Материнский корабль
Подробнее о конструкции корабля - в теме Концепт базового корабля.
1) Досветовые двигатели
Двигатели реактивные, но конечно не химические. Т.е. источник энергии и реактивная масса (рабочее вещество, рабочее тело) - это разные понятия. Например, рабочее тело - водород, разгоняемый в двигателях электромагнитным полем (плазменные двигатели), энергия для поля поступает из отдельной энергетической установки (ректора).
Двигатели очень мощные и высокоимпульсные, сообщают кораблю ускорение до 10-20g и имеют с одной заправки запас характеристической скорости до 10000 км/с (это суммарная возможность изменения скорости: например корабль с одной заправки сможет 10 раз разогнаться до 500 км/с и затормозить). Это характеристики максимально усовершенствованного корабля в игре. Рабочее тело двигателей - водород, вода или что-то другое, легко добываемое в космосе.
Заправка водородом может осуществляться при пролёте через атмосферу газового гиганта. Корабль подлетает к гиганту с определенной скоростью, раскрывает воздухозаборник, и наполняет баки. Причём выгоднее запрвляться у лёгких гигантов типа Нептуна - меньше потом тратится водорода для того, чтобы улететь от него. Другой вариант - добыча водорода из воды или льда, которого много на ледяных спутниках холодных планет и в кометах.
Водород в жидкой и твёрдой фазе имеет очень маленькую плотность, поэтому для него нужны огромные баки. Например по одному из рассчётов (см. ниже), нужен бак диаметром 1200 км, или 200 баков диаметром 200 м. Поэтому в игре будет применяться технология хранения водорода в т.н. вырожденном ("металлическом") состоянии, как в недрах газовых гигантов. Плотность водорода в этом состоянии сравнима с плотностью воды, и диаметр бака сокращается до 460 м, или 12 баков диаметром 200 м.
Пример расчёта массокинетических характеристик корабля:
- Размер корабля: диаметр 400 м, длина 1500 м
- Масса корабля без водорода: 1.5*1011 кг
- Масса водорода: 6.0*1010 кг
- Ускорение: 50 м/с2
- Тяга: 7.5*1012 Н
- Характеристическая скорость: 10000 км/с
- Скорость истечения водорода: 30000 км/с
- Расход водорода: 251000 кг/с
- Время полного расхода водорода: 2.7 суток
- Плотность жидкого водорода: 70 кг/м3
- Диаметр бака для жидкого водорода: 1200 м (или 203 бака диаметром 200 м)
- Плотность металлического водорода: 1150 кг/м3
- Диаметр бака для металлического водорода: 460 м (или 12 баков диаметром 200 м)
Сверхсветовой двигатель возможен в 2 вариантах - "прыжковый" и Алькубьерре.
Прыжковый двигатель. Корабль не может прыгать сразу на световой год, а может осуществлять частую серию которких прыжочков на миллионы-миллиарды км. Между прыжками проходит 1 миллисекунда, в это время заряжаются конденсаторы прыжкового двигателя. Для пилота это быдет выглядеть, как непрерывное (потому что 1000 прыжков в секунду) сверхсветовое движение без релятивистских искажений (потому что реальная физическая скорость корабля может быть хоть нулевая). Короче так, как сейчас выглядит межзвёздный полёт в SE сейчас. Большие корабли могут совершать за раз более далёкие прыжки, или с большей частотой, т.е. развивать большую "гиперскорость".
На дальность прыжка влияют локальные гравитационные поля. Поэтому при подлёте к планете или звезде корабль уменьшает "гиперскорость". Полёт внутри планетной системы медленнее, чем в межзвёздном пространстве, а в ядре галактики медленнее, чем на переферии.
Прыжок сохраняет энергию и импульс корабля. Можно представлять себе гиперполёт как обычный досветовой полёт по законам механики, но с ускоренным временем. Пусть например надо перелететь от Земли к Марсу. Рассчитывается орбита, моменты включения и выключения двигателя. Корабль разгоняется до скорости перелёта, как если бы летел с досветовой скоростью. Затем включается гипердвигатель, и перелёт осуществляется за несколько секунд, как если бы в игре ускорить время в миллион раз. Когда корабль оказывается вблизи Марса, гипердвигатель выключается, корабль тормозит, уменьшая перелётную скорость до орбитальной скорости Марса, и таким образом выходит на орбиту.
Таким образом, нельзя прыгнуть (или перелететь в гиперрежиме) с поверхности или орбиты планеты сразу далеко в космос: для этого надо разогнаться хотя бы до второй космической. Нельзя прыгнуть с орбиты или поверхности одной планеты на орбиту или поверхность другой. Энергия должна сохраняться, и при перелёте должна быть не меньше, чем потенциальная энергия, необходимая для выхода из гравитационного поля начальной планеты. При расчёте полёта надо учитывать относительные скорости точки отправления и цели - они складываются из скорости звёзд, скорости планет, и скорости корабля. Также надо учитывать потенциальную энрегию корабля в грав. поле: суммируются вклады от всех планет и солнц в системе, и вклад от галактики, если перелёт межзвёздный.
Короче говоря, перед гиперперелётом корабль должен разогнаться для выхода из гравитационного поля планеты и/или звезды и для компенсации разности скоростей начальной и целевой планеты/звезды. При полёте к соседним звёздам нужно набрать порядка 30 км/с. При ускорении корабля 10g разгон до такой скорости займёт 300 секунд = 5 минут. А сам гипреперелёт займёт несколько секунд или минут. Для перелёта на другой край галактики нужно набрать примерно 500 км/с, т.к. скорость обращения звёзд вокруг центра галактики около 250 км/с. Это значит, что такой перелёт займёт довольно много времени и возможно потребует дозаправки реактивной массой (водородом) где-то по пути. Перелёт в далёкую галактику будет занимать часы или даже дни, потому что кораблю надо будет компенсировать хаббловскую скорость галактики, а делается это только реактивными двигателями. Если характеристическая скорость корабля 1000 км/с, а галактика удаляется от точки старта со скоростью 10000 км/с, то придётся сделать 10 промежуточных остановок в галактиках по пути для дозаправки и разгона, чтобы набрать 10000 км/с.
Взаимодействие поля ускорения времени с межзвёздным веществом:
http://spaceengine.org/_fr/0/se_fieldTest_3.swf
Двигатель Алькубьерре. Тут всё сложнее и физика пока не очень понятна, надо читать статьи. Вероятно, энергетика этого двигателя столь велика, что корабль смог бы поднять сам себя с поверхности планеты, как на антиграве. Но хотелось бы избежать такой техномагии.
3) Источник энергии
Досветовой и сверхсветовой двигатели используют энергию от реакора (например, электричество). Реактор может быть как отдельным устройством, так и совмещённым с двигательной установкой. Например, термоядерные двигатели могут быть оснащены МГД генераторами, вырабатывающими электричество, когда двигатель работает. Но это значит, что кораблю нужен мощный накопитель энергии или вспомагательный реактор для функционирования при выключенных двигателях. МГД генераторы выдают гораздо большую мощность, чем вспомогательный реактор, так что гипердвигатель заряжается от них быстрее. Это можно использовать: перед гиперполётом корабль всё равно должен изменить свою физическую скорость с помощью главных двигателей, во время этого процесса можно зарядить гипердвигатель.
Челнок для посадки на планеты
Челнок, предназначенный для посадки на планеты с атмосферой, оборудован реактивными двигателями для полёта в вакууме и воздушно-реактивными двигателями для полёта в атмосфере. Возможна совмещённая конструкция двигателей. Доступны различные технологии:
[*]Электрореактивные (разгон молекул рабочго тела в электрическом поле, используя энергию реактора)
[*]Плазменные (нагрев рабочго тела до десятков тысяч градусов в магнитном сопле, используя энергию реактора)
[*]Ядерно-тепловые (нагрев рабочего тела в активной зоне реактора)
[*]Ядерные (непосредственный выброс продуктов ядерных или термоядерных реакций из активной зоны реактора)
[*]На энегрии фазового перехода (металлический водород превращается в газ с выделением до 300 МДж на кг)
Первые три типа могут быть прямоточными, т.е. использовать в качестве рабочего тела газ из атмосферы планеты во время атмосферного полёта, а в космическом полёте переходить на водород или другое вещество из баков. Четвёрный тип может быть совмещён с третьим в единую многорежиную установку.
Гиперпрыжки шаттл совершать не может.
Возможны два варианта конструкции челнока: самолётный (горизонтальная посадка с использованием аэродинамики) и ракетный (вертикальная посадка на хвост с использованием тяги двигателей, как ракетные корабли из классической фантастики XX в.).
Челнок, предназначанный для посадки только на безатмоферные тела, аналогичен ракетному варианту, но гораздо легче (т.к. безатмосферные тела обычно обладают низкой гравитацией) и не требует аэродинамических форм. Атмосферный челнок тоже может осуществлять посадку на безатмоферные тела, если это возможно без использования воздушно-реактивных двигателей.
Самолётный вариант
Шаттл имеет вид самолёта или американского "Шаттла": горизонтальная конструкция, крылья для создания аэродинамической подъёмной силы, ракетные двигатели в задней части корпуса и воздушно-реактивные двигатели на крыльях или под дном аппарата.
[*]Взлёт. Корабль каким-то образом отрывается от поверхности (с помощью небольших двигателей вертикального взлёта или поворота вектора тяги главных двигателей), затем включает воздушно-реактивные двигатели, набирает ими скорость и высоту. Воздушно-реактивные двигатели используют воздух планеты как реактивную массу, не тратя водород из баков. В верхних слоях атмосферы скорость достигает 10-20% от первой космической (орбитальной), затем включаются ракетные (космические) двигатели, с помощью которых корабль достигает первой космической. Космические двигатели используют как реактивную массу водород, хранящийся в баках в металлической форме. Далее производится манёвр перехвата базового корабля и стыковка. Выход на орбиту занимает 5-10 минут (при ускорении 2-3 g), а вот перехват базового корабля может потребовать часы и несколько витков орбиты. Поэтому базовый корабль может сам скорректировать свою орбиту и осуществить быстрый перелёт к точке встречи с помощью гипердвигателя.
[*]Посадка. Сначала корабль сбрасывает орбитальную скорость с помощью космических ракетных двигателей, затем входит в атмосферу под острым углом. Дальнейший полёт происходит в атмосфере с большой скоростью, в результате корабль сильно нагревается из-за трения о воздух. Тепловой щит в нижней части шаттла предохраняет его от перегрева. Сброс скорости осуществляется за счёт трения о воздух, для увеличения эффективности шаттл может совершать волнообразные движения влево-вправо. Когда скорость становится ниже скорости звука, включаются воздушно-реактивные двигатели и дальнейший полёт до точки посадки происходит в режиме самолёта. Посадка осуществляется с помощью двигателей вертикального взлёта или поворотом вектора тяги главных двигателей.
[*]Преимущества. Использование воздушно-реактивных двигателей снижает массу корабля и необходиое для взлёта количество водорода. Полёт в атмосфере в режиме самолёта вообще не расходует водород и не ограничен по расстоянию.
[*]Недостатки. Ускорение при взлёте и орбитальном полёте направленно "назад", а при посадке, атмосферном полёте и стоянке на поверхности - "вниз": требуется особая внутренняя планировка. Торможение при посадке - аэродинамическое, что приводит к опасному нагреву, а большое отклонение корпуса может разрушить корабль. Взлёт и посадка без ВПП возможна только с помощью специальных двигателей вертикального взлёта или отклонением вектора тяги главных двигателей (дополнительная механика уменьшает надёжность).
Ракетный вариант
Шаттл имеет вид ракеты: вертикальная конструкция, в нижней части корпуса атмосферные стабилизаторы и реактивные двигатели, закреплённые на них, либо один двигатель в нижней части корпуса. Стабилизаторы также выполняют функцию посадочных опор. См. например концепт SpaceX ITS.
[*]Взлёт. Взлёт осуществляется как у обычной ракеты, вертикально вверх. На начальных этапах полёта корабль может использовать воздух планеты как реактивную массу, взлетая на воздушно-реактивных двигателях. По достижении верхних слоёв атмосферы курс корабля становится более горизонтальным и включаются космические реактивные двигатели, далее всё аналогично самолётному варианту.
[*]Посадка. В отличие от самолётного варианта, не используется аэродинамическое торможение, посадка напоминает "взлёт наоборот". Корабль сбрасыват орбитальную скорость, тормозя главными двигателями, входит в атмосферу хвостом вперёд на сравнительно небольшой скорости и плавно опускается на поверхность, садясь на хвост. Всё время работают космические реактивные двигатели, поэтому такой корабль должен нести больший запас реактивной массы по сравнению с самолётным вариантом.
[*]Преимущества. Ускорение во всех режимах всегда направлено "вниз" (к двигателям) - идеален для перевозки пассажиров. При посадке не происходит нагрева корпуса. Посадка может осуществляться на любую твёрдую поверхность. Монолитная конструкция без движущихся частей (кроме регулируемых посадочных опор) увеличивает надёжность. Может садиться и взлетать с любых тел - с атмосферой и без.
[*]Недостатки. Требуется больший запас водорода по сравнению с самолётным вариантом. Атмосферные манёвры ограничены, т.к. полёт возможен только в ракетном режиме с расходованием водорода.