Рай — не на Земле (UNI8)

Автор любого фантастического произведения вынужден всегда каким-то образом изменить текущую реальность, в которой привык существовать его зритель или читатель.
Однако, с другой стороны, такое изменение должно быть логичным и непротиворечивым и, желательно не должно нарушать законы физики, химии, биологии и социологии.
Конечно, последние две науки достаточно плохо формализованы, а социологию на фоне её преданного служения политике, и вообще все воспринимают не иначе, как проститутку; но и в социологии, и в биологии тоже есть свои законы.
При этом — многие, к сожалению, воспринимают здание науки в виде этакого «воздушного замка», этажи которого можно легко перекроить под свои личные фантазии.
Ведь восприятие физики, например, у масс в чём-то унаследовано из средней школы, в которой они легко поняли классическую механику Ньютона и «забуксовали» потом, уже в зрелой жизни, на Специальной Теории Относительности (СТО) Эйнштейна.
Поэтому-то их восприятие СТО выглядит таким образом: «Пришёл Эйнштейн и не оставил на построениях Ньютона камня на камне». В то время, как Эйнштейн лишь дополнил построения Ньютона и, убери вы из формул Эйнштейна большие скорости — вы вполне получите классические формулы Ньютона.
Для сомневающихся — хорошая ссылка на советский фильм, который доступно объясняет, что такое «эта ваша СТО».
Простые фразы, понятые объяснения — да и пиво можно было пить прямо в поезде, не опасаясь разборок с транспортной милицией.
Социология была немного другая.

Но речь у нас сегодня не о далёком и вроде бы понятном нам 1964 годе, в о неизвестном и загадочном 2154, в котором и будут жить наши с вами пра-пра-правнуки.
Что изменится и что останется неизменным в этом весьма далёком от нас будущем? И не нарушили ли какие-то «вечные» законы физики или социологии создатели фильма «Элизиум»?



Ведь любая иллюстрация должна отражать некий конструкт, который, как мы помним, в случае фантастики, должен быть практически идеально непротиворечив.
Иначе — это уже будет не фантастика, а фэнтези.
В которой техножрецы в вышиванках или наукомаги в косоворотках будут рассказывать вам о том, как мы «будем пронзать пространство подобно Аполлону!» на хренобасе массой в тридцать тонн.
Вот о хренобасах мы и поговорим.
А потом и придём к вопросу о наших пра-пра-правнуках.

Надо сказать, что вопрос челночного транспорта между поверхностью и станцией в фильме «Элизиум» проработан из рук вон плохо.
То есть, конечно, в идеале и пренебрегая всеми законами физики, можно себе представить некий хренобас весом в тонн тридцать, который с лёгкостью достигнет первой космической скорости и доставит вас на космическую станцию, обращающуюся на низкой околоземной орбите.

Именно так, не заморачиваясь на ненужные в представлении авторов детали, и нарисован в фильме челночный корабль будущего:



Вот так, просто и незатейливо, погрузив тушку почётного Гражданина в некий аналог нью-йоркского такси, мы быстро и непринуждённо сначала стартуем на вертикальном взлёте, а потом последовательно достигаем сперва сверхзвука, а потом и первой космической скорости.
Причём концепция данного пепелаца явно предполагает именно давний и испытанный принцип реактивной тяги, который и служит нам исправно для движения объектов тяжелее воздуха вот уже без малого больше века.

Отдельным сюжетом, конечно, можно разобрать и «страшное оружие» главного антагониста фильма, которым он, играючи, сшибает данные челноки уже на подлёте к орбитальной станции:



Но тут уж, извините «на войне, как на войне» — какие у вас шаттлы, такие у нас и ракеты.
Если у вас шаттл массой в тридцать тонн спокойно долетает до орбитальной станции, то и сбивать его ракетой массой в полкило — тоже не западло.
На вашу хитрую жопу у нас есть хрен с пропеллером — шах и мат, атеисты-физики!

Хорошо, скажет в этот момент внимательный читатель?
А что так активно не нравится автору в построениях создателей фильма «Элизиум»?
Да вот это-то и не нравится, господа. Нарушение массы физических законов, разбор которых и покажет нам, как на деле может быть собрана с Земли такая конструкция орбитальной станции, которая показана в фильме.
И зачем, собственно говоря, нам нужна такая орбитальная махина.

Итак, магия настоящей физики начинается.
Сначала разберём в деталях сам принцип реактивного движения. Вообще, надо сразу оговориться, что любое движение по факту — реактивное.
Об этом недвусмысленно говорит нам закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса и третий закон дедушки нашего Ньютона, который «наше всё».
Просто в том случае, если мы говорим о движении автомобиля по дороге или тепловоза по рельсам — то мы оперируем силами реакции опоры, от которой незримо отталкиваются автомобиль или тепловоз.
То есть, будь у нас Земля размером и массой, сравнимым с нашим тепловозом или автомобилем — и их движение вызывало бы противоположное по знаку движение самой Земли. Как и происходит в школьных опытах.
Однако, понятным образом, громадная масса всей Земли позволяет нам достаточно спокойно перемещаться по её поверхности, совершенно не обращая внимания на то, что наши автомобили или тепловозы могут хоть как-то разогнать или замедлить нашу планету. Даже если мы все строем, в количестве 7 миллиардов душ, пойдём дружно с востока на запад — то мы не сможем замедлить вращение Земли даже и на одну микросекунду.

Совсем другая ситуация возникает в системе Земля-Луна. Как вы, наверное, знаете, в прошлом наша Луна была гораздо ближе к Земле, а земные сутки были гораздо короче.
Пейзаж того, безумно древнего катархейского периода истории Земли разительно отличался от современного нам неба:



Луна в то время имела гораздо больший угловой размер на земном небе, а земные сутки вполне могли составлять и половину нынешних. Именно это следует из законов сохранения импульса и момента импульса — в замкнутой системе, которой и является пара Земля-Луна импульс и момент импульса никуда не могут «исчезнуть», а могут лишь перераспределиться между компонентами системы.

Как это происходит на лабораторном столе можно посмотреть в замечательном учебном видео, созданном в НИЯУ МИФИ. Ну а палеонтологические доказательства векового замедления суток Земли приведены по вот этой ссылке.
И, как вы поняли из демонстрации закона сохранения момента импульса — моменту импульса просто некуда деваться из замкнутой системы: если суточное вращение Земли постепенно замедляется, то для сохранения момента импульса системы Земля-Луна нашему бедному спутнику приходится увеличивать свой момент инерции, всё дальше и дальше удаляясь от своей соседки — нашей с Вами голубой планетки.

Ровно такая же ситуация (только в применении к импульсу) присутствует и для любого тела, пытающегося покинуть поверхность Земли.
Если тело, пользующееся реактивным движением, пытается покинуть пределы земной атмосферы и набрать хотя бы первую космическую скорость — то оно должно отбросить каким-то образом в противоположном направлении количества вещества и связанного с ним импульса, эквивалентные приращению собственной скорости.

И вот тут у нас возникает один интересный момент.
В идеальном случае требуемую первую космическую скорость желательно набрать максимально быстро. Всё дело в том, что у поверхности Земли на любое тело очень активно действует сила притяжения самой Земли — так называемая гравитационная помеха или ускорение свободного падения.
Надо сказать, что значение данной гравитационной помехи, в стандартных единицах физических величин, достаточно велико: 9,81 м/с².
В понятных «обывательских» величинах это означает, что для того, чтобы мы оторвали наш космический корабль от Земли, нам надо откидывать в сторону условного «низа» количества реактивной массы, которые скомпенсируют данную гравитационную помеху.
Именно поэтому любой самолёт вертикального взлёта или посадки, такой как английский «Харриер» или советский «Як-38» имеют очень ограниченный радиус действия: на организацию «ракетного» взлёта или посадки необходимо тратить очень большие количества столь драгоценного и дефицитного в полёте топлива:



В силу тех же причин я достаточно скептически отношусь и к проекту управляемой ракетной посадки «Кузнечика» компании Space-Х. Парашюты твердотопливных ускорителей «Спейс Шаттла», может быть, и не выглядят столь эффектно, как посадка «Кузнечика», но уж точно позволяют не тратить дефицитную реактивную массу на возврат ракеты на стартовую площадку.
Впрочем, в комментариях, конечно, можно разобрать «Кузнечика» во всех деталях. Срач будет, я гарантирую это.

Однако — вернёмся к нашим хренобасам массой в 30 тонн и к нашей проклятой гравитационной помехе.
Для понимания её величины на различных планетах Солнечной системы — привожу вашему вниманию вот такую интересную инфографику.
Она показывает нам условную «глубину» гравитационных колодцев различных планет и их спутников.
Однако, для иллюстрации к нашим размышлениям нам надо внимательно рассмотреть вот этот кусочек большой и интересной картинки:


При беглом взгляде на эту картинку кажется, что задача вывода спутника на низкую околоземную орбиту (НОО) по сравнению с выводом спутника связи на геостационарную орбиту — это совершенно плёвая задача.
Однако, в реальности именно этот участок вывода грузов на земную орбиту представляет самую большую трудность для конструкторов и инженеров.
И связано это, кроме уже упомянутой гравитационной помехи, с ещё одним неприятным фактом — всё возрастающим от скорости сопротивлением атмосферы Земли движению в ней любого твёрдого тела.

Всё дело в том, что сама по себе первая космическая скорость — это некий «эрзац» настоящего выхода из гравитационного колодца любого небесного тела.
Предмет, набравший первую космическую скорость, лишь становится связанным с Землёй гравитирующим телом, вечная участь которого — лишь повторять и повторять виток за витком постоянное обращение вокруг центральной гравитирующей массы.
Условно говоря — каждую секунду тело, обращающееся с первой космической скоростью на низкой околоземной орбите, падает в сторону условного «низа» ровно настолько, насколько уходит «вниз» за счёт шарообразности поверхность Земли под ним и сколько составляет на данной высоте ускорение свободного падения.

Отсюда, кстати, и можно легко вывести ускорение свободного падения на геостационарной орбите, на которой обращаются спутники, висящие над определённым местом земной поверхности. Желающие проверить свою сообразительность могут потом проверить рассчёты по ссылке.
Скажу лишь, что от привычного нам значения в 9,81 м/с² ускорение на геостационаре отличается, причём — значительно.

Как влияет атмосфера Земли на скорость ракеты или спутника? Правильно, она тормозит ракету на участке вывода на орбиту и замедляет вращение спутников на низких околоземных орбитах.
Именно поэтому ракеты делают максимально обтекаемыми, а спутники с низких околоземных орбит рано или поздно падают на Землю.
Представить себе спутник, устойчиво обращающийся с первыми космическими скоростями даже на орбите высотой в 50-60 километров невозможно — его короткая и печальная судьба будет выглядеть как-то вот так:



Поэтому, с точки зрения наиболее оптимального и экономичного вывода полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту приходится сразу решать несколько в чём-то взаимоисключающих вопросов:

1) обеспечить достаточную тягу основных двигателей ракеты, для того, чтобы она хотя бы оторвалась от Земли и поборола постоянно действующую на него гравитационную помеху;
2) не разрушить конструкцию ракеты интенсивным трением о нижние слои земной атмосферы;
3) не угробить экипаж ракеты и груз чрезмерным начальным ускорением, которое позволяет хоть как-то минимизировать время действия на ракету гравитационной и атмосферной помехи;
4) ну и хоть как-то обеспечить минимально возможный расход реактивной массы на решение задач по пунктам 1-3.

Основным вопросом для двигателя, как вы понимаете, является первый параметр: соотношение реактивной тяги двигателей (T) к массе всей ракеты (W).
Если T/W>1, то данный двигатель может быть пригоден для старта с поверхности Земли, если Т/W<1 — то однозначно, что нет.
Главное здесь даже не какие-то материи высокого порядка, а элементарный вопрос: может ли космический аппарат взлететь с поверхности Земли или он просто будет стоять на стартовом столе и пыхтеть своими маломощными движками?

Если ответ «нет» — то такой двигатель годится лишь для космических перелётов и орбитальных манёвров. Масса очень интересных двигателей — ионных, фотонных, солнечных парусов — имеют очень хорошие характеристики для работы в открытом космосе, но совершенно не годятся для старта с Земли. Они просто не могут вытащить нас из нашего гравитационного колодца.

Поэтому большинство современных или гипотетических двигательных систем для космических кораблей делятся на две большие категории: Либо экономичные и слабосильные, либо мощные и прожорливые.
Тут напрашивается прямая аналогия с автомобилями — или ты покупаешь внедорожник, который за счёт своего двигла вытащит тебя из любой грязюки — или берёшь себе малолитражку с расходом топлива в 3 литра на 100 километров, но вверх по склону едешь исключительно на первой передаче.
В мире космических ракет экономичный двигатель означает высокое значение удельного импульса и высокую скорость истечения реактивной массы.
А мощность же ракетного двигателя напрямую связана с высокой тягой и... с высоким расходом топлива на цели создания этой тяги.

Единственная сколь-либо возможная двигательная система и с высокой скоростью истечения реактивной массы, и с высокой тягой — ядерная ракета на солёной воде.



Однако, в силу весьма неслабого заражения атмосферы Земли продуктами распада ядер урана и тория, которые сейчас доступны нам в качестве компактного и лёгкого источника необходимой для ядерной ракеты на солёной воде энергии, нам всё же надо будет повременить с пуском этих адских машин с поверхности Земли.

Ну и, конечно же, чтобы не кривить душой, стоит помянуть и проект «Орион». Ведь если для реализации ядерной ракеты на солёной воде всё же надо ещё разработать массу пока несуществующих материалов для камеры сгорания и реактора, то в случае проекта «Орион» идея взлёта проста и незатейлива, как семейные трусы «в рупь двадцать».
Мы не дураки, полетим ночью на бомбе.



Конечно, столь эпичная космовундерваффля могла родится только в 1950-е годы.
Идея подрывать за кораблём для создания его реактивного движения целые тактические ядерные боезаряды могла прийти в голову конструкторам только в то весёлое и необычное время. Однако, что интересно, сам концепт был проверен в виде натурных испытаний, хотя, конечно, и без живительного гамма-излучения от близких ядерных взрывов.
Ну и длинный фильм ВВС о проекте «Орион», если кому-либо интересен ход работы над этим уникальным проектом.

Поэтому-то гравитационный колодец планеты Земля и не выпускает нас так просто, дёшево и непринуждённо, как это показано в фильме «Элизиум».
Мы до сих пор стартуем в космос на старых химических ракетах, собирая монструозные башни с жидким кислородом и керосином или водородом, которые и выводят на орбиту лишь свою самую маленькую, самую верхнюю часть.



Это не потому, что нам это нравится. Не потому, что это самый лучший вариант. И отнюдь не потому, что у нас плохо работает фантазия.
Просто не всегда занимательное фэнтези можно превратить в выверенную и взаимоувязанную концепцию научной фантастики.
В которой нет техножрецов и наукомагов, а тридцатитонные хренобасы не с почётными Гражданами не «пронзают пространство подобно Аполлону».
Ведь Земля — совершенно не рай с точки зрения межзвёздных или даже межпланетных перелётов. Рай — не на Земле:


И, как уже поняли, я думаю, мои прозорливые читатели, на этом пути человечеству надо будет радикально измениться.
Ведь среда обитания незримо задаёт и форму, и содержание живого организма. Мы вряд ли сможем приспособить Космос или Мировой Океан к нашей устроенной, наземной жизни.
А значит — мы приспособимся к Мировому Океану и к Космосу. Мы научимся жить там.
Ведь в любом случае невозможно улететь в космос, угнав трактор из соседнего колхоза и с психологией Поросёнка Петра.
Это плохое фэнтези — а отнюдь не хорошая, научная фантастика.