Batalhas espaciais reais em crianças de uma terra morta, parte 1

O mainstream dos jogos de guerra espacial inclui lasers pi-piu multicoloridos, tiro à queima-roupa, velocidade zero em relação ao espaço absoluto e outras coisas completamente irrealistas . Portanto, o simulador Filhos de uma Terra Morta, que simula batalhas nas tecnologias agora disponíveis, oferece uma experiência completamente única. Além do fato de ser interessante, ele levanta sérias questões sobre como as guerras reais no sistema solar podem ocorrer e tem grande significado educacional.


A batalha na órbita de Marte. Linhas coloridas não são lasers, mas traçadores de canhões

Campo de batalha

A mecânica orbital para uma pessoa despreparada parece muito incompreensível. É melhor percebido durante o jogo, mas é aconselhável fornecer alguns conceitos básicos com antecedência. Antes de tudo, a ação ocorrerá no sistema solar e qualquer objeto estará na órbita de qualquer um de seus corpos celestes. O que é uma órbita? Falando de maneira muito simples e breve, sob a influência da atração de um corpo pesado, outro corpo (satélite, navio, foguete etc.) se moverá ao longo de uma trajetória que é uma seção cônica (círculo, elipse, parábola, hipérbole) com foco no centro massas do sistema, que no nosso caso estarão dentro de um corpo pesado. Vários parâmetros determinam a aparência desse caminho:

• Pericentro - a menor órbita
• Apocenter - a altura mais alta. Não faz sentido para parábola e hipérbole
• Excentricidade - um parâmetro que determina o tipo de órbita. 0 - círculo, de 0 a 1 - elipse, 1 - parábola,> 1 - hipérbole
• Inclinação orbital - define o ângulo entre o plano orbital e o plano base, que é o equador de um corpo celeste ou o plano eclíptico

Outro parâmetro é crítico para todas as naves espaciais. A reserva de velocidade característica ou delta-V é a quantidade pela qual a unidade pode alterar a velocidade em seus motores. Por exemplo, temos um motor de foguete químico e combustível a 2 km / s. Podemos gastá-los como queremos - acelerando, freando, mudando a inclinação da órbita. Quando o delta-V é 0, o combustível fica vazio e não podemos mais mudar nossa trajetória. O parâmetro é conveniente, pois não se importa com o tipo de motor e combustível, e você pode comparar qualquer dispositivo.


Valores delta-V aproximados em m / s para voos entre planetas

Curiosamente, no CoaDE, o suprimento de navios delta-V é geralmente menor do que o necessário para um vôo completo entre corpos celestes. Supõe-se que os navios voem com tanques adicionais, que são descartados antes do início da batalha e não são visíveis no jogo.


Cálculo da manobra para interceptar o agrupamento inimigo em Vênus

A interface de controle da nave é um pouco como o Kerbal Space Program, mas aqui as naves recebem comandos e se manobram.



Para calcular com precisão a manobra, existe uma ferramenta muito conveniente que alterna o corpo da base para exibir a trajetória. Na captura de tela acima, visamos o ponto de encontro, alterando o corpo base de Vênus para a frota inimiga. Esse recurso é indispensável em missões complexas.

Além disso, existem mais alguns termos úteis para saber:

• Os pontos de Lagrange são cinco pontos em um sistema de dois corpos, por exemplo, Terra-Lua, perto do qual as órbitas duradouras de um terceiro corpo - uma nave ou satélite - são possíveis (e o jogo tem uma missão bastante difícil de levar combustível a uma nave presa neste momento).
• A esfera de Hill é uma área na qual predomina a influência gravitacional de um determinado corpo. Por exemplo, saindo da esfera Earth Hill, o navio estará na esfera Sun Hill. No jogo das últimas e mais difíceis missões, as batalhas acontecem em Júpiter e Saturno, e devemos levar em conta e usar a atração de seus satélites ao planejar manobras.

Das leis da mecânica orbital, seguem algumas características não óbvias do campo de batalha cósmico:

1. Para entrar na batalha, é necessário realizar manobras complexas para se aproximar do inimigo à distância de suas armas. O inimigo complica ainda mais a tarefa com suas manobras.
2. O adversário que termina com delta-V perde a iniciativa e o adversário com a margem restante de velocidade da característica determinará as características da abordagem. Em geral, um alvo fixo é completamente impotente, porque pode ser disparado a uma grande distância com absoluta impunidade.
3. Em órbita ao redor de um corpo celeste, pode-se realizar uma grande variedade de opções de encontro, tanto com velocidade mútua mínima em trajetos convergentes, quanto enormes em trajetos que se cruzam ou se aproximam.
4. O alcance das possíveis velocidades de aproximação mútua começa perto de zero e pode chegar a dezenas de quilômetros por segundo. Por exemplo, com o vôo Terra-Marte econômico em termos de consumo de combustível, a velocidade final perto de Marte será de cerca de 6 km / s. Se você seguir pelo caminho oposto, a velocidade poderá atingir 50 km / s (mas esse caminho exigirá> 30 km / s delta-V). Em tecnologias realistas na órbita de um corpo celeste, é razoável esperar uma velocidade máxima de aproximação de quase zero a vários quilômetros por segundo.
5. Quanto mais leve o corpo central, menores as manobras delta-V. Perto de um asteróide leve, você pode facilmente se virar e começar a se mover na direção oposta, mas em uma órbita de um planeta pesado do mesmo volume, o delta-V é apenas o suficiente para alterar ligeiramente os parâmetros da órbita.

Motores

Sem a capacidade de mudar a órbita, não apenas uma batalha espacial é impossível, mas também qualquer exploração séria do espaço. E mudar a órbita é impossível sem um motor. Num futuro próximo, a base dos motores espaciais será de várias estruturas com a liberação de massas reativas - velas solares e eletromagnéticas, bem como motores que repelem o campo magnético do planeta, são muito não universais. As principais características dos motores espaciais são:

• Impulso específico. Mostra com que eficiência o motor consome combustível. Quanto maior o impulso específico do motor, menos combustível será necessário para acelerar o navio até a velocidade necessária. Medido em metros por segundo ou segundos.
• Impulso. Alguns modelos de motores de impulso específicos são caracterizados por um impulso muito baixo, pelo que não podem ser utilizados em nenhuma situação.

Motor químico

Com motores de foguetes químicos, a exploração espacial começou. Eles são caracterizados por um baixo impulso específico e agora estão próximos dos limites físicos de sua eficácia, mas, devido à sua simplicidade comparativa e alto impulso em relação a outros tipos, são os principais motores da astronáutica moderna. A exploração espacial requer um impulso específico mais alto, mas esses mecanismos não desaparecerão.

Até o momento, o CoaDE apresenta exclusivamente motores de foguete de propulsão líquida com um ou dois componentes, portanto, apenas os consideraremos com mais detalhes. O princípio de operação é relativamente simples. Na câmara de combustão, o combustível se decompõe (se houver um componente) ou é queimado por um agente oxidante (se houver dois componentes) com a liberação de uma grande quantidade de energia térmica. Tendo se transformado em um gás de alta temperatura, entra no bico Laval, que converte a energia térmica do gás em energia cinética de sua saída rápida.


Câmara de combustão e bico Laval do motor RD-107/108. Em tal mosca foguetes russos "Soyuz"

Na vida real, os componentes "oxigênio-querosene líquido" são populares devido à simplicidade e alta densidade de querosene, "oxigênio líquido - hidrogênio líquido" devido ao alto impulso específico (cerca de 4,4 km / s) e "dimetil-hidrazina assimétrica - tetróxido de nitrogênio" devido ao fato de poder ser armazenado por muito tempo em temperatura ambiente. O impulso específico máximo alcançado de um motor químico de 5,32 km / s foi obtido com o combustível de três componentes de lítio-flúor-hidrogênio, extremamente inconveniente no uso prático (o lítio deve estar muito quente e o hidrogênio deve estar frio, os componentes corroem os oleodutos e o escape é tóxico )

No CoaDE, o par de combustível mais eficiente será flúor-hidrogênio (UI 4,6 km / s). Na realidade, ninguém o usará, porque o escape de um motor desse tipo será ácido fluorídrico, que é muito prejudicial ao meio ambiente, mas, de acordo com o enredo do jogo, a Terra já chegou ao fim e os remanescentes sobreviventes da humanidade não se importam com a ecologia. Além disso, o CoaDE ainda não levou em consideração a necessidade de proteção térmica de tanques criogênicos - o oxigênio líquido pode ser armazenado sem isolamento térmico, mas o hidrogênio líquido evapora muito ativamente.


Projeto químico do motor de foguete

O jogo leva em consideração a razão estequiométrica (a proporção das frações de combustível e oxidante permite queimar completamente o combustível ou ter um excesso de um dos componentes no escapamento), a necessidade de fornecer componentes com bombas turbo, resfriar a câmara de combustão e o bico com um dos componentes (usado na realidade, caso contrário, o motor simplesmente derreterá ) e gire o motor para manobrar. A flexibilidade do designer do jogo permite que você crie uma ampla variedade de mecanismos adequados para uma ampla gama de tarefas, desde grandes e eficientes marchas até compactos motores de orientação. Os motores químicos do CoaDE são usados ​​principalmente para foguetes e drones.

Foguete nuclear

O gás aquecido para um bico Laval pode ser obtido não apenas por uma reação química de combustão. Um reator nuclear se sairá bem com essa tarefa. Portanto, em meados do século XX, projetos experimentais dos motores de foguete nuclear RD-0410 e NERVA começaram na URSS e nos EUA.


NERVA cutaway

O princípio de operação de um motor de foguete nuclear é simples. Uma reação nuclear controlada produz muito calor. Um fluido de trabalho flui através do reator, o qual é aquecido (enquanto esfria o reator) e é ejetado através do bico. Da fórmula específica do impulso resulta que quanto menor o peso molecular do fluido de trabalho, mais rápido ele será ejetado e mais eficiente será o motor. Portanto, em projetos reais, deveria-se usar hidrogênio como fluido de trabalho. O CoaDE tem uma situação curiosa - o tipo mais eficiente de combustível é o deuterídeo de hidrogênio - uma molécula de um átomo de hidrogênio e um átomo de deutério (um isótopo de hidrogênio com um nêutron). Sob as condições de uma alta temperatura do reator, o deuterido de hidrogênio se dissocia (uma molécula diatômica se decompõe em átomos separados) e o peso molecular será menor que o do H2, que praticamente não se dissocia à temperatura do reator.

Na história real, os dois projetos não progrediram além dos testes, e as recentes notícias sobre o desenvolvimento de um motor nuclear para o míssil russo Burevestnik foram uma grande surpresa. No jogo, eles são um dos mais adequados - o fato é que o impulso específico de um míssil nuclear é cerca de duas vezes maior que o de um míssil químico e, sem problemas, você pode criar um motor com alto impulso. E o problema do escape radioativo não é importante quando o navio voa para fora da atmosfera.


Motor de marcha nuclear para navio pesado com um impulso de 120 toneladas e um impulso específico de 9,4 km / s

Motor de foguete de aquecimento elétrico

Outra maneira de obter gás quente é usar um aquecedor elétrico. A vantagem desse mecanismo é que qualquer fluido de trabalho pode ser usado, até resíduos de produtos. O fluido de trabalho pode ser aquecido a uma temperatura muito alta, o que permite obter um impulso específico alto, cerca de duas vezes maior que os mísseis químicos. As desvantagens do esquema são que o aquecimento requer muita eletricidade (o que significa que no sistema reator-aquecedor haverá perdas na conversão de energia) e que o motor possui um pequeno impulso.


Tanques de butano e motor elétrico de aquecimento

Na realidade, motores desse tipo têm sido usados ​​ativamente na astronáutica há muitos anos. Impulso pequeno não é um problema se o satélite não manobra ativamente. Mas no CoaDE eles ocupam um nicho auxiliar, sendo usados ​​em alguns navios como motores de orientação.

Motor de plasma magnético

Apesar de o bico Laval ser um motor térmico muito eficiente e ter uma eficiência de até 70%, existem maneiras de jogar fora o fluido de trabalho em velocidades muito mais altas. Para isso, são utilizados efeitos elétricos - força de Coulomb, efeito Hall, emissão de campo e outros. Apenas um tipo é apresentado nos motores CoaDE - magnetoplasma (MTD).



A foto acima mostra um MTD em funcionamento. O pino no centro é o cátodo (eletrodo negativo), ao redor dele é um ânodo cilíndrico (eletrodo positivo). Um gás ionizado flui entre eles, o que é acelerado pela força de Lorentz a velocidades muito altas. O impulso específico do MTD pode chegar a dezenas de quilômetros por segundo, mas é preciso pagar por isso, pois consomem ordens de magnitude mais energia com tração comparável aos motores de aquecimento elétrico.


O impulso específico é de 42 km / s, mas consome 10 megawatts e tem um impulso de apenas 28 kg

Na astronáutica real, vários tipos de motores de propulsão elétrica já são amplamente utilizados. Eles não podem ser colocados em um veículo de lançamento, mas os satélites têm empuxo suficiente de vários gramas, desde que o motor ligue por horas e dias de operação contínua.

Foguete de impulso nuclear

Uma ideia interessante apareceu em meados do século XX. Uma enorme quantidade de calor gerado pela bomba atômica pode teoricamente ser usada para o movimento. Para fazer isso, na própria bomba, é necessário colocar um estoque do fluido de trabalho que se transforma em plasma durante uma explosão e, no navio, instalar uma placa refletora que perceba e absorva o choque do plasma.



Na dinâmica, seria algo parecido com isto:



O princípio do movimento foi testado com sucesso em um modelo com explosivos químicos. Na história real, o projeto foi vítima de um tratado de proibição de testes nucleares de 1963 e a tentativa de criar um projeto de navio de guerra nesse mecanismo, os políticos não gostaram do custo astronômico. Mas é uma pena - o impulso teórico específico estava no nível de dezenas de quilômetros por segundo, e o impulso também deveria ser decente.



Foi assim que um dos primeiros projetos de espaçonaves militares na história da humanidade se pareceu. Centenas de ogivas nucleares, obuses disparando cargas de marchas de plasma, armas navais de 127 e 30 mm deveriam estar em seu arsenal. No CoaDE, esse mecanismo, infelizmente, ainda não foi introduzido.

Energetics

Os vários sistemas de naves requerem energia elétrica para funcionar, e no espaço existem várias maneiras de obtê-la.

Os painéis solares são muito amplamente usados ​​agora, mas farão sentido em uma situação de futuro conflito espacial imaginário apenas como uma opção de emergência. Em primeiro lugar, são grandes, frágeis e produzem pouca eletricidade. Por exemplo, os painéis solares da ISS têm uma área total de 3200 m2, mas produzem não mais que 120 kW. Em segundo lugar, a quantidade de energia proveniente do Sol obedece à lei dos quadrados inversos e, por exemplo, na órbita de Júpiter, que fica cinco vezes mais distante do Sol do que a Terra, o mesmo painel solar pode produzir 25 vezes menos eletricidade. Não é de admirar que o CoaDE não tenha nenhum.

As células de combustível convertem hidrogênio e oxigênio em água e eletricidade. Isso é muito conveniente para voos com duração de 2 a 3 semanas, por isso foram colocados nos ônibus espaciais Apollo e Espacial. Mas eles não são adequados para o cenário de voos de meses.

Os geradores termoelétricos radioisótopos são usados ​​ativamente na astronáutica moderna, onde não há painéis solares suficientes e é necessário trabalho a longo prazo. O princípio de sua operação é muito simples - um isótopo com meia-vida curta, por exemplo, plutônio-238, decai naturalmente, enquanto libera calor que é fornecido ao termopar - dois metais que produzem eletricidade à diferença de temperatura.



Os RTGs são bons, pois podem trabalhar por décadas (e trabalham na Voyagers há 40 anos) e não exigem nenhum controle, mas têm uma eficiência muito baixa, exigem combustível caro e fazem sentido apenas para baixa potência. Os RTGs reais geralmente não são mais poderosos do que centenas de watts; no CoaDE, os geradores não mais poderosos do que dezenas de quilowatts fazem sentido; caso contrário, eles se tornam muito pesados.


O CoaDE projeta RTGs separadamente, radiadores separados para dissipação de calor

E apenas os reatores nucleares podem fornecer níveis de energia e densidades de energia adequados para operações militares no espaço. De uma forma extremamente simplificada, eles funcionam assim: quando alguns átomos pesados ​​decaem, os nêutrons são liberados. Esses nêutrons podem ser enviados para outros átomos e causar sua deterioração com a liberação de calor e novos nêutrons. Ao mover absorvedores e refletores de nêutrons no reator, é possível obter uma reação nuclear controlada com a liberação de uma enorme quantidade de calor. Então esse calor pode ser enviado para algum tipo de motor térmico para convertê-lo em eletricidade. Existem muitos métodos de conversão - turbinas, motores Stirling, conversores termoelétricos, termiônicos, termofotoelétricos e outros.


Reator Kilopower recentemente testado

Na astronáutica real, os reatores atômicos foram usados ​​na URSS, que lançou mais de três dúzias de satélites de reconhecimento de radar com o reator nuclear


BES-5 Buk.O reator nuclear BES-5 Buk, o reator à esquerda e os radiadores de troca de calor à direita.Com

900 kg, o Buk tinha potência térmica de 100 kW e elétrica 3 kW. Mais tarde, em dois vôos, o reator Topaz-1 foi testado com uma potência térmica de 150 kW e uma potência elétrica de 6 kW.

No CoaDE, um reator nuclear é a principal fonte de energia. Como um motor térmico, apenas um gerador termoelétrico (termopar) está disponível. Existem apenas dois circuitos no reator; no primeiro, o transportador de calor transfere calor do reator para o termopar; no segundo, remove o calor do termopar para o radiador.



Um efeito interessante ocorre quando a temperatura na saída do termopar é manipulada. Quanto maior a diferença de temperatura, ou seja, quanto menor a temperatura de saída, maior a eficiência do termopar. Porém, quanto menor a temperatura de saída, maior será a área e a massa de radiadores, porque a eficiência da radiação de calor é proporcional ao primeiro grau da área, mas ao quarto grau de temperatura. Como resultado, a temperatura de saída abaixo de 1000 graus Kelvin não faz sentido - os radiadores se tornam muito pesados. E acima de 2500 K, eles não podem ser fabricados porque mesmo os materiais mais resistentes ao calor começam a perder força.

Termorregulação

Na foto está a Estação Espacial Internacional. As setas vermelhas indicam os radiadores do sistema de transferência de calor. Sua área total é de aproximadamente 470 m2 e eles podem remover apenas 70 kW de calor, porque trabalham a baixa temperatura. Mas talvez esses painéis luminosos grandes não sejam usados ​​no futuro. Na cosmonáutica real, o trabalho está em andamento para criar radiadores de gotículas, onde, em vez de uma superfície radiante, um fluxo de gotículas de líquido que evapora minimamente sob o vácuo viaja entre o gerador e o receptor. Esses radiadores são melhores porque o fluxo de gotículas tem uma superfície radiante muito maior e o radiador pesa várias vezes menos. Os modelos já foram testados no “Mundo” e na ISS e podem aparecer no espaço nas próximas décadas.



E este é um dos navios mais pesados ​​do padrão definido no CoaDE, à esquerda são radiadores de compartimentos vivos que operam a baixas temperaturas e não são luminosos; à direita, os radiadores de carboneto de silício brilham intensamente, que removem o calor dos reatores e lasers e têm temperaturas acima de 1000 K.




Fotos de experimentos com geladeiras por gotejamento em gravidade zero

Armas e armaduras - na próxima parte