October 17th, 2016

Снова в космос: Искусственное тяготение на космических кораблях и расположение палуб

Задумался я об этом потому, что читаю сейчас замечательный цикл Дж. Кори "Экспансия", тот самый, по которому сериал сняли. Пару лет назад были разговоры на тему "космооперы ноль", так вот, это оно. Ну, почти оно. Освоение Солнечной системы с использованием современных и перспективных технологий. Хардовость физики - вполне себе на уровне того же Уоттса. Только Уоттс писал про чуждость инопланетян и того, чем скоро станет человечество, а у Кори футуристичность на уровне "Стар Трека" и больше про то, в каком виде мы предстанем перед инопланетянами. Ну и лихие космические ковбои include, куда без этого. Однако, никаких варпов, фазоров, щитов и прочего кларктеха. Самая фантастическая штука - это двигатель Эпштейна, который, по моей быстрой оценке, должен по скорости истечения всего лишь на порядок превосходить лучшие из современных и перспективных разработок. И при этом давать нормальную тягу. По сравнению с тем же "Стар Треком", сущий пустяк. Вполне вероятно, что такая штука у нас действительно появится лет через сто. А вот насчет хотя бы половины описанного Уоттсом у меня такой уверенности нет.

Так вот, двигатель Эпштейна с такими в меру фантастическими параметрами - очень полезная штука, потому что используется не только как двигатель, но и как замена дурацких вращающихся секций. В плане симуляции тяготения на космических кораблях Кори ничего нового не придумал. То есть, для космооперы это ново, а вообще было еще у Стругацких. Для того, чтобы мышцы экипажа не атрофировались во время полета, а капитан мог попивать кофеек, за "искусственную гравитацию" подрабатывает инерция равноускоренного движения. Таким чудесным образом, перегрузки из врага превращаются в лучшего друга. Корабль, в топливе относительно не ограниченный, а вот в пиковой тяге очень даже ограниченный, идет по оптимальному с точки зрения времени алгоритму. Двигатель всегда включен. Половину полета разгоняется, половину тормозит. Плюс-минус на уравнивание орбитальных скоростей, но в рейсе Сатурн-Церера это вопрос нескольких часов, а сам полет продлится гораздо дольше. Палубы корабля расположены в плоскости, перпендикулярной выхлопу, поэтому экипаж всегда прижимает к полу "силой" инерции, пропорциональной ускорению. Вообще корабли в "Экспансии" по архитектуре чаще сравниваются с многоэтажными домами. Ну а пока корабль никуда не летит, зависнув по тем или иным причинам на заданной орбите, команда использует магнитные подошвы, а капитан пьет кофеек из груши. Но понятно, что при расстояниях, характерных для внешних планет, боевой корабль в походе 99% времени куда-то летит.


Видюшка в качестве иллюстрации.

Когда тяга внезапно пропадает, а ты забыл включить магнитные ботинки.

Кстати, сравнив это с "Вавилоном 5", можно заметить, как сильно изменились за последние 20 лет представления о "реалистичных" космических кораблях. Когда вышел на экраны "В5", все восторгались тем, что корабли летают с выключенными двигателями, не то что в этих ваших "Звездных Войнах". А теперь вот оно как. Штука в том, что электрические ракетные двигатели, для которых ограничение по тяге существеннее, чем по топливу, стали (легонько и робко) использовать в качестве маршевых только в 1998 году. А то, что можно считать прообразом используемого в "Экспансии" двигателя Эпштейна, хотя и было придумано в 1979, начало серьезно прорабатываться только в 2008. И в момент создания "В5" эти двигатели оказались совершенно закономерно не учтены в сумме перспективных технологий. Добрым молодцам урок.

Но вернемся к нашим баранам. В "Вавилоне 5" за "реалистичную" симуляцию гравитации отвечали громоздкие и жутко неудобные вращающиеся секции. Жутко неудобные потому, что при конструкции, скажем, "Омеги", центробежная сила а) охватывает лишь малую часть корабля, б) даже в этой части везде разная, в) приправлена силой Кориолиса и г) охватывает как раз ту часть, которая на поверхности, и наиболее уязвима для обстрела. Впрочем, последний фактор не был бы недостатком, если бы в зону искусственной гравитации не пытались, ради пафосных сцен, запихнуть боевую рубку, которой гравитация нужна меньше всего. А оставили бы там только жилые отсеки, которым она нужна больше всего.
92537795
В качестве хайтековой фантастики, в "Вавилоне 5" используются искусственные гравитационные поля. Которые настолько хайтековы, что есть только у минбарцев и центавриан. И вполне типичны для космооперы. Ведь на типичном корабле космооперы палубы лежат в плоскости вектора тяги. Почему? По аналогии с морским кораблем. Однако, когда я смотрел на "Шарлины", "Праймусы" и прочие "Звездные разрушители", меня всегда интересовал вопрос. Гравитация - штука всепроникающая, одинаково действует и на переборки, и на экипаж. Таким образом, если по всему кораблю она направлена "вниз", то экипаж находится в свободном падении, а весь корабль весело разгоняется в условный низ. Если же гравитация направлена в разные стороны в разных частях корабля, это создает в конструкции дополнительное механическое напряжение в областях стыка, что может отрицательно сказаться на прочности корпуса. Неприятно.

Однако, натянуть сову на глобус очень хотелось. И я таки придумал, какой смысл может быть в "корабельном" расположении палуб. Когда-то я писал про уклонение маневром. Казалось бы, самый простой вариант - шифт, параллельный перенос. Но давать такие шифты нужно в момент каждого выстрела, которые еще не факт, что можно отслеживать. Единственный выход - постоянное смещение. Но при этом нужно выдерживать курс, да и команда в условиях резкого и постоянно меняющегося на противоположное ускорения будет чувствовать себя, мягко говоря, не лучшим образом. Поэтому, в условиях перестрелки неуправляемыми снарядами на больших дистанциях, идеальным маневром уклонения является псевдослучайная спираль. Двигаясь вперед, корабль нарезает круги в плоскости, перпендикулярной направлению движения. Нормальное и тангенциальное ускорение постоянно меняются в небольших пределах бортовым компьютером, использующим функцию rand(). Таким образом, меняется радиус спирали. У корабля существует выделенный "низ", направленный наружу и усеянный маневровыми двигателями. Если мы умеем создавать искусственные гравитационные поля, целесообразно их использовать в качестве безынерционного двигателя. Для противника, находящегося где угодно, корабль непредсказуемо "дергается" как минимум в одном перпендикулярном траектории снаряда направлении. При этом, курс выдерживается, и, если главный калибр в данном сеттинге стреляет примерно вперед, противник постоянно на прицеле. Кстати, как мы помним, корабль вытянут вдоль направления движения из соображений снижения ЭПР. К которым "Война Калибана" добавила еще одно. Трудно отрицать, что такой вот обтекаемый "утюг" без выступающих частей лучше переносит перегрузки при разгоне, чем та же "Омега".
escort-carrier-1

Коль скоро псевдослучайная спираль используется в бою, гравитация, направленная в сторону выделенного "низа" является неизбежным следствием и вынуждает делать палубы параллельными "низу". Что в свою очередь создает серьезный соблазн совместить приятное с полезным и вне боя на маршевых двигателях только разгоняться. А идти на тех же маневровых, повернувшись вперед "верхом". Что, в свою очередь, порождает хороший вопрос, что считать маршевым двигателем, а что маневровым. Ведь, хотя традиционно маршевый двигатель - самый мощный, используемый для основного разгона и торможения, здесь он идеологически оказывается как раз маневровым. Но сова на глобус, как мне кажется, налезла.