Волшебные ускорения

Двигатели ревут на форсаже, в глазах у экипажа темнеет от десятикратной перегрузки. Вот только это гражданский космический грузовик (!) класса орбита-орбита (!!!). И это еще не предел — в автоматическом режиме тот грузовик способен разгоняться на 100 g, ибо на нём нет хрупких белковых пилотов, а прочность металлов же абсолютная.

И что в этом плохого?

То что ускорение равно силе тяги, деленной на массу корабля. А сила тяги пропорциональна массе двигателя. Т. е. чем больше мы хотим ускорения — тем большую долю массы съест тот двигатель. Но это еще не все — прочность конструкционных материалов обычно не абсолютная и потому масса силового набора опять растет пропорционально максимальному ускорению. И, наконец, расход реактивной массы опять пропорционален тяге двигателя.

Нет, технологии будущего делу не помогут. Кроме отменяющих (а не дополняющих, как ТО) классическую механику с её F=m*a. Любой двигатель имеет обусловленную технологией производства удельную мощность. Причем для двигателей с высокой скоростью истечения (ионных и плазменных) даже тяга, равная их собственному весу, на земной поверхности будет великим достижением. Дело в том что для разгона килограмма реактивной массы нужно затратить энергию, пропорциональную квадрату той скорости. Потребляемую мощность в идеальном случае можно рассчитать по формуле:

P = F*V/2

где P — мощность в ваттах, F — сила тяги в ньютонах и V — скорость истечения в м/с. Скорость тут не в квадрате, ибо с ростом скорости истечения рабочего тела на ньютон нужно меньше. Легко посчитать что даже при скорости истечения 4000 м/с (близка к предельной для современных ЖРД) для создания тяги в 10 ньютонов нам потребуется 20 киловатт мощности. Повторюсь, это для скорости истечения как у ЖРД и всего ради 10 ньютонов тяги. Повышение скорости истечения потребует пропорционального роста мощности двигателя, т. е. количества энергии, преобразованной в механическую за единицу времени. А энергию нужно, во-первых, произвести, а во-вторых, удержать в рамках двигателя. Сейчас мы не можем сделать ни то, ни другое в сколько-нибудь более эффективно, чем в современном ЖРД. Были экспериментальные ЯРД и есть плазменные двигатели на спутниках. Все они имеют скорость истечения большую, чем у ЖРД, примерно в 2-3 раза (ЯРД) и в 5-10 раз (плазменные), но при этом создают тягу меньше собственного веса (причем сильно меньше в случае плазменников). А ведь скорость истечения даже современного плазменного двигателя (20-30 км/с) тоже не предел мечтаний (грубо можно принять максимальную скорость корабля равной скорости истечения).

Переводя всё вышеуказанное на русский язык — в реалистичном корабле мы можем иметь либо высокую тягу при низкой скорости истечения (те самые ускорения для убийства экипажа, но при этом чудом выживший пилот через минуту окажется в невесомости и сможет полюбоваться совершенно пустыми баками — потому что рабочее тело тратится с неприличной скоростью), либо низкую тягу при высокой скорости истечения (расходы топлива более-менее вменяемы, но ускорение ощущается только особо чувствительными приборами).

Высокие и длительные ускорения возможны при условии, что у вас в сеттинге есть два флеботинума: во-первых, почти неограниченный источник энергии вменяемой массы, во-вторых, материалы безумной термостойкости (либо физические, либо заменяющее их силовое поле). Потому что вам понадобится не только выделить огромное количество энергии в маленьком объёме корабля, но и потом куда-то это количество энергии стравить. Не испарившись в процессе. Короче говоря, Супертопливо + Суперброня = идеальный корабль для убийства экипажа. Хотя вообще угробить сотню подготовленных специалистов можно и более дешёвыми способами.

Когда оправдано?

В гражданском космофлоте — при двигателях со скоростью истечения, близкой к современным ЖРД. И особенно при взлёте с планет земного типа. Тогда высокие ускорения позволяют минимизировать гравитационные потери и вообще получаются в результате большого отношения массы начальной к конечной. Но опять же без фанатизма — ускорения современных ракет-носителей (не выше 5-6 g на пике), как ни странно, оптимальны. После выхода на орбиту ускорения свыше 1 g могут потребоваться для использования эффекта Оберта. Но есть один нюанс — для землеподобных планет прибавка от его использования не превышает ~3 км/с. А самое главное, для использования эффекта Оберта хватает опять-таки ускорений современных ракетных блоков (смотри на график для Фалькона-Хэви из примеров). В космосе и при использовании высокоэффективных двигателей (ядерных, термоядерных и т. п.) оптимальны низкие ускорения, но длительное время. В идеале — 1 g в течение всего полёта, что позволит сэкономить разом на гравикомпенсаторе и искусственной гравитации (да и для эффекта Оберта уже хватает) но ценой сумасшедших затрат топлива. Долететь от орбиты Земли до орбиты Марса по Гомановской траектории — ~3 км/с характеристической скорости. Сделать то же самое с ускорением в 1 g, по брахистохроне? ~3127 км/с, правда полёт займёт чуть меньше четырёх суток, а не десять месяцев. Вдобавок, все земные технологии изготовления всего-чего-угодно, за редчайшими исключениями, рассчитаны на эксплуатацию, хранение и перевозку именно при этом условии.

Кроме того, в ряде сеттингов для попадания в гипер требуется разгоняться до околосветовой скорости — тут высокие ускорения полезны ибо 1 g разгоняться год, а время до прыжка от ускорения зависит уже линейно.

В военном космофлоте высокие ускорения могут быть оправданы, только если основной поражающий фактор пробивает любую броню со щитами, нечувствителен к помехам и при этом летит достаточно медленно, чтобы от него можно было увернуться. В противном случае выгоднее взять больше брони, щитов ПРО и РЭБ. Может показаться, что корабль с большим ускорением сможет навязывать свои условия боя, уходя от превосходящих, но «медленных» сил, но если у нас используется реактивное движение — высокое ускорение плохо совмещается с высокой конечной скоростью (меньше массы под рабочее тело). Наконец, от корабля, состоящего только из двигателя, бака и автоматической системы наведения (короче, ракеты) улететь все равно не удастся.

Где НЕ встречается

Увы, таких мало.

Литература

• Артур Кларк. Как бы не единственный случай высоких (1000 g) ускорений в космосе у него — Дэвид Боумен во время гиперпрыжка через Монолит.
• «Испытание» Станислава Лема. Пилот Пиркс делает «внешнюю петлю» над поверхностью Луны, 5g делают своё дело. Тот редкий случай, когда всё показано правильно.
• Айзек Азимов — много… К примеру, «Путь марсиан»: ледяной астероид сам служит источником реактивного топлива для себя же. Но ускорение весьма невелико: лёд просто расколется от высокого ускорения. Кстати, пока на астероид монтируют двигатели, микросотрясений (и микроускорений) хватило на то, чтобы астероид заметно сблизился с соседним, угрожая столкновением.
• Вернор Виндж «Глубина в небе» — хоть алмазный астероид и очень прочен, даже небольшие коррекции его орбиты связаны со значительным риском раскола.
• Олег Еремин, цикл «Дорога в небо» — персонажи были бы рады супер ускорениям (все же летать по Солнечной системе надо) но вот физика мешает.
• Laurence E. Dahners серия «Ell Donsaii» — технически возможность иметь хоть какие ускорения существует пусть и дорого (все космические полеты в серии используют либо традиционные химические движки либо их же аналоги но модифицированные с целью увеличения ресурса (за счет в том числе веса) + возможность передавать топливо порталом но при разнице скоростей сторон портала выше критической — будет дестабилизация портала и все. Для заброски зондов на большие расстояния используется другая технология (но вот пилотируемый аппарат так не отправишь, да и зонду лучше быть небольшим).
• Laurence E. Dahners серия о Gettnor’ах — постоянное ускорение — возможно, и именно так корабли Gettnor Space Industries и обычно и летают (запас рабочего тела на борту не нужен вообще, правда нужен реактор в сотни мегаватт но это не проблема после первой книги). Но вот только гравикомпенсаторов нет, поэтому максимальное ускорение — 5 g (и экипажи специально тренируют чтобы выдержать такое, лежа в креслах), при этом обычно с таким ускорением не летают. При первом дальнем полете когда эвакуировали с астероида астронавтов (прилетевших туда более традиционным образом), наоборот были проблемы с тем чтобы возвращаться на 1 g, они просто отвыкли от гравитации. В 4-й книге у гостей с другой звезды все еще хуже, кроме системы для гиперпрыжка, есть только ЯРД.
• Glynn Stewart, серия «Starship Mage» — обычно маршевые двигатели работают на 1g, у торгового корабля - 3g может быть вообще пределом (и при этом экипаж - в противоперегрузочных креслах). У военного корабля может быть и выше (в том числе за счет того что там не ТЯРД а двигатель на антиматерии) до 10g. А что еще взять с сеттинга где искусственная гравитация обычно получается вращением. Еще можно магией (причем магия можно и компенсировать перегрузки) но это почти всегда не выгодно экономически и в основном используется военным флотом, в том числе потому что у них и так куча магов на борту.

Телесериалы

• Вавилон-5. Но только если судить по видеоряду сериалов, где офицеры земных кораблей (на которых отсутствуют системы управления гравитацией) во время боя стоят или сидят в совсем не противоперегрузочных креслах. В различных (полу)официальных энциклопедиях «Новам» и «Омегам» приписываются единицы g.

Аниме

• Gundam, но только UC и CE таймлайны. Даже в мобильных доспехах можно полноценно воевать в обычном мундире либо рубашке и джинсах, на кораблях пилот и вовсе стоит стоймя (в оригинальном сериале — потом выдали удобное кресло). Наконец, в «Старгайзере» раскрыта тема солнечного паруса и разгона до больших скоростей на малом ускорении.
• Странники. Нормальный космос, нормальные (но немного истеричные) космонавты, в глазах ни у кого не темнеет, даже когда кое-кто сгорая от желания покурить предпринимает таран угрожающего единственной в радиусе миллиона километров курилке спутника. Посадка спасательной капсулы с мусоровоза осталась за кадром, а между тем очень интересно как капсула, вошедшая в атмосферу под явно нерасчетным углом, уцелела.

Видеоигры

• Children of a Dead Earth и прочие нечастые «хардкорные» космосимы.

Настольные игры

• GURPS Transhuman Space. Военные и гражданские корабли летают с ускорениями в сотые-десятые доли g, за исключением ракет-носителей и прочих космопланов для полётов «поверхность-орбита и обратно».

Реальная жизнь

• График ускорение-время во время старта Фалькона-Хэви. Легко видеть что перегрузка большую часть полета находится в интервале 1-3 g. Отсюда.

Где встречается умерено, только местами или обосновано

Литература

• Роберт Хайнлайн:
  • «Внутрисистемные» произведения. Как раз то самое 1 g всю дорогу, с разворотом хвостом вперёд посреди пути. Разве что до пяти g при резких манёврах.
  • Смотря какие «внутрисистемные». С постоянным ускорением — то факельные корабли Ортеги; кажется, единственное произведение, где есть постоянное ускорение и внутрисистемность (и факельные корабли не для антуража) — это «Тяжесть небес», но оно как раз о том, что высокие ускорения — это плохо. А в основном «внутрисистемные» произведения посвящены тяготам «классической космонавтики»: с ускорением 0.3-1g комфортно, но ДОРОГО; с высоким ускорением больно; в свободном полёте тошно…
  • А вот в «Гражданин Галактики» таки сабж. Там корабль с ускорением в 100 g считается медлительным. С другой стороны, им нужно достичь околосветовой скорости, чтобы нырнуть в гиперпространство — и желательно побыстрее. Да и то упоминается, что объём двигателя растёт пропорционально кубу ускорения, и патрульный крейсер Гвардии — гроза пиратов, вооруженный до зубов и развивающий 300 g — представляет собой по большей части огромный реактор с прицепленным танкером.
• Д. Вебер, «Хонор Харрингтон» — автор попытался обосновать волшебные ускорения, использовав не-реактивный двигатель и инерциальный компенсатор. При этом даже торговцы из какого-то мазохизма используют ускорение в 100 g, хотя при 1 g они бы сэкономили на двигателе (до 100 раз), инерциальном компенсаторе и искусственной гравитации ценой всего 10-кратного увеличения времени полёта (S=a*t²/2). И это при том, что секундного сбоя в компенсаторе достаточно, чтобы размазать весь экипаж по задней стенке. Попробуй это потом отмыть.
  • Осталось добавить, что в итоге вояки летают на сотнях «же», а беспилотные ракеты — и на 50000g. Высокое ускорение в серии аналог высокой скорости — возможность догнать противника или тактически сманеврировать, быстрее уйти на сверхсвет. И легкие корабли в целом имеют несколько бОльшее ускорение чем тяжелые.
• Воробьёв, «Огненное небо» — попытка обосновать необходимостью уворачиваться от «плазменных дробовиков» аспайров. Вот только земной флот строился задолго до получения внятной информации об аспайрах, а ускорение в 2 g у новейших линкоров уже имел. Причем крупные корабли имеют громоздкую вращающуюся секцию в которой экипаж живет во время баллистических полетов, хотя технически способны просто летать с постоянным ускорением в пределах 1 g. (Постоянно не способен, максимум несколько часов, пока не кончиться рабочее тело)
  • А предельное — около 3g и во многом исходя из физиологии. При том мегавраги-ящеры более выносливы и летают на ещё бОльших ускорениях.
• Зорич, «Завтра война» — любопытно, что в «трилогии Пушкина» волшебных ускорений скорее не было. Точнее, на 10 g маневрировали истребители, но им требовалось уворачиваться от лазеров и ракет, крупные же корабли разгонялись степенно (насколько можно было судить по повествованию от лица пилота-истребителя). А вот в сиквелах с вбоквелами внезапно оказалось что и звездолеты могут выдать 7 гравов минимум.
  • У них есть искусственная гравитация — они ходят по палубе космического корабля как по проспекту. При этом несложно представить, что 1 g по нормали к полу можно поддерживать и при ускорениях, если изменять значение и вектор искусственного поля в корабле — конструкция корабля держит ускорение и момент от гравитационных установок, жилой объем — как на Земле.
  • «СТЛТ Кабрин», доставивший на С-801-7 пакет от соединения Х-крейсеров, погиб от перегрузки после того, как, уходя от истребителей противника, вошел в атмосферу по баллистической траектории. Перегрузка 20G — полминуты без последствий, минута — госпиталь, полторы — инвалидность, две минуты — смерть. Летел после этого полтора часа.
• Mark Kalina «Hegemony» — военные корабли Гегемонии Солнц (но не их главного противника) а также interceptor’ы (уже у всех). Но все равно ускорения не особо большие (у interceptor’ов до 90 g но там полет на бортовом ЯРД это ситуация нештатная и в норме он летит за счет лазерного луча с корабля-носителя). Просто персонал военного флота Гегемонии уже не совсем люди (тоже самое касается пилотов interceptor’ов). Гражданские корабли могут выдать несколько g, если очень сильно надо.

Настольные игры

• BattleTech — дропшипы в космосе летают на 1 g, чтобы обеспечить пассажирам привычную силу тяжести, джампшипы и варшипы обычно не дотягивают и до 1 g и имеют вращающиеся секции.
  • Хотя возможность поддержания такого ускорения в течение указанного в сапплементах времени и при указанной там же массе топлива — неизбежно переводит его в категорию волшебных. 1g — это тоже местами безумно много. Всё зависит от длительности.

Где встречается

Комплексные франшизы

• Звёздные Войны — ускорения в тысячи g на экране нигде не показаны, но подразумеваются (указаны для многих кораблей в сапплементах).

Литература

• «Экспансия» — маразм усугубляется тем, что ускоряться на 10 g тут нормально для ледовоза.
• Павлов, «Лунная Радуга» — хотя книжка в целом весьма твёрдая, присутствует и опять у грузовиков. Причем биография главного героя второй части завязана на испытания корабля совмещающего большую грузовместимость со способностью к высоким ускорениям.
• Дивов «Лучший экипаж Солнечной» — тут боевым космолетчикам приходится терпеть четырехкратные перегрузки несколько суток, в чем им помогают специальные скафандры.
• Ефремов «Великое Кольцо» — пополам с Авторы фантастики не понимают порядок величин. Разгон до субсветовой скорости происходит за несколько десятков часов перегрузок порядка единиц g. В реальности на 1 g потребуется около года, а при разгоне за указанное время перегрузки будут тысячекратные.
• Олег Авраменко «Звезды в ладонях» — для военных кораблей полеты с большими ускорениями — более менее штатный режим. Разведчик «Заря Свободы» вообще рассчитан на разгон до примерно половины скорости света (затем торможение и можно повторить еще раз, а потом рабочее тело кончится). Нужно такое для того что бы подойти к цели не через контролируемую противником джамп-зону. Правда вот когда на «Заре Свободы» из-за диверсии ненадолго отключились гравикомпенсаторы то выжила только спрятавшаяся в разведывательном челноке(у него свои компенсаторы) дочь капитана, которая пробралась зайцем.

Телесериалы

• «Экспансия». См. «Литература».

Аниме, манга, ранобэ

• Seikai no Saga — приспособленность Ав к жизни в космосе выражается в способности переносить невесомость и перегрузки. Разумеется, во время досветовых межзвёздных полетов (когда собственно Ав и были созданы) ну никак нельзя было разогнаться до субсвета за год на малом ускорении — только за месяц на большом.