Batailles spatiales réelles chez les enfants d'une terre morte, partie 1

Le grand public des jeux de guerre spatiale comprend les lasers pi-piu multicolores, le tir à bout portant, la vitesse nulle par rapport à l'espace absolu et d'autres choses complètement irréalistes . Par conséquent, le simulateur Children of a Dead Earth, qui simule des batailles sur les technologies désormais disponibles, offre une expérience tout à fait unique. Et en plus du fait qu'il est juste intéressant de jouer, il soulève de sérieuses questions sur la façon dont les vraies guerres dans le système solaire peuvent avoir lieu, et a une grande signification éducative.


La bataille sur l'orbite de Mars. Les lignes colorées ne sont pas des lasers, mais des traceurs de railgun

Champ de bataille

La mécanique orbitale pour une personne non préparée semble très incompréhensible. Il est mieux perçu pendant le jeu, mais il est conseillé de donner quelques bases à l'avance. Tout d'abord, l'action se déroulera dans le système solaire, et tout objet sera dans l'orbite de l'un de ses corps célestes. Qu'est-ce qu'une orbite? Parlant très simplement et brièvement, sous l'influence de l'attraction d'un corps lourd, un autre corps (satellite, navire, fusée, etc.) se déplacera le long d'une trajectoire qui est une section conique (cercle, ellipse, parabole, hyperbole) avec focus au centre masses du système, qui dans notre cas seront à l'intérieur d'un corps lourd. Plusieurs paramètres déterminent l'apparence de ce chemin:

• Pericenter - la plus petite orbite
• Apocenter - la plus haute hauteur. N'a pas de sens pour la parabole et l'hyperbole
• Excentricité - un paramètre qui détermine le type d'orbite. 0 - cercle, de 0 à 1 - ellipse, 1 - parabole,> 1 - hyperbole
• Inclinaison orbitale - définit l'angle entre le plan orbital et le plan de base, qui est l'équateur d'un corps céleste ou le plan écliptique

Un autre paramètre est essentiel pour tous les vaisseaux spatiaux. La réserve de vitesse caractéristique ou delta-V est le montant par lequel l'unité peut modifier la vitesse de ses moteurs. Par exemple, nous avons un moteur-fusée chimique et du carburant à 2 km / s. Nous pouvons les dépenser comme nous voulons - accélérer, freiner, changer l'inclinaison de l'orbite. Lorsque delta-V se révèle être 0, nous manquons de carburant et nous ne pouvons plus changer notre trajectoire. Le paramètre est pratique en ce qu'il ne se soucie pas du type de moteur et de carburant, et vous pouvez comparer n'importe quel appareil.


Valeurs delta-V approximatives en m / s pour les vols entre planètes

Fait intéressant, dans CoaDE, l'approvisionnement en delta-V des navires est généralement inférieur à celui requis pour un vol complet entre les corps célestes. On suppose que les navires volent avec des chars supplémentaires, qui sont jetés avant le début de la bataille et ne sont pas visibles dans le jeu.


Calcul de la manœuvre pour intercepter le groupement ennemi sur l'orbite de Vénus

L'interface de contrôle des navires est un peu comme le programme spatial Kerbal, mais ici, les navires reçoivent des commandes et se manœuvrent eux-mêmes.



Pour calculer avec précision la manœuvre, il existe un outil très pratique qui commute le corps de base pour afficher la trajectoire. Dans la capture d'écran ci-dessus, nous visons le point de rencontre, en changeant le corps de base de Vénus à la flotte ennemie. Cette fonctionnalité est indispensable dans les missions complexes.

De plus, il existe quelques termes supplémentaires qui sont utiles à connaître:

• Les points de Lagrange sont cinq points dans un système à deux corps, par exemple, la Terre-Lune, près duquel des orbites durables d'un troisième corps - un navire ou un satellite - sont possibles (et le jeu a une mission assez difficile d'apporter du carburant à un navire coincé à ce stade).
• La sphère de Hill est une zone dans laquelle l'influence gravitationnelle d'un certain corps prédomine. Par exemple, en quittant la sphère Earth Hill, le navire sera dans la sphère Sun Hill. Dans le jeu dans les dernières missions les plus difficiles, les batailles tournent autour de Jupiter et de Saturne, et nous devons prendre en compte et utiliser l'attraction de leurs satellites lors de la planification des manœuvres.

Des lois de la mécanique orbitale, quelques caractéristiques non évidentes du champ de bataille cosmique suivent:

1. Pour entrer dans la bataille, il est nécessaire d'effectuer des manœuvres complexes afin de se rapprocher de l'ennemi à distance de ses armes. L'ennemi complique encore la tâche avec ses manœuvres.
2. L'adversaire qui se retrouve avec delta-V perd l'initiative et l'adversaire avec la marge de vitesse caractéristique restante déterminera les caractéristiques d'approche. En général, une cible stationnaire est complètement impuissante, car elle peut être tirée à grande distance en toute impunité.
3. En orbite autour d'un corps céleste, on peut réaliser une grande variété d'options de rendez-vous, à la fois avec une vitesse mutuelle minimale sur les parcours convergents et avec une énorme vitesse aux intersections ou aux croisements.
4. La gamme de vitesses possibles d'approche mutuelle commence à partir de près de zéro et peut atteindre des dizaines de kilomètres par seconde. Par exemple, avec le vol Terre-Mars économique en termes de consommation de carburant, la vitesse finale près de Mars sera d'environ 6 km / s. Si vous continuez sur le chemin opposé, la vitesse peut atteindre 50 km / s (mais un tel chemin nécessitera> 30 km / s delta-V). Sur des technologies réalistes sur l'orbite d'un corps céleste, il est raisonnable de s'attendre à une vitesse d'approche maximale de près de zéro à plusieurs kilomètres par seconde.
5. Plus le corps central est léger, plus les manœuvres delta-V sont économiques. Près d'un astéroïde léger, vous pouvez facilement faire demi-tour et commencer à vous déplacer dans la direction opposée, mais sur une orbite d'une planète lourde de même volume, le delta-V ne suffit que pour modifier légèrement les paramètres de l'orbite.

Les moteurs

Sans la possibilité de changer l'orbite, non seulement une bataille spatiale est impossible, mais aussi toute exploration sérieuse de l'espace. Et changer l'orbite est impossible sans moteur. Dans un avenir proche, la base des moteurs spatiaux sera de diverses structures avec libération de masses réactives - les voiles solaires et électromagnétiques, ainsi que les moteurs qui repoussent le champ magnétique de la planète, sont trop non universels. Les principales caractéristiques des moteurs spatiaux sont:

• Impulsion spécifique. Montre l'efficacité avec laquelle le moteur consomme du carburant. Plus l'impulsion spécifique du moteur est élevée, moins il aura besoin de carburant pour accélérer le navire à la vitesse requise. Mesuré en mètres par seconde ou secondes.
• Poussée. Certains modèles de moteurs à impulsion spécifique élevée sont caractérisés par une très faible poussée, de sorte qu'ils ne peuvent être utilisés dans aucune situation.

Moteur chimique

Avec les moteurs-fusées chimiques, l'exploration spatiale en tant que telle a commencé. Ils sont caractérisés par une faible impulsion spécifique et sont maintenant proches des limites physiques de leur efficacité, mais, en raison de leur simplicité comparative et de leur poussée élevée par rapport aux autres types, ils sont les principaux moteurs de l'astronautique moderne. L'exploration spatiale nécessite une impulsion spécifique plus élevée, mais ces moteurs ne disparaîtront pas du tout.

Jusqu'à présent, CoaDE présente exclusivement des moteurs-fusées à propergol liquide à un ou deux composants, nous ne les examinerons donc que plus en détail. Le principe de fonctionnement est relativement simple. Dans la chambre de combustion, le carburant se décompose (s'il y a un composant) ou est brûlé par un agent oxydant (s'il y a deux composants) avec la libération d'une grande quantité d'énergie thermique. Transformé en gaz à haute température, il pénètre dans la buse Laval, qui convertit l'énergie thermique du gaz en énergie cinétique de son écoulement rapide.


Chambre de combustion et buse Laval du moteur RD-107/108. Sur ces mouches roquettes russes "Soyouz"

Dans la vraie vie, les composants «oxygène liquide-kérosène» sont populaires en raison de la simplicité et de la haute densité du kérosène, «oxygène liquide - hydrogène liquide» en raison de l'impulsion spécifique élevée (environ 4,4 km / s) et «diméthylhydrazine asymétrique - tétrooxyde d'azote» en raison du fait qu'il peut être conservé très longtemps à température ambiante. L'impulsion spécifique maximale atteinte d'un moteur chimique de 5,32 km / s a ​​été obtenue en utilisant le carburant lithium-fluor-hydrogène à trois composants, ce qui est extrêmement gênant dans la pratique (le lithium doit être très chaud et l'hydrogène doit être froid, les composants corrodent les pipelines et les gaz d'échappement sont toxiques )

Dans CoaDE, la paire de combustibles la plus efficace sera le fluor-hydrogène (UI 4,6 km / s). En réalité, personne ne l'utilisera, car l'échappement d'un tel moteur sera de l'acide fluorhydrique, qui est très nocif pour l'environnement, mais selon l'intrigue du jeu, la Terre est déjà arrivée à son terme et les restes de l'humanité survivants ne se soucient pas de l'écologie. De plus, CoaDE n'a pas encore pris en compte le besoin de protection thermique des réservoirs cryogéniques - l'oxygène liquide peut être stocké sans isolation thermique, mais l'hydrogène liquide s'évapore trop activement.


Conception de moteurs-fusées chimiques

Le jeu prend en compte le rapport stœchiométrique (le rapport des fractions de carburant et d'oxydant vous permet de brûler complètement le carburant ou d'avoir un excès d'un des composants dans l'échappement), la nécessité de fournir des composants avec des turbopompes, de refroidir la chambre de combustion et la buse avec l'un des composants (utilisé en réalité, sinon le moteur fondra simplement ) et tourner le moteur en manœuvre. La flexibilité du concepteur de jeu vous permet de créer une grande variété de moteurs adaptés à un large éventail de tâches, des moteurs de marche grands et efficaces aux moteurs d'orientation compacts. Les moteurs chimiques de CoaDE sont principalement utilisés pour les fusées et les drones.

Fusée nucléaire

Le gaz chauffé pour une buse Laval peut être obtenu non seulement par une réaction chimique de combustion. Un réacteur nucléaire fera très bien l'affaire. Par conséquent, au milieu du XXe siècle, des projets expérimentaux de moteurs-fusées nucléaires RD-0410 et NERVA ont commencé en URSS et aux États-Unis.


Pan coupé NERVA

Le principe de fonctionnement d'un moteur-fusée nucléaire est simple. Une réaction nucléaire contrôlée produit beaucoup de chaleur. Un fluide de travail s'écoule à travers le réacteur, qui est chauffé (tout en refroidissant le réacteur) et est éjecté à travers la buse. Il résulte de la formule d'impulsion spécifique que plus le poids moléculaire du fluide de travail est petit, plus il sera éjecté rapidement et plus le moteur sera efficace. Par conséquent, dans les projets réels, il était censé utiliser l'hydrogène comme fluide de travail. CoaDE a une situation curieuse - le type de carburant le plus efficace est le deutéride d'hydrogène - une molécule d'un atome d'hydrogène et d'un atome de deutérium (un isotope d'hydrogène avec un neutron). Dans des conditions de température élevée du réacteur, le deutérure d'hydrogène se dissociera (une molécule diatomique se décomposera en atomes séparés), et le poids moléculaire sera inférieur à celui du H2 qui ne se dissocie pratiquement pas à une température du réacteur.

Dans la vraie histoire, les deux projets n'ont pas progressé plus loin que les tests, et les récentes nouvelles concernant le développement d'un moteur nucléaire pour le missile de croisière russe Burevestnik ont ​​été une grande surprise. Dans le jeu, ils sont l'un des plus appropriés - le fait est que l'impulsion spécifique d'un missile nucléaire est environ deux fois plus élevée que celle d'un missile chimique, et sans problème, vous pouvez créer un moteur à forte poussée. Et le problème des gaz d'échappement radioactifs n'est pas important lorsque le navire vole hors de l'atmosphère.


Moteur de marche nucléaire de navire lourd avec une poussée de 120 tonnes et une impulsion spécifique de 9,4 km / s

Moteur de fusée de chauffage électrique

Une autre façon d'obtenir du gaz chaud est d'utiliser un radiateur électrique. L'avantage de ce moteur est que tout fluide de travail peut être utilisé, jusqu'aux déchets. Le fluide de travail peut être chauffé à une température très élevée, ce qui vous permet d'obtenir une impulsion spécifique élevée, environ deux fois plus élevée que les missiles chimiques. Les inconvénients du système sont que le chauffage nécessite beaucoup d'électricité (ce qui signifie que dans le système de réacteur-chauffage, il y aura des pertes de conversion d'énergie) et que le moteur a une petite poussée.


Réservoirs de butane et moteur de chauffage électrique

En réalité, les moteurs de ce type sont utilisés très activement en astronautique depuis de nombreuses années. La petite poussée n'est pas un problème si le satellite ne manœuvre pas activement. Mais dans CoaDE, ils occupent une niche auxiliaire, utilisés sur certains navires comme moteurs d'orientation.

Moteur plasma magnétique

Malgré le fait que la buse Laval est un moteur thermique très efficace et a une efficacité allant jusqu'à 70%, il existe des moyens de jeter le fluide de travail à des vitesses beaucoup plus élevées. Pour cela, des effets électriques sont utilisés - force de Coulomb, effet Hall, émission de champ et autres. Un seul type est présenté dans les moteurs CoaDE - magnétoplasma (MTD).



La photo ci-dessus montre un MTD fonctionnel. La broche au centre est la cathode (électrode négative), autour d'elle est une anode cylindrique (électrode positive). Un gaz ionisé circule entre eux, accéléré par la force de Lorentz à des vitesses très élevées. L'impulsion spécifique du MTD peut atteindre des dizaines de kilomètres par seconde, mais vous devez payer pour cela car ils consomment des ordres de grandeur plus d'énergie avec une traction comparable aux moteurs de chauffage électrique.


L'impulsion spécifique est de 42 km / s, mais consomme 10 mégawatts et a une poussée de seulement 28 kg

En vraie astronautique, différents types de moteurs de propulsion électrique sont déjà largement utilisés. Ils ne peuvent pas être placés sur un lanceur, mais les satellites ont une poussée suffisante de plusieurs grammes, à condition que le moteur tourne pendant des heures et des jours de fonctionnement continu.

Fusée à impulsion nucléaire

Une idée intéressante est apparue au milieu du 20e siècle. Une énorme quantité de chaleur générée par la bombe atomique peut théoriquement être utilisée pour le mouvement. Pour ce faire, sur la bombe elle-même, il est nécessaire de placer un stock de fluide de travail qui se transforme en plasma lors d'une explosion, et sur le navire d'installer une plaque réfléchissante qui perçoit et absorbe les chocs plasmatiques.



En dynamique, cela ressemblerait à ceci:



Le principe du mouvement a été testé avec succès sur un modèle avec des explosifs chimiques. Dans l'histoire réelle, le projet a été victime d'un traité d'interdiction des essais nucléaires de 1963 et la tentative de créer un projet de navire de guerre sur ce déménageur, les politiciens n'a pas aimé le coût astronomique. Mais c'est dommage - l'impulsion spécifique théorique était au niveau de dizaines de kilomètres par seconde, et la poussée devrait également être décente.



Voilà à quoi ressemblait l'un des premiers projets d'engins spatiaux militaires dans l'histoire de l'humanité. Des centaines d'ogives nucléaires, des obusiers tirant des charges de marche au plasma, des canons navals de 127 mm et 30 mm étaient censés se trouver dans son arsenal. Dans CoaDE, ce moteur n'a malheureusement pas encore été introduit.

Énergétique

Les différents systèmes de navires nécessitent de l'énergie électrique pour fonctionner, et dans l'espace, il existe plusieurs façons de l'obtenir.

Les panneaux solaires sont très largement utilisés aujourd'hui, mais n'auront de sens dans une situation de futur conflit spatial imaginaire qu'en tant qu'option d'urgence. Premièrement, ils sont grands, fragiles et produisent peu d'électricité. Par exemple, les panneaux solaires ISS ont une superficie totale de 3200 m2, mais ne produisent pas plus de 120 kW. Deuxièmement, la quantité d'énergie provenant du Soleil obéit à la loi des carrés inverses et, par exemple, dans l'orbite de Jupiter, qui est cinq fois plus éloignée du Soleil que la Terre, le même panneau solaire peut produire 25 fois moins d'électricité. Pas étonnant que CoaDE n'en ait pas.

Les piles à combustible convertissent l'hydrogène et l'oxygène en eau et en électricité. C'est très pratique pour les vols d'une durée de 2 à 3 semaines, ils ont donc été embarqués sur les navettes Apollo et Space. Mais ils ne conviennent pas au scénario des vols de plusieurs mois.

Les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes sont activement utilisés dans l'astronautique moderne où il n'y a pas suffisamment de panneaux solaires et où des travaux à long terme sont nécessaires. Le principe de leur fonctionnement est très simple - un isotope avec une courte demi-vie, par exemple, le plutonium-238, se désintègre naturellement, tout en libérant la chaleur qui est fournie au thermocouple - deux métaux qui produisent de l'électricité à une différence de température.



Les RTG sont bons car ils peuvent fonctionner pendant des décennies (et ils travaillent sur Voyagers depuis 40 ans) et ne nécessitent aucun contrôle, mais ils ont une efficacité très faible, nécessitent un carburant coûteux et n'ont de sens que pour une faible puissance. Les vrais RTG ne sont généralement pas plus puissants que des centaines de watts; dans CoaDE, les générateurs pas plus puissants que des dizaines de kilowatts ont du sens, sinon ils deviennent trop lourds.


CoaDE conçoit séparément des RTG, des radiateurs séparés pour la dissipation thermique

Et seuls les réacteurs nucléaires peuvent fournir des niveaux de puissance et des densités d'énergie adaptés aux opérations militaires dans l'espace. Sous une forme extrêmement simplifiée, ils fonctionnent comme ceci: lorsque certains atomes lourds se désintègrent, des neutrons sont libérés. Ces neutrons peuvent être envoyés à d'autres atomes et provoquer leur désintégration avec la libération de chaleur et de nouveaux neutrons. En déplaçant des absorbeurs de neutrons et des réflecteurs dans le réacteur, on peut obtenir une réaction nucléaire contrôlée avec le dégagement d'une énorme quantité de chaleur. Ensuite, cette chaleur peut être envoyée à une sorte de moteur thermique afin de la convertir en électricité. Il existe de nombreuses méthodes de conversion - turbines, moteurs Stirling, convertisseurs thermoélectriques, thermioniques, thermophotoélectriques et autres.


Réacteur Kilopower récemment testé

Dans la vraie astronautique, des réacteurs atomiques ont été utilisés en URSS, qui a lancé plus de trois douzaines de satellites de reconnaissance radar avec le réacteur atomique BES-5 Buk.


Le réacteur nucléaire BES-5 Buk, à gauche du réacteur, à droite les radiateurs du système de transfert de chaleur.

À 900 kg, le Buk avait puissance thermique de 100 kW et électrique de 3 kW. Plus tard, en deux vols, le réacteur Topaz-1 a été testé avec une puissance thermique de 150 kW et une puissance électrique de 6 kW.

Au CoaDE, un réacteur nucléaire est la principale source d'énergie. En tant que moteur thermique, seul un générateur thermoélectrique (thermocouple) est disponible. Il n'y a que deux circuits dans le réacteur, dans le premier le caloporteur transfère la chaleur du réacteur au thermocouple, dans le second, il évacue la chaleur du thermocouple vers le radiateur.



Un effet intéressant se produit lorsque la température à la sortie du thermocouple est manipulée. Plus la différence de température est grande, c'est-à-dire plus la température de sortie est basse, plus l'efficacité du thermocouple est élevée. Mais plus la température de sortie est basse, plus la surface et la masse des radiateurs seront nécessaires, car l'efficacité du rayonnement thermique est proportionnelle au premier degré de la zone, mais au quatrième degré de température. En conséquence, la température de sortie inférieure à 1000 degrés Kelvin n'a pas de sens - les radiateurs deviennent trop lourds. Et au-dessus de 2500 K, ils ne peuvent pas être fabriqués car même les matériaux les plus résistants à la chaleur commencent à perdre de leur résistance.

Thermorégulation

Sur la photo, la Station spatiale internationale. Les flèches rouges indiquent les radiateurs du système de transfert de chaleur. Leur superficie totale est d'environ 470 m2 et ils ne peuvent évacuer que 70 kW de chaleur, car ils travaillent à basse température.



Et c'est l'un des navires les plus lourds de l'ensemble par défaut dans CoaDE, à gauche sont des radiateurs de compartiments vivants qui fonctionnent à basse température et ne sont pas lumineux, à droite, les radiateurs en carbure de silicium brillent brillamment, ce qui élimine la chaleur des réacteurs et des lasers et a des températures supérieures à 1000 K.

Mais peut-être que de tels grands panneaux lumineux ne seront plus utilisés à l'avenir. Dans la vraie cosmonautique, des travaux sont en cours pour créer des radiateurs à gouttelettes, où au lieu d'une surface rayonnante, un flux de gouttelettes d'un liquide qui s'évapore le moins possible sous vide se déplace entre le générateur et le récepteur. Ces radiateurs sont meilleurs parce que le flux de gouttelettes a une surface rayonnante beaucoup plus grande, et le radiateur pèsera plusieurs fois moins. Des modèles ont déjà été testés sur le «Monde» et l'ISS, et ils pourraient apparaître dans l'espace dans les prochaines décennies.


Photos d'expériences avec des réfrigérateurs goutte à goutte dans des armes et armures à gravité zéro

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