ФАНТАСТИЧЕСКИЙ МЕЖЗВЕЗДНЫЙ ТРАНСПОРТ
Чаще всего авторы не вдаются в тонкости перемещений от звезды до звезды, необходимых для предполагаемого будущего расселения человечества и освоения экзопланет. По представлениям большинства, достаточно задать координаты места назначения или даже просто назвать умному компьютеру нужную планету, потом потерпеть на невкусном космическом рационе несколько дней, в крайнем случае - недель, и герои прибывают куда надо. Лишь особо "зверствующие" фантасты обрекают своих персонажей на многолетние путешествия. Рассмотрим более детально, как можно выполнить такие путешествия, и какие сложности возникают при этом.
С ПЛАНЕТ В КОСМОС И ОБРАТНО
Наиболее эффективные современные двигатели, способные обеспечить передвижение вне атмосферы Земли, используют хорошо известный закон сохранения импульса, согласно которому сумма произведений масс механически взаимодействующих тел на их скорости остается постоянной. Как следствие, если от некоторого тела отбросить его часть, оставшаяся масса двинется в противоположную сторону (Айзек Азимов "Путь марсиан"), испытывая реакцию со стороны отброшенной части (отдачу), поэтому такие двигатели называют реактивными. Отбрасываемой частью, обычно называемой рабочим телом или реактивной массой, чаще всего служат продукты горения химического топлива, истекающие через сопло полузамкнутой камеры сгорания. Ясно, что чем больше масса и скорость истечения таких продуктов, тем более высокую скорость приобретает остающееся тело. "Ракеты... должны иметь высокую скорость истечения газов - для экономии горючего" (Ким Стенли Робинсон "2312"). В свою очередь, скорость истечения тем выше, чем больше давление и температура в камере сгорания. Требования к надежности конструкции, жаростойкость материалов этой камеры и характеристики топлива ограничивают максимальную скорость истечения несколькими километрами в секунду. Справка: первая космическая (круговая) скорость, при которой запускаемое с поверхности Земли тело может стать ее искусственным спутником на круговой орбите, равна 7,9 км/с. Если увеличивать скорость движения тела еще выше, то его орбита будет все более вытянутой и при скорости 11,2 км/с станет разомкнутой. При этом тело покидает поле притяжения Земли (ее гравитационный колодец, редко - шахту, как в переводе романа Иэна М. Бэнкса "Вспомни о Флебе"). Эта скорость называется второй космической (скоростью убегания). Для малых небесных тел обе скорости ниже, для больших массивных планет, напротив, выше. Иногда упоминают третью космическую скорость (скорость убегания из Солнечной системы), которая требуется для выхода из гравитационного поля (колодца) Солнца на орбите Земли, она равна 16,6 км/с. Эти скорости служат индикаторами той работы, которую надо проделать против сил гравитации, чтобы выйти в свободный полет (вырваться из гравитационного колодца). Термин "колодец" возник из формы потенциальной ямы, изображающей более низкую энергию находящегося в гравитационном поле тела по сравнению с энергией того же тела в свободном пространстве.
Чтобы всего лишь преодолеть земное притяжение, стартующие с поверхности и постепенно разгоняющиеся ракеты с реактивными двигателями должны нести с собой запас компонентов топлива, намного превышающий по массе полезную нагрузку. Это прямо следует из закона сохранения импульса и уравнений движения тела переменной массы. "Чтобы взлететь с планеты, особенно с Земли, нужны мощные стартовые двигатели" (Ким Стенли Робинсон "2312"). Для повышения конечной скорости дальних космических аппаратов их запускают с околопланетных орбит, куда доставляют с помощью ракет исходной массой в сотни и более тонн (Артур Кларк "Прелюдия к космосу"). По дороге при этом сбрасываются отработавшие стартовые ускорители (Роберт Силверберг "Вселенские каннибалы", Артур Кларк "Острова в небе") и первые ступени (Артур Кларк "Космическая Одиссея 2001"). Достигнутая таким образом максимальная скорость пока не превышает нескольких десятков км/с. При подобных значениях полет к Марсу и обратно займет несколько лет, что не внушает заметного оптимизма. Тем более этого явно недостаточно для достижения звезд, ближайшие из которых лежат в нескольких световых годах. Крайне желательное повышение скорости опять же наталкивается на жестко лимитированные запасы топлива, которое корабль может нести с собой. Топливо также расходуется при торможении аппарата, необходимом для его выхода на орбиту вблизи планеты назначения (Аластер Рейнольдс "Город Бездны") или мягкой посадки на поверхность (Артур Кларк "2061: Одиссея Три"), но уже для снижения относительной скорости.
Неудачной пародией на ракетный старт выглядит описание миграции с экватора быстро вращающейся планеты вымышленных разумных насекомых, использовавших огромную препарированную птицу как космический корабль. Для дополнительного разгона и выхода в космос насекомые применили своих сородичей, выбрасывающих из брюшка газы, подобно земным жукам-бомбардирам (Джеймс Уайт "Скорая помощь"). Выше сказано, что при старте с планеты ракетный двигатель выведет корабль в космос тогда и только тогда, когда выбрасываемая им масса рабочего тела (реактивная масса) во много раз превысит массу остающегося корабля. (Кстати, то же самое справедливо при длительном разгоне до субсветовых скоростей.) Напротив, каждый жук-бомбардир и, вероятно, его инопланетный аналог способен выбросить лишь малую часть своей массы, видимо, не более процента, лишь один раз за некоторый промежуток времени и с малой скоростью. При этом он даже сам себя с места едва сдвинет, не говоря о дополнительной нагрузке. Аналогичным будет результат для упряжки из многих таких жуков. Каждый жук должен почти непрерывно выбрасывать хотя бы до 90 процентов своей массы (Пол Андерсон "Нелимитированная орбита") и на гиперзвуковой скорости, только тогда появится какой-то смысл в их использовании. Малая тяга годится лишь для движения вдали от гравитационных полей, а для старта с планеты ее недостаточно, она не в состоянии выполнить необходимую работу против сил притяжения.
Вдесятеро более высокую скорость истечения по сравнению с химическими ракетами могут развить ионные двигатели (Роберт Силверберг "Вселенские каннибалы", "Человек в лабиринте", "Хозяин жизни и смерти", Чарлз Шеффилд "Сверхскорость", "Холоднее льда", "Небесные сферы", Боб Шоу "Судный день Орбитсвиля", "Ночная прогулка", Пол Андерсон "Мы выбираем звезды", Артур Кларк "Земной свет", "Последняя теорема"). Их тягу создают ионы, ускоренные в электрическом поле. Однако глубокая ионизация больших масс плотного рабочего тела - очень даже непростая задача, поэтому имеющиеся разработки таких двигателей не вышли из опытной стадии, развивают небольшую тягу и способны стабильно работать лишь вне атмосферы. Фантасты чаще рассматривают их как вспомогательные (Артур Кларк "3001: Последняя Одиссея", Чарлз Стросс "Небо сингулярности"). Тем не менее, мысль о возможности запуска таких ионных двигателей на космическом корабле, находящемся на дне океана из тяжелой воды (Чарлз Шеффилд "Небесные сферы"), выглядит не столько свежо, сколько авантюрно, потому что такое действие приведет лишь к грандиозному взрыву. Не зря военные подводные лодки сначала забрасывают свои ракеты в воздух, и лишь затем подается команда на запуск их двигателей.
Ради достижения более высоких температур и скоростей истечения рабочего тела фантастические описания маршевых реактивных двигателей чаще всего идут по пути повышения энергоемкости топлива. В первые годы атомной эры это топливо называли атомным (Айзек Азимов серия "Основание"), затем естественным образом перешли к термоядерному (Артур Кларк "2010: Одиссея Два", "2061: Одиссея Три", "Земная империя") как более эффективному. Очень высокую энергоемкость может дать антивещество, при взаимной аннигиляции с обычным веществом выделяющее, в соответствии с формулой Эйнштейна E=mc^2 (Артур Кларк, Стивен Бакстер "Перворожденный"), огромную энергию в виде достаточно "жесткого" гамма-излучения, нейтрино и заряженных частиц. Некоторые из предложенных и вымышленных схем таких реактивных двигателей перечислены в романе Кима Стенли Робинсона "2312". Другие фантасты считают возможным использование искусственной "черной дыры" в качестве тяговой энергоустановки космических кораблей (Дэвид Вебер "Дорогой ярости"), причем достаточно универсальной для движения корабля в различных режимах (Чарлз Стросс "Небо сингулярности"). Стремление понизить требования к запасам топлива на борту за счет повышенной энергоемкости похвально, но сталкивается с суровой необходимостью изолировать основную часть корабля от выделяемой энергии из-за далекого от идеала коэффициента полезного действия самого привода. Фантасты редко осознают, насколько ничтожно малым должен быть отток тепловой и электромагнитной энергии из межзвездного двигателя, чтобы уцелел сам корабль и летящие на нем живые существа, в том числе экипаж и пассажиры. Почему-то считается, что эта проблема легко решается, например, с помощью некоторых абстрактных силовых полей, и якобы не заслуживает внимания. Одним из немногих на нее обратил внимание Ларри Нивен при описании конструкции корабля в романе "Защитник". Размещение двигателей сбоку и сзади от основного корпуса (Боб Шоу серия "Орбитсвиль") вызвано скорее стремлением обеспечить безопасность при возможных неполадках.