¿Por qué el sigilo en el espacio sigue ahí?

Hola Habr! En este artículo, quiero considerar un tema que aún no es muy relevante en la realidad, pero que excita las mentes de muchos aficionados (y, por así decirlo) profesionales de la ciencia ficción: formas de esconderse en el espacio siempre que se utilicen tecnologías de un futuro excepcionalmente previsible.

En el entorno geek, hay una opinión común de que no puede haber sigilo en el espacio en ningún entorno realista de ciencia ficción. El problema es que tan pronto como vamos a hacer un juego o escribir un libro con una pretensión de realismo, es decir (según la creencia popular) sin sigilo en el espacio, resulta que luchar sin este sigilo es algo problemático: ambos participantes en la batalla pueden calcular su resultado de antemano porque el juego ... luego con toda la información. Esto obliga a igrodelov a hacer KSP con armas de fuego, o ir a la ópera cosmo, y a los escritores a escribir no películas de ciencia ficción de espías, sino novelas de espías, o volver a la ópera cosmo.

Y así, sin sigilo en el espacio es malo. Pero tal vez él todavía está allí? Después de todo, un artículo sobre "Misiles atómicos", por definición, no es la verdad última, y ​​todavía no tenemos experiencia práctica en la guerra espacial.

Los siguientes hechos de realidad objetiva hablan en contra del sigilo en el espacio:

1. El vacío tiene la mayor transparencia posible.
2. El fondo tiene una temperatura de 4 K (radiación relicta) o es predecible (estrellas).
3. Una nave inevitablemente irradia el calor generado en su interior y refleja o vuelve a emitir luz solar. Especialmente cuando maniobras.
4. La sensibilidad de los telescopios modernos es suficiente para tomar una foto de la Voyager más allá de la órbita de Plutón.

¿Y qué podemos hacer al respecto? La respuesta está debajo del corte.

Acuerde los términos

Por sigilo, nos referimos a la imposibilidad de identificar un objeto como una amenaza antes de que nuestros exploradores se acerquen a él a una distancia del mismo orden que la distancia del contacto con el fuego. Porque una cosa es cuando los terrícolas pueden seguir a la flota marciana en telescopios cercanos a la tierra a una distancia de cientos de millones de kilómetros, y otra cosa es enviar sondas espías a Marte por lo mismo, que también puede derribar estratostatos de reconocimiento y derribar el reconocimiento. UAV

Quiero confundir giro y giro

Un artículo en "Misiles atómicos" establece que los objetivos falsos no funcionarán, pero los argumentos son, por decirlo suavemente, débiles y no respaldados por cálculos:

1. Un objetivo falso debe irradiar de manera similar a un objetivo verdadero. Esto significa que debe tener la misma fuente de energía que el objeto que se está cubriendo.
2. Para funcionar durante la aceleración, el LC debe tener la misma masa y control remoto que el barco real; de lo contrario, la aceleración y la radiación de los motores no se corresponderán entre sí.
3. De lo anterior, se concluye que la meta falsa será prácticamente indistinguible de la verdadera en el precio. Lo cual es extraño porque ya ahora la carga útil puede ser un orden de magnitud más costosa que lanzarla a la órbita objetivo del cohete. En el futuro con la colonización del sistema solar, obviamente, los cohetes deberían ser mucho más baratos que hoy, pero todo lo demás no es necesario.

Considere un ejemplo específico. Supongamos que Elon Mask tuvo éxito con el BFR y que a mediados del siglo XXI la Luna y Marte ya están colonizados y no se caen bien entre sí y / o la Tierra. Supongamos también que no hubo avances fundamentales en la ciencia de cohetes y el transporte interplanetario principal, algo así como el ITS de la presentación de 2016 (es decir, el resultado de las modernizaciones del mismo BFR). El principal medio de guerra, respectivamente, es el mismo ITS, pero cargado de varios medios para infligir bien y luz a los separatistas marcianos o los terribles risitas, respectivamente.

Digamos que los medios para transportar mercancías en un ITS se adaptarán a unas 150 toneladas. Aunque se planearon 450 toneladas, y para la salida de la órbita cercana a la Tierra a Marte. Sacrificando la velocidad característica y eligiendo la línea de base apropiada (puntos de Lagrange, órbita cercana a la luna, elíptica alargada), puede aumentar la capacidad de carga hasta mil toneladas. Pero para la evaluación, tomemos el caso más pesimista desde arriba.


El pacífico transportador de tractor marciano muestra una plataforma de combate en un curso de combate

El precio del bloque orbital ITS se estima en $ 130 millones por buque tanque y $ 200 millones por barco. Se puede hacer que un buque cisterna sea indistinguible de un barco con cualquier telescopio posible: solo coloque paneles solares en el buque cisterna y no haga la famosa ventana transparente en el barco, ninguno de los cuales claramente marca una diferencia de $ 70 millones (debido al diseño más complejo del barco en comparación con el transportador) . Pero incluso si de repente tira, la diferencia de 70 millones no es fundamental en el contexto de los precios de los equipos militares. Entonces, cien cohetes SM-3 (los análogos más cercanos existentes de cohetes espacio-espacio) con una masa de 150 toneladas costarán $ 1 mil millones 840 millones. Por supuesto, los misiles necesitan un sistema de guía, pero un telescopio como el Kepler pesa varias toneladas, a un costo de unos cientos de millones de dólares.

Pero digamos que queremos armar nuestro buque de guerra no con misiles desechables, sino con drones potencialmente potencialmente reutilizables o cazas tripulados. Como arma para nuestro luchador, tomamos el arma cinética Vulkan-Falanks. Solo porque los láser aún no se han producido comercialmente, y es poco probable que su precio difiera en una dirección más pequeña. 13 millones de dólares por un arma de 5 toneladas . Supongamos que una unidad de misiles de cinco toneladas para mover nuestro arma en el futuro no costará 20 millones como lo es ahora, pero solo 2 debido a la producción en serie, 15 cazas de diez toneladas costarán $ 225 millones, ya comparable al precio de ITS.

Eso es solo 200 millones, siempre que compremos un nuevo ITS en los astilleros. Lo que no es necesario en absoluto: para trabajar como un objetivo falso, puede y debe tomar un barco usado que ya ha logrado recuperar su producción transportando bienes civiles. Se planea un multiplicador de 100 vuelos para la embarcación de reabastecimiento de combustible, 12 para el barco interplanetario (la diferencia se debe a la duración del vuelo interplanetario), por lo que el precio de $ 20 millones para la compra voluntaria y obligatoria de barcos en el estado de "un vuelo para cancelar" parece bastante justo y no causa el deseo del armador joder a la nativa MCRN . Y $ 20 millones es un poco más caro que un (cohete) de espacio a espacio y es comparable al precio de un caza.

Teóricamente, la inteligencia enemiga puede rastrear las "características individuales del espectro de radiación" de la nave. Pero incluso en una situación tan (fantástica, como se mostrará a continuación), es posible organizar un "dedal espacial" usando naves usadas y como portadores de armas (y no es necesario que el enemigo sepa cuáles de las naves están cargadas de misiles y drones). Sí, el Cosmoflot que vuela exclusivamente en barcos de segunda mano parece cargado de plantillas, pero los luchadores por la independencia de las colonias siempre han tenido que dar la vuelta.

Además, este no es un disfraz de barco pacífico, que podría tener consecuencias diplomáticas negativas. Cosmoflot compra honestamente barcos usados, simplemente no admite qué barco lleva misiles y drones, y no lastre.

Lo descrito anteriormente es cierto tal vez para cualquier escenario realista de conflicto interplanetario en el futuro cercano. Para entrar en conflicto en el espacio, debes colonizarlo al principio. Y para esto necesitas transporte interplanetario barato. Y si los militares no usan este transporte desde el principio, no son las leyes de la naturaleza del problema, sino solo el personal militar. Además, el método de "dedal espacial" está diseñado para que el adversario mire cualquiera de nuestros canales en una cámara muy multiespectral, e incluso con una calidad de al menos 4K, y por lo tanto el simulador debe tener la misma forma, dimensiones y motores que el simulado. Pero tal escenario es realmente dudoso.

Difracción

El límite teórico de la resolución angular de cualquier telescopio se describe mediante una fórmula muy simple.

$$

donde R es la resolución angular mínima en radianes, D es la apertura en metros, lam es la longitud de onda de trabajo en ellos. Para ángulos muy pequeños, R puede considerarse la relación de la distancia al objeto observado a la distancia mínima distinguible sobre él. Es fácil asegurarse de que para una apertura de medidor y una longitud de onda micrométrica (cerca de IR), la resolución espacial de mil kilómetros será de solo un metro. Bueno, si tratamos de mirar un telescopio similar durante cien millones de kilómetros (la distancia entre Marte y la Tierra en el momento de la gran confrontación), tendremos un píxel de 100 kilómetros de tamaño. O necesitamos un telescopio milagroso con un espejo de cien kilómetros para mantener una resolución de un metro.

Esta cosa solo tiene una abertura de 130 metros

Muchos lectores inmediatamente pensaron en interferómetros ópticos. Sí, tendrán una longitud de hombro en la fórmula para la resolución espacial en lugar de una abertura. Pero solo esa longitud del hombro debe mantenerse con un error de menos de la mitad de la longitud de onda de trabajo. Por lo tanto, la opción "simplemente tome dos telescopios espaciales" no es adecuada: el hombro debe ser rígido. Pero incluso un arcén con una longitud de cien kilómetros "caminará" debido a la irregularidad de las cargas térmicas. Por la misma razón, nada surgirá de la idea de un espejo de cien kilómetros de película delgada.

Además, al decidir ahorrar en el área del espejo, ahorraremos en fotosensibilidad. Pero no puedes ahorrar en eso. A una distancia de los mismos 100 millones de kilómetros, un objeto que emite esféricamente simétricamente a una longitud de onda de 1 micrón con una potencia de 1 MW producirá 80 fotones por metro cuadrado por segundo. Una vez más, ochenta fotones. Para obtener cualquier imagen inteligible, deberá aumentar la velocidad del obturador a varios cientos de segundos o aumentar el área. Y esto se proporciona que la matriz recoge fotones individuales.


Ceres desde el punto de vista del telescopio ellos. Hubble Ancho de píxeles: 30 kilómetros

Y asi. Para una observación detallada de la nave del enemigo a distancias interplanetarias, necesitamos un interferómetro monstruoso con espejos de decenas de metros, al menos un hombro duro de un kilómetro y una matriz ultrasensible enfriada a cero casi absoluto. Y este milagro de la tecnología aún no podrá hacer nada con las tácticas de "dedal espacial". Y no solo eso.

Partículas Minsky, nivel de combate!

El Dedal espacial se basó en el hecho de que ni un solo telescopio puede mirar debajo de la piel de una nave interplanetaria. Pero, ¿qué sucede si en lugar de una bodega o un contenedor de carga con un volumen no tan grande, usa una bolsa grande de película delgada, una nube de hollín o polvo? Como resultado, la inteligencia del enemigo tendrá información sobre la presencia de docenas de nebulosas de polvo artificial en el espacio, pero no habrá información sobre su contenido hasta que alguien peine físicamente cada nebulosa.

Digamos que el tamaño de partícula del hollín en nuestra nube es de 10 micras. La relación masa / sección transversal de la partícula será de aproximadamente 20 gramos por metro cuadrado. En órbita cercana a la Tierra, la presión de la luz solar sobre una superficie negra es de 5.6 μN / m2. Por lo tanto, la luz solar desplazará nuestra pantalla de humo cerca de la Tierra con una aceleración de 0.2 milímetros por segundo por segundo, lo cual es bastante realista para compensar el funcionamiento de los motores de la flota oculta.


Algo similar se usó en Gundam, una cita de la cual se tomó el nombre de la sección. La única diferencia es que se utilizó un plasma frío de partículas elementales exóticas como una cortina de humo, que era completamente ingrávida, producida por reactores termonucleares de barcos en cantidades casi ilimitadas y finalmente también se ocultó de los radares. El hollín contra los radares es inútil, pero hay otros medios contra ellos. Pero mucho hollín puede ser un problema.

Veinte gramos por metro cuadrado cuando se convierten en un kilómetro cuadrado se convierten en veinte toneladas. Supongamos que queremos llenar una esfera con un diámetro de 20 kilómetros con hollín para que la densidad de superficie deseada se alcance a una profundidad de 1 kilómetro, siempre que las partículas se distribuyan uniformemente. Es decir a una densidad de hollín de 20 toneladas por kilómetro cúbico. Necesitaremos un poco menos de 84 kilotones de hollín. Mucho? Bueno, cómo puedo decir: una cantidad cercana de carbono está contenida en un asteroide de clase C con un diámetro promedio de 20 metros. Entonces, para cubrir la base de la flota en los mismos asteroides o cerca de ellos, este método es bastante adecuado.


Matilda es un asteroide típico de clase C.

Sigilo táctico

Y así, volamos al planeta del enemigo cuando no nos esperó usando un "dedal" o cometas artificiales. Que sigue

En primer lugar, el mismo hollín. Alrededor de cien toneladas de hollín son suficientes para instalar cortinas de polvo locales de varios kilómetros de longitud: el transportador se ajustará al papel del objetivo falso. Pero en esta situación, también es posible un sigilo "real": invisibilidad completa para los sistemas de detección de enemigos. El hecho es que ya no estamos separados del enemigo por meses de vuelo, sino por decenas de horas, por lo que no podemos irradiar en absoluto debido a la liberación de calor en la nieve de hidrógeno.

Imagine un barco en la proa del cual hay un tanque negro-negro con hidrógeno sólido. El calor específico de fusión del hidrógeno es de 59 kJ / kg. La constante solar en órbita terrestre baja es 1367 W / m2. La longitud total del tanque de 14.3 metros (longitud, teniendo en cuenta el lugar debajo del hidrógeno derretido) volteada hacia el Sol (es decir, tener una tonelada de hidrógeno por metro de superficie iluminada) absorberá la luz solar mientras mantiene la temperatura de fusión de ese hidrógeno durante un poco menos de 12 horas. ¿Calor generado por la tripulación y los sistemas de la nave? Su contribución puede ser descuidada porque la misma "Unión" tiene suficientes kilovatios para una tripulación de tres personas.

Por supuesto, este método de ocultar un barco solo funciona durante un vuelo balístico. Pero la maniobra de alcanzar el objetivo puede y debe llevarse a cabo bajo la apariencia de todo el mismo hollín.

Un caza furtivo construido con esta tecnología que usa motores líquidos puede tener las siguientes características:

Diámetro - 2 metros
Longitud - 25 metros de los cuales:
Tanque de hidrógeno - 14.3 metros
Oxígeno - 6 metros.
Motor cohete - 1 metro.
Control y compartimento de armamento - 3.7 metros.
La tripulación es de 0-1 personas.
La masa de combustible es de 22 toneladas.
La masa de los tanques y el motor es de 3 toneladas.
La masa del compartimento de control es de 2 toneladas.
La masa del arma es de 3 toneladas (misiles).
Masa inicial : 30/27 toneladas (con y sin armas).
La masa final es de 8/5 toneladas.
Velocidad de caducidad - 4.3 km / s
Delta Ve sin armas - 7.25 km / s

Las tácticas de uso son salir del compartimento de carga de una nave espacial alquilada en el "espacio internacional" al amparo de una cortina de humo, girar los aceleradores hacia el objetivo, acercarse sigilosamente, lanzar misiles y salir sin trucos.

Y ahora un luchador nuclear:

Diámetro - 2 metros
Longitud - 20 metros de los cuales:
Tanque de hidrógeno - 14.3 metros
NRE con bioprotección - 2 metros.
Control y compartimento de armamento - 3.7 metros.
La tripulación es de 0-1 personas.
La masa del fluido de trabajo es de 3.14 toneladas.
La masa de los tanques y el motor es de 4 toneladas.
La masa del compartimento de control es de 2 toneladas.
La masa del arma es de 3 toneladas.
La masa inicial es de 12.14 / 9.14 toneladas (con y sin armas).
La masa final es de 9/6 toneladas (con y sin armas).
Velocidad de caducidad : 9 km / s
Delta Ve sin armas : 3.78 km / s

El peso seco aumentó en toneladas para tener en cuenta la protección biológica. Delta-Ve se sumergió ya que el impulso específico de la NRE en fase sólida no compensó la disminución dramática en la masa reactiva y la adición de protección biológica.

Obviamente, un luchador sigiloso podrá atacar efectivamente solo a los objetivos de movimiento lento. Por ejemplo, interferómetros espaciales de largo alcance de varios kilómetros.