Скепсофант, Скепсореал
Шрифт:
ФАНТАСТИЧЕСКИЙ МЕЖЗВЕЗДНЫЙ ТРАНСПОРТ
Чаще всего авторы не вдаются в тонкости перемещений от звезды до звезды, необходимых для предполагаемого будущего расселения человечества и освоения экзопланет. По представлениям большинства, достаточно задать координаты места назначения или даже просто назвать умному компьютеру нужную планету, потом потерпеть на невкусном космическом рационе несколько дней, в крайнем случае - недель, и герои прибывают куда надо. Лишь особо "зверствующие" фантасты обрекают своих персонажей на многолетние путешествия. Рассмотрим более детально, как можно выполнить такие путешествия, и какие сложности возникают при этом.
С ПЛАНЕТ В КОСМОС И ОБРАТНО
Наиболее эффективные современные двигатели, способные обеспечить передвижение вне атмосферы Земли, используют хорошо известный закон сохранения импульса, согласно которому сумма произведений масс механически взаимодействующих тел на их скорости остается постоянной. Как следствие, если от некоторого тела отбросить его часть, оставшаяся масса двинется в противоположную сторону (Айзек Азимов "Путь марсиан"), испытывая реакцию со стороны отброшенной части (отдачу), поэтому такие двигатели называют реактивными. Отбрасываемой частью, обычно называемой рабочим телом или реактивной массой, чаще всего служат продукты горения химического топлива, истекающие через сопло полузамкнутой камеры сгорания. Ясно, что чем больше масса и скорость истечения таких продуктов, тем более высокую скорость приобретает остающееся тело. "Ракеты...
Чтобы всего лишь преодолеть земное притяжение, стартующие с поверхности и постепенно разгоняющиеся ракеты с реактивными двигателями должны нести с собой запас компонентов топлива, намного превышающий по массе полезную нагрузку. Это прямо следует из закона сохранения импульса и уравнений движения тела переменной массы. "Чтобы взлететь с планеты, особенно с Земли, нужны мощные стартовые двигатели" (Ким Стенли Робинсон "2312"). Для повышения конечной скорости дальних космических аппаратов их запускают с околопланетных орбит, куда доставляют с помощью ракет исходной массой в сотни и более тонн (Артур Кларк "Прелюдия к космосу"). По дороге при этом сбрасываются отработавшие стартовые ускорители (Роберт Силверберг "Вселенские каннибалы", Артур Кларк "Острова в небе") и первые ступени (Артур Кларк "Космическая Одиссея 2001"). Достигнутая таким образом максимальная скорость пока не превышает нескольких десятков км/с. При подобных значениях полет к Марсу и обратно займет несколько лет, что не внушает заметного оптимизма. Тем более этого явно недостаточно для достижения звезд, ближайшие из которых лежат в нескольких световых годах. Крайне желательное повышение скорости опять же наталкивается на жестко лимитированные запасы топлива, которое корабль может нести с собой. Топливо также расходуется при торможении аппарата, необходимом для его выхода на орбиту вблизи планеты назначения (Аластер Рейнольдс "Город Бездны") или мягкой посадки на поверхность (Артур Кларк "2061: Одиссея Три"), но уже для снижения относительной скорости.
Неудачной пародией на ракетный старт выглядит описание миграции с экватора быстро вращающейся планеты вымышленных разумных насекомых, использовавших огромную препарированную птицу как космический корабль. Для дополнительного разгона и выхода в космос насекомые применили своих сородичей, выбрасывающих из брюшка газы, подобно земным жукам-бомбардирам (Джеймс Уайт "Скорая помощь"). Выше сказано, что при старте с планеты ракетный двигатель выведет корабль в космос тогда и только тогда, когда выбрасываемая им масса рабочего тела (реактивная масса) во много раз превысит массу остающегося корабля. (Кстати, то же самое справедливо при длительном разгоне до субсветовых скоростей.) Напротив, каждый жук-бомбардир и, вероятно, его инопланетный аналог способен выбросить лишь малую часть своей массы, видимо, не более процента, лишь один раз за некоторый промежуток времени и с малой скоростью. При этом он даже сам себя с места едва сдвинет, не говоря о дополнительной нагрузке. Аналогичным будет результат для упряжки из многих таких жуков. Каждый жук должен почти непрерывно выбрасывать хотя бы до 90 процентов своей массы (Пол Андерсон "Нелимитированная орбита") и на гиперзвуковой скорости, только тогда появится какой-то смысл в их использовании. Малая тяга годится лишь для движения вдали от гравитационных полей, а для старта с планеты ее недостаточно, она не в состоянии выполнить необходимую работу против сил притяжения.
Вдесятеро более высокую скорость истечения по сравнению с химическими ракетами могут развить ионные двигатели (Роберт Силверберг "Вселенские каннибалы", "Человек в лабиринте", "Хозяин жизни и смерти", Чарлз Шеффилд "Сверхскорость", "Холоднее льда", "Небесные сферы", Боб Шоу "Судный день Орбитсвиля", "Ночная прогулка", Пол Андерсон "Мы выбираем звезды", Артур Кларк "Земной свет", "Последняя теорема"). Их тягу создают ионы, ускоренные в электрическом поле. Однако глубокая ионизация больших масс плотного рабочего тела - очень даже непростая задача, поэтому имеющиеся разработки таких двигателей не вышли из опытной стадии, развивают небольшую тягу и способны стабильно работать лишь вне атмосферы. Фантасты чаще рассматривают их как вспомогательные (Артур Кларк "3001: Последняя Одиссея", Чарлз Стросс "Небо сингулярности"). Тем не менее, мысль о возможности запуска таких ионных двигателей на космическом корабле, находящемся на дне океана из тяжелой воды (Чарлз Шеффилд "Небесные сферы"), выглядит не столько свежо, сколько авантюрно, потому что такое действие приведет лишь к грандиозному взрыву. Не зря военные подводные лодки сначала забрасывают свои ракеты в воздух, и лишь затем подается команда на запуск их двигателей.
Ради достижения более высоких температур и скоростей истечения рабочего тела фантастические описания маршевых реактивных двигателей чаще всего идут по пути повышения энергоемкости топлива. В первые годы атомной эры это топливо называли атомным (Айзек Азимов серия "Основание"), затем естественным образом перешли к термоядерному (Артур Кларк "2010: Одиссея Два", "2061: Одиссея Три", "Земная империя") как более эффективному. Очень высокую энергоемкость может дать антивещество, при взаимной аннигиляции с обычным веществом выделяющее, в соответствии с формулой Эйнштейна E=mc^2 (Артур Кларк, Стивен Бакстер "Перворожденный"), огромную энергию в виде достаточно "жесткого" гамма-излучения, нейтрино и заряженных частиц. Некоторые из предложенных и вымышленных схем таких реактивных двигателей перечислены в романе Кима Стенли Робинсона "2312". Другие фантасты считают возможным использование искусственной "черной дыры" в качестве тяговой энергоустановки космических кораблей (Дэвид Вебер "Дорогой ярости"), причем достаточно универсальной для движения корабля в различных режимах (Чарлз Стросс "Небо сингулярности"). Стремление понизить требования к запасам топлива на борту за счет повышенной энергоемкости похвально, но сталкивается с суровой необходимостью изолировать основную часть корабля от выделяемой энергии из-за далекого от идеала коэффициента полезного действия самого привода. Фантасты редко осознают, насколько ничтожно малым должен быть отток тепловой и электромагнитной энергии из межзвездного двигателя, чтобы уцелел сам корабль и летящие на нем живые существа, в том числе экипаж и пассажиры. Почему-то считается, что эта проблема легко решается, например, с помощью некоторых абстрактных силовых полей, и якобы не заслуживает внимания. Одним из немногих на нее обратил внимание Ларри Нивен при описании конструкции корабля в романе "Защитник". Размещение двигателей сбоку и сзади от основного корпуса (Боб Шоу серия "Орбитсвиль") вызвано скорее стремлением обеспечить безопасность при возможных неполадках.
Чтобы экипаж и пассажиры не пострадали от лучевой болезни, не меньшее значение имеет надежная изоляция от различных видов проникающего излучения, в изобилии рождающегося при высоких энергиях частиц (Джек Уильямсон "Судьба астероида"). Подобная изоляция в любом случае необходима для защиты от действия космического излучения, которую жителям Земли обеспечивают ее атмосфера и магнитное поле и которой, например, нет на поверхности Луны (Роджер Желязны, Томас Т. Томас "Вспышка"). В межпланетных путешествиях нежелательные дозы облучения также можно получить из-за вспышек местной звезды, в нашем случае Солнца, при которых резко и значительно, на несколько порядков величины, возрастает интенсивность испускаемого звездой излучения, в основном быстрых протонов (Артур Кларк "Солнечный ветер", Роджер Желязны, Томас Т. Томас "Вспышка"). На Земле от них защищают магнитное поле и атмосфера, а при выходе за их пределы приходится заботиться о том, чтобы необходимую защиту обеспечивала конструкция корабля (Роберт Хайнлайн "Марсианка Подкейн", Артур Кларк "Последняя теорема"), или отыскивать подобные атмосферы в других местах (Ларри Нивен "Интегральные деревья", "Дымовое кольцо"). Гораздо реже звездные путешественники могут встретиться со вспышками сверхновых звезд, способных нарушить жизнь цивилизации или даже погубить ее на большом удалении (Пол Андерсон "День причастия", "Мародер", Чарлз Стросс "Небо сингулярности").
Из воображаемого опыта работы термоядерных и аннигиляционных двигателей может показаться, что выгоднее всего использовать в качестве рабочего тела свет или другое электромагнитное излучение, движущееся с максимально возможной в природе скоростью 299492,5 км/c (в вакууме), применяя так называемые фотонные реактивные двигатели (Ларри Нивен, Джерри Пурнель "Мошка в зенице господней"). На самом деле это заведомо проигрышный вариант. Хотя свет и оказывает давление на препятствие на своем пути за счет передачи импульса, это давление исключительно мало из-за отсутствия массы покоя у частиц света - фотонов. Для солнечного света, например, оно составляет несколько паскалей на орбите Земли, что в десятки тысяч раз меньше нормального давления воздуха на ее поверхности. Это подтверждается отсутствием отдачи у лучевого оружия, испускающего мощное электромагнитное излучение (Джон Кэмпбелл "Трансплутон"). Если же взять имеющие значительный импульс "жесткие" фотоны рентгеновского или гамма-излучения, для них нет хороших зеркал, они не отражаются, а поглощаются, в том числе в живых тканях, генерируя опасное вторичное излучение (Джек Уильямсон "Судьба астероида").
Поэтому, например, фотонный парус как движитель годится лишь для сверхлегких конструкций типа гоночных яхт с тонкопленочными парусами (Артур Кларк "Солнечный ветер", Артур Кларк, Фредерик Пол "Последняя теорема", Артур Кларк, Стивен Бакстер "Перворожденный") и для перемещений внутри планетных систем. Известно предложение о его использовании для полетов небольших беспилотных корабликов, в том числе несущих записанные в компактном электронном виде "спящие" разумы (Чарлз Стросс "Небо сингулярности"). Описывается его применение для пилотируемых путешествий между ближайшими звездными системами, и то с разгоном батареями сверхмощных лазеров (Ларри Нивен, Джерри Пурнель "Мошка в зенице Господней", Ларри Нивен "Четвертая профессия", Чарлз Стросс "Акселерандо"), поскольку вдали от звезд и без того малая тяга такого паруса становится совсем ничтожной. Парус с лазерной тягой предполагается использовать при челночных перелетах между искусственными мирами в системе слабо светящегося бурого карлика (Карл Шредер "Гало"). Возможно, солнечный парус может заинтересовать живущие чрезвычайно долго разумные существа, если такие обнаружатся (Ларри Нивен "Четвертая профессия", "Мир-Кольцо", Фредерик Пол "Встреча с хичи", Дэвид Брин "Небесные просторы"). О том, чтобы стартовать на нем с планеты, не стоит даже мечтать. Можно попытаться использовать для увеличения тяги удары протонов как основной части солнечного ветра (Ларри Нивен "Четвертая профессия"), но для этого нужна более толстая пленка, чем могут себе позволить конструкторы солнечных парусов. Тем не менее, Дэн Симмонс предполагает, что обосновавшиеся в открытом космосе модифицированные люди будущего могут использовать подобные крылья-паруса для собственного передвижения между удаленными частями орбитальных поселений (серия "Песни Гипериона"). Известна идея сбора материи в периферийной атмосфере звезды, красного гиганта, кораблями с солнечными парусами и дополнительными гравидвигателями (Дэвид Брин "Небесные просторы"). Или несрочной доставки крупных партий углеводородов со спутников газовых гигантов к Земле с помощью исполинских автоматизированных космолетов на солнечной тяге и ракетных буксиров, обслуживающих их на этапах загрузки и старта, торможения и выгрузки (Роджер Желязны, Томас Т. Томас "Вспышка"). Наверняка авторы не подсчитывали, какую площадь парусов должны нести такие космолеты, чтобы поддерживать движение гигантского груза и совершать с ним маневры, а то бы точно прослезились. И если уж строить супермощные лазеры, то, может быть, они были бы полезнее на этапе старта при испарении рабочего тела и реактивном отталкивании образующейся струей самого корабля, заменяя первую ступень (Чарлз Стросс "Небо сингулярности"). Кстати, на ближних расстояниях такие лазеры представляют большую опасность в случае незапланированного попадания их излучения в незащищенные места, особенно, в глаза. Тем не менее, сейчас в США развивается проект отправки к Проксиме Центавра крохотного зонда с небольшим световым парусом, разгоняемого набором лазерных излучателей общей площадью порядка одного квадратного километра.
В первые десятилетия космической фантастики считалось, что один и тот же корабль пригоден и для полетов между небесными телами, и для взлетно-посадочных операций (Герберт Уэллс "Война миров", Алексей Толстой "Аэлита"). Но на основном этапе космического полета требования к двигателям сильно отличаются от требований при взлете и посадке на планету. В первом случае малая тяга должна действовать непрерывно в течение длительного времени, в отличие от краткосрочных маневров с большой и варьируемой тягой при старте и приземлении. Поэтому быстро стало понятно, что удобнее и надежнее иметь минимум два разных типа корабельных двигателей (Джек Уильямсон "Легион пространства", Роберт Силверберг "Пасынки Земли", Боб Шоу "Орбитсвиль", Чарлз Шеффилд "Схождение", "Небесные сферы", Пол Андерсон, серии произведений о Торгово-технической лиге и Доминике Флэндри). Это нужно также по соображениям безопасности для обитаемых планет (Клиффорд Симак "Космические инженеры"). Кроме того, при полетах в атмосфере требуется аэродинамическая форма корабля (Билл Болдуин "Рулевой"), в то время как в безвоздушном пространстве она не имеет никакого значения (Артур Кларк "Острова в небе", "Пески Марса"). Поэтому удивительно, как тот же Билл Болдуин в другом своем романе "Наемники" приписывает конструкторам космического корабля стремление увеличить скорость движения за счет меньшего сечения корпуса. Или когда Аластер Рейнольдс изображает обтекаемые стреловидные формы околосветовых кораблей, якобы способствующие проходам через межзвездные бури. Самое интересное идет дальше: эти корабли летают на двигателях Бассарда, собирающих необходимый им межзвездный водород не только в узком конусе вблизи направления полета, но и с более широких углов ("Пространство откровения"). И для чего бы им нужна обтекаемость?