Pertarungan Luar Angkasa Nyata pada Anak-anak dari Bumi yang Mati, Bagian 1

Arus utama game perang antariksa meliputi laser pi-piu multi-warna, penembakan titik-kosong, kecepatan nol relatif terhadap ruang absolut, dan hal-hal lain yang sama sekali tidak realistis . Oleh karena itu, simulator Children of a Dead Earth, yang mensimulasikan pertempuran pada teknologi yang sekarang tersedia, memberikan pengalaman yang sepenuhnya unik. Dan selain fakta bahwa itu hanya menarik untuk dimainkan, ia menimbulkan pertanyaan serius tentang bagaimana perang nyata di tata surya dapat terjadi, dan memiliki signifikansi pendidikan yang besar.


Pertempuran di orbit Mars. Garis berwarna bukan laser, tetapi pelacak railgun

Medan perang

Mekanika orbital untuk orang yang tidak siap terlihat sangat tidak bisa dipahami. Hal ini paling baik dirasakan selama pertandingan, tetapi disarankan untuk memberikan beberapa dasar terlebih dahulu. Pertama-tama, aksinya akan terjadi di tata surya, dan benda apa pun akan berada di orbit salah satu benda langitnya. Apa itu orbit? Berbicara dengan sangat sederhana dan singkat, di bawah pengaruh daya tarik benda berat, benda lain (satelit, kapal, roket, dll.) Akan bergerak di sepanjang lintasan yang merupakan bagian kerucut (lingkaran, elips, parabola, hiperbola) dengan fokus di tengah massa sistem, yang dalam kasus kami akan berada di dalam tubuh yang berat. Beberapa parameter menentukan bagaimana jalan ini akan terlihat:

• Pericenter - orbit terkecil
• Apocenter - ketinggian tertinggi. Tidak masuk akal untuk parabola dan hiperbola
• Eksentrisitas - parameter yang menentukan jenis orbit. 0 - lingkaran, dari 0 hingga 1 - elips, 1 - parabola,> 1 - hiperbola
• Inklinasi orbital - mendefinisikan sudut antara bidang orbital dan bidang dasar, yang merupakan ekuator benda langit atau bidang ekliptika

Parameter lain sangat penting untuk semua pesawat ruang angkasa. Cadangan kecepatan karakteristik atau delta-V adalah jumlah yang digunakan unit untuk mengubah kecepatan pada mesinnya. Misalnya, kami memiliki mesin roket kimia dan bahan bakar 2 km / s. Kita dapat menghabiskannya seperti yang kita inginkan - mempercepat, mengerem, mengubah kemiringan orbit. Ketika delta-V berubah menjadi 0, kita kehabisan bahan bakar, dan kita tidak bisa lagi mengubah lintasan kita. Parameternya nyaman karena tidak peduli dengan jenis mesin dan bahan bakar, dan Anda dapat membandingkan perangkat apa pun.


Perkiraan nilai delta-V dalam m / s untuk penerbangan antar planet

Yang menarik, di CoaDE, pasokan kapal delta-V biasanya kurang dari yang dibutuhkan untuk penerbangan penuh antara benda-benda langit. Diasumsikan bahwa kapal terbang dengan tank tambahan, yang dibuang sebelum dimulainya pertempuran dan tidak terlihat dalam permainan.


Perhitungan manuver untuk mencegat pengelompokan musuh di orbit Venus

Antarmuka kontrol kapal sedikit mirip dengan Program Luar Angkasa Kerbal, tetapi di sini kapal diberikan perintah, dan mereka melakukan manuver sendiri.



Untuk menghitung manuver secara akurat, ada alat yang sangat nyaman yang mengubah tubuh dasar untuk menampilkan lintasan. Pada tangkapan layar di atas, kami membidik titik pertemuan, mengubah tubuh pangkalan dari Venus ke armada musuh. Fitur ini sangat diperlukan dalam misi yang kompleks.

Selain itu, ada beberapa istilah lain yang berguna untuk diketahui:

• Poin Lagrange adalah lima poin dalam sistem dua tubuh, misalnya, Bumi-Bulan, yang dekat dengan orbit tubuh ketiga yang tahan lama - kapal atau satelit - dimungkinkan (dan permainan memiliki misi yang agak sulit untuk membawa bahan bakar ke kapal yang terjebak pada titik ini).
• Bola Hill adalah area di mana pengaruh gravitasi suatu benda mendominasi. Misalnya, meninggalkan bola Earth Hill, kapal akan berada di bola Sun Hill. Dalam permainan di misi terakhir yang paling sulit, pertempuran mengelilingi Jupiter dan Saturnus, dan kita harus memperhitungkan dan menggunakan daya tarik satelit mereka ketika merencanakan manuver.

Dari hukum mekanika orbital, beberapa fitur tidak jelas dari medan perang kosmik mengikuti:

1. Untuk memasuki pertempuran, perlu untuk melakukan manuver yang kompleks agar bisa lebih dekat dengan musuh pada jarak senjata mereka. Musuh selanjutnya memperumit tugas dengan manuvernya.
2. Musuh yang berakhir dengan delta-V kehilangan inisiatif, dan musuh dengan margin kecepatan karakteristik yang tersisa akan menentukan karakteristik pendekatan. Secara umum, target stasioner sama sekali tidak berdaya, karena dapat ditembakkan dari jarak jauh dengan impunitas absolut.
3. Di orbit di sekitar satu benda langit, seseorang dapat mewujudkan berbagai pilihan pertemuan, baik dengan kecepatan timbal balik minimal pada kursus konvergen, dan dengan besar pada persimpangan atau yang datang.
4. Kisaran kemungkinan kecepatan pendekatan timbal balik dimulai dari mendekati nol dan dapat mencapai puluhan kilometer per detik. Sebagai contoh, dengan penerbangan Bumi-Mars ekonomis dalam hal konsumsi bahan bakar, kecepatan akhir dekat Mars akan sekitar 6 km / s. Jika Anda pergi di jalur yang berlawanan, maka kecepatannya bisa mencapai 50 km / s (tetapi jalur seperti itu akan membutuhkan> 30 km / s delta-V). Pada teknologi realistis dalam orbit satu benda langit, masuk akal untuk mengharapkan kecepatan pendekatan maksimum dari mendekati nol hingga beberapa kilometer per detik.
5. Semakin ringan bodinya, semakin terlihat manuver delta-V. Di dekat asteroid ringan, Anda dapat dengan mudah berbalik dan mulai bergerak ke arah yang berlawanan, tetapi dalam orbit planet berat dengan volume yang sama, delta-V hanya cukup untuk sedikit mengubah parameter orbit.

Mesin

Tanpa kemampuan untuk mengubah orbit, tidak hanya pertempuran ruang tidak mungkin, tetapi juga eksplorasi ruang yang serius. Dan mengubah orbit tidak mungkin tanpa mesin. Dalam waktu dekat, dasar mesin ruang angkasa akan terdiri dari berbagai struktur dengan pelepasan massa reaktif - layar matahari dan elektromagnetik, serta mesin yang mengusir medan magnet planet, terlalu non-universal. Karakteristik utama untuk mesin ruang angkasa adalah:

• Impuls spesifik. Menunjukkan seberapa efisien mesin mengkonsumsi bahan bakar. Semakin tinggi impuls spesifik mesin, semakin sedikit bahan bakar yang dibutuhkan untuk mempercepat kapal ke kecepatan yang dibutuhkan. Diukur dalam meter per detik atau detik.
• Dorongan. Beberapa model mesin impuls spesifik tinggi dicirikan oleh daya dorong yang sangat rendah, sehingga tidak dapat digunakan dalam situasi apa pun.

Mesin kimia

Dengan mesin roket kimia, eksplorasi ruang angkasa dimulai. Mereka dicirikan oleh impuls spesifik yang rendah dan sekarang dekat dengan batas fisik dari keefektifannya, tetapi, karena kesederhanaan komparatif dan daya dorong yang tinggi relatif terhadap jenis lain, mereka adalah mesin utama astronotika modern. Eksplorasi ruang angkasa membutuhkan dorongan spesifik yang lebih tinggi, tetapi mesin ini tidak akan hilang sama sekali.

Sejauh ini, CoaDE secara eksklusif menghadirkan mesin roket propelan cair dengan satu atau dua komponen, jadi kami hanya akan mempertimbangkannya secara lebih rinci. Prinsip operasi relatif sederhana. Di ruang bakar, bahan bakar terurai (jika ada satu komponen) atau dibakar oleh zat pengoksidasi (jika ada dua komponen) dengan melepaskan sejumlah besar energi panas. Setelah berubah menjadi gas suhu tinggi, ia memasuki nosel Laval, yang mengubah energi termal gas menjadi energi kinetik dari aliran keluarnya yang cepat.


Ruang pembakaran dan nozzle Laval dari mesin RD-107/108. Dengan cepat, roket Rusia "Soyuz"

Dalam kehidupan nyata, komponen "oksigen-kerosin cair" sangat populer karena kesederhanaan dan kerapatan minyak tanah yang tinggi, "oksigen cair - hidrogen cair" karena impuls spesifik yang tinggi (sekitar 4,4 km / dtk) dan "dimetilhidrazin asimetris - nitrogen tetrooksida" karena fakta bahwa itu dapat disimpan untuk waktu yang sangat lama pada suhu kamar. Impuls spesifik maksimum yang dicapai dari mesin kimia 5,32 km / s diperoleh dengan menggunakan tiga komponen bahan bakar lithium-fluorine-hidrogen, yang sangat merepotkan dalam aplikasi praktis (lithium harus sangat panas dan hidrogen harus dingin, komponen akan menimbulkan korosi pada saluran pipa dan knalpot beracun) )

Dalam CoaDE, pasangan bahan bakar yang paling efisien adalah fluor-hidrogen (UI 4,6 km / s). Pada kenyataannya, tidak ada yang akan menggunakannya, karena knalpot mesin seperti itu akan menjadi asam fluorida, yang sangat berbahaya bagi lingkungan, tetapi menurut alur permainannya, Bumi telah berakhir, dan sisa-sisa manusia yang tersisa tidak peduli dengan ekologi. Selain itu, CoaDE belum memperhitungkan perlunya perlindungan termal dari tangki cryogenic - oksigen cair dapat disimpan tanpa isolasi termal, tetapi hidrogen cair akan menguap terlalu aktif.


Desain Mesin Rocket Kimia

Permainan memperhitungkan rasio stoikiometrik (rasio fraksi bahan bakar dan oksidator memungkinkan Anda untuk benar-benar membakar bahan bakar atau memiliki kelebihan salah satu komponen dalam knalpot), kebutuhan untuk memasok komponen dengan pompa turbo, mendinginkan ruang pembakaran dan nosel dengan salah satu komponen (digunakan pada kenyataannya, jika tidak, mesin akan meleleh dengan mudah. ) dan putar mesin ke manuver. Fleksibilitas perancang permainan memungkinkan Anda untuk membuat berbagai macam mesin yang cocok untuk berbagai tugas, dari mesin berbaris besar dan efisien hingga mesin orientasi padat. Mesin kimia CoaDE terutama digunakan untuk roket dan drone.

Roket nuklir

Gas panas untuk nosel Laval dapat diperoleh tidak hanya dengan reaksi kimia pembakaran. Reaktor nuklir akan baik-baik saja dengan tugas ini. Oleh karena itu, pada pertengahan abad ke-20, proyek percobaan mesin roket nuklir RD-0410 dan NERVA dimulai di Uni Soviet dan Amerika Serikat.


Cutaway NERVA

Prinsip pengoperasian mesin roket nuklir sederhana. Reaksi nuklir yang terkontrol menghasilkan banyak panas. Fluida yang bekerja mengalir melalui reaktor, yang dipanaskan (sambil mendinginkan reaktor) dan dikeluarkan melalui nozzle. Ini mengikuti dari formula impuls spesifik bahwa semakin kecil berat molekul fluida kerja, semakin cepat akan dikeluarkan, dan semakin efisien mesin akan. Oleh karena itu, dalam proyek nyata, seharusnya menggunakan hidrogen sebagai fluida kerja. CoaDE memiliki situasi yang aneh - jenis bahan bakar yang paling efisien adalah hidrogen deuterida - molekul satu atom hidrogen dan satu atom deuterium (isotop hidrogen dengan satu neutron). Di bawah kondisi suhu tinggi reaktor, hidrogen deuterida akan berdisosiasi (molekul diatomik akan terurai menjadi atom-atom yang terpisah), dan berat molekul akan lebih kecil daripada reaktor H2 yang praktis tidak terdisosiasi pada suhu.

Dalam sejarah nyata, kedua proyek belum berkembang lebih jauh dari pengujian, dan berita terbaru tentang pengembangan mesin nuklir untuk rudal jelajah Burevestnik Rusia adalah kejutan besar. Dalam permainan, mereka adalah salah satu yang paling cocok - faktanya adalah bahwa dorongan spesifik dari rudal nuklir adalah sekitar dua kali lebih tinggi daripada yang dari bahan kimia, dan tanpa masalah Anda dapat membuat mesin dengan daya dorong tinggi. Dan masalah knalpot radioaktif tidak penting ketika kapal terbang di luar atmosfer.


Mesin pawai nuklir kapal berat dengan daya dorong 120 ton dan dorongan spesifik 9,4 km / s

Mesin roket pemanas listrik

Cara lain untuk mendapatkan gas panas adalah dengan menggunakan pemanas listrik. Keuntungan dari mesin ini adalah cairan kerja apa pun dapat digunakan, hingga produk limbah. Fluida yang bekerja dapat dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi, yang memungkinkan Anda untuk mendapatkan impuls spesifik tinggi, sekitar dua kali lebih tinggi dari rudal kimia. Kerugian dari skema ini adalah bahwa pemanasan membutuhkan banyak listrik (yang berarti bahwa dalam sistem reaktor-pemanas akan ada kerugian dalam konversi energi), dan bahwa mesin memiliki dorongan kecil.


Tangki butana dan mesin pemanas listrik

Pada kenyataannya, mesin jenis ini telah cukup aktif digunakan dalam astronotika selama bertahun-tahun. Dorongan kecil bukan masalah jika satelit tidak bermanuver aktif. Tetapi di CoaDE mereka menempati ceruk tambahan, yang digunakan pada beberapa kapal sebagai mesin orientasi.

Mesin Plasma Magnet

Terlepas dari kenyataan bahwa Laval nozzle adalah mesin panas yang sangat efisien dan memiliki efisiensi hingga 70%, ada cara untuk membuang fluida yang bekerja pada kecepatan yang jauh lebih tinggi. Untuk ini, efek listrik digunakan - gaya Coulomb, efek Hall, emisi lapangan dan lainnya. Hanya satu jenis yang disajikan dalam CoaDE - mesin magnetoplasma (MTD).



Foto di atas menunjukkan MTD yang berfungsi. Pin di tengah adalah katoda (elektroda negatif), di sekitarnya adalah anoda silinder (elektroda positif). Gas terionisasi mengalir di antara mereka, yang dipercepat oleh gaya Lorentz ke kecepatan yang sangat tinggi. Impuls spesifik MTD dapat mencapai puluhan kilometer per detik, tetapi Anda harus membayar untuk ini karena mereka mengkonsumsi pesanan energi lebih besar dengan traksi yang sebanding dengan mesin pemanas listrik.


Impuls spesifik adalah 42 km / s, tetapi mengkonsumsi 10 megawatt dan memiliki daya dorong hanya 28 kg

Dalam astronotika nyata, berbagai jenis mesin penggerak listrik sudah banyak digunakan. Mereka tidak dapat ditempatkan pada kendaraan peluncuran, tetapi satelit memiliki daya dorong yang cukup dari beberapa gram, asalkan mesin akan menyala selama berjam-jam dan berhari-hari untuk operasi yang berkelanjutan.

Roket impuls nuklir

Sebuah ide menarik muncul di pertengahan abad ke-20. Sejumlah besar panas yang dihasilkan oleh bom atom secara teoritis dapat digunakan untuk pergerakan. Untuk melakukan ini, pada bom itu sendiri, perlu untuk menempatkan stok fluida kerja yang berubah menjadi plasma selama ledakan, dan di kapal memasang pelat reflektor yang merasakan dan menyerap kejutan plasma.



Dalam dinamika, akan terlihat seperti ini:



Prinsip pergerakan berhasil diuji pada model dengan bahan peledak kimia. Dalam sejarah nyata, proyek ini adalah korban perjanjian larangan uji coba nuklir 1963 dan upaya untuk membuat proyek kapal perang pada penggerak ini, para politisi tidak menyukai biaya astronomi. Namun sangat disayangkan - dorongan spesifik teoretisnya berada pada tingkat puluhan kilometer per detik, dan daya dorongnya juga harus layak.



Beginilah salah satu proyek pesawat ruang angkasa militer pertama dalam sejarah umat manusia. Ratusan hulu ledak nuklir, howitzer yang menembakkan muatan marching plasma, senjata AL 127-mm dan 30-mm seharusnya ada di gudang senjatanya. Di CoaDE, mesin ini, sayangnya, belum diperkenalkan.

Energetika

Berbagai sistem kapal membutuhkan energi listrik untuk berfungsi, dan di ruang angkasa ada beberapa cara untuk mendapatkannya.

Panel surya sangat banyak digunakan sekarang, tetapi akan masuk akal dalam situasi konflik ruang imajiner masa depan hanya sebagai pilihan darurat. Pertama, mereka besar, rapuh dan menghasilkan sedikit listrik. Misalnya, panel surya ISS memiliki luas total 3.200 m2, tetapi menghasilkan tidak lebih dari 120 kW. Kedua, jumlah energi yang berasal dari Matahari mematuhi hukum kuadrat terbalik, dan, misalnya, dalam orbit Jupiter, yang lima kali lebih jauh dari Matahari daripada Bumi, panel surya yang sama dapat menghasilkan listrik 25 kali lebih sedikit. Tidak heran CoaDE tidak memilikinya.

Sel bahan bakar mengubah hidrogen dan oksigen menjadi air dan listrik. Ini sangat nyaman untuk penerbangan yang berlangsung 2-3 minggu, jadi mereka memakai Apollo dan Space Shuttles. Tetapi mereka tidak cocok untuk skenario penerbangan berbulan-bulan.

Generator termoelektrik radioisotop secara aktif digunakan dalam astronotika modern di mana tidak ada cukup panel surya dan pekerjaan jangka panjang diperlukan. Prinsip operasi mereka sangat sederhana - isotop dengan waktu paruh pendek, misalnya, plutonium-238, meluruh secara alami, sambil melepaskan panas yang disuplai ke termokopel - dua logam yang menghasilkan listrik pada perbedaan suhu.



RTG bagus karena dapat bekerja selama beberapa dekade (dan mereka telah bekerja pada Voyager selama 40 tahun) dan tidak memerlukan kontrol apa pun, tetapi mereka memiliki efisiensi yang sangat rendah, membutuhkan bahan bakar mahal dan hanya masuk akal untuk daya rendah. RTG nyata biasanya tidak lebih kuat dari ratusan watt, di CoaDE, generator tidak lebih kuat dari puluhan kilowatt masuk akal, jika tidak mereka menjadi terlalu berat.


CoaDE secara terpisah merancang RTG, secara terpisah radiator untuk pembuangan panas

Dan hanya reaktor nuklir yang dapat memberikan tingkat daya dan kepadatan energi yang cocok untuk operasi militer di luar angkasa. Dalam bentuk yang sangat sederhana, mereka bekerja seperti ini: ketika beberapa atom berat membusuk, neutron dilepaskan. Neutron ini dapat dikirim ke atom lain dan menyebabkan peluruhannya dengan melepaskan panas dan neutron baru. Dengan menggerakkan peredam neutron dan reflektor dalam reaktor, orang dapat memperoleh reaksi nuklir terkontrol dengan melepaskan sejumlah besar panas. Kemudian panas ini dapat dikirim ke semacam mesin panas untuk mengubahnya menjadi listrik. Ada banyak metode konversi - turbin, mesin Stirling, thermoelectric, thermionic, thermophotoelectric converter dan lainnya.


Reaktor Kilopower Yang Baru Diuji

Di ruang nyata penerbangan reaktor nuklir digunakan di Uni Soviet, yang diluncurkan lebih dari tiga lusin satelit radar intelijen dengan BES-5 reaktor nuklir "Buk"


Model BES-5 "Beech", meninggalkan reaktor, sistem radiator panas yang tepat

Beratnya 900 kg, "Beech" memiliki tenaga termal 100 kW dan listrik 3 kW. Kemudian, dalam dua penerbangan, reaktor Topaz-1 diuji dengan tenaga termal 150 kW dan daya listrik 6 kW.

Di CoaDE, reaktor nuklir adalah sumber energi utama. Sebagai mesin panas, hanya generator termoelektrik (termokopel) yang tersedia. Hanya ada dua sirkuit di reaktor, yang pertama pembawa panas mentransfer panas dari reaktor ke termokopel, di kedua itu memindahkan panas dari termokopel ke radiator.



Efek menarik terjadi ketika suhu pada keluaran termokopel dimanipulasi. Semakin besar perbedaan suhu, mis. semakin rendah suhu keluaran, semakin tinggi efisiensi termokopel. Tetapi semakin rendah suhu outlet, semakin besar area dan massa radiator akan diperlukan, karena efisiensi radiasi panas sebanding dengan tingkat pertama area, tetapi tingkat keempat suhu. Akibatnya, suhu keluaran di bawah 1000 derajat Kelvin tidak masuk akal - radiator menjadi terlalu berat. Dan di atas 2500 K mereka tidak dapat dibuat karena bahan yang paling tahan panas pun mulai kehilangan kekuatan.

Termoregulasi

Dalam foto adalah Stasiun Luar Angkasa Internasional. Panah merah menunjukkan radiator sistem transfer panas. Total area mereka sekitar 470 m2 dan mereka hanya dapat menghilangkan 70 kW panas, karena mereka bekerja pada suhu rendah.



Dan ini adalah salah satu kapal terberat dari standar yang ditetapkan dalam CoaDE, di sebelah kiri adalah radiator kompartemen hidup yang beroperasi pada suhu rendah dan tidak berpendar, di sebelah kanan, radiator silikon karbida bersinar terang, memancarkan panas dari reaktor dan laser dan memiliki suhu di atas 1000 K.

Tapi mungkin panel bercahaya besar seperti itu tidak akan digunakan di masa depan. Dalam kosmonautika nyata, pekerjaan sedang dilakukan untuk membuat radiator tetesan, di mana alih-alih permukaan yang memancar, aliran tetesan cairan yang menguap secara minimal dalam kondisi vakum terbang antara generator dan penerima. Radiator seperti itu lebih baik karena aliran tetesan memiliki permukaan radiasi yang jauh lebih besar, dan radiator akan berbobot beberapa kali lebih sedikit. Model telah diuji pada "Dunia" dan ISS, dan mereka mungkin muncul di ruang angkasa dalam beberapa dekade mendatang.


Foto-foto percobaan dengan kulkas tetes di gravitasi nol

Senjata dan pelindung - di bagian selanjutnya