Заметки о космической фантастике

Как летать близко

Итак, вы сумели разорвать оковы тяготения, парите на орбите, любуетесь космосом… и тут сволочь-капитан врывается в кабину пилота, орёт на вас трёхэтажным матом и требует немедленно запускать двигатели, потому что пассажиры, понимаешь, заплатили за круиз по всегалактически известным садам Альфа Центавры, а до них ещё долететь надо. Что делать? Только грустно пожать плечами, бросить взгляд на затянутую в облегающий костюмчик стюардессу и начать полёт.

В фантастике, понятное дело, вы домчите любителей цветочков до места очень быстро. А в реальности?

А реальность… ну вы поняли.

Сначала давайте представим, что всегалактически известные сады Альфа Центавры расположены на Марсе, и летят наши туристы именно туда. Всё-таки долететь куда-то в пределах одной звёздной системы несколько проще, чем отправляться к другому солнцу.

Концептов именно космических двигателей, т. е. изначально предназначенных для перемещения в безвоздушном пространстве, на сегодня имеется немало, и, в отличие от предыдущей главы, тут дела всё-таки обстоят чуть получше: есть успешно испытанные прототипы, а кое-что даже имеет возможность выбраться за их пределы. Все эти интересные штуки, однако, не позволят долететь к Альфа Центавре — но об этом позже.

Почему бы не использовать старый добрый химический двигатель, раз уж мы на нём взлетели? Тут надо сделать небольшое отступление в дебри теории. Любой ракетный двигатель характеризуется таким параметром, как удельный импульс. Честно говоря, его определение на википедии кажется лично мне на редкость таинственным для непосвящённого: какое-то там отношение количества движения к расходу топлива… хотя это характерно для физики. Долой канцеляриты: удельный импульс — это показатель эффективности ракетного двигателя. Чем он выше, тем меньше топлива аппарат затратит на увеличение своей скорости. Замечу, это касается только расхода — и больше ничего.

Традиционные химические двигатели на всяких нитрометанах и гидразинах очень мощны, но тратят на разгон очень много топлива. Это приемлемо, если мы хотим взлететь на орбиту, но для набора скорости вне её — уже не очень. Ракете попросту не хватит горючего, чтобы достичь высоких скоростей.

Тут-то и приходят на помощь новые разработки.

Как несложно (наверное) догадаться, это такой двигатель, который ускоряет ракету за счёт электроэнергии.

Однако в космосе это несколько сложнее, чем на земле, где можно поставить на машину асинхронный электродвигатель и не париться, используя для разгона сцепление колеса с дорогой, а крутящий момент получая с помощью вращающегося магнитного поля. В космосе единственным доступным способом остаётся реактивное движение, таким образом, общий принцип ракетного электрического двигателя построен на разгоне рабочего тела с помощью магнитного поля, получая таким образом ускорение.

Обычно в качестве топлива выступает ксенон: он ионизируется в специальной камере, после чего положительные ионы газа разгоняются, ускоряя корабль, а электроны утилизируются. Выглядит это приблизительно вот так:

Классификация двигателей зависит от того, переходит ли рабочее тело в состояние плазмы или нет, какое поле используется для разгона и так далее.

Электрические двигатели бесполезны для подъёма ракеты на орбиту. В перспективе они смогут достичь тяги в несколько ньютонов — для сравнения, тяга одного спейс-иксовского «Мерлина» — 730тысяч ньютонов, а один Falcon 9 поднимают девять таких «Мерлинов». Однако плазменный или ионный двигатель могут работать очень долго, тратя при этом крохи топлива, и когда ЖРД давно потухнет, они будут работать. И в конечном итоге разгонят корабль до куда более высоких скоростей.

Другими словами, упомянутые выше любители цветочков будут ждать целыми сутками, пока их лайнер разгонится до приличной скорости, а вы-пилот сможете спокойно пить кофе и обжиматься в кабине со стюардессой — напряжённых космических погонь не будет. Если представить, что ракета с ЖРД тягой 730 килоньютонов — это Ламборгини Диабло, разгоняющаяся с нуля до сотни за 4 секунды, то ракета с электрическим двигателем — это драндулет, достигающий той же сотни за 4 дня (собственно, у АМС «Dawn» примерно такое ускорение и было во время полёта). Само собой разумеется, что для мочилова в космосе, отчаянных манёвров и радиопередач в духе «АААА ВАСЯ ВРАГ У МЕНЯ НА ХВОСТЕ БДЫЩЬ БУ-БУХ» подобный способ передвижения не особо годится, хотя, к примеру, в Звёздных войнах на кораблях стоят именно ионные двигатели. И, естественно, к настоящим они имеют очень мало отношения, впрочем, то же самое можно сказать практически обо всём в мире франшизы.

Что у нас там в реальности? В реальности всё сложно. АМС «Dawn» поставила рекорд скорости, используя три ионных двигателя на ксеноне. Каждый двигатель обладал тягой менее 0,1 ньютона, но и весил всего 9 кг, а сам аппарат на старте — чуть больше тонны. Разгонялся он несколько лет, имея на борту 425 кг ксенона. Однако технологии не стоят на месте: электрические двигатели сейчас активно развиваются, так что всё у них ещё впереди.

Пример очередного и пока крайнего шага в их развитии — это Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR), он же магнитоплазменный двигатель. Ионизация рабочего тела в нём производится с помощью радиоволн, после чего полученная плазма разгоняется электромагнитным полем. Плазма при этом не контактирует с конструкцией двигателя (а это увеличивает срок его службы на порядки), сам же двигатель способен выдавать тягу в десятки раз большую, чем ионный. Кроме того, вместо ксенона VASIMR использует гораздо более дешёвый и доступный аргон.

Что будет дальше? Трудно сказать. Лично я предполагаю создание гибридных двигателей с возможностью использовать как обычную химическую или ядерную тягу для сложных манёвров, в том числе и в термосфере, так и плазменный режим для штатного разгона в космосе. Скорее всего, никуда не денутся и гравитационные манёвры — если отправить наш лайнер на Нептун, будет очень удобно получить при случае дополнительный разгон у, например, Юпитера. Заодно и туристы насладятся видами гигантской планеты. Однако о регулярных рейсах в современных условиях говорить не приходится: чтобы уверенно летать хотя бы с Земли на Марс, пусть даже за полтора месяца, нужны гораздо более эффективные двигатели, чем VASIMR.

Впрочем, первые баллистические ракеты тоже были далеки от идеала.

А как насчёт фантастики? К сожалению, ионные двигатели там отсутствуют как класс. У некоторых писателей упоминаются плазменные, но с реальными образцами вроде VASIMR у них общего только слово «плазменный» в названии. Причина, на самом деле, очевидна: кораблям любой уважающей себя космооперы нужны мощные двигатели, чтобы истребители могли маневрировать вокруг авианосцев, уклоняться от ракет и взрывать звёзды смерти. Для всего этого ионный двигатель годится чуть менее чем никак. Примерно так же дело обстоит и в твёрдой НФ, где в центре сюжета обычно совсем другие вещи, а перемещение в космосе — всего лишь костыль-обоснуй, и неважно, на чём там летает корабль, главное, что он прилетает с Земли на Марс за неделю или две, а лучше за пару дней.

Другими словами, медленный бережливый двигатель попросту непригоден для подавляющего большинства используемых в фантастике сюжетов.

У света есть своё собственное давление — слабое, но всё же есть. Осознание этого факта привело людей к идее солнечного паруса, который работает так же, как и обычный, но вместо ветра использует солнечный свет.

Плюсы такого подхода очевидны. В первую очередь это халява — солнце светит всем и бесплатно. Во вторую… э-э, в общем, на первом пункте плюсы заканчиваются и начинаются минусы.

Для начала это низкая — нет, действительно низкая — тяга. Если тяга ионного двигателя показалась вам до смешного маленькой, то вы просто ещё не видели солнечный парус: на земной орбите каждый метр полотна сообщает аппарату усилие в 9e-6 ньютон, т. е. 0,000009 ньютон. Соответственно, парус размером, скажем, 100 на 100 метров сообщит нашему лайнеру тягу в 0,09 ньютона — в десять раз меньше, чем ионный двигатель.

Кроме того, ускоряться на этом парусе можно только в сторону от солнца (можно и в сторону, но потребуется зеркало). Кроме того, указанная выше значение тяги — это для земной орбиты, а дальше оно будет падать, причём не линейно, а по квадратичной зависимости (а это нивелирует единственный плюс — на парусе нельзя ускоряться бесконечно). Кроме того, такой огромный парус надо ещё развернуть. Кроме того, из-за большой площади он становится уязвим для космического мусора — каждая песчинка будет пробивать это ультратонкое полотно, превращая его в решето. Кроме того…

Ну, в общем, дальше продолжать, наверное, будет излишним. О солнечных парусах почитать можно у Кларка в рассказе «Солнечный ветер», они упоминались у Пьера Буля в «Планете обезьян», да и ещё много где. Реальность, увы…

Почему бы не использовать в качестве дополнительного движителя лазерный луч, хотя бы теоретически? Потому что лазер, к сожалению, имеет угол расхождения, хоть и небольшой. Когда корабль улетит на достаточное расстояние, связь пропадёт. От Солнца до пояса Койпера (как у Уоттса в «Ложной слепоте») дострельнуть лазером не получится, а если бы даже и получилось, возникает другая проблема: настройка и точность. Изменение угла на долю угловой секунды вызвало бы срыв корабля с лазерного «поводка», а учитывая, что свет идёт до Плутона девять часов, вернуть его обратно было бы затруднительно.

Это тоже далеко не фантастический концепт — первые разработки ЯРД появились ещё в 50-х годах. Суть ядерного двигателя очень проста — есть ядерный реактор, есть рабочее тело (чаще всего старый добрый водород). Реактор нагревает рабочее тело, которое радостно устремляется в космос, разгоняя корабль. Вот так:

По сравнению с обычными ЖРД такой двигатель обладает значительно более высоким удельным импульсом и меньшей тягой (но повыше, чем у ионника), что делает его более эффективным в космосе, чем на земле. Лёгкие газы вроде водорода при той же энергии будут иметь более высокую скорость, чем тяжёлые продукты сгорания химического топлива.

Например, единственный советский ЯРД РД-0410 обладал тягой в 35,2 кН и удельным импульсом 9000 м/с, а американские NERVA — 333 кН и 8500 м/с (для сравнения, спейс-иксовские ЖРД «Мерлин» — 740 кН и 3000 м/с соответственно). Однако в ходе разработок возникло множество трудностей, в результате чего приоритет отдали жидкостным двигателям.

Сейчас пациент скорее мёртв, чем жив. Впрочем, в последнее время народ зашевелился — и NASA, и Роскосмос возобновили разработки. Может, и не зря.

Ну а в фантастике ЯРД фигурирует достаточно редко, в основном в твёрдой НФ. Как правило, потому, что в космоопере либо вообще не заморачиваются упоминанием типа двигателей, либо летают на хреноптаниуме.

С описанием устройства тут посложнее, чем в предыдущих случаях — готовьтесь, гуманитарии. Впрочем, абстрактное математическое мышление для понимания не требуется, так что не отмажетесь.

Сначала что-нибудь попроще. Итак, вот схема открытой аксиально-симметричной ловушки:

Оранжевая колбаска в центре — это плазмоид, сгусток плазмы, ограниченный магнитной ловушкой. Его окружают создающие эту самую ловушку кольца из сверхпроводящих магнитов (синенькие квадратики, нарисованы в разрезе, отмечены как «катушки магнитной системы»), с краёв плазма запирается катушками, генерирующими мощное магнитное поле — их называют пробками. Рабочее тело во всю эту конструкцию нагнетается плазмоганомплазмотроном. Собственно, в гипотетическом термоядерном реакторе такого типа предполагается поставить два запирающих зеркала-пробки с обеих сторон, как и нарисовано на картинке, но так как нам надо получить тягу, с одной стороны создаётся магнитное сопло.

Таким образом, плазма поступает в нашу магнитную ловушку, где разогревается (на картинки это делается с помощью инжекторов, обозначенных зелёными лучами) и улетает в космос. Тяга и удельный импульс такого двигателя, при его габаритах (100 м в длину) и массе (70-100 тонн в лучшем случае) сравнима с электрическими, что не особо радует, учитывая предполагаемые затраты хотя бы на вывод всего этого барахла в космос.

Выше описан ТЯРД непрерывного действия, но, естественно, это далеко не единственный способ использовать термоядерную реакцию в качестве движителя. Другой вариант — импульсный двигатель, работающий на эффекте z-пинча. Пинч — это явление, когда протекающий в плазме или металле ток создаёт магнитное поле, которое в свою очередь действует на окружающие заряженные частицы и через них влияет на токовый канал, сжимая его или вовсе разрушая. Z-пинч — частный случай, когда проводник представляет собой столб из плазмы.

Устроено это так: два компонента рабочего тела подаются в камеру сгорания, где мощный электрический импульс превращает их в плазму и запускает термоядерную реакцию. Дальше срабатывает z-пинч, который сжимает плазму и выбрасывает её через магнитное сопло из сверхпроводящих катушек, вызывая тягу в 38 кН при удельном импульсе 200000 c.

Если вы пробежали глазами текст выше, не задерживаясь на техническом порно, то вот общий вывод: ТЯРД — это двигатели для космоса, двигатели с малой тягой, но высоким удельным импульсом. Проблем, однако, у них выше крыши: так уж получилось, что взрывать термоядерные бомбы человек уже научился, а нормально контролировать реакцию — ещё нет. Так или иначе, ТЯРД — штуки большие и тяжёлые, и насколько они окажутся востребованы и эффективны, судить ещё рано. Сейчас это пока фантастика.

Кстати, что там в фантастике? Да толком ничего. Проблема, разумеется, в том, что гораздо проще описать варп-двигатель, работающий на хреноптаниуме, чем копаться в зубодробительных терминах. Причём проще и писателю, и читателю.

Так что стоит дважды подумать, прежде чем перетаскивать открытые ловушки с амбиполярным запиранием в художественный текст. Но если дозированно — почему бы и нет?

Если электрические двигатели уже эксплуатируются, ядерные существуют на стадии прототипа, а термоядерные — хотя бы в виде теоретического реализуемого концепта, то этот персонаж принадлежит к области чистой фантастики, хоть и основанной на реальных физических принципах. Соответственно, поэтому он популярен у фантастов (из самого свежего — «Ложная слепота» Уоттса, да и я как бы тоже причастился). Ведь антиматерия для современной науки очень близка к хреноптаниуму: если физики ещё кое-как могут что-то о ней сказать, то инженеры пока только чешут в затылках. Фантастика же в 99 % случаев рассматривает эксплуатирующиеся проекты.

На первый взгляд концепт очень перспективен: энергии при аннигиляции выделяется на порядки больше, чем даже при термоядерном синтезе. На практике значительная часть её улетает в форме бесполезных нейтрино, а остальную надо ещё как-то применить. Ведь аннигиляция сама по себе не создаёт тяги, значит, требуется рабочее тело. Однако использовать плазму — не наш метод, чаще всего аннигиляцию называют источником энергии для фотонного двигателя.

Суть его проста: фотон, несмотря на отсутствие массы покоя, обладает импульсом, равным постоянной Планка, делённой на длину волны. А раз у него есть импульс, значит, он может сообщать тягу. Соответственно, нужно создать мощный пучок света, который и будет толкать корабль вперёд. О мощности, необходимой для создания значимой хотя бы по сравнению с космическим парусом тяги, приходится только гадать.

Проблема заключается ещё и в том, что для производства антиматерии при нынешних технологиях нужно затратить на несколько порядков больше энергии, чем может дать аннигиляция. Соответственно, экономически в этом нет никакого смысла.

Другой вариант, более реалистичный, на мой взгляд — использовать более традиционные вещи вроде термоядерной реакции, где антиматерия выступает её катализатором. В этом случае топливная смесь из дейтерия и трития сжимается и облучается пучком антипротонов, что разогревает её до нужной температуры и запускает реакцию. Дальше — как в прошлом пункте.

Двигатели на антивеществе многократно более популярны, чем ядерные и электрические. Причина тут лежит, на мой взгляд, в том, что на сегодня нет даже теоретической модели такого двигателя, что снимает все вопросы к автору. Достаточно сказать «мой корабль летает на антиматерии» — и всё, никто не придерётся, что в книжке неправильно описан принцип разгона плазмы в электромагнитном поле. Как можно неправильно описать несуществующее? Никак. Вместе с тем концепт гипотетически реализуем, что позволяет на этой основе авторам гордо причислять свои книжки к твёрдой НФ, хотя содержание этих историй целиком состоит из мочилова, секса и пафоса.

Фотонные двигатели использовались у Стругацких, у Лема, у Дугласа Адамса и ещё много у кого. В сущности, их применение обосновано примерно теми же причинами.

В фантастике, как правило, никто никогда не думает о траекториях полёта, о взаимном расположении кораблей в пространстве и прочих подобных вещах. По большой части это и не требуется, потому что книга совсем о другом, но иногда фантазия доходит до абсурда. Например на одном из мелких сетевых конкурсов мне доводилось читать рассказ про вторжение злых инопланетян на Землю. Злые инопланетяне раздолбали защитный форпост на Плутоне, и земляне отступили, внимание, к Нептуну, чтобы встретить вражин у ещё одной базы на его спутниках. Типа, второй защитный эшелон. Логика автора очевидна: он мыслил нормальными 2D-представлениями о войне на Земле, но космос, разумеется, живёт по другим законам. В реальности Нептун мог находиться по другую сторону от Солнца, нисколько не мешая злым инопланетянам лететь к Земле. Более того, все планеты Солнечной системы вращаются приблизительно в плоскости эклиптики, и злые инопланетяне вполне могли прилететь откуда-то, грубо говоря, «сверху», вообще не пересекая орбиты внешних планет.

В другой истории три космических корабля окружили в открытом космосе катер главного героя и потребовали сдаться, а он думает, мол, всё, из кольца не вырваться. И сдаётся, трус несчастный, чтобы пафосно сберечь жизнь сидящей рядом красотки. Но если вспомнить математику, то окажется, что три точки всегда образуют плоскость — наш парень вполне мог рвануть перпендикулярно этой плоскости, получив на хвост трёх злых вражин, но превратив «окружение» в погоню. Чтобы более-менее плотно «окружить» кого-то в космосе, нужно по меньшей мере четыре корабля — по числу вершин тетраэдра. Да и то это будет достаточно жиденько, учитывая отношения размеров кораблей и расстояний между ними.

Кстати о размерах и расстояниях: есть известный штамп, связанный с опаснейшими астероидными полями. Это когда храбрый пилот проявляет чудеса ловкости, лавируя между огромными каменными глыбами, хаотично летающими в поле, окружающем планету… Нет. Так не бывает.

Во-первых, плотность астероидов в таких полях настолько мала, что с большой вероятностью вы даже не заметите, что пролетали сквозь такое поле. Для сравнения, возьмите футбольный стадион и бросьте в воздух над ним несколько пылинок, постаравшись распределить их по всему стадиону. Так вот, в реальном поясе астероидов камни летают друг от друга ещё дальше.

Во-вторых, относительные скорости астероидов таковы, что пилоту не хватит никакой нечеловеческой реакции, чтобы уклониться от летящей навстречу глыбы.

В-третьих, даже если представить себе такое плотное поле, из-за взаимных столкновений (почему-то с кораблями всегда сталкиваются глыбы, и никогда — друг с другом) все большие камни быстро станут маленькими.

В космосе никто не летает по прямой. Причина лежит в том, что Земля отнюдь не стоит на месте, а сам аппарат обычно сперва выходит на околоземную орбиту и только потом улетает в космос на вольные хлеба, имея, помимо второй космической скорости относительно Земли, ещё и инерционное движение по орбите всё той же Земли. Кроме того, он движется в гравитационном поле Солнца и планет, и «выпрямление» траектории потребовало бы постоянной работы корректирующих двигателей, то есть дополнительного расхода топлива. Разумеется, это нафиг никому не нужно.

Поэтому сейчас в основном с орбиты на орбиту переходят с помощью так называемой Гомановской траектории, суть которой заключается в использовании короткого импульса в определённых точках орбит (в простейшем случае это перицентр и апоцентр). На словах, разумеется, ни хрена не ясно, так что вот картинка:

1 — орбита Земли, 3 — орбита, скажем, Марса. С помощью первого импульса аппарат сходит с орбиты Земли в точке 2 и начинает движение по эллиптической траектории к орбите Марса. Достигнув её, он снова включает двигатели и с помощью второго импульса выпрямляет полёт в точке 3, переходя уже на орбиту Марса.

Однако у этого метода есть существенные недостатки, если мы говорим об экономически целесообразных космических полётах. Главный из них, это, разумеется, время. Полёт по такой траектории в случае Марса займёт около 9 месяцев в лучшем случае, для внешних планет это значение сильно увеличивается. Кроме того, необходимо учитывать расположение небесных тел друг относительно друга. Вот, например, как летел упомянутый выше зонд Dawn с ионными двигателями:

Как можно заметить, ему пришлось совершить почти два витка вокруг Солнца и гравитационный манёвр у Марса (не Юпитер, но тоже сойдёт), чтобы добраться до Весты, хотя прямое расстояние между Землёй и Вестой гораздо меньше. А потом и ещё половину, чтобы добраться к Церере, хотя опять-таки прямой путь куда короче. Ионные двигатели, конечно, разгоняют корабль, но чуда не делают (на схеме thrust — это участки с работающим двигателем, coast — пассивный полёт). Космос — он такой. Жестокий.

Нет, конечно, гомановская траектория — не единственный способ летать между планетами. Да и в случае мощного эффективного двигателя можно будет значительно сократить время перелёта, убрать ненужные витки и так далее. Но факт остаётся фактом — летать в космосе куда сложнее, чем обычно описывают фантасты.