Batallas espaciales reales en Children of a Dead Earth, Parte 1

La corriente principal de los juegos de guerra espacial son los láseres pi-piu multicolores, los disparos a quemarropa, la velocidad cero en relación con el espacio absoluto y otras cosas completamente poco realistas . Por lo tanto, el simulador Children of a Dead Earth, que simula batallas en tecnologías ahora disponibles, brinda una experiencia completamente única. Y además del hecho de que es interesante jugar, plantea serias preguntas sobre cómo pueden tener lugar guerras reales en el sistema solar y tiene una gran importancia educativa.


La batalla en la órbita de Marte. Las líneas de color no son láseres, sino trazadores de cañones de riel

Campo de batalla

La mecánica orbital para una persona no preparada parece muy incomprensible. Se percibe mejor durante el juego, pero es aconsejable dar algunos conceptos básicos por adelantado. En primer lugar, la acción tendrá lugar en el sistema solar, y cualquier objeto estará en la órbita de cualquiera de sus cuerpos celestes. ¿Qué es una órbita? Hablando muy simple y brevemente, bajo la influencia de la atracción de un cuerpo pesado, otro cuerpo (satélite, nave, cohete, etc.) se moverá a lo largo de una trayectoria que es una sección cónica (círculo, elipse, parábola, hipérbola) con foco en el centro masas del sistema, que en nuestro caso estarán dentro de un cuerpo pesado. Varios parámetros determinan cómo se verá esta ruta:

• Pericentro - la órbita más pequeña
• Apocenter: la altura más alta. No tiene sentido para parábola e hipérbola
• Excentricidad: un parámetro que determina el tipo de órbita. 0 - círculo, de 0 a 1 - elipse, 1 - parábola,> 1 - hipérbola
• Inclinación orbital: define el ángulo entre el plano orbital y el plano base, que es el ecuador de un cuerpo celeste o el plano eclíptico.

Otro parámetro es crítico para todas las naves espaciales. La reserva de velocidad característica o delta-V es la cantidad por la cual la unidad puede cambiar la velocidad en sus motores. Por ejemplo, tenemos un motor de cohete químico y combustible a 2 km / s. Podemos gastarlos como queramos: acelerar, frenar, cambiar la inclinación de la órbita. Cuando delta-V resulta ser 0, nos quedamos sin combustible y ya no podemos cambiar nuestra trayectoria. El parámetro es conveniente porque no le importa el tipo de motor y combustible, y puede comparar cualquier dispositivo.


Valores aproximados de delta-V en m / s para vuelos entre planetas

Curiosamente, en CoaDE, el suministro de barcos delta-V es generalmente menor que el requerido para un vuelo completo entre cuerpos celestes. Se supone que los barcos vuelan con tanques adicionales, que se descartan antes del comienzo de la batalla y no son visibles en el juego.


Cálculo de la maniobra para interceptar la agrupación enemiga en la órbita de Venus

La interfaz de control de la nave es un poco como el Programa Espacial Kerbal, pero aquí las naves reciben comandos y se maniobran ellos mismos.



Para calcular con precisión la maniobra, hay una herramienta muy conveniente que cambia el cuerpo base para mostrar la trayectoria. En la captura de pantalla anterior, apuntamos al punto de encuentro, cambiando el cuerpo base de Venus a la flota enemiga. Esta característica es indispensable en misiones complejas.

Además, hay algunos términos más que es útil saber:

• Los puntos de Lagrange son cinco puntos en un sistema de dos cuerpos, por ejemplo, Tierra-Luna, cerca de la cual son posibles las órbitas duraderas de un tercer cuerpo, un barco o un satélite (y el juego tiene una misión bastante difícil de llevar combustible a un barco atascado en este punto).
• La esfera de Hill es un área en la que predomina la influencia gravitacional de cierto cuerpo. Por ejemplo, al abandonar la esfera Earth Hill, la nave estará en la esfera Sun Hill. En el juego en las últimas y más difíciles misiones, las batallas van alrededor de Júpiter y Saturno, y debemos tener en cuenta y utilizar la atracción de sus satélites al planificar las maniobras.

De las leyes de la mecánica orbital, se siguen algunas características no obvias del campo de batalla cósmico:

1. Para entrar en la batalla, es necesario realizar maniobras complejas para acercarse al enemigo a una distancia de sus armas. El enemigo complica aún más la tarea con sus maniobras.
2. El adversario que termina con delta-V pierde la iniciativa, y el adversario con el margen restante de velocidad característica determinará las características de aproximación. En general, un objetivo estacionario es completamente indefenso, ya que puede dispararse desde una gran distancia con absoluta impunidad.
3. En órbita alrededor de un cuerpo celeste, uno puede darse cuenta de una amplia variedad de opciones de encuentro, tanto con una velocidad mutua mínima en cursos convergentes, como con una enorme en intersección o en sentido contrario.
4. El rango de velocidades posibles de acercamiento mutuo comienza desde casi cero y puede alcanzar decenas de kilómetros por segundo. Por ejemplo, con el vuelo de la Tierra a Marte económico en términos de consumo de combustible, la velocidad final cerca de Marte será de aproximadamente 6 km / s. Si va por el camino opuesto, entonces la velocidad puede alcanzar los 50 km / s (pero dicho camino requerirá> 30 km / s delta-V). En tecnologías realistas en la órbita de un cuerpo celeste, es razonable esperar una velocidad máxima de aproximación de casi cero a varios kilómetros por segundo.
5. Cuanto más ligero es el cuerpo central, más baratas se ven las maniobras delta-V. Cerca de un asteroide ligero, puede girar fácilmente y comenzar a moverse en la dirección opuesta, pero en una órbita de un planeta pesado del mismo volumen, delta-V solo es suficiente para cambiar ligeramente los parámetros de la órbita.

Motores

Sin la capacidad de cambiar la órbita, no solo es imposible una batalla espacial, sino también cualquier exploración seria del espacio. Y cambiar la órbita es imposible sin un motor. En el futuro cercano, la base de los motores espaciales serán varias estructuras con la liberación de masas reactivas: las velas solares y electromagnéticas, así como los motores que repelen el campo magnético del planeta, son demasiado no universales. Las características principales de los motores espaciales son:

• Impulso específico. Muestra cuán eficientemente el motor consume combustible. Cuanto mayor sea el impulso específico del motor, menos combustible necesitará para acelerar el barco a la velocidad requerida. Medido en metros por segundo o segundos.
• Empuje Algunos modelos de motores de alto impulso específico se caracterizan por un empuje muy bajo, por lo que no se pueden usar en ninguna situación.

Motor quimico

Con los motores de cohetes químicos, comenzó la exploración espacial como tal. Se caracterizan por un impulso específico bajo y ahora están cerca de los límites físicos de su efectividad, pero, debido a su simplicidad comparativa y alto empuje en relación con otros tipos, son los motores principales de la astronáutica moderna. La exploración espacial requiere un impulso específico más alto, pero estos motores no desaparecerán en absoluto.

Hasta ahora, CoaDE presenta exclusivamente motores de cohete de propulsión líquida con uno o dos componentes, por lo que solo los consideraremos con más detalle. El principio de funcionamiento es relativamente simple. En la cámara de combustión, el combustible se descompone (si hay un componente) o se quema por un agente oxidante (si hay dos componentes) con la liberación de una gran cantidad de energía térmica. Al convertirse en un gas de alta temperatura, ingresa a la boquilla Laval, que convierte la energía térmica del gas en energía cinética de su salida rápida.


Cámara de combustión y boquilla Laval del motor RD-107/108. En tal vuelo cohetes rusos "Soyuz"

En la vida real, los componentes "oxígeno-queroseno líquido" son populares debido a la simplicidad y alta densidad del queroseno, "oxígeno líquido - hidrógeno líquido" debido al alto impulso específico (aproximadamente 4,4 km / s) y "dimetilhidrazina asimétrica - tetroóxido de nitrógeno" debido al hecho de que puede almacenarse durante mucho tiempo a temperatura ambiente. El impulso específico máximo alcanzado de un motor químico de 5,32 km / s se obtuvo utilizando el combustible de litio-flúor-hidrógeno de tres componentes, que es extremadamente inconveniente en el uso práctico (el litio debe estar muy caliente y el hidrógeno debe estar frío, los componentes corroerán las tuberías y el escape es tóxico )

En CoaDE, el par de combustible más eficiente será flúor-hidrógeno (UI 4.6 km / s). En realidad, nadie lo usará, porque el escape de dicho motor será ácido fluorhídrico, que es muy dañino para el medio ambiente, pero de acuerdo con la trama del juego, la Tierra ya ha llegado a su fin, y los restos sobrevivientes de la humanidad no se preocupan por la ecología. Además, CoaDE aún no ha tenido en cuenta la necesidad de protección térmica de los tanques criogénicos: el oxígeno líquido se puede almacenar sin aislamiento térmico, pero el hidrógeno líquido se evaporará demasiado activamente.


Diseño de motor de cohete químico

El juego tiene en cuenta la relación estequiométrica (la relación de las fracciones de combustible y oxidante le permite quemar completamente el combustible o tener un exceso de uno de los componentes en el escape), la necesidad de suministrar componentes con bombas turbo, enfriar la cámara de combustión y la boquilla con uno de los componentes (utilizado en realidad, de lo contrario el motor simplemente se derretirá ) y gire el motor para maniobrar. La flexibilidad del diseñador del juego te permite crear una amplia variedad de motores adecuados para una amplia gama de tareas, desde motores de marcha grandes y eficientes hasta motores de orientación compactos. Los motores químicos de CoaDE se utilizan principalmente para cohetes y drones.

Cohete nuclear

El gas calentado para una boquilla Laval se puede obtener no solo por una reacción química de combustión. Un reactor nuclear funcionará bien con esta tarea. Por lo tanto, a mediados del siglo XX, los proyectos experimentales de los motores de cohetes nucleares RD-0410 y NERVA comenzaron en la URSS y los EE. UU.


Corte de NERVA

El principio de funcionamiento de un motor de cohete nuclear es simple. Una reacción nuclear controlada produce mucho calor. Un fluido de trabajo fluye a través del reactor, que se calienta (mientras se enfría el reactor) y se expulsa a través de la boquilla. De la fórmula de impulso específica se deduce que cuanto menor sea el peso molecular del fluido de trabajo, más rápido será expulsado y más eficiente será el motor. Por lo tanto, en proyectos reales, se suponía que debía usar hidrógeno como fluido de trabajo. CoaDE tiene una situación curiosa: el tipo más eficiente de combustible es el deuteruro de hidrógeno, una molécula de un átomo de hidrógeno y un átomo de deuterio (un isótopo de hidrógeno con un neutrón). Bajo condiciones de alta temperatura del reactor, el deuteruro de hidrógeno se disociará (una molécula diatómica se descompondrá en átomos separados), y el peso molecular será menor que el de un reactor H2 prácticamente no disociante a una temperatura.

En la historia real, ambos proyectos no han progresado más allá de las pruebas, y las recientes noticias sobre el desarrollo de un motor nuclear para el misil de crucero ruso Burevestnik fueron una gran sorpresa. En el juego, son uno de los más adecuados: el hecho es que el impulso específico de un misil nuclear es aproximadamente dos veces mayor que el de un químico, y sin problemas puedes crear un motor con alto empuje. Y el problema del escape radiactivo no es importante cuando el barco vuela fuera de la atmósfera.


Motor de marcha nuclear para buques pesados ​​con un empuje de 120 toneladas y un impulso específico de 9,4 km / s

Motor de cohete calefactor eléctrico

Otra forma de obtener gas caliente es usar un calentador eléctrico. La ventaja de este motor es que puede usarse cualquier fluido de trabajo, hasta productos de desecho. El fluido de trabajo se puede calentar a una temperatura muy alta, lo que le permite obtener un impulso específico alto, aproximadamente dos veces mayor que los misiles químicos. Las desventajas del esquema son que el calentamiento requiere mucha electricidad (lo que significa que en el sistema reactor-calentador habrá pérdidas en la conversión de energía), y que el motor tiene un pequeño empuje.


Depósitos de butano y motor de calentamiento eléctrico.

En realidad, los motores de este tipo se han utilizado bastante activamente en la astronáutica durante muchos años. Un pequeño empuje no es un problema si el satélite no maniobra activamente. Pero en CoaDE ocupan un nicho auxiliar, y se utilizan en algunos barcos como motores de orientación.

Motor de plasma magnético

A pesar de que la boquilla Laval es un motor térmico muy eficiente y tiene una eficiencia de hasta el 70%, hay formas de tirar el fluido de trabajo a velocidades mucho más altas. Para esto, se utilizan efectos eléctricos: fuerza de Coulomb, efecto Hall, emisión de campo y otros. Solo se presenta un tipo en CoaDE: motores de magnetoplasma (MTD).



La foto de arriba muestra un MTD en funcionamiento. El pin en el centro es el cátodo (electrodo negativo), alrededor de él hay un ánodo cilíndrico (electrodo positivo). Un gas ionizado fluye entre ellos, que es acelerado por la fuerza de Lorentz a velocidades muy altas. El impulso específico de la MTD puede alcanzar decenas de kilómetros por segundo, pero hay que pagar por esto porque consumen órdenes de magnitud más energía con una tracción comparable a los motores de calefacción eléctrica.


El impulso específico es de 42 km / s, pero consume 10 megavatios y tiene un empuje de solo 28 kg.

En la astronáutica real, ya se utilizan ampliamente varios tipos de motores de propulsión eléctrica. No se pueden poner en un vehículo de lanzamiento, pero los satélites tienen suficiente empuje de varios gramos, siempre que el motor se encienda durante horas y días de funcionamiento continuo.

Cohete de impulso nuclear

Una idea interesante apareció a mediados del siglo XX. En teoría, una gran cantidad de calor generado por la bomba atómica se puede utilizar para el movimiento. Para hacer esto, en la bomba en sí, es necesario colocar un stock del fluido de trabajo que se transforma en plasma durante una explosión, y en la nave instalar una placa reflectora que perciba y absorba el choque de plasma.



En dinámica, se vería así:



El principio del movimiento se probó con éxito en un modelo con explosivos químicos. En la historia real, el proyecto fue víctima de un tratado de prohibición de pruebas nucleares de 1963 y el intento de crear un proyecto de buque de guerra en este motor, a los políticos no les gustó el costo astronómico. Pero es una pena: el impulso teórico específico estaba en el nivel de decenas de kilómetros por segundo, y el empuje también debería ser decente.



Así es como se veía uno de los primeros proyectos de naves espaciales militares en la historia de la humanidad. Se suponía que cientos de ojivas nucleares, obuses que disparaban cargas de plasma, armas navales de 127 mm y 30 mm estaban en su arsenal. En CoaDE, este motor, desafortunadamente, aún no se ha introducido.

Energética

Los diversos sistemas de barcos requieren energía eléctrica para funcionar, y en el espacio hay varias formas de obtenerla.

Los paneles solares son muy utilizados ahora, pero tendrán sentido en una situación de conflicto espacial imaginario futuro solo como una opción de emergencia. En primer lugar, son grandes, frágiles y producen poca electricidad. Por ejemplo, los paneles solares ISS tienen un área total de 3200 m2, pero no producen más de 120 kW. En segundo lugar, la cantidad de energía proveniente del Sol obedece la ley de los cuadrados inversos y, por ejemplo, en la órbita de Júpiter, que está cinco veces más lejos del Sol que la Tierra, el mismo panel solar puede producir 25 veces menos electricidad. No es de extrañar que CoaDE no tenga ninguno.

Las celdas de combustible convierten el hidrógeno y el oxígeno en agua y electricidad. Esto es muy conveniente para vuelos que duran de 2 a 3 semanas, por lo que fueron puestos en los transbordadores Apollo y Space. Pero no son adecuados para el escenario de vuelos de meses.

Los generadores termoeléctricos de radioisótopos se utilizan activamente en la astronáutica moderna, donde no hay suficientes paneles solares y se requiere un trabajo a largo plazo. El principio de su funcionamiento es muy simple: un isótopo con una vida media corta, por ejemplo, el plutonio-238, se descompone naturalmente, mientras libera calor que se suministra al termopar, dos metales que producen electricidad a una diferencia de temperatura.



Los RTG son buenos porque pueden funcionar durante décadas (y han estado trabajando en Voyagers durante 40 años) y no requieren ningún control, pero tienen una eficiencia muy baja, requieren combustible costoso y tienen sentido solo para baja potencia. Los RTG reales generalmente no son más potentes que cientos de vatios; en CoaDE, los generadores no más potentes que decenas de kilovatios tienen sentido, de lo contrario se vuelven demasiado pesados.


CoaDE diseña por separado RTG, radiadores por separado para la disipación de calor

Y solo los reactores nucleares pueden proporcionar niveles de potencia y densidades de energía adecuadas para operaciones militares en el espacio. En una forma extremadamente simplificada, funcionan así: cuando algunos átomos pesados ​​se descomponen, se liberan neutrones. Estos neutrones pueden enviarse a otros átomos y causar su descomposición con la liberación de calor y nuevos neutrones. Al mover los absorbedores de neutrones y los reflectores en el reactor, se puede obtener una reacción nuclear controlada con la liberación de una gran cantidad de calor. Entonces este calor puede enviarse a algún tipo de motor térmico para convertirlo en electricidad. Existen muchos métodos de conversión: turbinas, motores Stirling, convertidores termoeléctricos, termoiónicos, termoeléctricos y otros.


Reactor Kilopower recientemente probado

En la astronáutica real, se utilizaron reactores atómicos en la URSS, que lanzó más de tres docenas de satélites de reconocimiento de radar con el reactor nuclear BES-5 Buk.


El reactor nuclear BES-5 Buk, el reactor a la izquierda y los radiadores de intercambio de calor a la derecha.

A 900 kg, el Buk tenía Potencia térmica de 100 kW y eléctrica de 3 kW. Más tarde, en dos vuelos, el reactor Topaz-1 se probó con una potencia térmica de 150 kW y una potencia eléctrica de 6 kW.

En CoaDE, un reactor nuclear es la principal fuente de energía. Como motor térmico, solo está disponible un generador termoeléctrico (termopar). Solo hay dos circuitos en el reactor, en el primero el portador de calor transfiere calor del reactor al termopar, en el segundo elimina el calor del termopar al radiador.



Un efecto interesante ocurre cuando se manipula la temperatura a la salida del termopar. Cuanto mayor es la diferencia de temperatura, es decir cuanto menor es la temperatura de salida, mayor es la eficiencia del termopar. Pero cuanto menor sea la temperatura de salida, mayor será el área y la masa de radiadores, porque la eficiencia de la radiación de calor es proporcional al primer grado del área, pero al cuarto grado de temperatura. Como resultado, la temperatura de salida por debajo de 1000 grados Kelvin no tiene sentido: los radiadores se vuelven demasiado pesados. Y por encima de 2500 K no se pueden fabricar porque incluso los materiales más resistentes al calor comienzan a perder resistencia.

Termorregulación

En la foto está la Estación Espacial Internacional. Las flechas rojas indican los radiadores del sistema de transferencia de calor. Su área total es de aproximadamente 470 m2 y pueden eliminar solo 70 kW de calor, ya que funcionan a baja temperatura.



Y este es uno de los barcos más pesados ​​del conjunto predeterminado en CoaDE, a la izquierda hay radiadores de compartimentos vivos que funcionan a bajas temperaturas y no son luminosos, a la derecha, los radiadores de carburo de silicio brillan intensamente, lo que elimina el calor de los reactores y láseres y tiene temperaturas superiores a 1000 K.

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