На каком расстоянии, вероятно, будет происходить космический бой между космическими кораблями, учитывая физические реалии?

Многие научно-фантастические книги ссылаются на парадигму морского боя при описании космического боя: датчики и линкоры с батареями, авианосцы с истребителями-бомбардировщиками и т. д., обычно на расстоянии световых секунд.

Иногда они могут даже использовать что-то похожее на подводные лодки: корабли-невидимки, которые могут пытаться перехватывать сообщения или проводить атаки, подобные подводным лодкам.

Однако возможно ли, чтобы космический корабль действительно был «невидимым» или в какой-то степени невидимым в космосе, учитывая, что они должны выделять некоторое количество тепла, а космос в целом совершенно холодный?

Будут ли области (помимо часто вызываемых туманностей), которые могут испортить работу датчиков?

Что помешает космическим кораблям вступить в бой на расстоянии световых лет, а не световых секунд, если их легко обнаружить с расстояния в масштабе световых лет?

Я не предполагаю никаких серьезных отклонений от сегодняшней известной науки, в частности, никаких сообщений или путешествий со скоростью, превышающей скорость света.

Если вы можете обнаружить космический корабль на расстоянии 1 светового года, вы увидите, где он был 1 год назад, и вашему лазерному оружию потребуется еще год, чтобы добраться туда. Не очень маневренный. Атака объекта на таком расстоянии имеет смысл только в том случае, если этот объект не может маневрировать (менять направление или скорость) — а это не слишком похоже на космический корабль, не так ли?
Это кажется довольно широким. Возможно, один вопрос должен звучать так: «Можно ли быть незаметным в космосе», а второй — «Какова вероятная дальность действия обозримого космического оружия?»
Разве это не зависит от дальности задействованного оружия?
Похоже, вы, возможно, захотите взглянуть на Forever War Дж. Холдемана , научно-фантастическую книгу, в которой вы найдете то, что кажется реалистичным описанием космического боя.
@PeterMasiar Использовать управляемые снаряды?
@MonicaCellio Да, это был бы еще один фактор, вы правы.
@PeterMasiar, большой грузовой корабль или нефтяной танкер вообще вряд ли могут маневрировать - для изменения направления или остановки требуется много места и значительное время. Поэтому у нас есть буксиры. Но я не думаю, что было бы справедливо утверждать, что нефтяной танкер «не очень похож на корабль» из-за этого. Большой космический корабль, движущийся быстро, будет иметь большую инерционную массу и еще большую релятивистскую массу - чем он больше и быстрее, тем менее маневрен.
Кроме того, вы не должны целиться прямо в то, что видите, вы должны целиться в общую область, в которой текущая траектория цели и ваши знания о ее маневренности подразумевают, что она будет внутри, когда на нее попадет луч света.
Одна огромная переменная — это скорость движения ваших кораблей. В настоящее время ничто, связанное с военными действиями, не движется с сколько-нибудь заметной долей C; для межзвездных путешествий вы наверняка должны смотреть на разумные дроби. Если учесть, что вам нужно каким-то образом наводить/нацеливать оружие, то трудности с нацеливанием на что-то при 0,01C, 0,1C и 0,9C совершенно разные и очень фундаментальные для того, как будет работать весь вопрос боя.

Ответы (6)

Некоторые полезные обсуждения и ссылки можно найти на projectrho.com, я упомянул их в комментариях до того, как вопрос был перенесен, но они были удалены при переносе, поэтому я опубликую здесь. Во-первых, на странице Space War вверху есть различные ссылки на посты в блоге «манифеста рокетпанка», в которых хорошо обсуждаются вопросы, касающиеся космических боев. А вот еще несколько хороших страниц с projectrho.com:

Обнаружение в космической войне (наиболее актуально для ваших вопросов о скрытности)

Защита в космической войне

Введение в космическое оружие (в основном посвящено только классификации, но есть ссылка на этот сайт , на котором много интересных идей)

Обычное космическое оружие

Экзотическое космическое оружие

Проекты космических кораблей

Боевой театр

Планетарная атака

Вы можете найти некоторые другие полурелевантные страницы, если вы погуглите сайт: www.projectrho.com и "космическая война" (в кавычках), но другие страницы, которые я видел, почти полностью посвящены описанию того, как космическая война изображалась в различных фантастических произведениях. работает, а не обсуждать, как это будет работать «реально».

(отредактировано, чтобы добавить, что я недавно наткнулся на другую хорошую статью о реалистичных космических боях, The Physics of Space Battles )

Поскольку ваш вопрос в основном о том, можно ли было бы "спрятаться", обязательно просмотрите страницу "Обнаружение в космической войне", автор придерживается определенного мнения, что ни одно из предложенных решений не сработает. Например, вот обсуждение простого направления выхлопных газов и отработанного тепла узким лучом, идущим в направлении, противоположном тому, где находится враг:

Взглянув на приведенное выше уравнение, становится очевидным, что чем ниже температура космического корабля, тем труднее его обнаружить. "Ага!" скажете вы, "почему бы не охладить корабль и не излучать тепло с борта, обращенного в сторону от противника?"

Кен Бернсайд объясняет, почему нет. Чтобы активно охлаждать, нужна мощность. Итак, вам нужно запустить ядерный реактор. Внезапно у вас на корабле появляется горячая точка с минимальной температурой около 800 К, так что теперь вам нужно сбрасывать еще больше отработанного тепла.

Это означает большую поверхность радиатора для отвода всего тепла, что означает большую массу. Гораздо больше массы. Он будет либо в два-три раза тяжелее вашего реактора, либо будет настолько хрупким, что сломается в тот момент, когда вы включите двигатели. Это более крупная цель, и теперь вы должны начать беспокоиться о том, что вражеский корабль заметит, что вы закрыли звезду.

У доктора Джона Шиллинга были еще кое-какие плохие новости для потенциальных стелтеров, пытающихся излучать тепло со стороны, обращенной от врага.

«Кроме того, перенаправление излучения просто перемещает проблему. Энергия должна куда-то уходить, и при довольно скромных вложениях в пикетные корабли или сенсорные дроны противник может в значительной степени заблокировать вам безопасное излучение в любую значительную часть неба.

«И если вы попытаетесь сфокусировать излучение в какой-то очень узкий конус, который, как вы знаете, является безопасным, вы столкнетесь с проблемой, что площадь излучателя для данной мощности обратно пропорциональна освещенной части неба. При пропорциональном увеличении как утечка тепла через задние поверхности и сигнатура активных или полуактивных (отражающих солнечный свет) датчиков.

«Кроме того, есть проблема, в первую очередь, откуда вы знаете, какое безопасное направление для излучения. Вы, кажется, одновременно выступаете за космические корабли-невидимки и полное знание положения вражеских сенсорных платформ. Если скрытность работает, вы не можете ожидайте знать, где у врага находятся все его датчики, поэтому вы не можете знать, в каком направлении безопасно излучать, а это значит, что вы не можете рассчитывать на практическую скрытность, используя этот механизм в первую очередь.

«Шестьдесят градусов были предложены здесь в качестве разумно «узкого» конуса, чтобы скрыть излучение. что нет безопасного направления для излучения, даже если вы знаете, где они все.Возможность скрытых сенсорных платформ, и особенно скрытых, движущихся сенсорных платформ, просто вишенка на торте.

«Обратите внимание, в частности, что движущаяся сенсорная платформа не обязательно должна находиться внутри вашего конуса излучения в какой-то конкретный момент времени, чтобы обнаружить вас, она просто должна пройти через этот конус в какой-то момент в ходе предбоевого маневрирования. Что весьма существенно увеличивает вероятность обнаружения даже для очень узких конусов излучения.

Затем на странице приводится еще одна цитата Кена Бернсайда:

«Проблема с направленным излучением заключается в том, что вы должны знать, где находятся вражеские сенсорные платформы, и у вас должен быть способ замедления, чтобы соответствовать орбитам, что не эквивалентно раскачиванию из стороны в сторону и зажиганию факела. Кроме того, направление вашего отработанного тепла (и охлаждение некоторых частей вашего корабля, связанное с этим явление) требует большей мощности для теплового насоса — и каждый ватт произведенной энергии генерирует 4 Вт отработанного тепла.Это очень быстро входит в гонку Красной Королевы . .

«Представьте, что ваши радиаторы — это листы бумаги, торчащие краем из корпуса вашего корабля. Вы излучаете излучение от плоских сторон. "скрыть". Вы хотите, чтобы ваши радиаторы были на 180 градусов друг от друга, чтобы они не излучали друг в друга.

«Большинство конфигураций, которые излучают только часть неба, будут крайне неэффективны, потому что они излучают друг в друга. Это означает, что они становятся больше и массивнее, что снижает производительность двигателя… и они по-прежнему требуют, чтобы вы знали, где находится датчик. .

«Следующий логический шаг — сделать солнцезащитный козырек, который блокирует излучение от датчика. Это также требует знания, где находится датчик, и создает проблемы, если блокировщик датчиков прикреплен к вашему кораблю, поскольку он будет медленно нагреваться, чтобы соответствовать равновесию. температура вашего внешнего корпуса .... и может также блокировать ваши датчики в этом направлении.

Обновление: некоторые комментаторы спрашивали о возможности иметь своего рода «тепловую батарею», которая поглощает отработанное тепло, выделяемое двигательной установкой и другими системами корабля, в течение периода времени, когда она должна быть незаметной, и имеет хорошую изоляцию, поэтому чтобы не испускать обнаруживаемое излучение черного тела или не передавать его энергию другим частям корабля в виде тепла, чтобы снаружи корабль не испускал излучение из-за тепла. Я нашел несколько полезных уравнений, относящихся к осуществимости этого, поэтому решил опубликовать их.

Предположим, мы хотим иметь достаточно топлива для некоторого набора маневров в течение периода, когда ракета должна быть малозаметной, так что если такое же количество топлива будет потрачено только на непрерывное ускорение ракеты в одном направлении, изменение скорости ракеты будет Δ в . Тогда, если конечная масса после того, как все это топливо будет израсходовано, будет м 1 (в которую войдет как масса оружия, так и других полезных систем, таких как жизнеобеспечение, если ракета пилотируемая, и компьютеров и датчиков, если нет, а также масса тепловой батареи), а начальная масса с топливом равна м 0 , а эффективная скорость истечения топлива равна в е , то уравнение ракеты Циолковского связывает эти величины:

Δ в знак равно в е п м 0 м 1

Связанное уравнение - это количество энергии , которое топливо должно передать ракете, чтобы достичь этого. Δ в , учитывая эффективную скорость истечения в е и конечная масса м 1 это должно остаться после того, как топливо израсходовано. Как указано в разделе «Энергия» статьи о движении космического корабля в Википедии: «Если энергия производится самой массой, как в химической ракете», то энергия будет определяться по этой формуле:

Е знак равно 1 2 м 1 ( е Δ в / в е 1 ) в е 2

«Внутренняя эффективность» η я н т ракеты - это отношение фактического увеличения линейной кинетической энергии, доставляемой в единицу времени, к внутренней химической энергии, израсходованной в единицу времени, как объяснено здесь , поэтому, если топливо доставило количество линейной кинетической энергии Е ракете во время ее горения первоначальная химическая энергия должна была быть больше Е / η я н т , и, таким образом, энергия, теряемая на тепло, должна была быть приблизительно ( Е / η я н т ) Е знак равно Е ( 1 η я н т 1 ) знак равно Е 1 η я н т η я н т (Обратите внимание, что это не точно, потому что некоторая потеря эффективности происходит не из-за потери энергии на тепло, а скорее из-за того, что частицы выхлопных газов имеют некоторую кинетическую энергию, которая не параллельна направлению движения ракеты. Также я Ниже я предполагаю, что тепловая батарея каким-то образом поглощает всю энергию в виде тепла, расчеты были бы несколько иными, если бы тепло не могло быть отведено от выхлопного тракта, а только тепло, которое было бы добавлено к самому кораблю, см. диаграмма здесь для оценок того, сколько энергии топлива теряется для каждого.Может быть, лучший способ быть незаметным было бы избегать химической ракетной техники с горячими выхлопными трассами, а вместо этого использовать что-то вроде массового приводакоторый мог бы отбрасывать поток охлажденных гранул назад с большой скоростью.) Таким образом, используя приведенную выше формулу для Е , выделяемое тепло Вопрос будет примерно:

Вопрос знак равно ( 1 η я н т η я н т ) 1 2 м 1 ( е Δ в / в е 1 ) в е 2

Если тепловая батарея имеет массу м б и удельная теплоемкость с , то переставляя формулу сюда , мы можем видеть, что поглощая тепло Вопрос приведет к изменению температуры Δ Т из:

Δ Т знак равно Вопрос с м б

А в уравнении для Вопрос , мы можем заменить конечную массу после израсходования топлива, м 1 , с м б + м п , куда м б снова масса тепловой батареи и м п - оставшаяся масса полезной нагрузки (оружие и т. д.). Тогда объединение уравнений дает:

Δ Т знак равно ( 1 η я н т η я н т ) 1 2 с м б ( м б + м п ) ( е Δ в / в е 1 ) в е 2

С некоторой алгеброй вы можете решить это для отношения массы тепловой батареи м б к оставшейся массе полезной нагрузки м п :

м б / м п знак равно ( 1 η я н т η я н т ) 1 2 с ( е Δ в / в е 1 ) в е 2 Δ Т [ ( 1 η я н т η я н т ) 1 2 с ( е Δ в / в е 1 ) в е 2 ]

Обратите внимание на знаменатель, который равен нулю, если Δ Т знак равно [ ( 1 η я н т η я н т ) 1 2 с ( е Δ в / в е 1 ) в е 2 ] , что сделало бы м б бесконечный; и с тех пор м б также не может быть отрицательным, это означает, что для физически реалистичного решения вы должны удовлетворять Δ Т > [ ( 1 η я н т η я н т ) 1 2 с ( е Δ в / в е 1 ) в е 2 ] , который можно переставить как:

Δ в < в е п [ ( Δ Т ( η я н т 1 η я н т ) 2 с в е 2 ) + 1 ]

Вы можете подставить некоторые числа в это уравнение, чтобы получить некоторое представление об ограничениях, которые оно накладывает на любую такую ​​систему. Например, предположим, что наша тепловая батарея запускается при 0 К, и ее температура может возрасти до 1000 К, прежде чем изоляция больше не сможет скрывать такую ​​горячую систему снаружи, поэтому Δ Т = 1000 К. А скажем удельная теплоемкость с составляет 0,9 кДж/(кг·К), то же самое, что и у плитки на космическом челноке при 400 К согласно этому, что в пересчете на единицы СИ становится 900 Дж/(кг·К). И предположим η я н т составляет 0,8, что было бы очень хорошо в соответствии с таблицей здесь ( η я н т = 1 означало бы, что энергия вообще не теряется на тепло), что сделало бы ( η я н т 1 η я н т ) равной 4. Наконец, предположим, что эффективная скорость истечения в е составляет 2500 м / с, примерно столько же, сколько у типичной твердотопливной ракеты, согласно таблице в разделе «примеры» вики-статьи об удельном импульсе . С этими числами формула говорит нам, что Δ в не может превышать 2500 * ln (1000 * 4 * (2 * 900) / (2500) ^ 2 + 1), подставив это значение в калькулятор, вы получите максимум Δ в около 1916 м / с, что чуть меньше количества топлива, необходимого для достижения космической скорости с Луны, и эквивалентно по использованию топлива примерно 196 секундам ускорения 1G. Этого кажется недостаточно для поражения цели в космосе, которая может вносить непредсказуемые изменения в собственную скорость, чтобы сбить с толку возможных преследователей, даже если она еще не может их видеть, и при этом задействованные расстояния очень велики. Однако вы можете изменить некоторые из этих чисел и ввести измененную формулу в калькулятор, чтобы увидеть эффект.

Зачем космическому кораблю, пытающемуся быть малозаметным, вообще нужны двигатели? Нет ничего, что могло бы его замедлить в космосе. Разгонитесь до скорости и отведите все тепло от двигателей за несколько световых недель/месяцев до того, как вы доберетесь до цели, затем сбросьте радиаторы и идите на морозе.
«Доктор Джон Шиллинг», которого цитирует статья, кажется, забывает, что можно перекачивать тепло во внутренний накопитель, и хотя перекачивание также производит тепло, если насосные механизмы также отводятся теплом к ​​тепловой «батарее», не имеет большого значения. . Это просто означает, что вам нужно в конце концов «всплыть», т.е. сбросить тепло с помощью развертываемых радиаторов, или выбросить тепловую массу и начать греть новую. Я видел кадры из игры Elite: Dangerous, демонстрирующие это. (Возможно, это было видео Скотта Мэнли).
@ckersch - Возможно, вы не сможете точно предсказать, где будет цель, когда вы туда доберетесь, поэтому необходимо маневрировать. И если это пилотируемый корабль, а не дрон, система жизнеобеспечения тоже выделяет тепло, как упоминалось на этой странице (и даже если это дрон, вычисления также генерируют отработанное тепло, хотя, если бы вычисления в полете были относительно простыми, это могло бы быть держится довольно минимально).
@Steve - Есть ли реальные примеры такой тепловой батареи? Похоже, что он должен быть довольно массивным, чтобы поглощать тепло, выделяемое космическим кораблем, в течение значительного времени, что значительно увеличивает массу полезной нагрузки, которую должна толкать двигательная установка (уравнение Циолковского говорит, что вам нужно умножить начальное количество топлива). масса на тот же коэффициент, что и увеличение массы полезной нагрузки для достижения того же изменения скорости) ... также вам понадобится сверхэффективная изоляция, чтобы предотвратить утечку тепла из раковины обратно в корпус корабля, и способ отразить все свое излучение черного тела обратно к нему.
Враг может или не может расположить датчики в сфере вокруг вашего корабля, чтобы не было безопасного направления для сброса тепла. Если вы атакуете подготовленную позицию врага, ок, может быть, он может поставить сферу этих датчиков вокруг этой позиции, чтобы, как только вы войдете в сферу, бум, он мог вас увидеть. Но если два флота сближаются в дальнем космосе, как противник получает датчики позади атакующего флота? Противник может знать, что в целом вы идете с «севера», но эта информация малопригодна для наведения оружия, особенно в бескрайнем космосе.
@Hypnosifl Я не понимаю, почему «тепловая батарея» должна быть массивной. Он просто должен был бы иметь возможность хранить большое количество тепла в небольшом пространстве, т. е. он должен был бы достичь очень высокой внутренней температуры, излучая очень мало этого тепла наружу. Для этого потребуется очень хорошая изоляция, но есть ли теоретические ограничения на низкую теплопроводность. Предположительно, его нужно было бы разряжать КОНЕЧНО, но, возможно, вы включаете его непосредственно перед тем, как входите в зону действия вражеского сенсора, и выключите его после битвы. Как долго это? Часы?
@ckersch Может быть, в конце концов вам придется маневрировать. Но тогда, возможно, вы сможете бесшумно проплыть в центр вражеского флота и открыть огонь по первой же удобной цели. Или подойдите «достаточно близко», а затем сбросьте плащ и начните атаку. Помогает ли это в космическом бою? Я не знаю.
@Jay - Теплоемкость пропорциональна массе, и, по-видимому, вы хотите избежать чего-то, что будет очень-очень быстро нагреваться, поскольку чем жарче, тем сложнее изолировать от остальной части корабля. При более высокой удельной теплоемкости (теплоемкости на единицу массы) та же масса может поглощать больше тепла при меньшем изменении температуры, но если вы хотите быть реалистом, вам нужно выбрать удельную теплоемкость, которая не слишком превышает любую из известных или теоретических. материал.
(продолжение) Чтобы сделать некоторые предварительные расчеты, вам понадобится грубая оценка количества тепла, которое двигательная установка будет генерировать при выполнении маневров в течение периода, когда вы хотите, чтобы она была незаметной, а также система жизнеобеспечения, если она пилотируемая. Я не пытался сделать такую ​​оценку, просто сказал, что сильно подозреваю , что вам понадобится довольно массивный радиатор для маневрирования, которое может произойти в реалистичном сценарии космического боя, если только вы не хотите представить себе нереалистично отличный изолятор. или радиатор с нереально высокой удельной теплоемкостью.
@Hypnosif Конечно, теплоемкость пропорциональна массе, но поскольку мы не знаем ни количества энергии, которое необходимо поглотить, ни удельной теплоемкости «батареи», как вы можете говорить, что требуемая масса не просто несколько килограммы? Вы не можете сказать: «Я понятия не имею, что такое х, и я понятия не имею, что такое у, но х, деленное на у, должно быть очень большим». Керамика была разработана, например, для теплозащитного экрана космического корабля, который может поглощать огромное количество тепла. Я недостаточно знаю физику, чтобы сказать, есть ли теоретический предел или что это может быть.
@Jay - я не сказал, что это « должно быть очень большим», я просто сказал, что мне кажется вероятным, что оно будет большим, на самом деле не утверждая, что знаю ответ (в физической интуиции нет ничего плохого!) Эти плитки шаттла имеют удельная теплоемкость 0,9 кДж/(кг*К) при 400 К согласно этому , что находится в том же диапазоне, что и у воздуха - плитки, по-видимому, обладают другими ценными свойствами, например, не плавятся при высоких температурах, а также, возможно, являются хорошими изоляторами.
Что касается количества энергии, которое необходимо поглотить, мы должны быть в состоянии сделать по крайней мере грубую оценку с точностью до нескольких порядков, если у нас есть грубая оценка конечной массы полезной нагрузки и изменения скорости в результате маневры - тепло должно быть только на один или два порядка меньше, чем изменение линейной кинетической энергии, основанное на реалистичной тяговой эффективности .
@Hypnosifl - На самом деле, да, есть пример теплового конденсатора, используемого на лунном вездеходе . Инженеры НАСА рассеивали тепло в восковых ячейках, которые во время движения накрывались, чтобы предотвратить попадание в них пыли, а затем подвергались воздействию космоса и теряли тепло за счет излучения. Что касается материалов-кандидатов для теплового конденсатора: вода может быть хорошим выбором, и, если проблема расширения газа может быть решена: жидкий гелий или водород? Что касается утечки тепла: поверхность корабля, вероятно, будет термоэлектрическим охладителем Пельтье.
@Стив - Спасибо. Но в этом случае не было основной целью предотвратить перегрев марсохода за счет увеличения его теплоемкости (поскольку существовал предел того, насколько быстро он мог избавиться от тепла за счет излучения или теплопроводности с поверхностью), поэтому ровер все еще греется, но не так быстро? Было ли достаточно изоляции, чтобы остальная часть вездехода была значительно холоднее, чем тепловой конденсатор? Также, конечно, количество тепла, выделяемого при быстрых боевых маневрах в космосе, вероятно, будет намного больше, чем у марсохода, движущегося по поверхности Луны, даже при таких же массах.
Кроме того, в чем преимущество охладителя Пельтье перед традиционными жидкостными холодильниками? В вики-статье упоминается, что он имеет «низкую энергоэффективность», и чем больше энергии вам нужно для вашей системы охлаждения, чтобы получить заданное снижение температуры, тем больше отходящего тепла будет генерировать сама система охлаждения, что требует дальнейшего увеличения мощности. масса вашего теплового конденсатора, а также масса топлива, толкающего всю систему.
@Hypnosifl - я предлагаю устройства Пельтье, поскольку они могут быть встроены в кожу как твердотельный охладитель, а не жидкостная система. Я предполагаю, что я также предвзято отношусь к ним, поскольку они «крутые» (ах, чувак, не каламбур, но это работает хорошо). Что касается эффективности, вы, вероятно, правы. Я пытался найти то видео на YouTube, которое показывало тепловой конденсатор в действии. Не могу найти, но вот инструкция по этой игровой механике. Вкратце: Elite: Dangerous называет это бесшумным бегом и требует полного отключения питания корабля.
@Steve Вас может заинтересовать следующее: максимальная теоретически возможная удельная теплоемкость
@Hypnosifl Вас может заинтересовать следующее: максимальная теоретически возможная удельная теплоемкость
Спасибо за ссылку. "Молекулярный водород", что означает тогда жидкий водород? Какие проблемы с использованием этого в качестве радиатора? Если бы у вас был идеальный сосуд высокого давления и если предположение PV=nRT допустимо, я думаю, вы в основном переводите всю тепловую энергию в давление. Вероятно, заслуживает отдельного вопроса здесь или в Physics SE.
@ Стив - Молекулярный водород означает просто молекулы водорода (H2), состояние на самом деле не имеет значения. Предположение, стоящее за этим ответом, заключается в теореме о равнораспределении , которая гласит, что если у вас есть N молекул с внутренней энергией E, и каждая молекула имеет f степеней свободы, то в среднем каждая молекула будет иметь энергию (f/2)kT, поэтому общее внутренняя энергия E равна (f/2)NkT. Таким образом, если энергия изменяется на величину Q из-за подвода тепла, это связано с изменением температуры на Вопрос знак равно ( ф / 2 ) Н к Δ Т .
(продолжение), а теплоемкость при постоянном объеме определяется выражением С В знак равно Вопрос / Δ Т , так что уравнение может быть перестроено, чтобы сказать нам, что С В знак равно ( ф / 2 ) Н к . Таким образом, чем больше число N, тем больше значение С В ... поэтому, если вам нужна высокая удельная теплоемкость (теплоемкость, деленная на массу), вы хотите, чтобы N было как можно выше на единицу массы, поэтому масса отдельных молекул должна быть как можно меньше, поэтому выбор Водород, самый легкий элемент. Кстати, для двухатомных молекул, таких как водород, f=7, как объяснено на стр. 2 этого пдф .
(продолжение) Вот страница, на которой указана удельная теплоемкость H2 при разных температурах... Я предположил, что максимальная температура радиатора составляет 1000 К в примере в конце моего ответа, поэтому, если мы используем соответствующую удельную теплоемкость около 15000 Дж/(кг·К) вместо 900, которые я предполагал в примере, что улучшает максимально возможную Δ в до 7514 м/с, или чуть менее 13 минут ускорения 1G — лучше, но все же кажется маловатым для маневров в дальнем космическом путешествии к цели, которая может непредсказуемо корректировать курс.
Одним из вариантов было бы использование тепла в качестве топлива.

Космический бой в «реальном мире» сродни перестрелке на арене для боя быков.

Смертельное оружие, без прикрытия. Один выстрел один труп.

Дальность будет определяться «минутой маневра».

В стрельбе точность винтовок, как правило, измеряется «угловыми минутами», которые представляют собой единицу градусов (у кругов 360 градусов, у градусов 60 минут).

Под «минутой маневра» я подразумеваю попадание выстрела в зону, где будет находиться цель.

Для (надуманного) примера, при охоте, скажем, на оленя, жизненно важная область довольно велика (скажем, 6 дюймов в поперечнике). Винтовка с точностью 1 МОА может пустить пулю в пределах 1 дюйма от точки прицеливания на расстоянии 100 ярдов. Таким образом, с жизненной площадью 6 дюймов из такой винтовки можно подстрелить оленя на расстоянии до 600 ярдов. С винтовкой в ​​2 МОА это будет 300 ярдов.

При стрельбе по самолету вы «знаете», с какой скоростью движется самолет, знаете, как быстро летит ваша пуля, поэтому с помощью баллистики у вас есть представление о том, насколько «упреждать» самолет, чтобы пуля попала в цель. Но это не учитывает изменение направления самолета. Чем дальше вы находитесь от самолета-мишени, тем больше шансов, что самолет просто уйдет с дороги.

Во время Второй мировой войны противовоздушная оборона работала для таких вещей, как бомбардировщики, потому что они летели по прямой с постоянной скоростью. Они не так хорошо работали с бойцами собачьих боев.

Итак, вы можете видеть, что диапазоны будут сильно зависеть от типов используемого оружия. Потому что "дальность" относится только к баллистическому оружию. У управляемой ракеты в этом случае "неограниченная" дальность. Он может постоянно корректировать точку удара.

Теперь рассмотрим простой случай, когда астероид летит в космосе. Здесь минута маневра очень мала. Астероид просто не маневрирует. Таким образом, «легко» баллистически бросить объект, который столкнется с астероидом. Рассмотрим недавнюю посадку кометы. Да, были проведены некоторые маневры, но большая часть «атаки» была баллистической. Очень сложная орбита, но тем не менее баллистическая. Ошибка была не столько из-за кометы, сколько из-за ограничений точности вывода зонда на его правильную орбиту. Ошибка имеет тенденцию накапливаться на таких больших расстояниях, поэтому исправления были неизбежны.

Для корабля, который может маневрировать, вы должны быть достаточно близко, чтобы преодолеть такой маневр. Если вы стреляете большой боеголовкой со скоростью, скажем, 10 км/с, а цель находится на расстоянии 5 км, у цели есть 0,5 с, чтобы отреагировать и маневрировать кораблем «в сторону».

В космосе маневр дорог. В самолете вы сдвигаете элерон, и самолет быстро меняет направление. В космосе вы должны применять тягу для маневра. Вы не можете полагаться на аэродинамику, чтобы обеспечить «свободное» маневрирование.

Какая тяга у корабля? Сколько времени нужно, чтобы применить такую ​​тягу? Все это влияет на боевую дальность. Если кораблю требуется 10 секунд для маневра, то вы можете видеть, что с боеголовкой 10 км/с у вас есть эффективная дальность поражения 100 км.

Сейчас, конечно, все эти цифры выдуманы. Кроме того, 100 км кажутся ДЕЙСТВИТЕЛЬНО БЛИЗКИМИ для "космического боя".

Но посмотрите, как эти цифры меняются при использовании оружия со скоростью света. В космосе лазеры фактически являются «баллистическим оружием». В нашем предыдущем примере ваш ЛАЗЕР «летает» со скоростью 300 000 км/с. С нашей медленной целью до этого эффективная дальность составляет 3 000 000 км. Это (очень) грубо, 10 лунных диаметров. Вот это похоже на более "реалистичный" "космический полигон". Конечно, получить ЛАЗЕР, достаточно мощный, чтобы наносить урон на расстоянии 3 Мкм, — это другая проблема. Вы также начинаете сталкиваться с ограничениями точности. Корабль длиной 1000 футов (например, USS Nimitz) на высоте 3 км имеет размер 0,006 градуса. Можете ли вы представить себе управление устройством с достаточной мощностью, чтобы наносить урон с точностью отслеживания 6/10000 степени? Трудно представить.

Итак, «настоящий» космический бой. Вероятно, будет довольно близко. Это будет очень смертельно. Не будет покрытия. Как я уже сказал, стрелок на арене для боя быков.

Прицеливаться становится сложнее с расстоянием. На расстоянии светового года даже оружие направленной энергии слишком медленное, чтобы что-то поразить (помните: световой год — это расстояние, которое свет проходит за год, так что вы бы направили фонарик туда, где это было 2 года назад).

По мере уменьшения расстояния маневренность становится более важной (т. е. быстрые истребители могут уклоняться лучше, чем медленные дредноуты; они уклоняются от направленной энергии, видя, куда направлено орудие, и находясь где-то еще).

Однако есть момент, когда маневренность уже не имеет значения: истребитель абсолютно не может перехитрить ракету, потому что пилот не выдержит перегрузок. Направленная энергия в принципе не может промахнуться.

В масштабе светового года его также довольно легко замаскировать: уровень энергии падает с кубом расстояния, поэтому даже самые «яркие» корабли, которые мы можем построить сегодня, вероятно, невидимы даже с расстояния в несколько световых минут.

Что касается того, что может повлиять на датчики, это сильно зависит от того, как они работают. Например, датчики видимого света могут быть заблокированы черной краской на очень близком расстоянии.

И еще одно замечание: теоретически корабль может на какое-то время стать незаметным, направив большую часть своего тепла в какое-то внутреннее хранилище или направив его в сторону от того, чего он пытается избежать.

Небольшой комментарий: если предположить, что лазер указывает и стреляет примерно в одно и то же время, вы не сможете увидеть, куда он указывает, пока лазер не попадет в вас, учитывая, что ваше видение цели будет отставать от скорости света.
@ckersch Если лазер не может перемещаться мгновенно, вы можете видеть, куда он будет указывать, и быть там, куда, как вы знаете, он не может указывать в данный момент.
Кроме того, источник о том, что «самые яркие корабли сегодня невидимы на расстоянии нескольких световых минут»?
Ну, можете ли вы обнаружить очень горячий чайник (в 1000 раз меньше), обращающийся в 1000 раз ближе (скажем, к Луне)?
@cpast: space.com/7173-space-shuttle-launch-visible-east-coast.html говорит, что запуск шаттла имеет видимую звездную величину -2 и орбиту на расстоянии ~ 65 миль. en.wikipedia.org/wiki/Absolute_magnitude and math говорит, что это означает, что его абсолютная величина равна 60,3, а его видимая величина на расстоянии 1 а.е. (~8 световых минут) равна 54. en.wikipedia.org/wiki/Apparent_magnitude говорит, что видимая величина 36 равна просто обнаруживаемый с современными технологиями. ... если я правильно подсчитал, шаттл невидим с расстояния 8 световых минут в видимом свете.
«Световой год — это расстояние, которое свет проходит за год, поэтому вы бы направили фонарик туда, где это было 2 года назад». Почему? Если я ожидаю, что моя цель переместится на 1,88 миллиарда километров за время, необходимое моему выстрелу, чтобы достичь цели, я бы увел свой выстрел на эти 1,88 миллиарда километров. Конечно, если бы цель делала какие-либо попытки избежать попадания, я бы ожидал промаха, но я бы не стал указывать на точку, где в данный момент находится цель.
Что касается того, чтобы видеть, куда направлен лазер, и не находиться там: почему излучатель луча нельзя было скрыть в каком-то полуотражающем куполе, подобно тому, как направление, которое указывает камера безопасности, часто затемняется подобным куполом в наши дни? Или, в качестве альтернативы, лазер может быть запущен из фиксированного излучателя в быстро вращающееся зеркало, а время лазерного импульса будет регулироваться в зависимости от того, куда стрелок хочет, чтобы импульс отражался. Любое из них не позволит увидеть, куда было направлено ружье, до того, как оно выстрелит.
@Taemyr - 1,88 миллиарда километров в каком направлении?
@HorusKol двойная ориентация, в которой он уже движется.
@Taemyr Почему они должны двигаться с постоянной скоростью?
@HorusKol Мой комментарий был ответом на комментарий, который вы хотели указать, где находится корабль.

Моя первая мысль: на этот вопрос почти невозможно ответить, потому что мы понятия не имеем, какие технологии будут существовать. Предположим, вы спросили кого-то в 1492 г., на каком максимальном расстоянии могли сражаться военные корабли в 1900 г. Даже если бы у него было достаточно воображения, чтобы учесть радикальные достижения в области технологий, было бы ужасно трудно предсказать, что произойдет на самом деле.

Тем не менее, несколько случайных мыслей:

Управляемая ракета должна быть полезна на дальностях, сравнимых с дальностью ваших звездолетов. Если у вас есть корабли, которые могут путешествовать на сотни световых лет без дозаправки, то вполне вероятно, что вы могли бы сделать управляемую ракету, которая делала бы то же самое.

Лазерное оружие (или фазеры или любые их эквиваленты) будет ограничено рассеиванием луча. Лазеры по определению обладают высокой фокусировкой, и, по-видимому, в будущем они станут еще более сфокусированными. Но они должны иметь НЕКОТОРОЕ распространение по расстоянию, и в конечном итоге это приведет к тому, что луч будет иметь слишком мало энергии на квадратный метр, чтобы быть эффективным. Существуют ли теоретические пределы того, насколько сильно может быть сфокусирован лазерный луч?

На достаточно больших расстояниях наведение лазера было бы проблемой. Если для достижения цели лучу требуются минуты (или часы), то корабль может просто совершать случайные маневры уклонения, чтобы сделать лучевое оружие бесполезным. Я говорю «случайные маневры», потому что, если ваш лазерный луч движется так же быстро, как любые сигналы от датчика, не было бы возможности обнаружить лазерный луч до того, как он попадет в цель. В бою 21-го века ракета летит намного медленнее, чем световые или радиолокационные волны, поэтому вы можете отразить сигнал от ракеты и обнаружить ее приближение. Но как бы вы сделали это с помощью лазера? Даже если бы вы могли отразить какой-то сигнал от лазерного луча, этот сигнал должен был бы быть быстрее, чем лазер, иначе вы не получили бы сигнал о приближении лазера до того же момента, когда он ударил, что не сильно помогло бы. .

Что касается малозаметности... современные самолеты-невидимки работают следующим образом: (а) уменьшают количество выделяемого ими тепла, (б) изготавливаются из материалов, поглощающих радиолокационные волны, и (в) имеют формы, отражающие радиолокационные волны. в направлениях, отличных от обратного к передатчику радара. Я думаю, подобные вещи будут работать в космосе. Конечно, все зависит от того, как работают их датчики. Но если они передают луч, который отражается, когда сталкивается с чем-то, то, по-видимому, у вас могут быть технологии, которые поглощают этот луч или отражают его в другом направлении. Если у них есть пассивные датчики, которые обнаруживают тепло или другие излучения, у вас могут быть методы, которые уменьшают эти излучения до точки, где они ниже чувствительности датчиков. Трудно сказать, насколько сложно это было бы сделать, не зная, как работают датчики.

Дополнительная мысль

Несколько человек здесь подчеркивали сложность сокрытия тепла космического корабля. Но все зависит от того, насколько горячий космический корабль, насколько чувствительны датчики другого парня и как далеко вы находитесь друг от друга. Если кто-то поместит ядерный реактор на орбиту вокруг Солнца на том же расстоянии, что и Плутон, насколько сложно будет его обнаружить с Земли? Я не думаю, что на сегодняшний день существует какое-либо устройство обнаружения, которое могло бы осмотреть небо и мгновенно найти такой объект. Подозреваю, что искать придется долго и тщательно. Даже если бы вообще не было попытки скрыть реактор, количество энергии от этого реактора, которое достигло бы детекторов на Земле с такого расстояния, было бы крошечным.

Ах, вот способ думать об этом. Полученная энергия будет падать пропорционально квадрату расстояния. Так что если энергия вашего космического корабля, деленная на квадрат расстояния, меньше энергии, получаемой от звезд, деленной на квадрат расстояния, то ваш корабль не будет выделяться на фоне звездного шума. Сколько тепла будет выделять космический корабль по сравнению со звездой? Если бы это было, просто чтобы составить число, в 1/10 000 больше, то, если бы корабль находился на расстоянии более 1/100 расстояния от звезды, датчик получил бы одинаковое количество энергии от каждого из них. Я полагаю, это не сделало бы его необнаружимым: у вас могла бы быть карта всех звезд и любого другого известного источника энергии, а также компьютерный поиск аномалий. Но даже очень горячий космический корабль не будет ярко выделяться.

«Есть ли теоретические пределы того, насколько точно может быть сфокусирован лазерный луч?» звучит для меня как хороший вопрос для обмена физическими стеками.
«Предположим, вы спросили кого-нибудь в 1492 году, какова максимальная дальность, с которой военные корабли в 1900 году будут сражаться». Не уверен, что это хороший пример. Я не считаю неразумным ожидать, что он догадается, что ограничивающим фактором будут пределы дальности видимости, обусловленные кривизной земли. - что было бы в целом правильно для лучших кораблей Первой мировой войны. Поменяйте 1900 на 1950 и ситуация изменится.
@taemyr Но обратите внимание на два ключевых предположения в вашем комментарии: (а) человек в 1492 году знает, что бой все еще будет ограничен линией прямой видимости в 1900 году, но не в 1950 году; и (b) он знает, что это является решающим ограничивающим фактором, а не, скажем, сила, которую может выдержать ствол орудия, ограничивающая размер заряда, или точность оптики, используемой при прицеливании, или любой из ста другие возможные факторы. Я думаю, вполне возможно, что в бою между космическими кораблями в 2300 году будет применяться оружие, до которого никто из ныне живущих не додумался. Но опять же возможно и то, что не будет...
... новаторские достижения, и они будут использовать ракеты и пушки. Экстраполировать тенденции на 400 лет вперед невероятно сложно.
@Джей, ты немного неправильно прочитал мой комментарий. Я хотел заявить, что вполне правдоподобно, что человек из 1492 года может правильно предположить, каким будет ограничивающий фактор в 1900 году. Маловероятно, чтобы он сделал правильное предположение о 1950 году. Поэтому я думаю, что человек из 1492 года, пытающийся угадать технологию 1950 года, лучше пример.
@Taemyr Нет, кажется, я понял, что ты имел в виду. И я вижу вашу точку зрения. Я просто говорю, что для того, чтобы он выстоял, вы должны предположить, что 1492 человек осознает, что такое критические факторы, т.е. не думает, что какой-то другой фактор окажется критическим. И что у него недостаточно воображения, чтобы думать о крылатых ракетах и ​​т. д., но он ошибочно предполагает, что они могут быть изобретены на 50 лет раньше, чем они были на самом деле. Так что да, я понимаю вашу точку зрения, достаточно проницательный 1492er мог бы сделать это правильно, используя разумные экстраполяции ... но я не думаю, что пошел бы так далеко, как вы.

Космос действительно большой, и почти любой космический корабль будет очень маленьким по сравнению со всем остальным. Несколько световых лет — это расстояние, на котором мы не можем постоянно обнаруживать планеты , не говоря уже о космическом корабле.

Даже одна световая секунда действительно далеко. Для справки, Луна находится чуть более чем в световой секунде от Земли. На таком расстоянии носитель был бы вдвое меньше Нептуна в небе. X-wing казался бы меньше, чем Плутон. Обнаружение чего-то, что выглядит меньше Плутона, за разумное время на таком расстоянии возможно, если оно не пытается оставаться скрытым, но было бы довольно легко придать ему невидимое покрытие и бросить его к вашей цели с релятивистской скоростью без любое активное движение. Бой на расстоянии нескольких световых минут был бы сродни стрельбе по людям на Земле с поверхности Венеры или Марса.

Хотя возможно, что когда-нибудь появится какая-то технология, позволяющая вести такой бой, ограничения и расстояния, на которых будет происходить такой бой, будут полностью зависеть от этой предполагаемой технологии.

Шестьдесят градусов были предложены здесь как достаточно «узкий» конус, в котором можно спрятать выбросы.

Вам не нужен конус такого размера. Стреляйте расплавленными гранулами, изолированными и покрытыми льдом. В конце концов они прожигают изоляцию, а до этого растапливают лед (изоляция не идеальна). Стрельба ими во всех направлениях может быть удобным сдерживающим фактором против ракет с тепловым наведением (таких как мякина или сигнальные ракеты). Или другое решение проблемы конуса — использование охлаждающего лазера. Я не понимаю, почему радиатор должен «отключаться», сопротивления воздуха нет - максимальная сила, которую вы приложите, будет вашей собственной тягой, работающей в обратном направлении (если вы не вращали свой корабль).

Однако стелс трудно получить в космосе. В обычном пространстве вас видно на фоне, даже если вы чёрный — особенно если вы двигаетесь (вы начинаете перекрывать больше звёзд). Вы можете попробовать эффект хамелеона, но вам нужно знать, где находится ваш наблюдатель, чтобы откалибровать яркость (убывает с кубом расстояния, и вы намного ближе, чем звезда... чтобы получить такой же выход в его местоположении, вам нужно знать его местонахождение и надеяться, что у него нет сенсорной сети. Есть несколько решений для изгибного света, которые могут сработать для этого. Я не исследовал их полностью, но они в научно-популярной прессе - я видел их в последние пару месяцев Если они действительно работают, то это намного облегчило бы жизнь движущемуся кораблю.

Однако вы можете спрятаться за вещами. И вы можете использовать микродроны, микроракеты и микросенсоры, чтобы оставаться незамеченными на более близких дистанциях. Я ожидаю, что в конечном итоге вы получите удаленные сети, которые будут вести большую часть боевых действий, а корабли с биоэкипажами будут находиться так далеко друг от друга, что их трудно поразить прямым энергетическим оружием - вероятно, обычно они скрыты за кусками материи в системе. (которые, надеюсь, не добываются) и перемещение других кусков материи, чтобы создать больше скрытых пространств; Может быть, с большим количеством дистанционно управляемых буксиров.

--

Отступление/комментарий к удаленному ответу: я не вижу ничего плохого в том, чтобы отвечать на вопрос вопросами; это поможет OP уточнить детали или, по крайней мере, выбрать некоторые вещи или предложить ряд решений, чтобы они могли получить лучший ответ от всех нас (то есть: это может улучшить исходный вопрос). Но да, ответ сформулирован довольно язвительно.

Если у вас есть вопросы по поводу вопросов, я считаю, что общей практикой является оставлять их в виде комментариев. Пусть ОП попытается уточнить, а затем опубликовать ответ, как только вы узнаете, о чем они спрашивают.
"Почему ты всегда отвечаешь на мои вопросы другим вопросом?" "О, я?"
Некоторые сайты SE не позволяют комментировать без достаточного количества опыта/баллов/что-то еще.