо маневрировать. По сравнению с тем, что раньше попадало в форсажную камеру, автор этой статьи просто без фантазии. У него первым и главным оружием является ракетный двигатель.
Я недавно сам рассказывал, что в сеттинге The Expanse лучшим оружием будут осколочные торпеды. Но достигается это в силу специфических условий сеттинга, а именно фатального отставания мощности того, что там называют оружием, от актуального реактивного двигателя. Выполняется ли это для современного человечества? Я уже приводил формулу для мощности реактивного двигателя. Подставим в нее данные для первой ступени РН "Протон".
428,6 тонн реактивной массы расходуется за 121,35 секунд. Получается расход 3532 кг/с. Тяга 10^8 Н. P=F^2/(2*u)=2,8*10^12 Вт. Впечатляющая мощность того же порядка, что и потребная для перелетов "космической шпаны". Но надо понимать, что это первая ступень. Там шесть маршевых двигателей в боковых блоках. Вторая ступень расходует 157,3 тонны за 211,1 с, итого 745 кг/с. При тяге 2400 кН мощность уже 7,7*10^9 Вт. Третья ступень расходует 43 тонны за 325 с, итого 132 кг/с. При тяге 583 кН мощность 2,57*10^9 Вт. Записали: порядок величины - гигаватты.
И вроде бы мы приближаемся к тому, что считали для кораблей далекого будущего. Но...
В-третьих, слово предоставляется закону квадрата-куба. Требуемая мощность зависит от F квадратично, а от u - линейно. Поэтому чисто за счет увеличения реактивной массы крейсер заметно быстрее не полетит, ему нужно повышать плотность энергии.
Но приближаемся за счет увеличения реактивной массы. А увеличение реактивной массы ведет к кошмару формулы Циолковского, потому что эту массу тоже надо разгонять. И баки, где она размещается, тоже. И несущие конструкции, которые распределяют ускорение по ракете. А когда мы начнем говорить о межпланетном перелете, окажется, что все намного хуже. Потому что массу, затрачиваемую на торможение и на обратный путь (кто бы мог подумать) тоже нужно разгонять. Складывается прекрасная ситуация, в которой 60-метровая 700-тонная башня выводит на низкую опорную орбиту 23,7 тонны. А чтобы три человека смогли метнуться кабанчиком до Луны и обратно, им нужна 110-метровая 3000-тонная башня. Почувствуйте вес. Мы используем химические ракеты не потому, что это хорошо и прекрасно, а потому что иначе никак не умеем. Именно поэтому, если говорить о современных и перспективных технологиях, "Протона" как целого у вас на орбите не будет. А будет разгонный блок "Бриз". Его двигатель создает в вакууме тягу примерно 20 кН, имеет до 20 тонн топлива, работает на нем 3200 секунд, тратит 6,25 кг/с, имеет мощность 6,4*10^7 Вт. Записали: порядок величины - десятки мегаватт.
Для сравнения, мощность современной ствольной артиллерии имеет порядок величины сотни мегаватт. В отличии от The Expanse, в реальности оружие и двигатели находятся в одной весовой категории.
Почему двигатель так важен?
На Земле ракеты имеют преимущества из-за сопротивления среды, которое резко возрастает с ростом скорости движущегося тела. Поэтому идти с постоянно включенным двигателем - единственный способ преодолеть большое расстояние. Но в космосе все не так. В космосе есть второй закон Кеплера, который говорит, что скорость в афелии и перигелии эллиптической орбиты может драматическим образом отличаться. И есть эффект Оберта, который говорит, что реактивный двигатель тем эффективнее, чем с большей скоростью он движется. Это заключение контринтуитивное, но имеет очень конкретные практические следствия. Орбитальные маневры должны осуществляться с помощью как можно более коротких (в идеале мгновенных) импульсов, подаваемых в нужных местах. Именно в этом проблема тезиса:
На космических расстояниях очень часто совершенно без разницы, что ионному двигателю придётся разгоняться дольше, чем химическому, если рабочего тела в баках того же объёма на этот разгон ему хватает, а цели - нет.
[N.B.]N.B.: Даже в космосе идти с постоянно включенным двигателем - все еще единственный способ преодолеть большое расстояние за разумное время. Гомановские траектории хороши с точки зрения изменения скорости, а биэллиптические орбиты еще лучше. Но жизнь коротка. Меньшее время возможно при использовании гиперболической траектории, но она слишком энергозатратная, и химическую ракету на нее без гравитационных маневров не вывести. То есть, пока у нас не появится более эффективных двигателей, регулярные полеты к чему-то кроме Луны, Венеры и Марса сталкиваются с серьезными трудностями.
Из-за неспособности к выдаче мощных и условно мгновенных импульсов ионному двигателю на один и тот же орбитальный маневр придется тратить больше энергии, чем химическому. Самые эффективные маневры для ионных двигателей просто недоступны. Так что нет, есть чертовски большая разница, кому разгоняться дольше. При малой удельной тяге вы не сможете повторить маневры цели, у которой удельная тяга больше. Расстояние не единственная ваша беда в мире, где сохраняются импульс, энергия и момент импульса.
Но главная проблема космического утюга с ионным двигателем даже не в эффекте Оберта, а в том, что цель не хочет быть пораженной. Она кратковременно включает свои более мощные двигатели, и утюг промахивается. До встречи на следующем витке? Рано или поздно у цели закончится топливо. Но в бою вам не нужно подстрелить врага "рано или поздно", вам нужно сделать это быстрее, чем он выполнит свою задачу. Разбомбит ваш город, например. Так что, ионный двигатель для доставки к цели шрапнели подходит отвратительно. А вот обычная пушка (или электромагнитная катапульта) как раз разгоняет снаряд за счет условно мгновенного импульса. Если снаряд - твердотопливная ракета, которая включается в окрестности цели, он к тому же имеет хорошие шансы ее переманеврировать. Добавляем сюда дистанционный подрыв снаряда - и пусть цель пытается выйти из облака осколков.
А как же лучи смерти?
Авиационные лазерные системы, которые были испытаны СССР и США, имеют мощность в мегаватты. Вывод очевиден: до нормальных лазеров, которые могли бы потягаться в бою с ракетами или пушками за счет грубой силы, всяким А-60 и YAL-1 далеко. И беда тут даже не в отводе тепла, а в том, что наша цивилизация, живущая за счет химических источников энергии, пока что не нашла достаточно эффективной химии. Или нет. Существуют неодимовые лазеры, которые применяются в лазерной плавке и термоядерном синтезе. Их мощность - тераватты. Энергия при этом та же, что и у авиационных лазерных систем, только импульс короче. Если удастся приспособить такую мощность к оружию, то оно будет иметь одно критически важное преимущество перед шрапнелью.
Как мы помним, sir Isaac Newton is the deadliest son of a bitch in space. Движущиеся тела продолжают двигаться, пока на них не действуют внешние силы. Шрапнель, которая пролетела мимо цели, обязательно кого-нибудь убьет, когда-нибудь и где-нибудь. Ладно если она летела по гиперболической траектории, в таком случае ваши шансы убить кого-нибудь, на кого вам не плевать, крайне малы. Но если вы стреляли во что-то на низкой опорной орбите, то невостребованная шрапнель останется там же. И обломки уничтоженной цели останутся там же. И шрапнель из выпущенных целью противоракет останется там же. И обломки перехваченных ракет останутся там же. Становится довольно тесно, не так ли? Вы захватили господство на орбите, именно для этого все и затевалось. Теперь это ваши проблемы, потому что получившаяся в итоге гора мусора, разлетающегося во все возможные стороны, угрожает вашим аппаратам. Выражаясь языком автора прочитанной мной статьи, готова подарить им столько же любви и заботы, сколько взрыв аналогичной массы тротила. В метании космических утюгов, как и в тотальной ядерной войне, нельзя выиграть. Можно только сыграть вничью, и только если вообще не начинать.
Лазер светит именно туда, куда вы им посветили, свет распространяется мгновенно и сам по себе орбиту не засоряет. Да, КПД лазера ниже в теории, но на практике никто не хочет умирать. Цель будет отстреливаться, цель будет уворачиваться, и пока вы попадете в нее кинетическим снарядом, КПД поравняется. А вот "коэффициент вредного действия" у лазера ниже. Используя его абсолютную точность, можно отстрелить вражескому аппарату антенны, двигатели и радиаторы, сделав его бесполезным куском мусора, который медленно варится в собственном соку, при минимальном образовании опасных осколков. В перестрелке лучами смерти выиграть можно. Так что, лучи смерти - оружие сильнейшей стороны, желающей господство на орбите захватить и использовать. А космические утюги - оружие слабейшей стороны, исповедующей принцип "так не доставайся же ты никому". Кстати, слепить лазерами системы ориентации космических утюгов гораздо удобнее, чем посылать утюги-перехватчики, чтобы устроить доггифайт.
[N.B.]N.B. Это преимущество лазеров критично именно в орбитальном бою. В суборбитальном бою (например, в случае перехвата баллистических ракет) все упадет на землю, поэтому мусор вас не беспокоит, но цель должна быть не ослеплена, а именно разрушена. В бою на гиперболических траекториях шрапнель улетит в беспредельные глубины космоса, и это вас тоже не беспокоит. Но пока у нас нет существенно более эффективных, чем было описано выше, способов выводить полезную нагрузку в космос, полноценной колонизации Солнечной системы не будет. А это значит, что для 95% грузов Земля будет либо пунктом отправления, либо пунктом назначения. А это значит, что любое космическое сражение при современных и перспективных технологиях (т.е., до достижения уровня "космической шпаны" по энергетике) сводится к орбитальному. Нет нужды лететь куда-то далеко, если груз можно перехватить прямо тут.
Но можно же использовать атомную бомбу
Да, из поражающих факторов ядерного взрыва в космосе представлены только световое излучение и проникающая радиация. Да, световое излучение быстро слабеет, а проникающая радиация легко экранируется. Можно, конечно, заметить, что не так уж и легко в условиях кошмара формулы Циолковского. Экранировать ее нужно слоями вещества, а вещество - разгонять до космических скоростей. Если интенсивность гамма-лучей вдвое ослабляют 3 см стали, то с быстрыми нейтронами сложнее: от них придется заслоняться топливными баками. Но ядерная бомба абсолютное оружие не поэтому. А потому, что по плотности энергии на порядки превосходит все доступное нам в химических реакциях. Эту энергию можно использовать для накачки гамма-лазера, который будет светить на цель с такой интенсивностью, что ее никакая броня не спасет. Выделение половины энергии луча в первых трех сантиметрах брони приведет к взрыву.
У атомного оружия есть единственная настоящая проблема. Оно использует такие дефицитные вещества, как обогащенный уран и оружейный пултоний, в таких количествах, что дешевым быть не может. Есть еще мелкие разрешимые проблемки, о которых я упоминал ранее, но это главная, и с ней ничего не поделаешь.
Продолжение следует...