Real Space Battles bei Kindern einer toten Erde, Teil 1

Der Mainstream der Weltraumkriegsspiele umfasst mehrfarbige Pi-Piu-Laser, Direktschießen, Geschwindigkeit Null im Verhältnis zum absoluten Weltraum und andere völlig unrealistische Dinge . Daher bietet der Simulator "Kinder einer toten Erde", der Schlachten mit jetzt verfügbaren Technologien simuliert, ein völlig einzigartiges Erlebnis. Neben der Tatsache, dass es nur interessant zu spielen ist, wirft er ernsthafte Fragen darüber auf, wie echte Kriege im Sonnensystem stattfinden können, und hat eine große pädagogische Bedeutung.


Die Schlacht in der Umlaufbahn des Mars. Farbige Linien sind keine Laser, sondern Railgun-Tracer

Schlachtfeld

Die Orbitalmechanik für eine unvorbereitete Person sieht sehr unverständlich aus. Es wird am besten während des Spiels wahrgenommen, aber es ist ratsam, einige Grundlagen im Voraus zu geben. Zuallererst wird die Aktion im Sonnensystem stattfinden und jedes Objekt wird sich in der Umlaufbahn eines seiner Himmelskörper befinden. Was ist eine Umlaufbahn? Wenn ein anderer Körper (Satellit, Schiff, Rakete usw.) unter dem Einfluss der Anziehungskraft eines schweren Körpers sehr einfach und kurz spricht, bewegt er sich entlang einer Flugbahn, die ein konischer Abschnitt (Kreis, Ellipse, Parabel, Hyperbel) mit Fokus in der Mitte ist Massen des Systems, die sich in unserem Fall in einem schweren Körper befinden. Verschiedene Parameter bestimmen, wie dieser Pfad aussehen wird:

• Pericenter - die kleinste Umlaufbahn
• Apozentrum - die höchste Höhe. Macht keinen Sinn für Parabel und Hyperbel
• Exzentrizität - ein Parameter, der die Art der Umlaufbahn bestimmt. 0 - Kreis, von 0 bis 1 - Ellipse, 1 - Parabel,> 1 - Hyperbel
• Orbitalneigung - Definiert den Winkel zwischen der Orbitalebene und der Basisebene, die der Äquator eines Himmelskörpers oder der Ekliptikebene ist

Ein weiterer Parameter ist für alle Raumfahrzeuge von entscheidender Bedeutung. Die charakteristische Geschwindigkeitsreserve oder Delta-V ist der Betrag, um den das Gerät die Drehzahl seiner Motoren ändern kann. Zum Beispiel haben wir einen chemischen Raketentriebwerk und Kraftstoff mit 2 km / s. Wir können sie ausgeben, wie wir wollen - beschleunigen, bremsen, die Neigung der Umlaufbahn ändern. Wenn sich herausstellt, dass Delta-V 0 ist, geht uns der Kraftstoff aus und wir können unsere Flugbahn nicht mehr ändern. Der Parameter ist insofern praktisch, als er sich nicht um den Motortyp und den Kraftstoff kümmert und Sie alle Geräte vergleichen können.


Ungefähre Delta-V-Werte in m / s für Flüge zwischen Planeten

Interessanterweise ist in CoaDE die Delta-V-Versorgung mit Schiffen normalerweise geringer als für einen vollständigen Flug zwischen Himmelskörpern erforderlich. Es wird angenommen, dass die Schiffe mit zusätzlichen Panzern fliegen, die vor Beginn des Kampfes weggeworfen werden und im Spiel nicht sichtbar sind.


Berechnung des Manövers zum Abfangen der feindlichen Gruppierung in der Umlaufbahn der Venus

Die Schiffssteuerungsschnittstelle ähnelt dem Kerbal Space Program, aber hier erhalten die Schiffe Befehle und manövrieren sich selbst.



Um das Manöver genau zu berechnen, gibt es ein sehr praktisches Werkzeug, das den Grundkörper umschaltet, um die Flugbahn anzuzeigen. Im obigen Screenshot zielen wir auf den Treffpunkt und ändern den Grundkörper von Venus auf die feindliche Flotte. Diese Funktion ist bei komplexen Missionen unverzichtbar.

Darüber hinaus gibt es einige weitere nützliche Begriffe:

• Lagrange-Punkte sind fünf Punkte in einem Zweikörpersystem, zum Beispiel Erde-Mond, in dessen Nähe lang anhaltende Umlaufbahnen eines dritten Körpers - eines Schiffes oder eines Satelliten - möglich sind (und das Spiel hat eine ziemlich schwierige Aufgabe, Treibstoff zu einem an diesem Punkt festgefahrenen Schiff zu bringen).
• Hill's Sphere ist ein Bereich, in dem der Gravitationseinfluss eines bestimmten Körpers überwiegt. Wenn Sie beispielsweise die Earth Hill-Kugel verlassen, befindet sich das Schiff in der Sun Hill-Kugel. Im Spiel der letzten, schwierigsten Missionen gehen Kämpfe um Jupiter und Saturn, und wir müssen die Anziehungskraft ihrer Satelliten bei der Planung von Manövern berücksichtigen und nutzen.

Aus den Gesetzen der Orbitalmechanik ergeben sich einige nicht offensichtliche Merkmale des kosmischen Schlachtfeldes:

1. Um in die Schlacht einzutreten, müssen komplexe Manöver durchgeführt werden, um dem Feind in einiger Entfernung von seinen Waffen näher zu kommen. Der Feind erschwert die Aufgabe mit seinen Manövern weiter.
2. Der Gegner, der mit Delta-V endet, verliert die Initiative, und der Gegner mit dem verbleibenden Spielraum der charakteristischen Geschwindigkeit bestimmt die Annäherungseigenschaften. Im Allgemeinen ist ein stationäres Ziel völlig hilflos, da es ungestraft aus großer Entfernung abgefeuert werden kann.
3. In der Umlaufbahn um einen Himmelskörper kann man eine Vielzahl von Rendezvous-Optionen realisieren, sowohl mit minimaler gegenseitiger Geschwindigkeit bei konvergierenden Kursen als auch mit großen bei sich kreuzenden oder entgegenkommenden Kursen.
4. Der Bereich möglicher gegenseitiger Annäherungsgeschwindigkeiten beginnt nahe Null und kann mehrere zehn Kilometer pro Sekunde erreichen. Wenn der Erd-Mars-Flug beispielsweise im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch sparsam ist, beträgt die Endgeschwindigkeit in der Nähe des Mars etwa 6 km / s. Wenn Sie auf dem entgegengesetzten Weg fahren, kann die Geschwindigkeit 50 km / s erreichen (ein solcher Weg erfordert jedoch> 30 km / s Delta-V). Bei realistischen Technologien in der Umlaufbahn eines Himmelskörpers ist eine maximale Annäherungsgeschwindigkeit von nahe Null bis zu mehreren Kilometern pro Sekunde zu erwarten.
5. Je leichter die zentrale Karosserie ist, desto billiger sehen Delta-V-Manöver aus. In der Nähe eines leichten Asteroiden können Sie sich leicht umdrehen und sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen. In einer Umlaufbahn eines schweren Planeten mit demselben Volumen reicht Delta-V jedoch nur aus, um die Parameter der Umlaufbahn geringfügig zu ändern.

Motoren

Ohne die Fähigkeit, die Umlaufbahn zu verändern, ist nicht nur eine Weltraumschlacht unmöglich, sondern auch eine ernsthafte Erforschung des Weltraums. Und ohne Motor ist eine Umlaufbahnveränderung nicht möglich. In naher Zukunft werden die Grundlagen von Weltraummotoren verschiedene Strukturen sein, bei denen reaktive Massen freigesetzt werden - solare und elektromagnetische Segel sowie Motoren, die das Magnetfeld des Planeten abstoßen, sind zu universell. Die Hauptmerkmale für Raummaschinen sind:

• Spezifischer Impuls. Zeigt an, wie effizient der Motor Kraftstoff verbraucht. Je höher der spezifische Impuls des Motors ist, desto weniger Kraftstoff wird benötigt, um das Schiff auf die erforderliche Geschwindigkeit zu beschleunigen. Gemessen in Metern pro Sekunde oder Sekunden.
• Schub. Einige Modelle mit hochspezifischen Impulsmotoren zeichnen sich durch einen sehr geringen Schub aus, sodass sie in keiner Situation eingesetzt werden können.

Chemischer Motor

Mit chemischen Raketentriebwerken begann die Weltraumforschung als solche. Sie zeichnen sich durch einen niedrigen spezifischen Impuls aus und befinden sich nun nahe an den physikalischen Grenzen ihrer Wirksamkeit. Aufgrund ihrer vergleichsweise Einfachheit und ihres hohen Schubes im Vergleich zu anderen Typen sind sie jedoch die Hauptmotoren der modernen Astronautik. Die Erforschung des Weltraums erfordert einen höheren spezifischen Impuls, aber diese Motoren werden überhaupt nicht verschwinden.

Bisher präsentiert CoaDE ausschließlich Raketentriebwerke mit flüssigem Treibstoff und einer oder zwei Komponenten. Wir werden sie daher nur genauer betrachten. Das Funktionsprinzip ist relativ einfach. In der Brennkammer zersetzt sich der Kraftstoff (wenn es eine Komponente gibt) oder wird durch ein Oxidationsmittel (wenn es zwei Komponenten gibt) unter Freisetzung einer großen Menge an Wärmeenergie verbrannt. Nachdem es sich in ein Hochtemperaturgas verwandelt hat, tritt es in die Laval-Düse ein, die die Wärmeenergie des Gases in die kinetische Energie seines schnellen Abflusses umwandelt.


Brennkammer und Laval-Düse des RD-107/108-Motors. Auf solchen Fliegen russische Raketen "Sojus"

Im wirklichen Leben sind die Komponenten „flüssiges Sauerstoff-Kerosin“ wegen der Einfachheit und hohen Dichte von Kerosin, „flüssiger Sauerstoff - flüssiger Wasserstoff“ aufgrund des hohen spezifischen Impulses (ca. 4,4 km / s) und „asymmetrisches Dimethylhydrazin - Stickstofftetrooxid“ beliebt. aufgrund der Tatsache, dass es sehr lange bei Raumtemperatur gelagert werden kann. Der maximal erreichte spezifische Impuls eines Chemiemotors von 5,32 km / s wurde mit dem Dreikomponenten-Lithium-Fluor-Wasserstoff-Kraftstoff erzielt, der im praktischen Einsatz äußerst unpraktisch ist (Lithium muss sehr heiß und Wasserstoff kalt sein, die Komponenten korrodieren die Rohrleitungen und das Abgas ist giftig )

In CoaDE ist Fluor-Wasserstoff (UI 4,6 km / s) das effizienteste Kraftstoffpaar. In Wirklichkeit wird es niemand benutzen, denn der Auspuff eines solchen Motors wird Flusssäure sein, die für die Umwelt sehr schädlich ist, aber laut der Handlung des Spiels ist die Erde bereits zu Ende und die überlebenden Überreste der Menschheit kümmern sich nicht um die Ökologie. Außerdem hat CoaDE die Notwendigkeit eines Wärmeschutzes von Kryotanks noch nicht berücksichtigt - flüssiger Sauerstoff kann ohne Wärmedämmung gespeichert werden, flüssiger Wasserstoff verdampft jedoch zu aktiv.


Chemische Raketentriebwerkskonstruktion

Das Spiel berücksichtigt das stöchiometrische Verhältnis (das Verhältnis der Kraftstoff- und Oxidationsmittelfraktionen ermöglicht es Ihnen, entweder Kraftstoff vollständig zu verbrennen oder einen Überschuss an einer der Komponenten im Abgas zu haben), die Notwendigkeit, Komponenten mit Turbopumpen zu versorgen, die Brennkammer und die Düse mit einer der Komponenten zu kühlen (in der Realität verwendet, sonst schmilzt der Motor einfach ) und drehen Sie den Motor zum Manövrieren. Die Flexibilität des Spieledesigners ermöglicht es Ihnen, eine Vielzahl von Engines zu erstellen, die für eine Vielzahl von Aufgaben geeignet sind, von großen und effizienten Marsch-Engines bis hin zu kompakten Orientierungs-Engines. Die chemischen Motoren von CoaDE werden hauptsächlich für Raketen und Drohnen eingesetzt.

Atomrakete

Erhitztes Gas für eine Laval-Düse kann nicht nur durch eine chemische Verbrennungsreaktion erhalten werden. Ein Kernreaktor wird mit dieser Aufgabe gut zurechtkommen. Daher begannen Mitte des 20. Jahrhunderts experimentelle Projekte der Atomraketenmotoren RD-0410 und NERVA in der UdSSR und in den USA.


NERVA Cutaway

Das Funktionsprinzip eines Atomraketenmotors ist einfach. Eine kontrollierte Kernreaktion erzeugt viel Wärme. Ein Arbeitsfluid fließt durch den Reaktor, der erwärmt wird (während der Reaktor gekühlt wird) und durch die Düse ausgestoßen wird. Aus der spezifischen Impulsformel folgt, dass je kleiner das Molekulargewicht des Arbeitsmediums ist, desto schneller wird es ausgestoßen und desto effizienter ist der Motor. Daher sollte in realen Projekten Wasserstoff als Arbeitsmedium verwendet werden. CoaDE hat eine merkwürdige Situation - der effizienteste Brennstofftyp ist Deuterwasserstoff - ein Molekül aus einem Wasserstoffatom und einem Deuteriumatom (ein Wasserstoffisotop mit einem Neutron). Unter den Bedingungen einer hohen Temperatur des Reaktors dissoziiert Deuteridwasserstoff (ein zweiatomiges Molekül zerfällt in getrennte Atome) und das Molekulargewicht ist geringer als das des H2, das bei einer Temperatur des Reaktors praktisch nicht dissoziiert.

In der realen Geschichte sind beide Projekte nicht weiter fortgeschritten als Tests, und die jüngsten Nachrichten über die Entwicklung eines Nuklearmotors für die russische Burevestnik-Marschflugkörper waren eine große Überraschung. Im Spiel sind sie eine der am besten geeigneten - Tatsache ist, dass der spezifische Impuls einer Atomrakete etwa doppelt so hoch ist wie der einer chemischen Rakete, und Sie können problemlos einen Motor mit hohem Schub erzeugen. Und das Problem der radioaktiven Abgase ist nicht wichtig, wenn das Schiff außerhalb der Atmosphäre fliegt.


Schwermarsch-Nuklearmarschmotor mit einem Schub von 120 Tonnen und einem spezifischen Impuls von 9,4 km / s

Elektrischer Heizungsraketenmotor

Eine andere Möglichkeit, heißes Gas zu erhalten, ist die Verwendung einer elektrischen Heizung. Der Vorteil dieses Motors besteht darin, dass jedes Arbeitsmedium bis hin zu Abfallprodukten verwendet werden kann. Das Arbeitsfluid kann auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt werden, wodurch Sie einen hohen spezifischen Impuls erhalten, der etwa doppelt so hoch ist wie bei chemischen Raketen. Die Nachteile des Schemas sind, dass das Heizen viel Strom benötigt (was bedeutet, dass im Reaktor-Heizsystem Systeme Verluste aufgrund der Energieumwandlung entstehen) und dass der Motor einen geringen Schub hat.


Butantanks und elektrische Heizungsmaschine

In der Realität werden Motoren dieses Typs seit vielen Jahren in der Astronautik sehr aktiv eingesetzt. Kleiner Schub ist kein Problem, wenn der Satellit nicht aktiv manövriert. In CoaDE besetzen sie jedoch eine zusätzliche Nische und werden auf einigen Schiffen als Orientierungsmotoren eingesetzt.

Magnetplasmamotor

Trotz der Tatsache, dass die Laval-Düse eine sehr effiziente Wärmekraftmaschine ist und einen Wirkungsgrad von bis zu 70% aufweist, gibt es Möglichkeiten, das Arbeitsfluid bei viel höheren Geschwindigkeiten wegzuwerfen. Hierzu werden elektrische Effekte verwendet - Coulomb-Kraft, Hall-Effekt, Feldemission und andere. In CoaDE wird nur ein Typ vorgestellt - Magnetoplasma-Motoren (MTD).



Das Foto oben zeigt ein funktionierendes MTD. Der Stift in der Mitte ist die Kathode (negative Elektrode), um sie herum befindet sich eine zylindrische Anode (positive Elektrode). Zwischen ihnen strömt ein ionisiertes Gas, das durch die Lorentzkraft auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wird. Der spezifische Impuls des MTD kann mehrere zehn Kilometer pro Sekunde erreichen, aber Sie müssen dafür bezahlen, dass sie um Größenordnungen mehr Energie mit einer Traktion verbrauchen, die mit elektrischen Heizungsmotoren vergleichbar ist.


Der spezifische Impuls beträgt 42 km / s, verbraucht aber 10 Megawatt und hat einen Schub von nur 28 kg

In der realen Astronautik sind verschiedene Arten von elektrischen Antriebsmotoren bereits weit verbreitet. Sie können nicht auf eine Trägerrakete gesetzt werden, aber Satelliten haben einen Schub von mehreren Gramm, vorausgesetzt, der Motor schaltet sich stunden- und tagelang im Dauerbetrieb ein.

Nukleare Impulsrakete

Eine interessante Idee erschien Mitte des 20. Jahrhunderts. Eine große Wärmemenge, die von der Atombombe erzeugt wird, kann theoretisch für die Bewegung verwendet werden. Zu diesem Zweck muss an der Bombe selbst ein Vorrat an Arbeitsflüssigkeit platziert werden, der sich während einer Explosion in ein Plasma umwandelt, und auf dem Schiff eine Reflektorplatte installiert werden, die einen Plasmaschock wahrnimmt und absorbiert.



In der Dynamik würde es ungefähr so ​​aussehen:



Das Bewegungsprinzip wurde erfolgreich an einem Modell mit chemischen Sprengstoffen getestet. In der realen Geschichte war das Projekt das Opfer eines Vertrags über das Verbot von Atomtests von 1963 und des Versuchs, ein Kriegsschiffprojekt auf diesem Mover zu erstellen, mochten die Politiker die astronomischen Kosten nicht. Aber es ist schade - der theoretische spezifische Impuls lag bei zehn Kilometern pro Sekunde, und der Schub sollte auch anständig sein.



So sah eines der ersten Projekte militärischer Raumschiffe in der Geschichte der Menschheit aus. Hunderte von Atomsprengköpfen, Haubitzen, die Plasma-Marschladungen abfeuerten, 127-mm- und 30-mm-Marinegeschütze sollten sich in seinem Arsenal befinden. In CoaDE wurde dieser Motor leider noch nicht eingeführt.

Energetik

Die verschiedenen Schiffssysteme benötigen elektrische Energie, um zu funktionieren, und im Weltraum gibt es verschiedene Möglichkeiten, diese zu erhalten.

Sonnenkollektoren werden derzeit sehr häufig verwendet, sind jedoch in einer Situation eines zukünftigen imaginären Weltraumkonflikts nur als Notfalloption sinnvoll. Erstens sind sie groß, zerbrechlich und produzieren wenig Strom. Beispielsweise haben die ISS-Solarmodule eine Gesamtfläche von 3200 m2, produzieren jedoch nicht mehr als 120 kW. Zweitens folgt die Energiemenge, die von der Sonne kommt, dem Gesetz der inversen Quadrate, und zum Beispiel kann in der Umlaufbahn des Jupiter, die fünfmal weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde, dasselbe Solarpanel 25-mal weniger Strom produzieren. Kein Wunder, dass CoaDE keine hat.

Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser und Strom um. Dies ist sehr praktisch für Flüge mit einer Dauer von 2-3 Wochen, daher wurden sie auf die Apollo und Space Shuttles gesetzt. Sie sind jedoch nicht für das Szenario monatelanger Flüge geeignet.

Thermoelektrische Radioisotopgeneratoren werden in der modernen Astronautik aktiv eingesetzt, wo nicht genügend Sonnenkollektoren vorhanden sind und Langzeitarbeiten erforderlich sind. Das Prinzip ihrer Funktionsweise ist sehr einfach: Ein Isotop mit einer kurzen Halbwertszeit, beispielsweise Plutonium-238, zerfällt auf natürliche Weise und setzt dabei Wärme frei, die dem Thermoelement zugeführt wird - zwei Metalle, die bei einem Temperaturunterschied Strom erzeugen.



RTGs sind insofern gut, als sie jahrzehntelang arbeiten können (und sie arbeiten seit 40 Jahren an Voyagern) und keine Kontrolle erfordern, aber sie haben einen sehr geringen Wirkungsgrad, erfordern teuren Kraftstoff und sind nur bei geringem Stromverbrauch sinnvoll. Echte RTGs sind normalerweise nicht leistungsstärker als Hunderte von Watt. In CoaDE sind Generatoren, die nicht leistungsstärker als zehn Kilowatt sind, sinnvoll, da sie sonst zu schwer werden.


CoaDE entwickelt separat RTGs, separat Heizkörper für die Wärmeableitung

Und nur Kernreaktoren können Leistungsniveaus und Energiedichten bereitstellen, die für militärische Operationen im Weltraum geeignet sind. In einer extrem vereinfachten Form funktionieren sie so: Wenn einige schwere Atome zerfallen, werden Neutronen freigesetzt. Diese Neutronen können an andere Atome gesendet werden und ihren Zerfall unter Freisetzung von Wärme und neuen Neutronen verursachen. Durch Bewegen von Neutronenabsorbern und Reflektoren im Reaktor kann eine kontrollierte Kernreaktion unter Freisetzung einer großen Wärmemenge erzielt werden. Diese Wärme kann dann an eine Art Wärmekraftmaschine gesendet werden, um sie in Elektrizität umzuwandeln. Es gibt viele Umwandlungsmethoden - Turbinen, Stirlingmotoren, thermoelektrische, thermionische, thermophotoelektrische Wandler und andere.


Kürzlich getesteter Kilopower-Reaktor

In der realen Astronautik wurden in der UdSSR Atomreaktoren eingesetzt, die mehr als drei Dutzend Radaraufklärungssatelliten mit dem Kernreaktor BES-5 Buk starteten.


Der Kernreaktor BES-5 Buk, der Reaktor links und die Wärmeaustauschstrahler rechts.

Mit 900 kg hatte der Buk Wärmeleistung von 100 kW und elektrische 3 kW. Später wurde der Topaz-1-Reaktor in zwei Flügen mit einer Wärmeleistung von 150 kW und einer elektrischen Leistung von 6 kW getestet.

Bei CoaDE ist ein Kernreaktor die Hauptenergiequelle. Als Wärmekraftmaschine steht nur ein thermoelektrischer Generator (Thermoelement) zur Verfügung. Es gibt nur zwei Kreisläufe im Reaktor, im ersten überträgt der Wärmeträger Wärme vom Reaktor zum Thermoelement, im zweiten leitet er Wärme vom Thermoelement zum Kühler ab.



Ein interessanter Effekt tritt auf, wenn die Temperatur am Ausgang des Thermoelements manipuliert wird. Je größer der Temperaturunterschied ist, d.h. Je niedriger die Auslasstemperatur ist, desto höher ist der Wirkungsgrad des Thermoelements. Je niedriger die Auslasstemperatur ist, desto größer sind jedoch die Fläche und die Masse der Heizkörper, da der Wirkungsgrad der Wärmestrahlung proportional zum ersten Grad der Fläche, aber zum vierten Grad der Temperatur ist. Infolgedessen ist die Ausgangstemperatur unter 1000 Grad Kelvin nicht sinnvoll - die Heizkörper werden zu schwer. Und oberhalb von 2500 K können sie nicht hergestellt werden, da selbst die hitzebeständigsten Materialien an Festigkeit verlieren.

Thermoregulation

Abgebildet ist die Internationale Raumstation. Die roten Pfeile zeigen die Heizkörper des Wärmeübertragungssystems an. Ihre Gesamtfläche beträgt ca. 470 m2 und sie können nur 70 kW Wärme abführen, da sie bei niedriger Temperatur arbeiten.



Und dies ist eines der schwersten Schiffe aus der in CoaDE festgelegten Standardeinstellung. Auf der linken Seite befinden sich Heizkörper von Wohnräumen, die bei niedrigen Temperaturen arbeiten und nicht leuchten. Auf der rechten Seite leuchten Siliziumkarbid-Heizkörper hell, strahlen Wärme von Reaktoren und Lasern ab und haben Temperaturen über 1000 K.

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