Космические путешествия

Хотя двигатель Эпштейна снял часть ограничений космических перелётов и открыл человечеству всю Солнечную систему, это всё ещё очень далеко от старых фантазий о кораблях, способных просто «прыгнуть» из точки в точку, не считаясь с законами физики и движением всех небесных тел.

Этот раздел даёт краткую сводку факторов, которые должны учитывать корабли (и их пилоты и навигаторы). Это справочная информация для вдохновения вашей игры по Пространству, а не попытка утопить её в избыточной технике. Большая часть перелётов в ходе кампании обычно разыгрывается как интерлюдия (см. Интерлюдии в гл. 1 и 5), чтобы быстрее перейти к ключевым событиям истории.

Движение

Понимание космических путешествий начинается с движения: того, как объекты перемещаются во Вселенной. Есть две ключевые величины:

• скорость (насколько быстро объект движется);
• относительная скорость (насколько быстро он движется относительно другого объекта).

Если вы стоите на планете или луне, относительно поверхности под ногами вы «неподвижны», но в космосе вы все равно движетесь. Небесное тело под вами:

• вращается вокруг своей оси;
• может обращаться вокруг планеты;
• обращается вокруг звезды.

И есть еще два уровня движения:

• звезда движется вокруг центра галактики;
• галактика удаляется от других галактик.

Последние два обычно не важны, если вы не планируете межзвездные или межгалактические путешествия.

Пример для человека, стоящего на Земле (в км/с):

• 0.46 км/с из-за вращения Земли;
• 30 км/с относительно Солнца (орбитальное движение);
• 230 км/с относительно центра галактики;
• 600 км/с относительно других галактик (приблизительно).

Скорость

Когда вы стоите на месте, ваша относительная скорость равна 0 м/с. Любое перемещение, включая космическое, требует изменения скорости: Δv («дельта-ви»).

Скорость меняется при приложении силы. Простейшие примеры: шаг вперед или разгон автомобиля.

В космосе все то же самое, и при старте с поверхности, и при маневрировании в вакууме. Для выхода с поверхности Земли на низкую околоземную орбиту нужно примерно 9 400 м/с Δv. Чтобы с низкой орбиты Земли перехватить Луну, требуется еще 3 260 м/с Δv.

Можно считать Δv «стоимостью» любого маневра в космосе. Платите вы ее приложенной силой, обычно тягой двигателя.

Тяга и масса

Хотя требуемое Δv для конкретного маневра постоянно, нужная для этого тяга зависит от массы объекта. Чем больше масса, тем выше нужна тяга для того же Δv.

Крошечный спутник связи сдвинуть гораздо проще, чем огромную орбитальную станцию. Снижение массы при той же тяге помогает ускорить корабль, которому нужно разгоняться быстрее обычного.

Гравитация массы, вращения и тяги

Три причины, по которым у масс появляется «вес»:

• гравитация крупных тел (планет и т.п.): гравитация массы (mass gravity);
• центробежная сила вращающихся объектов (станций): гравитация вращения (spin gravity);
• инерция разгоняющегося корабля: тяговая гравитация (thrust gravity).

Гравитация массы тянет к центру массы: на поверхности планеты вес стабилен и определяется её массой.

Гравитация вращения тянет от центра вращения наружу: на станции «вниз» направлен от оси, в сторону от центра.

Тяговая гравитация направлена противоположно тяге: на разгоняющемся корабле «вниз», к двигателю, то есть против направления движения.

Все эти величины обычно описываются в g, единицах земной гравитации. Например:

• планетоид или станция могут давать всего 0.3 g (меньше трети земного веса);
• корабль на жестком разгоне может создавать 6 g и больше.

Тогда человек, весящий 80 кг на Земле, будет ощущать нагрузку как 480 кг (почти полтонны).

Ракетная техника и двигатель Эпштейна

До появления двигателя Эпштейна космические перелёты требовали огромного количества топлива для получения нужной тяги и Δv. Будь то классическая ракета, ионный или ядерный двигатель, корабль должен был нести запас топлива и расходовать его по мере работы двигателей.

Это приводило к тому, что физики называют «тиранией ракетного уравнения», одному из главных ограничений доэпштейновой эпохи:

• больше масса: нужно больше топлива;
• больше топлива: больше масса;
• больше масса: снова нужна больше тяги;
• и так по кругу, пока наращивание двигателей и топлива не становится неэффективным для крупных кораблей.

Двигатель Эпштейна изменил всё. Это модифицированный термоядерный реактор, способный давать почти неограниченную тягу без чудовищных запасов топлива. Масса кораблей резко снизилась, а «тирания ракетного уравнения» фактически исчезла.

Именно широкое внедрение двигателя Эпштейна по-настоящему открыло Систему: теперь корабли почти любого размера могут набрать нужное Δv для перелёта и маневров к любой цели, от орбиты Солнца до Плутона.

— Ну, люди, мы вернулись и, если никто не возражает, через тридцать секунд даем тягу. Все готовы набрать вес?
— Джеймс С. А. Кори, «Война Калибана»

Запуск ракет

Даже после появления двигателя Эпштейна подъёмные двигатели и топливные ракеты остаются основным способом выводить объекты на орбиту с планет, лун и астероидов Пояса. Полезно понимать несколько основ запуска и немного терминологии орбитального маневрирования.

Ракета начинает старт строго «вверх», от центра гравитации. Атмосфера планет и лун редеет экспоненциально с высотой, поэтому прямой подъём до скорости, близкой к скорости звука (около 320 м/с на Земле), даёт максимум тяги при минимальном сопротивлении.

Около 320 м/с (на малых телах без атмосферы, гораздо меньше) большинство запусков переходят к гравитационному развороту (gravity turn): ракета наклоняется в сторону вращения тела под ней.

Это добавляет к скорости ракеты скорость вращения поверхности и снижает необходимое Δv. Тяга продолжает уже имеющееся движение, как если бросать мяч из окна движущегося автомобиля по ходу движения.

Апоапсис и периапсис

У любой орбиты есть две ключевые точки: высоты над поверхностью тела, вокруг которого вы обращаетесь:

• апоапсис: самая высокая (дальняя) точка;
• периапсис: самая низкая (ближняя) точка.

Пример почти круговой орбиты вокруг Земли:

• апоапсис (apogee): 300 км;
• периапсис (perigee): 280 км.

По мере старта апоапсис растёт вместе со скоростью, которую набирает тяга: чем быстрее ракета, тем выше поднимется. Апоапсис: точка, где сила гравитации превосходит скорость и подъём сменяется падением.

Когда импульса хватает, чтобы достичь нужного апоапсиса, разгон прекращают. Дальше корабль идёт по инерции, хотя из‑за атмосферного сопротивления (и снижения скорости) могут понадобиться короткие корректирующие импульсы, в зависимости от конструкции.

Циркуляризация орбиты

Самый эффективный (и точный) способ изменить апоапсис или периапсис: выполнить импульс в противоположной точке орбиты.

В нашем примере апоапсис уже около 300 км, но периапсис всё ещё у поверхности. Без дополнительного импульса корабль просто уйдёт по баллистической дуге и вернётся вниз, с апоапсисом в самой высокой точке.

Чтобы поднять периапсис (сейчас 0 м), нужен импульс в апоапсисе. Это импульс циркуляризации (circularization burn): он делает орбиту круговой.

Выход на орбиту похож на шутку великого философа XX века о полёте: «броситься к земле и промахнуться». Достигнув апоапсиса, корабль тратит оставшееся Δv на орбитальную скорость, достаточную, чтобы гравитация не вернула его на поверхность. После этого он постоянно «промахивается» мимо земли, потому что летит слишком быстро.

Орбитальная терминология

Апоапсис и периапсис: общие термины для орбит вокруг любого центра масс. У некоторых тел есть более узкие суффиксы для приставок apo- и peri-; ими пилоты и физики описывают манёвры короче:

Относительно	Суффикс
Солнце	-helion
Меркурий	-hermion
Венера	-cytherion
Земля	-gee
Луна	-cynthion
Марс	-areion
Юпитер	-jove
Сатурн	-krone
Уран	-uranion
Нептун	-poseidon
Плутон	-hadion
Другие звёзды	-astron
Галактики	-galacticon

Примечание: переходы Гомана

Базовый способ перехода между небесными телами, переход Гомана, перевод с одной круговой орбиты на другую.

Если корабль на орбите Земли хочет перехватить Луну, он ждёт нужной фазы и выполняет проградный импульс, поднимая апоапсис до лунной орбиты. При правильном тайминге встреча произойдёт в новом апоапсисе.

До эпохи двигателя Эпштейна почти все перелёты в Системе строились на этом: от стыковок до перехвата астероидов и маршрутов вроде Земля–Нептун.

Сейчас переход Гомана в основном используют для переходов между более высокими и низкими орбитами вокруг одного тела (например, с Луны к станции-спутнику).

Более хитрые персонажи могут использовать орбиты перехода Гомана, чтобы «метать» массивные объекты в орбитальные цели. Даже 50-метровый астероид на такой траектории часто обнаруживают слишком поздно, и он наносит колоссальный ущерб.

Проград и ретроград

У корабля есть два базовых направления импульса:

• проград (prograde): по направлению орбитального движения;
• ретроград (retrograde): против него.

Нажать газ в машине: аналог проградного импульса; попытаться разогнаться «назад», пока машина откатывается, аналог ретроградного.

В нашем примере запуска корабль выводит орбиту на круг проградным импульсом. Проградный импульс у апоапсиса повышает периапсис и увеличивает орбитальную скорость.

Ретроградный импульс у апоапсиса, наоборот, понижает периапсис: так выполняют сход и посадку. Чтобы менять апоапсис, жгут у периапсиса.

Запуск, по сути, это проградный импульс с периапсисом 0 м. Ретроградный импульс у периапсиса снижает апоапсис: так обычно выполняют захват у планеты и выход на круговую орбиту при перелётах между телами.

Брахистохронные траектории и жёсткие разгоны

После снятия Δv-ограничений благодаря двигателю Эпштейна кораблям больше не нужно полагаться только на переходы Гомана.

Теперь они могут:

1. постоянно ускоряться проградно;
2. развернуться;
3. тормозить ретроградно.

Это траектория брахистохроны (от греч. «кратчайшее время»). Обычно она получается изогнутой, поскольку использует солнечную гравитацию для дополнительного разгона.

Время перелёта по брахистохроне зависит от:

• дистанции;
• ускорения корабля.

Чем выше ускорение, тем меньше время, но большие g-перегрузки крайне опасны для человека. Амортизационные кресла и фармакологические коктейли вроде «сока» снижают вред, но не устраняют его полностью.

Преимущество брахистохрон: до разворота и торможения конечную цель курса сложнее точно вычислить. Хотя тормозной импульс обычно рассчитывают заранее, опытный пилот может выполнять его «на лету».

Торможение не обязано идти с тем же ускорением, что и разгон. Поэтому корабль может резко развернуться и оттормозиться с большим g, чтобы сорвать сопровождение или внезапно изменить тактику.

Примечание: тяговооружённость (TWR)

Ускорение корабля ограничено мощностью его двигателя и его текущим весом.

Важно: вес (в отличие от массы) меняется в зависимости от гравитации рядом с кораблём. Один и тот же корабль «весит» больше на стартовой площадке Земли, чем на орбите.

Двигатель имеет верхний предел тяги. Чем больше вес в конкретной точке, тем больше тяги требуется для движения. Это и есть тяговооруженность (TWR, thrust-to-weight ratio).

Чем ниже TWR, тем дольше разгон и торможение. Например:

• 500-тонный военный корвет может пройти путь с Земли на Юпитер за 6 суток;
• тот же путь с тем же приводом для полностью загруженного 5 000-тонного грузовика может занять 6 месяцев.

Для старта с поверхности TWR должен быть больше 1.0. Иначе корабль просто останется на площадке и сгорит в тяге.

Классический саботаж старта: увеличить вес корабля или снизить тягу двигателей так, чтобы TWR упал ниже порога взлёта.

Сферы влияния

Каждый объект имеет собственное гравитационное поле, зависящее от массы. Чем массивнее объект, тем сильнее его притяжение.

Если корабль находится под влиянием гравитации объекта, он в его сфере влияния (SOI).

Любой спутник автоматически в SOI более крупного тела. За пределами SOI стабильная орбита вокруг этого объекта невозможна.

Обычно скорость измеряют относительно ближайшего SOI. Если корабль летит к Луне, до входа в лунный SOI его скорость учитывают относительно Земли; после входа, относительно Луны.

Все тела в Системе находятся в сфере влияния Солнца, поэтому все обращаются вокруг него. Но у каждой планеты, карликовой планеты, объекта пояса Койпера, кометы, станции и астероида есть собственная SOI.

Корабль может одновременно:

• быть в SOI станции, орбитируя её;
• при этом в SOI Ганимеда;
• при этом в SOI Юпитера;
• и одновременно в SOI Солнца.

Курс к звёздам

Перелетаете ли вы с Ганимеда на Европу или с Марса к Нептуну, принцип один:

1. строите брахистохрону, чтобы апоапсис встретил SOI цели;
2. входите в сферу влияния;
3. выполняете импульс захвата (capture burn).

Без импульса захвата корабль просто пролетит мимо: его скорость будет выше второй космической.

Чтобы войти на орбиту, нужен импульс захвата, переводящий орбиту целиком внутрь SOI цели.

Именно в этот момент становится ясно: корабль только «пролетает» мимо объекта или действительно собирается вставать на орбиту.

С точки зрения орбитальной механики вы переводите апоапсис из точки вне SOI в точку внутри SOI. Простейший путь, проградный импульс у периапсиса: скорость падает, и гравитация цели «захватывает» корабль.

Такие маневры могут быть экстремально тяжелыми, особенно при попытке «скрытного» входа на орбиту.

Опытный пилот может почти совместить тормозной импульс с импульсом захвата, но требования по тяге при этом очень высокие и зависят от скорости сближения.

Атмосферу тоже используют для аэроторможения, уменьшая необходимую тягу для орбитального захвата.

Любое тело с атмосферой годится, но чем она плотнее, тем выше термические и механические нагрузки. Некоторые корабли несут огромные надувные теплозащитные экраны специально для таких маневров.

Даже при аэроторможении кораблю обычно все равно нужен импульс захвата, просто короче и мягче по Δv.

Лучшие пилоты утверждают, что могут аэротормозить даже в атмосферах газовых и ледяных гигантов, но из-за непредсказуемой структуры таких атмосфер это один из самых опасных маневров в профессии.

Связь в Системе и время перелётов

Одна из немногих абсолютных констант Вселенной: скорость света.

Будь то радиопередача или узколучевой лазер (tight-beam), сигнал идёт со скоростью примерно 300 000 км/с.

На практике сообщение может идти дольше:

• приёмник ждёт потерянные пакеты и их дубликаты;
• сообщение стоит в очереди на релейной станции узколучевой связи;
• передаётся по этапам через ретрансляторы.

Если между Землей и Церерой 15 световых минут, это не означает «15 минут на разговор». Это означает:

• 15 минут на вопрос («Как ты?»);
• ещё 15 минут на ответ («Нормально, спасибо»).

Диалог в реальном времени с чередованием реплик может растянуться на часы и дни. Поэтому обычно пересылают записанные сообщения, а не пытаются вести «живой» разговор, если только задержка не исчисляется секундами.

Время перелёта кораблей ещё более изменчиво: расстояния между планетами, планетоидами и станциями постоянно меняются по мере движения по орбитам.

Например, Юпитер и Сатурн могут быть как на 4.3 а.е. (примерно 643 млн км), так и больше чем в 2 млрд км друг от друга, если окажутся по разные стороны Солнца.

На время влияет и среднее ускорение корабля. «Сок» помогает переживать длительные перегрузки (включая торможение после разворота на середине пути), но экстренные маневры могут проходить на куда больших g.

Корабли с хрупким грузом или пассажирами без опыта космических перелётов обычно идут заметно медленнее.

Ниже даны таблицы для справки:

• Таблица 1: средние расстояния между точками Системы в а.е. (1 а.е. ≈ 150 млн км);
• Таблица 2: среднее время задержки связи между теми же точками;
• Таблицы 3A–3D: среднее время перелёта при разных ускорениях.

Это ориентиры, а не жёсткие рамки для вашей истории. На связь и транзит влияет множество факторов. Смело корректируйте цифры под сюжет вашей кампании.

Таблица 1: средние расстояния между локациями (в а.е.)

	MERCURY	VENUS	EARTH	MARS	CERES	JUPITER	SATURN	URANUS	NEPTUNE	PLUTO
MERCURY	0	0.33	0.61	1.13	2.38	4.81	9.15	18.75	29.67	39.14
VENUS	0.33	0	0.28	0.8	2.04	4.48	8.82	18.42	29.34	38.81
EARTH	0.61	0.28	0	0.52	1.77	4.2	8.54	18.14	29.06	38.53
MARS	1.13	0.8	0.52	0	1.24	3.68	8.02	17.62	28.54	38.01
CERES	2.38	2.04	1.77	1.24	0	2.44	6.79	16.42	27.34	36.76
JUPITER	4.81	4.48	4.2	3.68	2.44	0	4.34	13.94	24.86	34.33
SATURN	9.15	8.82	8.54	8.02	6.79	4.34	0	9.6	20.52	29.97
URANUS	18.75	18.42	18.14	17.62	16.42	13.94	9.6	0	10.92	20.34
NEPTUNE	29.67	29.34	29.06	28.54	27.34	24.86	20.52	10.92	0	9.42
PLUTO	39.14	38.81	38.53	38.01	36.76	34.33	29.97	20.34	9.42	0

Таблица 2: среднее время связи между локациями (в минутах)

	MERCURY	VENUS	EARTH	MARS	CERES	JUPITER	SATURN	URANUS	NEPTUNE	PLUTO
MERCURY	0	3	5	9	20	40	76	156	247	325
VENUS	3	0	2	7	17	37	73	153	244	323
EARTH	5	2	0	4	15	35	71	151	242	320
MARS	9	7	4	0	10	31	67	146	237	316
CERES	20	17	15	10	0	20	56	136	227	306
JUPITER	40	37	35	31	20	0	36	116	207	285
SATURN	76	73	71	67	56	36	0	80	171	249
URANUS	156	153	151	146	136	116	80	0	91	169
NEPTUNE	247	244	242	237	227	207	171	91	0	78
PLUTO	325	323	320	316	306	285	249	169	78	0

Таблица 3A: среднее время перелёта между локациями (при 0.3g, в часах)

	MERCURY	VENUS	EARTH	MARS	CERES	JUPITER	SATURN	URANUS	NEPTUNE	PLUTO
MERCURY	0	72	97.9	133.2	193.3	274.8	379.1	542.7	682.6	784
VENUS	72	0	66.3	112.1	179	265.3	372.2	537.9	678.8	780.7
EARTH	97.9	66.3	0	90.4	166.7	256.8	366.2	533.8	675.6	777.9
MARS	133.2	112.1	90.4	0	139.6	240.4	354.9	526	669.5	772.6
CERES	193.3	179	166.7	139.6	0	195.8	326.6	507.8	655.3	759.8
JUPITER	274.8	265.3	256.8	240.4	195.8	0	261.1	467.9	624.8	734.3
SATURN	379.1	372.2	366.2	354.9	326.6	261.1	0	388.3	567.7	686.1
URANUS	542.7	537.9	533.8	526	507.8	467.9	388.3	0	414.1	565.2
NEPTUNE	682.6	678.8	675.6	669.5	655.3	624.8	567.7	414.1	0	384.6
PLUTO	784	780.7	777.9	772.6	759.8	734.3	686.1	565.2	384.6	0

Таблица 3B: среднее время перелёта между локациями (при 1g, в часах)

	MERCURY	VENUS	EARTH	MARS	CERES	JUPITER	SATURN	URANUS	NEPTUNE	PLUTO
MERCURY	0	39.4	53.6	73	105.9	150.5	207.6	297.2	373.9	429.4
VENUS	39.4	0	36.3	61.4	98	145.3	203.9	294.6	371.8	427.6
EARTH	53.6	36.3	0	49.5	91.3	140.7	200.6	292.3	370	426.1
MARS	73	61.4	49.5	0	76.4	131.7	194.4	288.1	366.7	423.2
CERES	105.9	98	91.3	76.4	0	107.2	178.9	278.1	358.9	416.2
JUPITER	150.5	145.3	140.7	131.7	107.2	0	143	256.3	342.2	402.2
SATURN	207.6	203.9	200.6	194.4	178.9	143	0	212.7	310.9	375.8
URANUS	297.2	294.6	292.3	288.1	278.1	256.3	212.7	0	226.8	309.6
NEPTUNE	373.9	371.8	370	366.7	358.9	342.2	310.9	226.8	0	210.7
PLUTO	429.4	427.6	426.1	423.2	416.2	402.2	375.8	309.6	210.7	0

Таблица 3C: среднее время перелёта между локациями (при 7g, в часах)

	MERCURY	VENUS	EARTH	MARS	CERES	JUPITER	SATURN	URANUS	NEPTUNE	PLUTO
MERCURY	0	14.9	20.3	27.6	40	56.9	78.5	112.3	141.3	162.3
VENUS	14.9	0	13.7	23.2	37.1	54.9	77	111.3	140.5	161.6
EARTH	20.3	13.7	0	18.7	34.5	53.2	75.8	110.5	139.9	161
MARS	27.6	23.2	18.7	0	28.9	49.8	73.5	108.9	138.6	159.9
CERES	40	37.1	34.5	28.9	0	40.5	67.6	105.1	135.7	157.3
JUPITER	56.9	54.9	53.2	49.8	40.5	0	54	96.9	129.4	152
SATURN	78.5	77	75.8	73.5	67.6	54	0	80.4	117.5	142
URANUS	112.3	111.3	110.5	108.9	105.1	96.9	80.4	0	85.7	117
NEPTUNE	141.3	140.5	139.9	138.6	135.7	129.4	117.5	85.7	0	79.6
PLUTO	162.3	161.6	161	159.9	157.3	152	142	117	79.6	0

Таблица 3D: среднее время перелёта между локациями (при 12g, в часах)

	MERCURY	VENUS	EARTH	MARS	CERES	JUPITER	SATURN	URANUS	NEPTUNE	PLUTO
MERCURY	0	11.4	15.5	21.1	30.6	43.5	59.9	85.8	107.9	124
VENUS	11.4	0	10.5	17.7	28.3	41.9	58.8	85	107.3	123.4
EARTH	15.5	10.5	0	14.3	26.4	40.6	57.9	84.4	106.8	123
MARS	21.1	17.7	14.3	0	22.1	38	56.1	83.2	105.9	122.2
CERES	30.6	28.3	26.4	22.1	0	31	51.6	80.3	103.6	120.1
JUPITER	43.5	41.9	40.6	38	31	0	41.3	74	98.8	116.1
SATURN	59.9	58.8	57.9	56.1	51.6	41.3	0	61.4	89.8	108.5
URANUS	85.8	85	84.4	83.2	80.3	74	61.4	0	65.5	89.4
NEPTUNE	107.9	107.3	106.8	105.9	103.6	98.8	89.8	65.5	0	60.8
PLUTO	124	123.4	123	122.2	120.1	116.1	108.5	89.4	60.8	0