Заметки о космической фантастике #6. Как оно устроено-2

Первая часть тут https://author.today/post/21041

Терморегуляция

Поддержание постоянной температуры в изолированном пространстве — задача достаточно нетривиальная, в первую очередь потому, что у космических кораблей большие проблемы с охлаждением. Да, вот такая фигня: несмотря на уж-жасный космический холод, корабль склонен скорее перегреваться, чем остывать.

Куда сбрасывать лишнее тепло и как? На Земле можно использовать естественный теплоноситель — воздух. Энергия передаётся ему через контакт с поверхностью (поэтому радиаторы должны иметь как можно большую площадь), а атмосферная циркуляция уносит прочь нагретый воздух, нагоняя взамен холодный. Однако в космосе воздуха нет, теплообмена, соответственно, тоже, и охлаждаться корабль может только собственным излучением по закону Стефана-Больцмана, а это далеко не самый эффективный способ остыть.

Но выбирать не приходится, так что радиаторы конструируются именно под охлаждение излучением. Вот, например, эти устройства на МКС:

Стоит отметить, что если солнечные батареи всегда направлены перпендикулярно потоку солнечного света, то радиаторы нужно направлять параллельно ему - чтобы они не перегревались.

Равновесная температура на земной орбите, то есть баланс между получаемым от солнца теплом и собственным излучением, равна примерно 279 К, или 6 С (для абсолютно чёрного тела, т. е. такого, которое поглощает всё получаемое тепло и ничего не отражает). Но это в случае, если мы рассматриваем какой-нибудь камень или мёртвую тушку космонавта, в которых не происходит никаких экзотермических процессов, на корабле же имеется тысяча и один источник тепла — живые тушки космонавтов, энергоустановка, электросистемы и так далее. В конечном итоге КПД всей этой системы едва достигает 25% — это означает, что из четырёх закинутых в топку биг-маков лишь один используется для освещения, разгона, электропитания компьютеров и так далее, а остальные превращаются в тепло и нагревают корабль. Как перегнать это тепло в радиаторы? Использовать хладагент, вещество-теплоноситель.

В сущности, вся МКС — это один большой холодильник, где вода во внутреннем контуре охлаждается аммиаком во внешнем, после чего нагретый аммиак отправляется в радиаторы. Те, в свою очередь, пронизаны множеством трубочек, по которым он циркулирует, отдавая тепло внешней оболочке, а уже оттуда оно рассеивается в космос. Температура радиаторов составляет примерно 100-130 С.

Совершенно очевидно, что в случае Звезды Смерти потребуются огромные площади охлаждающих панелей, и ещё более очевидно, что панели эти будут очень уязвимы перед нападением подлого врага. Ну в самом деле, одна ракета в основание — и целый пласт радиаторов улетает в космос. Да что там в основание, можно тем же ведром гаек продырявить панели, рассечь трубочки, и хладагент потечёт наружу. Он же ещё и под давлением, причём на МКС давление аммиака — 10 атмосфер. Если шальная пуля пробьёт трубопровод, фонтан будет знатный.

Помните, какая жара стояла в помещении для Заряжающих из "Билл, герой галактики"? То-то же.

Решение этой проблемы лежит во всё том же законе Стефана-Больцмана. Интенсивность потери тепла излучением зависит от температуры, причём в четвёртой степени. Поэтому можно оставить радиаторы той же площади, но увеличить температуру хладагента — и мощность повысится в разы, а кроме того, охлаждающие панели начнут красиво светиться в космосе багровым цветом. Конечно, аммиак для этих целей уже не будет годиться, да и разогреть эту конструкцию до тысяч градусов сложновато, но вполне можно придумать хреноптаниум. Выглядеть это может примерно так:

Охлаждение при этом требуется не только МКС и Звезде смерти: шаттлы, например, в космосе всегда летали с открытыми створками грузовых отсеков — там находились радиаторы. Однако в целом для маленького корабля в условиях отсутствия мощных тепловыделяющих систем на борту эта проблема стоит куда менее остро, особенно где-нибудь на орбите Юпитера, где солнце жарит не так сильно.

К сожалению, в фантастике понятие «радиатор» отсутствует полностью. Фактически я могу припомнить радиаторы только у Кларка в «Космической Одиссее» (мистер Кларк был тем ещё заклёпочником), да и то в фильме Кубрик их потерял, и в "Аватаре" Кэмерона (именно оттуда взята картинка выше). Зато сейчас в космофантастике очень часто пишут про тот самый космический холод — я встречал рассказы, где сюжетообразующим элементом было мгновенное промерзание корабля из-за разгерметизации. Ну що тут можна сказати ¯\_(ツ)_/¯

Обеспечение гравитацией

Забавно, но в фантастике практически всегда на кораблях существует искусственная гравитация, причём в 99% случаев она создаётся неведомой фигнёй — вещь эта настолько тривиальная, что об источнике гравитации многие авторы космоопер даже не упоминают. Есть и есть, какая разница? Книга-то о другом.

Если не рассматривать всякие чисто фантастические штуки, вариант тут один-единственный — использовать вместо гравитации центробежную силу инерции, то есть заставить корабль вращаться. Как несложно догадаться, вектор будет всегда направлен от центра вовне, причём чем ближе к оси вращения, тем меньше будет искусственная гравитация. Крайне кошерно это описано у Хайнлайна в «Пасынках вселенной», где на верхних палубах корабля поколений (на самом деле они внутренние, просто жители поднимаются к ним супротив силы тяжести) царит невесомость. Сам корабль представляет из себя вращающийся цилиндр, и большинство народу живёт ближе к ободу. При этом, по сути, на саму идею это никак не влияет, но до чего же круто смотрится!

Естественно, в таком случае гравитация будет постепенно ослабевать от обода к оси (как и описано у Хайнлайна). поэтому для рациональности стоит сделать корабль не цилиндром, а тором, т. е. бубликом, примерно так:

Тогда убивается сразу целый зоопарк зайцев: в центр уезжают опасные для экипажа системы вроде АЭС, термоядерного двигателя и так далее, а хомо сапиенс живут в условиях более-менее постоянной силы тяжести. 

С какой скоростью должен вращаться тор? Тут стоит сделать отступление в сторону теоретической механики: создаваемое вращением ускорение (сила тяжести) зависит от квадрата угловой скорости и от радиуса. Соответственно, бублик радиусом 1 км нужно закрутить со скоростью примерно 0,9 оборота в минуту. Линейная скорость обода не имеет значения - аборигены её всё равно ощущать не будут. Разумеется, если обод внезапно не остановится.

Энергопитание

Об этом тоже в фантастике никто не задумывается (пожалуй, хватит уже повторять эту фразу). В лучшем случае там упоминается что-то вроде «Дорогая, становится жарковато, пойди, выключи ядерный реактор», и всё. Ну да оно и понятно — смысл описывать энергосистемы имеется только в том случае, когда это нужно для взрыва Звезды Смерти. Напомню, там подлый Скайуокер уничтожил шедевр инженерной мысли, поразив реактор протонной торпедой. Естественно, энергетическая установка — самое уязвимое место корабля, даже если она не склонна взрываться.

Это Кларк мог позволить себе описывать в «Космической одиссее» весь космический корабль как он есть, ну да на то он и классик. Впрочем, и сегодня всё зависит от жанра и структуры книги. В космоопере пофиг, где корабль берёт энергию для своих систем, в научно-фантастическом хорроре, где на этом же корабле завёлся Чужой или некроморфы — уже нет. Более того, устройство корабля можно и нужно гармонично вплетать в сюжет — например, в Dead Space протагонист мотается по всему кораблю, и действительно создаётся иллюзия присутствия, особенно учитывая выходы на поверхность, в разгерметизированные отсеки и так далее.

Итак, по порядку:

1. Солнечные батареи. Наиболее популярный на сегодня источник питания для КК, потому что халява. Солнечные батареи не требуют расходников, в космосе свет не поглощается атмосферой, благодать, в общем.

Минус — низкая мощность: конечно, техника не стоит на месте и КПД постоянно растёт, но даже с фантастическим КПД в 50% (нынче рекорды — около 30%) потребуются целые поля, чтобы обеспечить энергией Звезду смерти. Вот, например, относительные размеры панелей на МКС (плохо заметные пластины в центре - это радиаторы:

Эти поля, разумеется, будут очень уязвимы для космического мусора и подлых врагов. Кроме того, уже за орбитой Марса толку от солнечных батарей становится немного: эффективность их падает пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Уехали вдвое дальше — энергии получаете вчетверо меньше.

Кроме того, панели уязвимы для космической пыли и термических нагрузок - последнее справедливо для околоземных орбит, где аппарат попеременно летает то в тени, то на солнце. Из-за изменений температуры его конструкции расширяются и сжимаются, что постепенно приводит к разрушению. Кроме того, при перегреве эффективность фотоэлементов падает.

3. Топливные элементы. В сущности, это обычный генератор, разве что работает он всё-таки не на бензине, а обычно на водороде. Для небольших кораблей наряду с аккумуляторами - самое то.

2. Радиоизотопные источники электричества. Не уступает по популярности солнечным батареям, но используется для полётов в дальний космос, то есть там, где солнечные батареи бесполезны. "New Horizons", "Пионеры", "Вояджеры" — все эти зонды использовали радиоизотопные термоэлектрические генераторы (есть, впрочем, и другие виды, помимо термоэлектрических). В отличие от АЭС, это устройство использует энергию не цепной реакции, а естественного деления ядер. Как результат - низкая мощность и большое время работы, по сравнению с которым даже аккумулятор Nokia 3310 годится в айфоны. Для автоматических зондов, впрочем, мощности хватает, тем более что установка вполне компактна. Взорваться РИТЭГ не может, а вот порадовать экипаж серьёзной дозой радиации при разрушении корпуса - ещё как.  

3. Ядерный реактор. Тут надо понимать, что стандартный ядерный реактор, вообще говоря, получает электричество тем же самым путём, что и любая ТЭЦ, то есть разогревает воду до состояния пара и крутит этим паром турбины. В космосе это малоприменимо из-за описанных выше проблем с охлаждением: на Земле можно построить градирню (это те самые огромные башни АЭС, из которых валит "страшный дым", который на самом деле пар) или использовать водоёмы, в космосе - извините. Поэтому применяют термоэлектрические преобразователи - фактически то же самое, что и в РИТЭГах, только мощность выше. 

Естественно, есть концепты и даже реальные прототипы АЭС относительно небольших размеров. Более того, экспериментальные ядерные реакторы - например, SNAP-10A или советский "Бук" - уже выводились на орбиту и нормально там работали, а сейчас в США разрабатывается реактор Kilopower для работы на Марсе. Смысл они имеют в основном в случае энергообеспечения Звёзд смерти и баз на пыльных тропинках далёких планет, особенно того же Марса, где нет ни нефти, ни угля, да и воды тоже нет. Для небольших кораблей это всё равно что гоняться с кувалдой за тараканами.

Продолжение следует.