Warum ist Stealth im Weltraum immer noch da?

Hallo Habr! In diesem Artikel möchte ich ein Thema betrachten, das in der Realität noch nicht sehr relevant ist, aber die Köpfe vieler Amateure (und sozusagen) Science-Fiction-Profis erregt - Möglichkeiten, sich im Weltraum zu verstecken, vorausgesetzt, dass Technologien einer außergewöhnlich absehbaren Zukunft eingesetzt werden.

In der Geek-Umgebung herrscht die allgemeine Meinung vor, dass es in einer realistischen Science-Fiction-Umgebung keine Tarnung im Weltraum geben kann. Das Problem ist, dass, sobald wir ein Spiel machen oder ein Buch mit einem Anspruch auf Realismus schreiben werden, dh (nach allgemeiner Meinung) ohne Stealth im Weltraum, sich herausstellt, dass das Kämpfen ohne diese Stealth etwas problematisch ist - beide Teilnehmer des Kampfes können das Ergebnis im Voraus berechnen, weil das Spiel dann mit vollständigen Informationen. Dies zwingt igrodelov, entweder KSP mit Waffen zu machen oder in die Kosmooper zu gehen, und Schriftsteller, nicht selbst Science-Fiction-Spionagefilme zu schreiben, sondern Romane auszuspionieren oder wieder in die Kosmo-Oper zu gehen.

Und so ist ohne Stealth im Weltraum schlecht. Aber vielleicht ist er noch da? Schließlich ist ein Artikel über "Atomic Missiles" per Definition nicht die ultimative Wahrheit, und wir haben immer noch keine praktischen Erfahrungen im Weltraumkrieg.

Die folgenden Tatsachen der objektiven Realität sprechen gegen die Heimlichkeit im Weltraum:

1. Vakuum hat die höchstmögliche Transparenz.
2. Der Hintergrund hat entweder eine Temperatur von 4 K (Reliktstrahlung) oder ist vorhersehbar (Sterne).
3. Ein Schiff strahlt unweigerlich die in ihm erzeugte Wärme ab und reflektiert das Sonnenlicht oder gibt es wieder ab. Besonders beim Manövrieren.
4. Die Empfindlichkeit moderner Teleskope reicht aus, um ein Bild der Voyager jenseits der Umlaufbahn von Pluto aufzunehmen.

Und was können wir dagegen tun? Die Antwort ist unter dem Schnitt.

Stimmen Sie den Bedingungen zu

Mit Stealth meinen wir die Unmöglichkeit, ein Objekt als Bedrohung zu identifizieren, bevor sich unsere Späher ihm in einer Entfernung nähern, die der Entfernung des Feuerkontakts entspricht. Denn es ist eine Sache, wenn die Erdlinge der Marsflotte in einer Entfernung von Hunderten von Millionen Kilometern in erdnahe Teleskope folgen können, und es ist eine ganz andere Sache, Spionagesonden für dieselbe Sache zum Mars zu schicken, die auch abschießen kann, da sie in Wirklichkeit Aufklärungsstratostaten abschießen und Aufklärung abschießen UAV.

Ich möchte Twist und Twist verwechseln

Ein Artikel in "Atomic Missiles" besagt, dass falsche Ziele nicht funktionieren, aber die Argumente sind, gelinde gesagt, schwach und werden nicht durch Berechnungen gestützt:

1. Ein falsches Ziel sollte ähnlich wie ein echtes Ziel ausstrahlen. Dies bedeutet, dass es dieselbe Energiequelle haben muss wie das zu bedeckende Objekt.
2. Um während des Beschleunigens arbeiten zu können, muss der LC die gleiche Masse und Fernbedienung wie das reale Schiff haben - andernfalls entsprechen Beschleunigung und Strahlung der Motoren nicht einander.
3. Aus dem Vorstehenden wird geschlossen, dass das falsche Ziel im Preis praktisch nicht von dem wahren zu unterscheiden ist. Das ist seltsam, denn bereits jetzt kann die Nutzlast eine Größenordnung teurer sein als der Start in die Zielbahn der Rakete. Mit der Besiedlung des Sonnensystems sollten Raketen in Zukunft natürlich viel billiger sein als heute, aber alles andere ist nicht notwendig.

Betrachten Sie ein bestimmtes Beispiel. Angenommen, Elon Mask hat es mit der BFR geschafft und Mitte des 21. Jahrhunderts sind Mond und Mars bereits kolonisiert und mögen sich und / oder die Erde nicht ganz. Nehmen wir auch an, dass es keine grundlegenden Durchbrüche in der Raketenwissenschaft und im interplanetaren Haupttransport gab - so etwas wie der ITS aus der Präsentation von 2016 (d. H. Das Ergebnis von Modernisierungen derselben BFR). Das Hauptkriegsmittel ist das gleiche ITS, aber mit verschiedenen Mitteln beladen, um den marsianischen Separatisten bzw. den kichernden Erdbewohnern Gutes und Licht zuzufügen.

Nehmen wir an, die Transportmittel für Waren in einem ITS passen auf ungefähr 150 Tonnen. Obwohl es 450 Tonnen geplant war, und für den Abflug von der erdnahen Umlaufbahn zum Mars. Wenn Sie die charakteristische Geschwindigkeit opfern und die geeignete Grundlinie auswählen (Lagrange-Punkte, Umlaufbahn in der Nähe des Mondes, länglich elliptisch), können Sie die Tragfähigkeit auf bis zu tausend Tonnen erhöhen. Aber für die Bewertung nehmen wir den pessimistischsten Fall von oben.


Friedlicher Mars- Traktortransporter zeigt eine Kampfplattform auf einem Kampfkurs an

Der Preis für den ITS-Orbitalblock wird auf 130 Millionen US-Dollar pro Tanker und 200 Millionen US-Dollar pro Schiff geschätzt. Ein Tanker kann mit jedem möglichen Teleskop nicht von einem Schiff unterschieden werden - setzen Sie einfach Sonnenkollektoren auf den Tanker und machen Sie nicht das berühmte transparente Fenster auf dem Schiff -, was keinen Unterschied von 70 Millionen US-Dollar ergibt (aufgrund des komplexeren Designs des Schiffes im Vergleich zum Transporter). . Aber selbst wenn es plötzlich zieht, ist die Differenz von 70 Millionen vor dem Hintergrund der Preise für militärische Ausrüstung nicht grundlegend. Hundert SM-3- Raketen (die am nächsten existierenden Analoga von Weltraumraketen) mit einer Masse von 150 Tonnen kosten also 1 Milliarde 840 Millionen US-Dollar. Natürlich brauchen Raketen ein Leitsystem, aber ein Teleskop wie das Kepler wiegt mehrere Tonnen und kostet etwa Hunderte Millionen Dollar.

Angenommen, wir möchten unser Kriegsschiff nicht mit Einwegraketen, sondern mit potenziell wiederverwendbaren Drohnen oder bemannten Kämpfern bewaffnen. Als Waffe für unseren Kämpfer nehmen wir die kinetische Waffe Vulkan-Falanks. Nur weil Laser noch nicht kommerziell hergestellt wurden und sich ihr Preis wahrscheinlich nicht in eine kleinere Richtung unterscheidet. 13 Millionen Dollar für eine 5-Tonnen-Waffe . Nehmen wir an, dass eine Fünf-Tonnen-Raketeneinheit für die zukünftige Bewegung unserer Waffe nicht 20 Millionen kosten wird, sondern nur 2, da 15 Serien-Jäger aufgrund der Serienproduktion 225 Millionen US-Dollar kosten werden - bereits vergleichbar mit dem ITS-Preis.

Das sind nur 200 Millionen - vorausgesetzt, wir kaufen einen neuen ITS von Werften. Was überhaupt nicht notwendig ist - um als falsches Ziel zu arbeiten, können und sollten Sie ein gebrauchtes Schiff nehmen, das es bereits geschafft hat, seine Produktion durch den Transport von zivilen Gütern wieder hereinzuholen. Für das Tankschiff ist ein Multiplikator von 100 Flügen geplant, für das interplanetare Schiff 12 (der Unterschied ist auf die Dauer des interplanetaren Fluges zurückzuführen). Der Preis von 20 Millionen US-Dollar für den freiwilligen obligatorischen Kauf von Schiffen im Status "Ein Flug zum Abschreiben" sieht also recht fair aus und verursacht nicht den Wunsch des Reeders Scheiß auf die native MCRN . Und 20 Millionen Dollar sind etwas teurer als eine (!!!) Weltraumrakete und vergleichbar mit dem Preis eines Jägers.

Sehr theoretisch kann die feindliche Intelligenz die "individuellen Eigenschaften des Strahlungsspektrums" des Schiffes verfolgen. Aber selbst in einer solchen (fantastischen, wie unten gezeigt wird) Situation ist es möglich, mit gebrauchten Schiffen und als Waffenträger einen „Weltraum-Fingerhut“ zu arrangieren (und der Feind muss nicht wissen, welche der Schiffe mit Raketen und Drohnen beladen sind). Ja, der Cosmoflot, der ausschließlich auf gebrauchten Schiffen fliegt, sieht vorlagengeladen aus - aber die Kämpfer für die Unabhängigkeit der Kolonien mussten sich immer umdrehen.

Darüber hinaus ist dies keine Verkleidung als friedliches Schiff, die negative diplomatische Konsequenzen haben könnte. Cosmoflot kauft ehrlich gebrauchte Schiffe, gibt einfach nicht zu, welches Schiff Raketen und Drohnen trägt, und nicht Ballast.

Das oben Beschriebene gilt möglicherweise für jedes realistische Szenario eines interplanetaren Konflikts in naher Zukunft. Um Konflikte im Weltraum zu verursachen, müssen Sie sie am Anfang kolonisieren. Und dafür brauchen Sie billige interplanetare Transporte. Und wenn das Militär diesen Transport nicht nach dem Prinzip nutzt, sind es nicht die Gesetze der Art des Problems, sondern nur das Militärpersonal. Darüber hinaus ist die "Space Thimble" -Methode so konzipiert, dass der Gegner alle unsere Tröge in einer sehr multispektralen Kamera und sogar mit einer Qualität von mindestens 4K betrachten kann. Daher sollte der Simulator die gleiche Form, Abmessungen und Motoren wie der simulierte haben. Aber ein solches Szenario ist tatsächlich zweifelhaft.

Beugung

Die theoretische Grenze der Winkelauflösung eines Teleskops wird durch eine sehr einfache Formel beschrieben

$$

Dabei ist R die minimale Winkelauflösung im Bogenmaß, D die Apertur in Metern und Lam die Arbeitswellenlänge in ihnen. Für sehr kleine Winkel kann R als das Verhältnis des Abstands zum beobachteten Objekt zum minimalen unterscheidbaren Abstand darauf betrachtet werden. Es ist leicht sicherzustellen, dass für eine Meterapertur und eine Mikrometerwellenlänge (nahe IR) die räumliche Auflösung für tausend Kilometer nur einen Meter beträgt. Wenn wir versuchen, ein ähnliches Teleskop für hundert Millionen Kilometer (die Entfernung zwischen Mars und Erde zum Zeitpunkt der großen Konfrontation) zu untersuchen, haben wir ein Pixel mit einer Größe von 100 Kilometern. Oder wir brauchen ein Wunderteleskop mit einem hundert Kilometer langen Spiegel, um eine Auflösung von einem Meter aufrechtzuerhalten.

Dieses Ding hat nur eine 130-Meter-Blende

Viele Leser haben sofort an optische Interferometer gedacht. Ja, sie haben eine Schulterlänge in der Formel für die räumliche Auflösung anstelle einer Blende. Aber nur diese Schulterlänge muss mit einem Fehler von weniger als der Hälfte der Arbeitswellenlänge beibehalten werden. Die Option „Nimm einfach zwei Weltraumteleskope“ ist also nicht geeignet - die Schulter sollte starr sein. Aber auch eine harte Schulter mit einer Länge von hundert Kilometern wird aufgrund der Ungleichmäßigkeit der thermischen Belastungen „laufen“. Aus dem gleichen Grund wird nichts von der Idee eines hundert Kilometer langen Dünnschichtspiegels kommen.

Wenn wir uns entscheiden, im Bereich des Spiegels zu sparen, sparen wir außerdem Lichtempfindlichkeit. Sie können jedoch nicht sparen. In einer Entfernung von 100 Millionen Kilometern erzeugt ein sphärisch symmetrisch emittierendes Objekt mit einer Wellenlänge von 1 Mikron und einer Leistung von 1 MW 80 Photonen pro Quadratmeter pro Sekunde. Wieder achtzig Photonen. Um ein verständliches Bild zu erhalten, müssen Sie entweder die Verschlusszeit auf mehrere hundert Sekunden erhöhen oder den Bereich vergrößern. Und dies setzt voraus, dass die Matrix einzelne Photonen aufnimmt.


Ceres aus der Sicht des Teleskops sie. Hubble. Pixelbreite - 30 Kilometer

Und so. Für die detaillierte Beobachtung des feindlichen Schiffes in interplanetaren Entfernungen benötigen wir ein monströses Interferometer mit Zehn-Meter-Spiegeln, mindestens einer kilometerlangen starren Schulter und einer hochempfindlichen Matrix, die auf nahezu absoluten Nullpunkt abgekühlt ist. Und dieses Wunder der Technologie wird mit der Taktik des "Weltraum-Fingerhuts" immer noch nichts anfangen können. Und nicht nur.

Minsky-Partikel, Kampfstufe!

Der Space Thimble basierte auf der Tatsache, dass kein einziges Teleskop unter die Haut eines interplanetaren Schiffes schauen kann. Aber was ist, wenn Sie anstelle eines Laderaums oder eines Frachtcontainers mit nicht so großem Volumen einen großen Dünnschichtbeutel mit einer Ruß- oder Staubwolke verwenden? Infolgedessen wird die Intelligenz des Feindes Informationen über das Vorhandensein von Dutzenden künstlicher Staubnebel im Weltraum haben, aber es werden keine Informationen über deren Inhalt vorliegen, bis jemand jeden Nebel physisch kämmt.

Angenommen, die Partikelgröße von Ruß in unserer Wolke beträgt 10 Mikrometer. Das Masse / Querschnitts-Verhältnis des Partikels beträgt etwa 20 Gramm pro Quadratmeter. In der erdnahen Umlaufbahn beträgt der Druck des Sonnenlichts auf einer schwarzen Oberfläche 5,6 μN / m2. Sonnenlicht wird somit unseren Rauchschutz in der Nähe der Erde mit einer Beschleunigung von 0,2 Millimetern pro Sekunde und Sekunde verschieben, was durchaus realistisch ist, um den Betrieb der Motoren der versteckten Flotte zu kompensieren.


Ähnliches wurde in Gundam verwendet, ein Zitat, aus dem der Name des Abschnitts abgeleitet wurde. Der einzige Unterschied bestand darin, dass als Rauchschutz ein kaltes Plasma aus exotischen Elementarteilchen verwendet wurde, das sehr schwerelos war, von thermonuklearen Reaktoren von Schiffen in nahezu unbegrenzten Mengen erzeugt und schließlich auch vor Radargeräten versteckt wurde. Ruß gegen Radar ist nutzlos, aber es gibt andere Mittel gegen sie. Aber viel Ruß kann ein Problem sein.

Aus 20 Gramm pro Quadratmeter, wenn sie in einen Quadratkilometer umgewandelt werden, werden 20 Tonnen. Angenommen, wir möchten eine Kugel mit einem Durchmesser von 20 Kilometern mit Ruß füllen, damit die gewünschte Oberflächendichte in einer Tiefe von 1 Kilometer erreicht wird, vorausgesetzt, die Partikel sind gleichmäßig verteilt. Das heißt, bei einer Rußdichte von 20 Tonnen pro Kubikkilometer. Wir werden etwas weniger als 84 Kilotonnen Ruß brauchen. Viel? Nun, wie soll ich sagen - in einem Asteroiden der C-Klasse mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 20 Metern ist eine geringe Menge Kohlenstoff enthalten. Um die Basis der Flotte auf denselben Asteroiden oder in deren Nähe abzudecken, ist diese Methode durchaus geeignet.


Matilda ist ein typischer Asteroid der C-Klasse.

Taktische Heimlichkeit

Und so flogen wir zum Planeten des Feindes, als er nicht mit einem "Fingerhut" oder künstlichen Kometen auf uns wartete. Was kommt als nächstes?

Erstens der gleiche Ruß. Etwa hundert Tonnen Ruß reichen aus, um lokale Staubvorhänge mit einer Länge von mehreren Kilometern aufzustellen - der Transporter wird in die Rolle des falschen Ziels passen. In dieser Situation ist aber auch eine „echte“ Tarnung möglich - völlige Unsichtbarkeit für feindliche Erkennungssysteme. Tatsache ist, dass wir nicht mehr durch monatelange Flucht, sondern durch zig Stunden vom Feind getrennt sind, so dass wir aufgrund der Freisetzung von Wärme in Wasserstoffschnee überhaupt nicht strahlen können.

Stellen Sie sich ein Schiff vor, an dessen Bug sich ein schwarz-schwarzer Tank mit festem Wasserstoff befindet. Die spezifische Schmelzwärme von Wasserstoff beträgt 59 kJ / kg. Die Sonnenkonstante in der Erdumlaufbahn beträgt 1367 W / m2. Eine Gesamttanklänge von 14,3 Metern (Länge unter Berücksichtigung des Ortes unter dem geschmolzenen Wasserstoff), die dem Ende der Sonne zugewandt ist (d. H. Eine Tonne Wasserstoff pro Meter beleuchteter Oberfläche aufweist), absorbiert Sonnenlicht, während die Schmelztemperatur dieses Wasserstoffs etwas weniger als 12 Stunden lang aufrechterhalten wird. Wärme, die von Besatzungs- und Schiffssystemen erzeugt wird? Ihr Beitrag kann vernachlässigt werden, da dieselbe "Union" genug Kilowatt für eine Besatzung von drei Personen hat.

Natürlich funktioniert diese Methode zum Verstecken eines Schiffes nur während eines ballistischen Fluges. Das Manöver, das Ziel zu erreichen, kann und sollte jedoch unter dem Deckmantel des gleichen Rußes durchgeführt werden.

Ein Stealth-Jäger, der mit dieser Technologie unter Verwendung von Flüssigkeitsmotoren gebaut wurde, kann die folgenden Eigenschaften aufweisen:

Durchmesser - 2 Meter
Länge - 25 Meter davon:
Wasserstofftank - 14,3 Meter
Sauerstoff - 6 Meter.
Raketentriebwerk - 1 Meter.
Kontroll- und Rüstungsfach - 3,7 Meter.
Die Besatzung besteht aus 0-1 Personen.
Die Kraftstoffmasse beträgt 22 Tonnen.
Die Masse der Tanks und des Motors beträgt 3 Tonnen.
Die Masse des Steuerraums beträgt 2 Tonnen.
Die Masse der Waffe beträgt 3 Tonnen (Raketen).
Anfangsmasse - 30/27 Tonnen (mit und ohne Waffen).
Die Endmasse beträgt 8/5 Tonnen.
Ablaufgeschwindigkeit - 4,3 km / s
Delta Ve ohne Waffen - 7,25 km / s

Die Taktik besteht darin, aus dem Frachtraum eines gecharterten Raumschiffs im "internationalen Raum" unter dem Deckmantel eines Rauchvorhangs auszusteigen, die Beschleuniger auf das Ziel zu drehen, sich darauf zu schleichen, Raketen abzufeuern und ohne Tricks zu gehen.

Und jetzt ein Atomkämpfer:

Durchmesser - 2 Meter
Länge - 20 Meter davon:
Wasserstofftank - 14,3 Meter
NRE mit Bioprotektion - 2 Meter.
Kontroll- und Rüstungsfach - 3,7 Meter.
Die Besatzung besteht aus 0-1 Personen.
Die Masse des Arbeitsmediums beträgt 3,14 Tonnen.
Die Masse der Tanks und des Motors beträgt 4 Tonnen.
Die Masse des Steuerraums beträgt 2 Tonnen.
Die Masse der Waffe beträgt 3 Tonnen.
Die Ausgangsmasse beträgt 12,14 / 9,14 Tonnen (mit und ohne Waffen).
Die Endmasse beträgt 9/6 Tonnen (mit und ohne Waffen).
Ablaufgeschwindigkeit - 9 km / s
Delta Ve ohne Waffen - 3,78 km / s

Das Trockengewicht wurde tonnenweise erhöht, um den biologischen Schutz zu gewährleisten. Delta-Ve tauchte ein, da der spezifische Impuls des Festphasen-NRE die dramatische Abnahme der reaktiven Masse und die Hinzufügung eines biologischen Schutzes nicht kompensierte.

Offensichtlich kann ein solcher Stealth-Kämpfer nur sich langsam bewegende Ziele effektiv angreifen. Zum Beispiel mehrere Kilometer lange Weltrauminterferometer.