Заметки о космической фантастике #4. Как летать далеко

Ответ на этот вопрос на сегодня можно легко заключить в одно-единственное слово. Вот оно:

Никак

А теперь подробней.

Перенесём наши сады обратно на историческую родину. Туристы летят посмотреть на прославленные сады Альфа Центавры. На релятивистских скоростях. Я не буду снова называть реальность бессердечной сукой - думаю, очевидно, что и в этом случае такая характеристика ей более чем подходит. Каковы могут быть условия такого полёта?

Ответить на этот вопрос абстрактно трудновато: как инженер я предпочитаю работать с определённостью, в данном случае — с чёткой моделью. Поэтому для примера я возьму корабль «Спаситель», на котором персонажи моей книги улетали с опустошённой ядерной войной Земли на ту самую Альфа Центавру, где потом разворачивались события романа. Корабль весил 200 тонн, в качестве топлива его двигатель использовал антиматерию (и по здравому размышлению в итоге я всё-таки заменил этот концепт на упомянутый в предыдущей главе гибрид термоядерного двигателя с катализатором из антипротонов), но это, в общем-то, неважно — хоть антиматерия, хоть хреноптаниум. В такие дебри залезать пока не стоит.

А вот что стоит отметить: мой ковчег транспортирует не брёвна, а хрупкие тушки хомо сапиенс, среди которых закалённые лётчики-испытатели занимают далеко не самый большой процент. Пассажиры, их домашние животные, хрупкий багаж и сексапильные стюардессы вряд ли обрадуются высоким перегрузкам, так что максимальное ускорение, учитывая время разгона, не должно быть большим. Для простоты определим его в 1 g, т. е. равным земной силе тяжести.

Дальше никаких слов, только картинка:

Здесь шкала абсцисс (горизонтальная) - время разгона в днях, шкала ординат (вертикальная) - время полёта в годах. Налицо любопытный и почему-то не слишком очевидный факт — чем большей дней разгоняется корабль, тем меньше выигрыша во времени даст каждый дополнительный день. К примеру, представьте себе, что вы разгонялись целый месяц, и тут капитан решил, что лететь слишком долго, и надо бы поразгоняться ещё недельку. Какой выигрыш во времени это даст?

Недурно. А теперь представьте, что разгонялись вы три месяца, и снова капитан решил оставить двигатели в работе ещё на недельку. Что тогда?

Так происходит из-за того, что хотя абсолютное значение ускорения остаётся прежним, его относительная величина постоянно падает. Для тех, кто ничего не понял: процентный прирост скорости с каждым днём становится всё меньше, со всеми вытекающими отсюда печальными выводами. А топливо-то тратится.

Из этого следует один очень простой факт — нет никакого смысла даже пытаться разогнаться до субсветовых скоростей. С каждой секундой эффективность разгона падает, а потом в дело вступят ещё и весёлые проявления теории относительности, например, увеличение релятивистской массы корабля (и, соответственно, снижение ускорения при неизменной тяге). Чтобы разогнаться хотя бы до 0,5с за короткое время, нужно придать кораблю соответствующее ускорение, а это чревато нехорошими последствиями для организмов томящихся внутри людишек. То есть воспользоваться замедлением времени и прилететь на Альфа Центавру за шесть-семь лет в реальности очень невыгодно.

Но это не единственная преграда для путешественников. Разгоняться целый месяц — это хорошо, а вот сколько придётся потратить на это топлива? Сначала давайте посчитаем значение чистой кинетической энергии, которую придётся затратить на разгон и торможение. Расчётный срок достижения границ системы, скажем, 100 лет, тогда разгоняться и тормозить «Спасителю» придётся 15 дней. Зная его массу и финальную скорость, уже несложно определить кинетическую энергию, но бездушные джоули мало что скажут большинству читателей. Поэтому для наглядности я предположу, что мой корабль работает на биг-маках (510 килокалорий каждый), тогда для достижения Альфа Центавры при 100% КПД двигателя ему потребуется 15,1 триллионов бигмаков. Если сложить их все в четырёхугольную пирамиду, она получится высотой в 2150 метров (для сравнения, пирамида Хеопса - жалких 140). В общем, тут всё понятно.

А что насчёт топлива? Тут надо понимать, что даже в случае установки на корабль вечного двигателя обойтись без расходного материала не получится - в космос надо что-то выбрасывать, чтобы возникала реактивная сила. Вопрос упирается в удельный импульс, и когда дело касается численных характеристик гипотетических проектов, модель начинает буксовать - оценки эффективности того же ТЯРД есть самые разные. Какую из них брать - не очень-то понятно.

Ну да ладно, мы ведь всё равно фантазируем. 

Какую тягу нужно сообщить кораблю? Для ответа достаточно вспомнить старый добрый второй закон Ньютона: F = ma. Масса корабля равна 2*10e5 кг, ускорение, соответственно, 9,8 м/с^2. Тяги нужно аж 1,96 меганьютонов. Округлим до двух.

Тяга ионника VASIMR, указанная на официальном сайте Ad Astra Rocket - 5 Н. Таким образом, для придания моему кораблю нужного ускорения потребуется 392000 таких двигателей. По-моему, многовато.

Окей, давайте натягивать сову на глобус - в конце концов, прогресс не стоит на месте, мало ли что в будущем придумают. Предположим, я использую ТЯРД, причём большой и хороший, или счетверённый, неважно. Короче, вся моя конструкция выдаёт тягу в 200 тонн, сообщая кораблю ускорение в 9,8 м/с^2. Удельный импульс - 25000 м/с, вдвое меньше, чем у VASIMR. Теперь у меня есть все нужные данные, но формулу Циолковского запускать рановато. Для начала давайте представим, что 200 тонн - это вся наша полезная нагрузка, а топливо ничего не весит и телепортируется на борт корабля прямиком из потустороннего измерения. Тогда можно будет прикинуть его количество в первом приближении. Вот оно:

Т. е. для разгона корабля массой 200 тонн до скорости, позволяющей достигнуть Альфа Центавры за 100 лет, при условии невесомости расходников, потребуется 103000 тонн рабочего тела. Пожалуй, комментарии тут излишни.

И хотя бессмысленность полёта к звёздам на релятивистских скоростях, наверное, уже очевидна, я кину ещё камней в огород романтиков. Если корабль летит к цели сто лет, очевидно, что его надо обслуживать и ремонтировать. В своей книге я деликатно обошёл этот вопрос — в конце концов, она вообще про другое (моя любимая отмазка). Но в реальности это стало бы непростой проблемой. Все помнят, что случилось с «Пасынками вселенной» Хайнлайна? То-то же. Можно погружать народ в анабиоз, оставляя бодрствующими лишь дежурные вахты или самоподдерживающуюся систему с роботами. Но всё равно потребуются запчасти, в том числе для электроники, потребуются методы, позволяющие провести ремонт в космосе и не поломать при этом всё к хренам собачьим, и так далее.

И да, анабиозные камеры тоже нужно обслуживать и ремонтировать.

Пусть галактика горит огнём!

Ну а что там с варп-двигателями? Материальное тело с действительной ненулевой массой не может двигаться в пространстве Минковского быстрее скорости света — иначе для него нарушается принцип причинности. Но если гора не идёт к космонавту, космонавт пойдёт к горе: раз не получается быстро двигаться в пространстве, надо срезать путь. То есть искривить пространство и лететь вроде бы с досветовой скоростью, но быстро.

Концепт этот не противоречит современной физике, хотя и не подтверждается ею. Существует гипотеза о пузыре Алькубьерре, постулирующая возможность создания такого двигателя: он сжимает пространство впереди и расширяет позади, срезая, таким образом, путь к цели. На этом принципе летает огромное количество кораблей фантастики из тех, которые не используют чисто фантастические концепты вроде гиперпространства. Сам термин "варп-двигатель" переводится всего лишь как "двигатель искривления" и пришёл не из Вархаммера (где принцип сверхсветового перемещения абсолютно фантастичен), а из Стар Трека. В советской фантастике же предпочитали концепт нуль-проколов.

Что там в реальности? Пока ничего. В NASA потихоньку исследуют возможность создания чего-то подобного, но результатов пока нет. Улыбаемся и машем.

Другой популярный вариант - проход сквозь червоточину, она же кротовая нора. Смысл примерно тот же - две удалённые в обычном случае точки пространства связываются "туннелем", по которому и летит корабль. Этот же принцип лежит в концепте прыжкового двигателя, т. е. совершении прыжков "через гиперпространство". Как и пузырь Алькубьерре, современная физика допускает подобное (хотя и не подтверждает). Но даже если кротовые норы таки существуют, остаётся вопрос, как создавать их искусственно, а не пользоваться подручными, как в "Интерстелларе". Далеко не факт, что это окажется возможно.

В общем, всё тлен.