Заметки о космической фантастике #6. Как оно устроено-1

В фантастике довольно редко в подробностях описывается устройство космических кораблей. Причин тому много: во-первых, техническое порно выглядит скучным для многих читателей, во-вторых, писатели, как правило, имеют весьма смутное представление о предмете. Даже если – вот парадокс – они описывают не современный корабль, а какой-нибудь хренолёт будущего, который может быть устроен совсем по-другому, всё равно в лучшем случае там опишут общий концепт. У писателей просто не хватает фактического материала, чтобы на его основе придумать детали.

Между тем детализация далеко не бесполезна. Понятное дело, расписывать на пять страниц тонкости конструкции корабля не стоит, но куда лучше написать вместо «снаряд оставил в переборке дыру» что-то вроде «снаряд оставил в переборке разлохмаченную дыру…» - ну, это так, просто пример. Детали, пусть даже один-единственный эпитет, создают картинку. Лохматыми края дыры оказываются потому, что углепластик – это ткань, и при разрыве края её распушиваются. Где-нибудь в другом месте вы упомянете, что это углепластик, и что кабина наполнилась угольной пылью. Это – подробность, которая работает на образ писателя как человека знающего и эрудированного. Откуда дураку знать про углепластик?

В когнитивистике это зовётся эффектом ореола. Если писатель – известный профессор, то читатель без лишних сомнений легко поверит в правдивость описанных в книге концепций. А если хрен с горы, то уже нет: в самом деле, почему я должен верить Васе Пупкину? Кто он такой? Вот Уоттс – учёный, а Пупкин? Детализация исправляет положение: раз человек углубляется в детали, значит, он знает, что пишет. Даже если специалист будет читать его книгу сквозь фейспалм – пару раз я на такое уже натыкался – не-специалист такого не заметит, разве что совсем уж глупые ляпы. 

Поэтому чтобы и рыбку съесть, и учёным стать, лучше всего соблюдать хотя бы общую правдоподобность. И проще всего достичь правдоподобия, посмотрев на реальные космические корабли. На их же основе можно придумать и массу новых интересных вещей.

Каркас

Любой космический корабль начинается с каркаса. Примерно вот так это выглядит для советского "Бурана":

Для удобства я выделил синим основные элементы:

1. Нервюры - рамы, повторяющие форму крыла. Они служат для восприятия нагрузок и соединяют части обшивки.

2. Лонжероны - балки, посредством которых крыло крепится к фюзеляжу. Это наиболее ответственные элементы - они передают всю нагрузку с крыла на фюзеляж, но это в атмосфере. В космосе нагрузка на них минимальна.

3. Стрингеры - относительно тонкие стержни, которые подкрепляют обшивку и увеличивают её жёсткость. 

4. Шпангоуты - по сути те же нервюры, только не в крыле, а в самом корпусе.

Фактически любой каркас состоит из этих основных элементов, а если мы говорим о бескрылой Звезде смерти, то там вообще остаются только шпангоуты и стрингеры. Разумеется, есть ещё всякие бимсы и прочие страшные вещи, но так углубляться в конструкцию здесь, пожалуй, не стоит. 

Всё это дело скрепляется между собой либо заклёпками, либо сваркой (для металлов), либо клеем (для композитов). Раньше для изготовления таких деталей применяли сталь и алюминий, сейчас всё больше внимания уделяется композитным материалам. Причина популярности композитов очень проста: у них высокий параметр удельной прочности, превосходящий даже хвалёный титан. Удельная прочность - это отношение прочности материала к его весу. Для легированных высокопрочных сталей это примерно 20-22 10е5 см (да, странная размерность), для алюминия 20-21 (алюминий менее прочен, чем сталь, но при этом гораздо легче её), для титановых сплавов - 30-40, а для простеньких стеклопластиков - 38-50. Для более прочных углепластиков этот параметр ещё выше. 

Поэтому, на мой взгляд, корабли будущего будут в основном сделаны именно из композитов. К сожалению, в фантастике внимания им уделяется очень мало: если даже писатель с упоением расписывает многослойную броню, та всё равно сверкает металлом. Ну и ладно.

Обшивка

В большинстве случаев писатели почему-то считают, что обшивка состоит из однородного материала, грубо говоря, из металлической пластины. Если снаряд влетает в такую обшивку, оно примерно так и описывается. Это не только скучно – это нереально.

На самом деле корпус состоит из целого ряда слоёв разных материалов, каждый из которых выполняет свою определённую функцию. И по порядку:

1. Теплозащита. Если наш корабль предназначен для кукования в доках Звезды Смерти и на планеты не садится, то ему, понятное дело, никакая теплозащита не нужна. Однако если нет, то без неё никуда. Более того, к теплозащите предъявляются максимальные требования надёжности: из-за повреждения панельки размером 40х40 см потерпел катастрофу шаттл "Колумбия". 

Вариантов реализации постоянной защиты много, но все они так или иначе определяются четырьмя требованиями к материалу: он должен обладать очень большой теплоёмкостью (тогда на повышение его температуры потребуется больше тепловой энергии), маленькой теплопроводностью (тогда жар не пойдёт дальше защитных плиток), очень маленьким коэффициентом теплового расширения (для его компенсации между плитками устанавливается небольшой зазор) и, разумеется, очень высокой термостойкостью. При этом надо понимать, что входящий в атмосферу корабль хоть и нагревается, но очень неравномерно. Вот, например, схема распределения температур для "Шаттла" (слева) и "Бурана" (справа):

И, разумеется, соответствующим образом распределяется масса и тип теплозащиты (RCC, HRSJ - это типы материалов). Очевидно, что самые горячие зоны - это нос и кромки крыльев, а также щели в конструкциях оперения (туда затекают раскалённые газы). Для них использовались чёрные плитки из углеткани, пропитанной фенольными смолами и покрытыми антиокислительным покрытием. Менее нагруженные зоны покрывались плитками из сверхтонкого стекловолокна. Все они очень лёгкие (по весу вдвое-втрое меньше аналогичной по размерам липовой дощечки) и весьма хрупкие - в их задачи не входят держать механические нагрузки, только тепловые.

Альтернативный вариант теплозащиты, в основном для одноразовых кораблей - абляционный. В этом случае поверхность корабля покрывается слоем вещества, который постепенно испаряется при входе в атмосферу (главное, чтобы он не испарился весь до приземления). Именно этот вид защиты стоял на всех возвращаемых аппаратах, кроме многоразовых "Шаттлов" и "Бурана". Но если мы говорим о космоопере, вряд ли там будут использовать подобное. Ну представьте себе, вы - пират, сели на планету дозаправиться, и тут вашу личность раскрывают. Вы со всех ног бежите к космодрому, а там... кораблю нужно заменить теплозащиту. Нет, можно взлететь и без неё, но вот посадить корабль уже не удастся. Остаётся только лететь в Туманность Чёрного Мешка, где расположена всем известная пиратская база и можно будет восстановить защиту... 

Погорячился я, наверное. Тут можно целую драму развернуть. 

Всё перечисленное выше - это физическая защита. Существуют, однако, концепты и защиты магической - с помощью магнитного поля, окружённого тонким слоем плазмы. Соль в том, что нагревается аппарат от трения о воздух, тогда как такая конструкция "принимает удар на себя", и обшивка корабля остаётся при своих. Разумеется, определённая термозащита на ней всё равно должна быть, однако это уже гораздо проще, чем описанные ранее плитки.

2. Несущая обшивка. Одна из наиболее популярных сегодня и, думаю, в ближайшие пару тысячелетий - это сэндвич-панель. Суть её элементарна: это две пластины из прочного материала, между которыми расположена прослойка - чаще всего это соты или очень лёгкий материал вроде пенопласта (не того, в который упаковывают телевизоры и прочую технику, а другого, технического). Получается, что при почти той же массе панель становится гораздо толще и, соответственно, более жёсткой и прочной на изгиб.

Изнутри к ней крепятся стрингеры, связи и прочая ерунда, так что одной только сэндвич-панелью не отделаться. Кроме того, сама панель тоже может быть двуслойной: например, командные модули "Аполлонов" имели внешнюю стенку из стали, потому что алюминий имеет меньшую температуру плавления, чем сталь, а при возвращении на Землю аппарат сильно нагревается об атмосферу. Стенка же самой кабины была сделана из алюминиевых сотовых панелей, а между ними располагался слой теплоизолирующего волокна.

На фоне этого крайне забавно смотрятся пассажи лунных конспиролухов про "тонкие, как фольга" стенки "Аполлонов".

3. Противометеоритная защита. Для "Шаттла" или "Бурана" она не особо нужна, а вот Звезде Смерти ещё как пригодилась бы. Но тут есть загвоздка: от крупных объектов МКС защищается манёврами, Звезда Смерти такое не совершит - она слишком большая и тяжёлая. Скорее всего, удобней будет сбивать такие объекты на подлёте, изменяя их траекторию. А вот мелкие... Противометеоритная защита МКС сделана из всё тех же композитных материалов, однако она может не защитить уже от объектов размером с фасолину, а более крупные метеориты почти гарантированно пробьют её. Усилить защиту ещё парой слоёв - решение спорное, в первую очередь потому, что это утяжелит конструкцию, а эффективность не гарантируется. Другими словами, Звезда Смерти будет очень уязвима для обычных кинетических снарядов - достаточно разогнаться до скорости 10-12 км/сек относительно станции и высыпать в космос ведро гаек, чтобы на корпус обрушился град пуль, перед которым крупнокалиберные пулемёты типа "Утёса" - жалкая пневматика. 

Разумеется, исследования в этом направлении не прекращаются. Однако большого прогресса пока не видно.

4. Противорадиационная защита. Тут надо сначала определиться, от чего мы защищаемся. Радиационные пояса Земли состоят из альфа- и бета-частиц, которые обладают высокой энергией, но плохого проникают сквозь вещество. Если заглянуть в документ NASA, где описана противорадиационная защита "Аполлонов", то выяснится, что американцы не особо парились по поводу каких-то дополнительных мер в этом направлении - они пролетали по самому краю основных "горячих" зон поясов, а описанная выше обшивка более чем эффективно защищает от тяжёлых частиц. Любимый авторами свинец нужен для защита от гамма-излучения, то есть космических лучей. В коротких полётах на него можно не обращать внимания (хотя дозы экипаж всё равно получит весьма заметные), а вот в длительных уже приходится. И тут возникает определённая сложность - экранировать гамма-излучение очень трудно. Во время мощных вспышек на Солнце экипаж МКС укрывается у емкостей с водой, которая неплохо задерживает радиацию, однако оснастить весь корабль дополнительной прослойкой водяной защиты - это нечто совсем уже фантастическое.

Хотя в отношении Звезды Смерти, где люди живут постоянно, а масса уже не играет большую роль, не так уж и совсем. Чтобы сделать защиту, аналогичную земной атмосфере, потребовалось бы создать прослойку воды толщиной 10 метров - если мы говорим о станции диаметром в километр, это не так уж много. 

Кроме того, можно создать магнитное поле. Об этом думали ещё во время первых полётов, но затея оказалась слишком уж фантастичной. Однако сейчас уже не очень: учёные додумались использовать не просто магнитное поле, а комбинацию из плазменного слоя, электрического и магнитного полей, так что в результате корабль окружается магнитоплазменным пузырём, поглощающим заряженные частицы. Примерно так:

Обшивкой назвать эту конструкцию сложно, но в любом случае она - такая же часть корабля.

Двигатель

В 99% случаев схема космического истребителя (да и дредноута тоже) напоминает схему классического реактивного самолёта, то есть двигатель расположен в хвосте и обладает только одним вектором направления тяги – вперёд. Вместо тысячи слов: 

Возникает очевидный вопрос - а как, простите, эта штука управляется? Ладно ещё в атмосфере, там можно использовать аэродинамические поверхности, но в космосе воздуха нет и рули бесполезны. Поворачивать там в локальном масштабе нужно маневровыми двигателями, коих на артах обычно не наблюдается. Либо, если мы говорим об X-wings, такой вариант: снижать тягу на правых двигателях и повышать на левых, по аналогии с танком. Однако обеспечить маленький радиус разворота такой метод неспособен.

Давайте представим себе истребитель, который должен взорвать Звезду Смерти. Вот он подлетает к ней (предположим, операторы зенитных орудий поголовно маются похмельем и не замечают опасности) и должен повернуть, чтобы не врезаться в обшивку вражеского дредноута. Самолёт в такой ситуации ляжет набок и изменит угол тангажа с помощью рулей высоты, у космолёта же есть три варианта:

1. Активировать на короткое (строго определённое) время боковой двигатель, придав кораблю вращение. Двигатель должен быть не убогим ионником, а чем-нибудь помощнее – от него требуется сообщить максимум импульса за минимум времени. 

Когда же космолёт достигнет нужного угла, нужно активировать второй боковой двигатель, с другой стороны, чтобы погасить вращательный момент и выйти на новую траекторию.

2. Повернуть вектор тяги основного (маршевого) двигателя. Принцип тот же самый – сначала повернуть, сообщив вращение, потом повернуть в другую сторону, погасив это вращение. Обычно делается это с помощью сопла с изменяемой геометрией, как у самолётов с вертикальным взлётом.

3. Если у него два и больше двигателей, то по описанному выше методу - распределить тягу асимметрично и создать крутящий момент, которые повернёт аппарат.

В остальном, однако, авиационная компоновка вполне нормальна для космоплана, неважно, летает ли он в атмосфере или нет. 

Продолжение следует.