Звездолёт для чайников

Глава 1 ПОЛЕЗНАЯ НАГРУЗКА ЗВЕЗДОЛЁТА

ВСТУПЛЕНИЕ

1. Звездолет это ракета. Потому что другого способа передвигаться в вакууме нет.

2. Будучи ракетой, звездолет рассчитывается по формуле Циолковского (В тырнете есть, гуглите).

3. Расчёт ракеты по формуле Циолковского ведется от полезной нагрузки.

3.1. Еще расчёт ведется от количества ступеней, но для звездолета оно фиксировано и равняется четырем, поскольку складывается из последовательности «разгон-торможение-разгон-торможение» - по одной ступени на операцию). Поэтому мы, как и положено, начнем с полезной нагрузки.

ПОЛЕЗНАЯ НАГРУЗКА ЗВЕЗДОЛЁТА

Полезная нагрузка. Она же кабина экипажа. Она же обитаемый отсек. Ну – где люди будут находиться все время межзвездной экспедиции.

Во-первых – сколько в экспедиции должно быть людей. Каких профессий.

Ну, учОные, собственно – иначе чего для лететь.

Во вторых – экипаж, те кто будут управлять звездолетом и обслуживать технику.

Мне лень заниматься штатным расписанием (да каждый и сам сообразит, если что) поэтому сделаем просто.

Смотрим на МКС, антарктическую станцию «Восток», разные океанографические суда.

И так в среднем примем, что численность экспедиции 100 человек (так считать проще) а вес конструкции МКС, станции «Восток» и такого абстрактного океанографического судна на одного человека - тоже в среднем - 100 тонн (Оно, конечно, сильно плюс-минус, но усреднено так, и нам вполне годится). Тогда вес жилого отсека звездолета будет - тадам! -10 000 тонн.

И это еще немного :).

Потому что в звездолете должна быть сила тяжести. Потому что будут годы полета по инерции – об этом позже, когда о ступенях будем – и это человеку не полезно.

А чтобы было полезно, звездолетчики должны обитать годы полета в кольце вращающейся станции диаметром 412 метров (Четыреста двенадцать, вы не ошиблись (я тоже :)) И вообще для чайников рекомендую статью Алексея Кочетова на Дзене «Реальная фантастика: искусственная гравитация». Гуглится без проблем). Не всякое океанографическое судно может похвастаться такими размерами. Сколько этот бублик должен весить?!

Ну, опять же, примерно мы можем прикинуть, отталкиваясь от существующего (Повторяю: примерно, но нам за глаза хватит). Мы же понимаем, что это должна быть не карусель и даже не колесо обозрения. Это должна быть конструкция, способная существовать годы в вакууме и обеспечивать живущих в ней людей комфортом и безопасностью. Примерно как атомная подводная лодка. Ага.

Вот от лодки мы и станем отталкиваться. Опять же – на пальцах :).

Если особо ни на что не настраиваться, то серьезная атомная субмарина весит тонн так семь-восемь тысяч. Не будем жадничать – пусть семь :). И имеет длину за сто метров – тоже не станем жадничать и возьмем опять сто (чтоб легче считать было).

И вот. Диаметр нужного нам бублика – 412 метров. То есть радиус – 206. И я опять же иду навстречу собственной лени (плюс-минус) и считаю, что в длине окружности ровно шесть радиусов (Ну, «2 пи эр» же ж, а в некоторых случаях «пи» может равняться трем – для простоты и это вполне работает). Тогда длина окружности у нас получится 1236. Метров. Ага. А сто метров у нас весит примерно (примерно! :)) семь тысяч тонн. Ну, давайте я еще пойду навстречу собственной (и вашей :)) лени и убавлю до пяти тысяч (что тоже соответствует реальности, просто лодки меньше). И длину окружности до 1200 (ну нафиг эти тридцать шесть – мешают только).

И-итак!

Сколько «лодок» укладывается в длину окружности (скоко попугаев, удавов или мартышек, ага :))

1200 делим на сто – получаем 12.

И для получения прикидочного значения веса умножаем 12 на 5000.

60 000

Тонн.

Не десять. Но и колечко немаленькое.

Но для судостроительных технологий даже не особо большое – то есть, такую конструкцию изготовить можно.

Но это – только собственно оболочка. С каютами, коридорами, лабораториями, водопроводом/канализацией и прочей мебелью. Включая дизеля для электричества (ну, какой-то источник энергии).

Но есть еще СЖО.

Система жизнеобеспечения.

И не только она.

Глава 2 СЖО ЗВЕЗДОЛЕТА И ЕЩЕ КОЕ-ЧТО, БЕЗ ЧЕГО НЕЛЬЗЯ ОБОЙТИСЬ

Ага.

Есть-пить надо. Да и дышать.

А СЖО частично замкнутого цикла – по воде, воздуху и растительной пище – на одного человека занимает объем вагона (Гуглим БИОС-3. Есть в Википедии. И не только). И весит соответствующе. Соответственно на сто человек – только по воде, траве и воздуху! – это будет где-то 9000 тонн. И это не чрезмерно – это только вода и воздух по сути. И немного салата с белым хлебом. Остальное – консервы. А если экипаж захочет там свежей говядинки-телятинки… С молочком. Или там раков с устрицами, омаров всяких – до той же Альфы Центавра только полет в оба конца получается под десять лет – вы все это время хлореллой давиться будете («Изощренная пытка черной икрой!»(с))? К другим звездам еще дальше. Или захотите пищи «без ГМО»? Во сколько раз корова больше человека и сколько вагонов по сравнению с ним нужно для нее по траве, воде и воздуху (воздуху, да – корова ведь тоже дышать хочет)?

И главное – где все это размещать в отсеке экипажа?

Ага.

В отсеке.

Не в вакууме же. Животным те же условия нужны, практически, что и человеку.

Так что как думаете – 60 000 тонн – не слишком ли мало? (Корову в невесомости представили?)

Правда, ради экономии можно зайти с другой стороны…

Человеку в день нужно 5 килограмм (Пять, Карл, пять) – еды, воды и воздуха. Это давно посчитано (Опять же, можно погуглить. Материал не секретный).

На сто человек, соответственно – 500. Килограмм. В день.

В год – 182 500. Килограмм. Сто восемьдесят с половиной тонн.

На десять лет – 1 825 000 килограмм. И двух тысяч тонн нет. (Ну, запас карман не тянет – доводим до 2000: омары там, профитроли. Анчоусы :)). Так что, может, имеет смысл затариться консервами.

Это не еще дополнительно 60 000 на второе кольцо – с коровками и птичками.

Сами прикидывайте.

Я же пойду дальше (с замкнутой СЖО, с консервами –да пофиг – потом поймете почему).

Потому что – это все далеко еще не все! :) :) (А вы уже успокоились, да? :))

Потому что ко всей вот этой хрени (с которой мы сейчас попытаемся взлететь – как было сказано в анекдоте) предполагается то, что в фантастике называется «лобовая броня». Ага.Щит от встречных частиц. Когда самая мелкая песчинка при ударе на околосветовых скоростях срабатывает как артиллерийский снаряд. И чтобы эта броня выдерживала годы и десятилетия...

И чтобы прикрывала бублик диаметром 412 метров.

И не надо думать, что внутри бублика дырка. Потому что в этой дырке конструкторы обязательно что-нибудь разместят. Например – корпус трюма.

(Ага: где-то ведь надо будет кроме жилых отсеков размещать всякие вездеходы, вертолеты, буровые установки и прочие глайдеры. Бластеры. Ага. А кроме того – челноки для исследования планет, а? Десять лет летели, прилетели, посмотрели в иллюминатор и обратно улетели? А так, навскидку, термоядерный планетолет для полетов в планетной системе весит порядка тысячи тонн – не меньше. Правда горючки ему надо сущие копейки, но хотя бы пара таких «космических шлюпок» на звездолете должна быть. Минимум. Еще две тысячи тонн. Ну, на фоне 60 000 это ни о чем, но осадочек остается, да. Ибо размеры грузового отсека уже намекают, что мало весить он не будет – диаметр-то почти как у кольца. И внутри него чего только нет – включая бортовой завод для текущего ремонта. (Ну или сколько весит вполне обычная буровая установка (вы что – у другой звезды молотком хотите ограничиться? После того, как потратили полжизни, чтоб туда добраться?)… Впрочем, ладно. Это уже можно не нагнетать – по сравнению с лобовой броней все фигня.)

Да, так вот – вернемся к лобовой броне.

То есть – есть этакая блямба диаметром в полкилометра. Как тепловой экран у межпланетных станций. Шляпка гриба такая.

Считаем.

Объём цилиндра равен «пи эр в квадрате аш (высота)». И если радиус у нас двести пятьдесят, а высота, скажем, десять (это ничтожно мало, но больше брать я просто не решаюсь – кто хочет пусть сам посчитает), то получим 1 962 500 метров. Ну, не мелочась – 2 000 000. Кубических. И даже если щит этот будет из водяного льда (а есть такие варианты) то это ДВА МИЛЛИОНА ТОНН. Камень (про железо не говорю) будет сильно тяжелее. Потому что кубометр воды весит тонну. Бетон – в два с половиной раза. А если мы сделаем толщину в сто метров, объем вырастет до 20 000 000. Двадцать миллионов тонн минимум.

И уже одно это ставит крест на всех пилотируемых межзвездных экспедициях, потому что без лобового щита на субстветовых скоростях обойтись невозможно (даже если это будет массоприемник Бассарда – этот безумный по всем меркам вес сперва все равно потребуется разогнать).

Так что уже только по одной этой причине межзвездные автоматические станции рулят – они дешевле (Напомню о проекте АМС размером с почтовую марку с лазерным парусом, которую предположительно можно будет запустить к Проксиме во второй половине текущего века: сравните, оцените)

А дальше мы поймем, что это все вообще шелуха.

Глава 3 РАКЕТНАЯ ЧАСТЬ ЗВЕЗДОЛЕТА

Одним словом с полетами людей к звездам не особо – это понятно даже из подсчета массы ТОЛЬКО жилого отсека.

А есть еще и ракетная часть.

Которая и позволяет нам вычислить, сколько будет весить весь, так сказать, ракетный комплекс для полета к другим звездам. К Альфе Центавра или в принципе куда угодно – потому что на любую дистанцию полет будет происходить одним и тем же способом.

Год разгона с ускорением 1 «же» до субстветовой скорости – сколько-то лет (от расстояния до цели зависит) полета по инерции и год торможения с тем же 1 «же» (Надеюсь, понятно, почему с таким ускорением? И, тоже надеюсь, понятно, зачем нужно вертящееся кольцо в полкилометра диаметром?). И точно так же обратно.

По нормальным, серьезным расчетам там несколько не так все выходит – теория относительности Эйнштейна, замедление\ускорение времени в разных системах отсчета, все дела – но нам на пальцах без разницы.

Хотя можно, например, привести сроки этапов полета к Проксиме Центавра (в принципе то же, что и к Альфе) (Данные взяты из книги В. И. Левантовского «Механика космического полета в элементарном изложении» - действительно элементарно, буквально на пальцах, практически для чайников. Так что рекомендую. В тырнете есть.)

Этап Время в Земной системе отсчета Время в корабельной системе отсчета

На Земле На корабле На Земле На корабле

Разгон от Солнца 1,45 1,14 0,8 1,14

Полет по инерции 3,33 1,85 1,03 1,85

Торможение 1,45 1,14 4,40 1,14

У Проксимы 1,00 1,00 1,00 1,00

Разгон от Проксимы 1,45 1,14 4,40 1,14

Полет по инерции 3,33 1,85 1,03 1,85

Торможение 1,45 1,14 0,8 1,14

Полное время 13,46 9,26 13,46 9,26

От такая вот загогулина, да :)

Но, разумеется, это именно с субсветовой скоростью и именно и исключительно только на антивеществе – потому что Эйнштейн, как известно, еще более опасный сукин сын, чем Ньютон (может, они вообще братья :)) – согласно пресловутой формуле «Е равно эм-цэ-квадрат». О полном переходу вещества в энергию (то есть вообще-то вещество есть энергия, а энергия есть вещество. Эйнштейн, такой Эйнштейн).

И других вариантов нет. Потому что – ракета.

Сам же расчет достаточно прост.

Нет смысла приводить вывод формулы – у того же Левантовского есть для чайников - но в конечном виде выражение очень простое. И равно четвертой степени числа Циолковского «Z» для четырехступенчатой ракеты (При упрощенном расчете значение степени равно числу ступеней). Само же число «Z» равняется корню квадратному из частного от деления суммы скорости полета и скорости света на разность этих скоростей (для удобства расчета значения скоростей берутся от «с=1» и скорость полета в десятичных долях от скорости света (От единицы)) То есть, например, для скорости 250 000 – прославленной Ефремовым – то есть «пять шестых абсолютной) «z» будет равно: 1,83 (1+0,83 (те самые 5\6)) разделить на 0,17 (от единицы отнять ноль восемьдесят три) - после чего извлечь квадратный корень. Из 10, 7647. Получим 3,28 (что, вроде, нормально). Возведя которое в четвертую степень получим нужный нам коэффициент.

115,74

(Это реально совсем немного: для более высоких скоростей значения быстро уйдут за тысячу и дальше – наглядная демонстрация, что разгоняться до все большей и большей скорости, стремясь к световому барьеру, дело не то что дохлое, а именно стремящееся к бесконечности (масса потребного топлива))

Ну и в итоге, суммировав полученные ранее весА – 60 000, плюс чего там скоко СЖО, плюс планетолеты/вездеходы и прочая лабуда, плюс лобовая броня… С принятым нами запасом по лобовой броне можно смело считать вес «жилого отсека» в 2 000 000 тонн (Это, кстати, не запредельно – в морской нефтедобыче вполне сопоставимые объекты строят) – и тогда просто умножив эти два миллиона на полученный коэффициент…

Получим, да:

231 480 000

Это тонны, разумеется. Двести тридцать один миллион, четыреста восемьдесят тысяч тонн.

Для бОльшей наглядности и доходчивости я, пожалуй, изложу, как должны работать и сколько будут весить по отдельности все четыре ступени ракетной части звездолета. Поскольку в нашем упрощенном случае число «z» для всех ступеней одинаков (реально – не одинаково, но для нас тут не существенно), то будет у нас следующее.

а) Торможение при ВОЗВРАЩЕНИИ В Солнечную систему: 2 000 000 х 3,28 = 6 560 000 (Надеюсь, всем понятно, что вес собственно четвертой ракетной ступени - четыре с половиной миллиона тонн?)

б) Разгон от Центавра (да вообще откуда угодно – в случае межзвездных полетов это без разницы): 6 560 000 х 3,28 = 21 516 800. Ага.

в) Торможение при подлете к Проксиме (Альфе… К центавру, в общем): 21 516 800 х 3,28 = 70 575 104

г) Разгон от Солнечной системы: 70 575 104 х 3,28 = 231 486 341,12

(Расхождение в подсчетах даже на таком примитивном уровне можно видеть, а представьте, как нужно сводить цифры в реальной баллистике. Но в данном случае полученный другим способом результат совпадает с предыдущим почти идеально. Всем желающим как-то дополнительно убедиться в приводимых цифрах, рекомендую самим посчитать для, например, скоростей 0,9 С и 0,94 С. Даже подсказку дам: для 0,9 коэффициент будет 361, а для 0,94 уже 1043. Желаю всем успеха! :)

И, да: инженерно конструкция всегда так и считается – с заду на перед – потому что определяющим фактором является полезная нагрузка, она же «возвращаемая часть», она же «спускаемый аппарат». (Как сформулировал когда-то старик Лойола, а потом подтвердил старик Винер – «программирование ведется от результата» (с) :))

Сколько там весит Имперский Разрушитель? Бороздящий просторы Большого театра (с). Тыщ сто?

Стотонная АМС населенная роботами (с) в таком варианте потянет просто скромнейше – 11574 тонны. И это с возвращением! Если же возвращаться ей не надо (зачем?) то «z» возводить надо только в квадрат и тогда 3,28 превратится в 10,7558 (ну или изначальное 10, 7647 – в школьной арифметике это обычное дело :)), а умноженное на 100 – 1075,58. (А если и тормозиться не надо – в таком случае станция будет чисто пролетная – то 3,28 умножим на 100 и получим 328 тонн стартовой массы. Впрочем столько антивещества у нас все равно нет :) И еще очень долго не будет)

Да здравствуют роботы! – как провозглашал Урри из «Приключений Электроника» (из фильма)

Глава 4 ВРЕМЯ НА ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОКСИМЫ ЦЕНТАВРА

Да вообще – любой планетной системы, куда прилетят что люди, что роботы – без разницы.

Вот прилетает он, например, к Солнечной системе (допустим, это инопланетный звездолет, заявившийся к нам где-нибудь в эпоху динозавров («Звездные корабли», да). И-и!..

И не «и».

Скорость движения Земли по орбите – что-то 30 километров в секунду. (Ну или двадцать девять – не суть. Не помню). А орбитальная скорость на границе Системы – САНТИМЕТРЫ в секунду.

Показатели эти обусловлены «гравитационной ямой» - то есть силой солнечного притяжения. И, не вдаваясь в заумные подробности (разница скоростей же наглядна?) – должно быть сразу понятно, что никакой звездолет внутрь планетной системы не полезет. (После разгона от Солнца и торможения у цели он весит, напомним , двадцать один миллион тонн. С этой массой спускаться в гравитационный колодец, а потом из него выкарабкиваться? Сколько времени это займет? И энергии)

Ага.

Об этом и речь: сколько времени экспедиция должна пробыть в другой планетной системе?

В приведенных мной расчетах из книги Левантовского указано «год» - и это вообще стандартная цифра для всех таких вычислений. Считается, что года, якобы, достаточно. Я не знаю, из чего в этих расчетах исходили – видимо из того, что раз звездолет так быстр, то он и между планетами может рассекать с аналогичной скоростью. И преспокойно садиться на планеты, а потом с них взлетать, после чего без проблем усвистеть домой, на Землю… При массе в двадцать один миллион тонн, да… (Почему-то все эти энтузиасты звездоплавания, проводившие расчеты перелетов, нисколько не озаботились посчитать вес звездолета (Ну, кроме вот Левантовского, которого всем рекомендую))

В общем, не полезет межзвездный корабль внутрь планетной системы. Ему проще «прострелить» ее автоматическими зондами (выпущенными еще до окончания торможения) чтобы они пролетели систему быстро. И уже на основе полученных от них данных строить порядок исследовательских работ.

Для которых на борту (в трюме) звездолета находятся, как уже отмечалось, не меньше двух термоядерных планетолетов (Рекомендую статью Цитадели Адеквата на Дзене «Термоядерный двигатель позволяющий выйти из «колыбели»» - там про это наглядно написано. И просто). А реально наверняка больше: ну сами попробуйте представить, сколько планет нужно посетить звездолетчикам, прилетевшим к нам? Что, по очереди ко всем летать? Ну вот – от Земли до Нептуна в лучшем случае 80 дней (А так-то – год. Ага. На термояде) А так-то – через всю систему – полгода как с куста.

И да – пока не забыл: термоядерные планетолеты сами садиться на планеты не могут. Каждый такой планетолет это труба в несколько сот метров, представляющая собой, по сути, один сплошной двигатель. К которому при необходимости можно привесить несколько тысяч тонн груза. В числе которого будут собственно, челночные корабли для высадки на планету. Тоже не меньше двух, как можно догадаться.

И у каждой планеты (на каждой, если что – не забываем – мы сюда десять лет летели) сколько времени надо пробыть для исследований? Даже если всего лишь по месяцу (что абсолютно анриал) то и тогда год понадобится (это без учета времени внутрисистемных перелетов; если для пути «туда-обратно» уйдет по полгода в одну строну, то, значит, в сумме – год. Для того, чтобы месяц потолкаться у планеты?? Вы издеваетесь?) Так что не ошибусь, если абсолютно с потолка назову срок для исследования другой системы в десять лет (Ну – это минимум). А учитывая, сколько реально занимают, например, геологические изыскания сейчас… Только геологические! А надо ведь будет комплексно исследовать?

В общем, реально у меня такое ощущение, что возвращаться такой пилотируемой экспедиции обратно на Землю не надо – во всяком случае с тем же экипажем. Потому что много работы требуется проделать в другой звездной системе.

И надо еще заметить, что десять лет – это к Центавру. К другим звездам – больше. Причем чем дальше – тем сильно больше.

И да – все вышесказанное в полной мере относится и к инопланетянам, не только к людям.

ИСТОЧНИКИ И ЛИТЕРАТУРА

1. Статья Алексея Кочетова на Дзене «Реальная фантастика: искусственная гравитация»

2. Статья Цитадели Адеквата (Он же Игорь Край) на Дзене «Термоядерный двигатель позволяющий выйти из «колыбели»»

3. В. И. Левантовский «Механика космического полета в элементарном изложении»

4. Статья Алексея Кочеткова на Дзене "Когда человечество станет цивилизацией ПЕРВОГО типа по Шкале Кардашёва?"

5. Доклад лаборатории "Инверсор" номер 83 "Космический корабль, разрушающий пространство" https://www.testpilot.ru/espace/bibl/tm/1983/11-kk.html

6. Интернет :)