[Из песочницы] Почему стелс в космосе все-таки есть
Привет, Хабр! В этой статье я хочу рассмотреть тему пока что не слишком актуальную в реальности, но будоражащую умы многих любителей (и, если можно так сказать) профессионалов научной фантастики — способы спрятаться в космосе при условии использования технологий исключительно обозримого будущего.
В гик-среде существует расхожее мнение о том что в сколько-нибудь реалистичном научно-фантастическом сеттинге стелса в космосе быть не может. Проблема в том что как только мы соберемся делать игру или писать книгу с претензией на реалистичность, то есть (по распространенному мнению) без стелса в космосе, выяснится что воевать без этого стелса несколько проблематично — оба участника сражения заранее могут просчитать его исход ибо игра-то с полной информацией. Это вынуждает игроделов либо делать KSP с пушками, либо уходить в космооперу, а писателей — писать не собственно научно-фантастические боевики, а шпионские романы, либо опять уходить в космооперу.
И так, без стелса в космосе плохо. Но может быть он там все-таки есть? Ведь статья на «Атомных ракетах» по определению не является истиной в последней инстанции, а практического опыта космической войны у нас пока еще нет.
Против стелса в космосе говорят следующие факты объективной реальности:
- Вакуум обладает максимальной возможной прозрачностью.
- Фон либо имеет температуру 4 К (реликтовое излучение), либо предсказуем (звезды).
- Корабль неизбежно излучает тепло произведенное внутри него и отражает, либо переизлучает солнечный свет. Особенно когда маневрирует.
- Чувствительности современных телескопов достаточно чтобы сделать снимок «Вояджера» за орбитой Плутона в ИК-диапазоне.
И что же мы можем с этим сделать? Ответ под катом.
Договоримся о терминах
Под стелсом мы будем понимать невозможность идентификации объекта как представляющего угрозу до подхода к нему наших разведчиков на дистанцию одного порядка с дистанцией огневого контакта. Потому что одно дело когда за марсианским флотом земляне могут следить в околоземные телескопы на дистанции в сотни километров, а совсем другое — посылать для того же самого к Марсу зонды-шпионы, которые могут и сбить, как в реальности сбивали разведывательные стратостаты и сбивают развед-БПЛА.
Кручу-верчу запутать хочу
В статье «Атомных ракет» утверждается что ложные цели работать не будут, но аргументы приводятся мягко говоря слабые и не подкрепленные расчетами:
- Ложная цель должна излучать аналогично истинной цели. Это значит что на ней должен стоять тот же источник энергии, что и на прикрываемом объекте.
- Чтобы работать во время ускорения, ЛЦ должна иметь ту же массу и ДУ что и реальный корабль — иначе ускорение и излучение двигателей не будут соответствовать друг-другу.
- Из выше написанного делается вывод о том что ложная цель будет практически неотличима от истинной по цене. Что странно ибо уже сейчас полезная нагрузка может быть на порядок дороже выводящей ее на целевую орбиту ракеты. В будущем с колонизацией Солнечной системы, очевидно, ракеты должны быть значительно дешевле чем сегодня, а вот все остальное — совсем не обязательно.
Рассмотрим на конкретном примере. Допустим у Илона Маска все получилось с BFR и к середине XXI века Луна и Марс уже колонизированы и не совсем любят друг-друга и/или Землю. Допустим так же что принципиальных прорывов в ракетостроении не случилось и основной межпланетный транспорт — нечто вроде ITS из презентации 2016 года (т.е. результат модернизаций той самой BFR). Основное средство войны, соответственно — тот же ITS, но нагруженный различными средствами нанесения добра и света марсианским сепаратистам либо зажравшимся землянам соответственно.
Допустим средств несения добра в один ITS влезет около 150 тонн. Хотя планировалась 450 тонн, причем для отлета с околоземной орбиты к Марсу. Жертвуя характеристической скоростью и выбирая соответствующее место базирования (точки Лагранжа, окололунная орбита, вытянутые эллиптические) можно повысить грузоподъемность и до тысячи тонн. Но для оценки с верху возьмем самый пессимистичный случай.
Мирный марсианский трактор транспортник выводит боевую платформу на боевой курс
Цена орбитального блока ITS оценивается в $ 130 миллионов за танкер и $ 200 млн. за корабль. Будем считать что собственно оружия в корабль помещается 150 тонн, против 300 тонн ожидаемой грузоподъемности — нам нужно место еще и под вспомогательные системы. Танкер можно сделать неотличимым от корабля в любой возможный телескоп — достаточно поставить на танкер солнечные батареи, а у корабля не делать знаменитого прозрачного окна — ни то ни другое явно не тянет на 70 миллионов долларов разницы (обусловленной более сложной конструкцией корабля по сравнению с транспортником). Но даже если вдруг тянет, разница в 70 миллионов не принципиальна на фоне цен на военную технику. Так сотня ракет SM-3 (ближайших существующих аналогов ракет космос-космос) при массе 150 тонн обойдется в 1 миллиард 840 миллионов долларов. Конечно, ракетам нужна система наведения, но телескоп вроде «Кеплера» весит несколько тонн, при стоимости порядка сотен миллионов долларов.
Но, допустим, мы хотим вооружить наш боевой корабль не одноразовыми ракетами, а потенциально-многоразовыми дронами или пилотируемыми истребителями. В качестве оружия для нашего истребителя возьмем кинетическую пушку «Вулкан-Фаланкс». Просто потому что лазерных сколько-нибудь серийно еще не выпускают, да и вряд ли их цена будет отличаться в меньшую сторону. 13 миллионов долларов только за 5-тонную пушку. Предположим что пятитонный ракетный блок для перемещения нашей пушки в будущем будет стоить не 20 миллионов как сейчас, а всего 2 за счет серийности, 15 десятитонных истребителей будут стоить $ 225 миллионов — уже сравнимо с ценой ITS.
Вот только 200 миллионов — это при условии что мы покупаем новый ITS с верфей. Что совсем не обязательно — для работы ложной целью можно и нужно брать подержанный корабль уже успевший окупить свое производство таская мирные грузы. Для заправщика планируется кратность в 100 полетов, для межпланетного корабля — 12 (разница обусловлена длительностью межпланетного перелета), так что цена $ 20 миллионов для добровольно-принудительной скупки кораблей в состоянии «один полет до списания» выглядит вполне справедливой и не вызывающей у судовладельца желания напакостить родному MCRN. А $ 20 миллионов — это чуть дороже чем одна (!!!) ракета «космос-космос» и сравнимо с ценой одного истребителя.
Очень теоретически разведка противника может отслеживать «индивидуальные особенности спектра излучения» корабля. Но даже в такой (как будет показано ниже, фантастической) ситуации есть возможность устроить «космический наперсток» используя подержанные корабли и как носители вооружения (а на какой из кораблей загружены ракет и дроны противнику знать совсем не обязательно). Да, Космофлот летающий исключительно на подержанных кораблях выглядит шаблонорвуще —, но борцам за независимость колоний во все времена приходилось вертеться.
Причем это вовсе не маскировка под мирный корабль, которая могла бы иметь негативные дипломатические последствия. Космофлот честно скупает покупает подержанные корабли, просто не признается в каком из кораблей он везет ракеты и дроны, а не балласт.
Выше описанное справедливо пожалуй для любого реалистичного сценария межпланетного конфликта в ближайшем будущем. Чтобы конфликтовать в космосе — нужно его в начале колонизировать. А для этого нужен дешевый межпланетный транспорт. И если военные этим транспортом не пользуются из принципа — это уже не законов природы проблемы, а исключительно тех самых военных. Кроме того, метод «космического наперстка» рассчитан на то что противник разглядывает любое наше корыто в очень мультиспектральную камеру да еще и с качеством минимум 4К и потому имитатор должен иметь те же форму, размеры и двигатели что и имитируемый. Но такой сценарий на самом деле сомнителен.
Дифракция
Теоретический предел углового разрешения любого телескопа оисывается очень простой формулой
$$display$$R = D/lam$$display$$
где R — минимальное угловое разрешение в радианах, D — апертура в метрах, lam — рабочая длинна волны в них же. Для очень малых углов R можно считать отношением расстояния до наблюдаемого объекта к минимально-различимому расстоянию на нем. Легко убедится что для метровой апертуры и микрометровой длины волны (ближний ИК) пространственное разрешение на тысяче километров будет всего метр. Ну, а если мы попробуем посмотреть в аналогичный телескоп на сотню миллионов километров (расстояние между Марсом и Землей в момент не великого противостояния) — будем иметь пиксель размером в 100 километров. Либо нам понадобится чудо-телескоп со стокилометровым зеркалом чтобы сохранить разрешающую способность в один метр.
Эта штука имеет всего-то 130-метровую апертуру
Многие читатели тут же подумали об оптических интерферометрах. Да у них в формуле для пространственного разрешения вместо апертуры будет длина плеча. Вот только ту длину плеча нужно выдерживать с погрешностью меньшей половины рабочей длинны волны. Так что вариант «просто взять два космических телескопа» не подходит — плече должно быть жестким. Но даже жесткое плече при длине в сотню километров будет «гулять» из-за неравномерности тепловых нагрузок. По той же причине ни чего не выйдет из идеи тонкопленочного стокилометрового зеркала.
Кроме того, решив сэкономить на площади зеркала мы сэкономим и на светочувствительности. А экономить на ней нельзя. На расстоянии в те же 100 миллионов километров объект сферически-симметрично излучающий на длине волны 1 микрон с мощностью в 1 МВт даст 80 фотонов на квадратный метр в секунду. Еще раз, восемьдесят фотонов. Для получения сколько-нибудь внятного изображения потребуется либо повышать выдержку до нескольких сотен секунд, либо увеличивать площадь. И это при условии что матрица улавливает отдельные фотоны.
Церера с точки зрения телескопа им. Хаббла. Ширина пикселя — 30 километров
И так. Для наблюдения за кораблем противника на межпланетных дистанциях нам нужен монструозный интерферометр с зеркалами в десятки метров, как минимум километровым жестким плечом и сверхчувствительной матрицей охлажденной до почти абсолютного нуля. И это чудо техники все равно ни чего не сможет сделать с тактикой «космического наперстка». И не только.
Частицы Миновского, боевой уровень!
«Космический наперсток» был основан на том что ни один телескоп не сможет заглянуть под обшивку межпланетного корабля. Но что если вместо трюма или грузового контейнера с его не таким уж и большим объемом использовать большой тонкопленочный мешок облако сажи или пыли? В результате у разведки противника будет информация о наличии в космосе десятков искусственных пылевых туманностей, но вот информации об их содержимом не будет до тех пор пока кто-нибудь не прочешет каждую туманность физически.
Допустим размер частицы сажи в нашем облаке — 10 микрон. Отношение масса/поперечное сечение частицы будет около 20 грамм на квадратный метр. На околоземной орбите давление солнечного света на черную поверхность составляет 5.6 мкН/м2. Таким образом вблизи Земли солнечный свет будет смещать нашу дымовую завесу с ускорением 0.2 миллиметра в секунду за секунду, что вполне реально компенсировать работой двигателей скрывающегося флота.
Нечто подобное использовалось в «Гандаме» цитата из которой взята в качестве названия раздела. С той лишь разницей что там в качестве дымовой завесы использовалась холодная плазма из экзотических элементарных частиц, которая была совсем уж невесомая, вырабатывалась термоядерными реакторами кораблей в почти неограниченном количестве и наконец скрывала еще и от радаров. Сажа против радаров бесполезна, но против них есть и другие средства. А вот масса сажи может стать проблемой.
Двадцать грамм на квадратный метр при переходе к квадратному километру превращаются в двадцать тонн. Допустим мы хотим засыпать сажей сферу диаметром 20 километров так чтобы искомая поверхностная плотность достигалась на глубине 1 километр при условии равномерного распределения частиц. Т.е. при плотности сажи 20 тонны на кубокилометр. Нам понадобится чуть менее 84 килотонн сажи. Много? Ну как сказать — близкое количество углерода содержится в астероиде С-класса со средним диаметром 20 метров. Так что для прикрытия базы флота на тех самых астероидах либо возле их данный способ вполне годится.
Матильда — типичный астероид C-класса
Тактический стелс
И так, мы прилетели к планете противника когда он нас не ждал используя «наперсток», либо искусственные кометы. А что дальше?
Во-первых все та же сажа. Для постановки локальных пылевых завес протяженностью в несколько километров вполне достаточно порядка сотни тонн сажи — как раз влезет в игравший роль ложной цели транспортник. Но в данной ситуации возможен уже и «настоящий» стелс — полная невидимость для систем обнаружения противника. Дело в том что от противника нас отделяют уже не месяцы полета, а десятки часов, так что мы можем вообще не излучать за счет сброса тепла в водородный снег.
Представим себе очень корабль на носу которого находится черный-черный бак с твердым водородом. Удельная теплота плавления водорода — 59 кДж/кг. Солнечная постоянная на околоземной орбите — 1367 Вт/м2. Итого бак длинной 14.3 метра (длина с учетом места под растаявший водород) повернутый торцом к Солнцу (т.е. имеющий тонну водорода на метр освещаемой поверхности) будет поглощать солнечный свет сохраняя температуру плавления того водорода чуть менее 12 часов. Тепло генерируемое экипажем и системами корабля? Их вкладом можно пренебречь ибо тому же «Союзу» хватает киловатта на экипаж из трех человек.
Конечно, данный способ сокрытия корабля работает только во время баллистического полета. Но маневр выхода на цель можно и нужно проводить под прикрытием все той же сажи.
Стелс-истребитель построенный по данной технологии с использованием жидкостных двигателей может иметь следующие характеристики:
Диаметр — 2 метра
Длина — 25 метров из которых:
Водородный бак — 14.3 метров
Кислородный — 6 метров.
Ракетный двигатель — 1 метр.
Отсек управления и вооружения — 3.7 метров.
Экипаж — 0–1 человек.
Масса топлива — 22 тонны.
Масса баков и двигателя — 3 тонны (ракеты).
Масса отсека управления — 2 тонн.
Масса оружия — 3 тонны.
Масса начальная — 30/27 тонн (с оружием и без).
Масса конечная — 8/5 тонн.
Скорость истечения — 4.3 км/с
Дельта-Вэ без оружия — 7.25 км/с
Тактика применения — выйти из грузового отсека зафрахтованного космолета в «междунородном пространстве» под прикрытием дымзавесы, довернуть до цели сбрасываемыми ускоритеями, подкрасться, запустить ракеты и уйти уже без лишних хитростей.
А теперь истребитель на ядерной тяге:
Диаметр — 2 метра
Длина — 20 метров из которых:
Водородный бак — 14.3 метров
ЯРД с биозащитой — 2 метра.
Отсек управления и вооружения — 3.7 метров.
Экипаж — 0–1 человек.
Масса рабочего тела — 3.14 тонны.
Масса баков и двигателя — 4 тонны.
Масса отсека управления — 2 тонн.
Масса оружия — 3 тонны.
Масса начальная — 12.14/9.14 тонн (с оружием и без).
Масса конечная — 9/6 тонн (с оружием и без).
Скорость истечения — 9 км/с
Дельта-Вэ без оружия — 3.78 км/с
Сухая масса увеличилась на тонну для учета биологической защиты. Дельта-Вэ просела поскольку удельный импульс твердофазного ЯРД не компенсировал драматическое уменьшение реактивной массы и добавление биологической защиты.
Очевидно что такой стелс-истребитель сможет эффективно атаковать только малоподвижные цели. Например, многокилометровые интерферометры дальнего космического обнаружения.
