Эпоха Пара

Я паро-панк
и я люблю паро-панк

ПубликацииПубликации ПрограммыПрограммы ИгрыИгры ТоварыТовары рГоблинрГоблин

Cветовой парус: размер и масса

Предыдущая статья: "Расчёт скорости светового паруса"

А здесь рассмотрим:

Прошлая статья вызвала кое-где и кое-у-кого горячий интерес. А где, спрашивают, расчёт размера светового паруса? Что ж, спрашивали - отвечаем!

Решать задачу опять же, будем в рамках школьных познаний. Ничего сложнее для теоретической части нам и не понадобится. Задачу сформулируем так:

Есть лазер. Например, гиперболоид инженера Гарина, что соответствует эпохе дизель-панка. Собственно раньше этой эпохи мы и в космос вряд ли хотя б заглянем, о чём ранее писал статьи:

И вот советский инженер Гарин дарит советскому инженеру Лосю свой гиперболоид. Надеюсь, все знают из каких произведений какого писателя два этих фантастических персонажа? Простите, что отвлекаюсь на риторический вопрос. Итак, лететь нам не до Марса, а куда подале.

Вопрос: что сможет запустить инженер Лось на световом парусе, используя гиперболоид инженера Гарина? Технологии естественно дизель-панковские. Но Циолковский уже научил получать свехтонкие плёнки путём плавки в космическом вакууме - так что парус на орбитальном заводе уже делают. Спрашивают только какой же размер паруса нужен?

Ответ: как ни странно, размер светового паруса зависит от луча лазера.

Пути фотонов в луче лазера в идеале строго параллельны. Такой идеальный пучок не разошёлся бы и перелетев всю Вселенную. В реальности, однако, даже луч лазера постепенно расфокусируется. Так что луч этот не математическая прямая, а конус вершиной в фокусе лазера, а далее всё шире и шире. И те кто читал книгу Алексея Толстого конечно же помнят, что и конструкция гиперболоида была основана на параболических зеркалах, а потому и его луч должен расширяться. На дистанции в несколько километров этого и не заметишь - но мы-то собираемся пронзать космическую бездну.

Предположим, что достижимая точность 1" - то есть одна угловая секунда. Много это или мало?

Эту странную систему меры углов придумали вроде бы древние вавилоняне. Всего в окружности 360°, что уже намного больше, чем нужно было древним морякам - те пользовались румбами, а самый маленький румб на порядок больше одного градуса. Но вавилонянам этого показалось мало, они поделили градус на 60' - то есть 60 минут. Много ли это? Если взять окружность размером с нашу планету Земля, то на её поверхности 1' = 1852 м. Или ровно одна морская миля. Вавилоняне вроде не были великими мореходами, но им опять показалось мало - и они поделили минуту на 60". Так вот на той же окружности 1" = 31 м.

В масштабах планеты угловая секунда заметная величина. Но как её разметить на заготовках в цеху? Вот, к примеру, снайперская винтовка. Для неё считается отменной точность всего в 1' - то есть в 60 раз больше допустимая погрешность даже для особо точного снайперского оружия. Может и точности в 1" достичь было невозможно?

Да нет, вполне возможно. И достигали уже в XIX веке. Хотя для этого приходилось идти на разные ухищрения. Желающие глубоко вникнуть в тему могут почитать книги о самостоятельном изготовлении телескопов - вот там все эти премудрости во всей красе изложены. Так что дело конечно тонкое - но реальное даже для Эпохи Пара.

Кстати про телескопы. Ведь придётся как-то удерживать луч лазера наведённым на парус всё время разгона. А как? Да так же, как ещё в XIX веке удерживали телескоп наведённым на избранную звезду всё время фотографирования - а оно могло занимать многие часы. Делал это часовой механизм. Наводить удавалось даже точнее желаемой нами точности в 1". Вот, к примеру, промерили собственное смещение Сириуса (оно чуть больше 1"), а затем обобщили все наблюдения за годы вместе - и зафиксировали ещё и синусоидальное отклонение Сириуса от прямой траектории. Да так точно его выявили, что ещё в XIX веке по этому отклонению установили, что Сириус физически двойная звезда (что тогда считалось невероятным), да ещё рассчитали массу его компонентов.

Так что даже паро-панк даст нам точность в 1", а для уникального изделия и лучше. Но мы условились не жадничать и ограничиться допуском в 1"

Итак, при заданном угле расхождения в 1", на расстоянии в 1 км, луч гиперболоида инженера Гарина из математической точки расфокусируется до пятна чуть менее 1/10 дюйма диаметром.

Исчислена эта цифра очень просто нужно длину окружности (а она π * d = 3 141 592.5 мм) разделить на число угловых секунд в круге (360 * 60 * 60 = 1 296 000") что и даёт 2.424 мм.

На дальности в миллион километров пятно лазерного луча превратиться в блик диаметром чуть менее 2.5 км. А через 10 миллионов километров - расползётся до 24 км. Цифра большая, но - в космической невесомости нет проблем соорудить парус и поболе этого.

Однако нужно учесть ещё и погрешность наведения в ту же 1" - потому размер светового паруса должен быть вдвое больше диаметра светового пятна лазерного луча на предельной дистанции, где разгон придётся прекратить, ввиду возможного ухода луча за пределы паруса.

И конечно весьма желательно дополнить наш орбитальный гиперболоид системой фокусировки луча так, чтобы этот луч вблизи можно было расфокусировать до размеров паруса - и тогда он не прожёг бы его в одной точке. А чем дальше будет улетать парус, тем острее нужно фокусировать луч.

Осталось лишь понять, насколько далеко он улетит к моменту окончания разгона?

Световой парус: разгон

S = v2 / 2a

Ускорение у нас g = 9.81 м/с2
Желаемая скорость 1000 км/с
Стало быть, длина разгона составит 50 968 399 592 м = 50 968 399 км

Округлим до 51 миллиона км. Следовательно:

Диаметр потребного светового паруса 247 102 м = 247 км. Это уже с двухкратным запасом. Округлим до 250 км.

250 километров это диаметр светового паруса, который потребен для разгона до скорости в 1000 км/с, при использовании гиперболоида инженера Гарина. Тут самое время вспомнить предыдущую статью, где мы считали время разгона с комфортным для жителя Земли ускорением в 1g - всего чуть более 1 дня потребуется. В романе Алексея Толстого инженер Гарин заявлял, что его гиперболоид способен работать до 5 минут без перегрева. Что ж, придётся поставить батарею гиперболоидов и включать их по очереди. Но технически задача разрешима. Однако она разрешима - на стороне стартового комплекса. А вот что у нас с собственно парусом?

Световой парус: масса

А здесь вообще всё просто, если представить парус в виде цилиндра. Ну уж формулу подсчёта объёма цилиндра из школьного курса геометрии все помнят, надеюсь? А кто забыл, напомню: это площадь круга основания умноженная на высоту цилиндра. К слову сказать, для нашего паруса в 250 км диаметром, эта самая площадь основания S = π * R2 = 49 087 кв.км. А вот с высотой, то есть толщиной паруса, сейчас будем играть. А чтоб из этого узнать массу, нужно полученный объём умножить на плотность материала. Материал у нас сталь, полученная из метеоритного железа. Плотность 7.8 г/см3 или 7.8 т/м3

Если делать парус из полдюймовых листов корабельной стали, из каких делали "Титаник", то выйдет объём 623.5 куб.км, что даст массу 4 862 596 379 тонн. То есть почти 5 миллиардов тонн. Но нам не нужно плыть по волнам. Почему бы не взять что-то потоньше? К примеру, лист для бритвенного лезвия толщиной 0.1 мм - и тогда объём 4 908 738.5 куб.м (обратите внимание: уже не километры, а метры!), а масса 38 288 160 тонн. Менее 40 миллионов тонн это уже намного лучше.

Но в невесомости не нужна такая избыточная конструкционная прочность! И можно натянуть парус вообще из фольги! Которая ещё в 10 раз тоньше - и вот уже наш парус весит менее 4 миллионов тонн. Кажется много? Да это вес всего десятка современных не самых крупных морских балкеров или танкеров. Ну или, уж поскольку сравниваем с Эпохой Пара, то это вес примерно 80 "Титаников". То есть даже для промышленности паро-панка работа пусть и напряжённая, но в теории выполнимая за обозримый срок.

Но мы же взяли фольгу, раскатанную на Земле - а выгоднее тянуть тонкие плёнки на орбитальном заводе. А тогда ничто не мешает уменьшить толщину ещё на порядок.

Итак, световой парус в технологиях Эпохи Пара может весить всего-то жалкие 8 пароходов как "Титаник" (или всего один современный супер-танкер). Как именно устроено подобное орбитальное производство читайте Циолковского, там всё расписано понятным русским языком, а я уж здесь не буду пересказывать.

Главное мы установили: инженеры дизель-панка представляют себе, как такой световой парус можно и построить и даже запустить в дальний космос.

Парус рептилоидов

А теперь вернёмся к роману "Революционер на паровом ходу", где на звёздном паруснике прилетают добрые пришельцы. А потом, набив трюмы, улетают. Только их парус намного больше, при том прочнее и тоньше, а значит легче. За счёт чего?

Чёрные алмазы. То самое идеальное нановолокно, которое почти невозможно получить на Земле, рождается само в вакууме космоса. Межзвёздные странники давно научились выращивать чёрные алмазы. Об этом не раз даются намёки. Световой парус из этого материала весил бы ничтожно мало, при том был бы способен выдерживать невиданные ускорения. Ведь прочность его на порядки выше лучшей стальной струны, и, вообще говоря, прочнее ничего и быть не может (ну нету во Вселенной ничего прочнее идеальной углеродной структуры).

Я опасаюсь назвать тут конкретные цифры, потому что хоть нынче я и писатель-фантаст, но в прошлом я техник космической отрасли - и эти цифры кажутся мне невероятными. И однако - такова реальность. Толщина такого паруса, который можно назвать алмазным, может исчисляться менее чем в микронах. Возможно даже всего лишь в нанометрах, как бы невероятно это ни звучало. Далее можете сами упражняться в математике, подставляя любую толщину, какую Ваш личный внутренний реалист готов ещё принять в качестве теоретически реальной. И не забывайте теперь умножать на плотность алмаза, а она 3.5 г/см3. Хотя если делать парус из нанотрубок, то у них плотность меньше, а прочность ещё выше из-за их геометрии.

Почему я так уверенно пишу об этом? Да потому, что наши современные технологии выращивания искусственных кристаллов уже вплотную подошли к этому рубежу. Ещё примерно полвека назад подошли в промышленных масштабах, и прогресс развивается дальше. Осталось лишь развернуть орбитальное производство - и вот там размер кристаллических плёнок уже не будет ограничен прокрустовым ложем гравитации. И мне очень трудно вообразить себе цивилизацию космических путешественников, которая не использовала бы эти чудесные возможности производства в невесомости.

И на этой патетической ноте я бы хотел завершить, но... увы, придётся сказать и о плохом.

Двойка по физике Хокингу?

А на плохое у нас будет лень. Лень читателей. Взгляните на изложенное выше ещё раз. Там же школьные формулы! Не поняли ещё, к чему я клоню?

Хорошо, я объясню.

Когда я выложил первую краткую статью, я полагал, что никому не интересно будет длинное развёрнутое описание со всеми этими надоевшими в школе формулами. Ну кто их не знает? А даже если и подзабыл, так недолго заглянуть в справочник, освежить память. И если в первой краткой статье уже было указано главное - что теоретически световой парус разгоняется до требуемой скорости за приемлемый срок - то кому интересно вникать как там это технически устроено? Ну может найдётся такой оригинал (вроде меня) - так он и сам возьмёт школьную формулу и прикинет - и получив интересующую цифру, удовлетворится этим.

На деле меня ждало... Как бы это определить потактичнее? Яростный спор без малейшего возражения по существу. Но с обилием упрёков, а где, мол, расчёты?

Поправьте меня, коли я ошибаюсь, но неужто заинтересованный читатель уже так обленился, что не способен сам приложить цифры к вот тем школьным формулам, что изложены выше?

И наконец, как вершина этого гуляющая по интернету статья "Двойка по физике Хокингу" - где все возражения критика сводятся к волшебной формуле:
  — Я не знаю как это работает, потому известнейший физик современности дурак, а его 40 лет разрабатываемый проект невозможная дурь!

А может дурак тот, кто выносит суждение, не зная?

Ребята, не надо бездумно рукоплескать статьям горе-правдорубов. Ведь вас там ловят на примитивнейшие трюки. Напишут "гигаватт" - а это много или мало? А за какое время это воздействие какую работу произведёт? Может это много для обычной стали (хотя и тут остаётся открытым вопрос в процессах во времени воздействия), но чтоб растопить алмаз недостаточно - однако про это критик то ли забыл, то ли вовсе не знал? Или напишут "500 бит в секунду" - а это много или мало? Не для 3G и просмотра стримов - а конкретно вот для этой задачи передачи всего одного изображения, причём во времени мы не ограничены (хоть год его передавай). Так может, при таких раскладах, и 500 бит в секунду это запас с лихвой? А вот этого вам не объясняют. Да и зачем, если горе-критик всего лишь хочет похайпить - на тех, кто ленится думать сам.

Лень. Лень одолела читателя, мнящего себя умным. И вот это печально. Вообще говоря, уже и не знаешь, а к чему что-то умное писать? Кто ж это умное читать будет? Если думать - стало лень!

Вот такие печальные мысли про современного читателя одолевают меня. А за световой парус я не беспокоюсь. Полетит. Только не у тех, кто обленился думать.

P.S. Кстати, проблема лени в науке и к чему такое может привести в масштабах цивилизации, пройдёт через готовящийся сейчас новый роман Анастасии Семенюты. Читателя ждут дирижабли, паровые машины, первые взлёты космических ракет, диковинная архитектура городов и фермы-оазисы, а главное - летающие люди фантастического Тусолона. Но всё это очень большой секрет, так что никому ни слова!


среда 15 декабря 2021г
Алексей «Рекс»
  больше подробностей читай

Революционер на паровом ходу
Background

Книга как создаётся классика паро-панка

Книга о книге. Книге, которую называют возрождающей культ истинного паро-панка «как писал Жюль Верн», и однако эта замечательная книга не была на сём пути первой. Так что о предшественниках тоже узнаете. Как кропотливо годами собирались исторические факты. Как рождались эскизы, чтобы быть воплощёнными в тексте и иллюстрациях. И как это всё рождало увлекательный сюжет в глубоко обоснованном и подлинно научно-фантастическом мире Эпохи Пара.

Книга щедро иллюстрирована