The Expanse: космические путешествия 2.0

В сериале The Expanse, это редкий современный представитель «твёрдой» научной фантастики, для космических путешествий используется «двигатель Эпштейна». Экономный реактивный двигатель способен обеспечивать постоянную тягу (вплоть до десятков g) на протяжении всего полёта. Он кардинально меняет траектории и длительность межпланетных путешествий.

Как следствие, через несколько веков корабли летают по прямой, а полёт делится на две фазы. Полпути мы ускоряемся, например при искусственной гравитации 1g — высокие ускорения в 3-5g нужны для военных и в экстренных ситуациях. Потом немного невесомости, корабль разворачивается двигателем к цели и оставшаяся половина пути проходит с такой же тягой, но уже замедлением.

При благоприятном расположении планет до Марса можно долететь за выходные, а примерно за неделю добраться до Юпитера и Сатурна. Полёт до Луны при удобной земной тяжести займёт меньше 4 часов — быстрее, чем доехать из Москвы до Ленинграда или долететь из Москвы до Нью-Йорка.

Подробности ниже, на английском языке с форума фанатов. Спасибо за них Steve Swiss и Chris Hardy (США).

Двигатель Эпштейна часто используется военными. В бою ускорение при необходимости может достигать 7-11g, что означает необратимые изменения в здоровье экипажа, вплоть до потерь в боевом составе. Да и для торпед ограничения по ускорению не такие жёсткие, как для людей. У авторов явно связи среди американских военных, слишком уж достоверно описаны рельсовые пушки и другое перспективное вооружение.

Эконом-класс, да и рабочий класс, летает на 0,3g. Тела тех, кто вырос и живёт при низкой гравитации (0,1-0,5g), сильно видоизменяются. Это уже отдельная раса «белтеров» (астровитян), негры будущего. В сериале эти изменения не показаны, но в романах упоминаются.

Because people keep asking this question today...

Not assuming any time taken for orbital maneuvering, turning halfway 180° to decelerate, assuming closest distance of planets (and Luna) to the Earth, and not accounting for fuel burn (i.e. literal constant 1g acceleration). Remember that the planets are NOT stationary, and these distances are only from the closest points of their orbits, in reality the distances vary greatly depending on the position of the celestial bodies:

  • The Moon / Luna:
    Closest to Earth (Supermoon): 356,577 km
    Travel time (at 9.80665 m/s2, no deceleration): 2h 22m 12s
    Travel time (at 9.80665 m/s2, decelerating halfway): 3h 20m 24s
  • Mercury:
    Closest to Earth: 77.3 million km
    Travel time (at 9.80665 m/s2, no deceleration): 1d 10h 52m 48s
    Travel time (at 9.80665 m/s2, decelerating halfway): 2d 1h 19m 12s
  • Venus:
    Closest to Earth: 40 million km
    Travel time (at 9.80665 m/s2, no deceleration): 1d 1h 5m 2s
    Travel time (at 9.80665 m/s2, decelerating halfway): 1d 11h 28m 48s
  • Mars:
    Closest to Earth: 65 million km
    Travel time (at 9.80665 m/s2, no deceleration): 1d 7h 58m 5s
    Travel time (at 9.80665 m/s2, decelerating halfway): 1d 21h 13m 1s
  • Jupiter:
    Closest to Earth: 588 million km
    Travel time (at 9.80665 m/s2, no deceleration): 4d 0h 11m 2s
    Travel time (at 9.80665 m/s2, decelerating halfway): 5d 16h 2m 2s
  • Saturn:
    Closest to Earth: 1.2 billion km
    Travel time (at 9.80665 m/s2, no deceleration): 5d 17h 25m 1s
    Travel time (at 9.80665 m/s2, decelerating halfway): 8d 2h 20m 24s
  • Uranus:
    Closest to Earth: 2.57 billion km
    Travel time (at 9.80665 m/s2, no deceleration): 8d 9h 6m 0s
    Travel time (at 9.80665 m/s2, decelerating halfway): 11d 20h 24m 0s
  • Neptune:
    Closest to Earth: 4.3 billion km
    Travel time (at 9.80665 m/s2, no deceleration): 10d 20h 7m 48s
    Travel time (at 9.80665 m/s2, decelerating halfway): 15d 7h 52m 48s
  • Pluto:
    Closest to Earth: 4.28 billion km
    Travel time (at 9.80665 m/s2, no deceleration): 10d 19h 31m 12s
    Travel time (at 9.80665 m/s2, decelerating halfway): 15d 7h 1m 12s

You take curvy transfer orbits when you're coasting most of the way.
If your drive can accelerate at 1g (or even 0.3g) for most of the trip, your optimal path curves so little it would appear to be a straight line unless closely examined.

Agreed - as a ship loses reaction mass, the computer will have to slowly decrease thrust force to maintain a constant acceleration. Given how computerized everything is in the setting (and even in our own time) that's a reasonable assumption.

On the straight line thing - again - it's all curves but it's not very curvy if you have 1g thrust for the whole trip.
Example: let's say you're traveling from Earth to Uranus at constant 1g with a midpoint flip, and Earth has orbited a quarter past opposition so that Uranus is 20 AU away in the exact opposite direction the earth is orbiting (at 30 km/s).
It will take about 11.7 days to reach midpoint flip, at which time the ship will be traveling 3000 km/s. So it takes less than three hours (0.5% of the trip) to drop from the earth's orbital velocity (in the "wrong" direction) to zero relative to the sun, and start moving toward Uranus. At that time the sun's gravity pulls the ship at 0.0006g. Compared to the ship's 1g thrust that's negligible.
Similarly when you get to Uranus (almost straight out from the sun) you'll need to add 6.8 km/s lateral velocity to match Uranus' orbital velocity around the sun. But that's just 38 minutes of lateral thrust near the end. I'm sure the computer would optimize a nice little curve right there at the end instead of coming to a full sun-relative stop and then taking off again at a 90° angle, but that terminal curve will be a tiny addendum to an otherwise mostly straight path.

Метки публикаций: 

Комментарии

И ведь технически человечество уже почти на пороге создания такого двигателя - нужен технологический скачок в термоядерных реакторах и ионных двигателях

Непонятно, как столько топлива с собой брать, если движок вообще не выключать. Может, конечно, Эпштейн его выплёвывает с невероятной скоростью. Подробностей про устройство этого двигателя нет. Только небольшой рассказик, как один марсианин его разработал и испытал. Этот рассказ, кстати, экранизировали в один из эпизодов сериала.

У Михаила Пухова лунолёт в-основном летел по баллистическим кривым, и то несколько раз от Луны до Земли подзаправлялся. По крайней мере по первоначальному плану. :-)

Видимо, импульс двигателя огромный. Современные ионники выплевывают ионизированный газ до 50 км/сек, что говорить о технологиях будущего

Да, технологии должны быть запредельные. Тут я, возможно, ошибаюсь, прикинул "на коленке", нужно будет перепроверить, но при скорости истечения равной скорости света при таком режиме полета (с ускорением до половины пути в 1g и торможением) до Нептуна/Плутона кораблю нужно потратить ~4% своей массы.

Как-то удивительно много массы надо потратить для такого импульса.
Так что будем считать, что двигатель Эпштейна это эволюция ведра EM-драйва :)

При весе корабля в 100 тонн до Плутона и обратно получается нужен запас воды в 4-5 тонн.

Просто в расчетах двигателя на фанатском сайте (ниже) речь шла о скорости истечение примерно 5% скорости света, я и подумал, что при скорости света потраченная масса была бы меньше.

При скорости истечения 0.05c уже другая история. В таком режиме на середине траектори до Плутона или Нептуна скорость получается примерно 0.02c , итого можно считать, что кораблю нужно набрать 0.04с, и по формуле Циолковского получается отношение стартовой массы к финальной ~2.2.

Интересно, существует ли что-нибудь под Андроид для орбитальных расчетов и симуляций? Не обязательно уровня Orbiter, конечно :)

Вот что по слову "Orbiter" находится для Андроид

Скорей-всего, самое серьезное, что есть для таких расчетов на Андроиде - эммуляторы программируемых калькуляторов ;)
Мне вот интересно, что за софт был на этих трех HP-41?
hp41

Отсюда:

But the HP-41C took a lot of the computing load off that machine for mundane but necessary calculations, such as calculating when a given ground station was available to send data to or receive a communication from. The HP-41C also contained a clock, which allowed astronauts to set alarms and schedule experiments. (The clock was not available to consumers at the time of the first Shuttle launches, but NASA obtained pre-production modules that plugged into the calculators. Hewlett-Packard later offered these as an option.) It also served as an emergency backup for re-entry calculations in event of a main computer failure, although this has never happened. One program that was especially useful identified and calculated distance and direction to the nearest emergency runway, if the Shuttle developed a problem and had to de-orbit quickly. Fortunately, this program also was never needed.

Я не совсем понял, часы были сделаны в виде блока расширения?

P.S. Надо сообществом начать писать свою программу-симулятор для Андроида :)

Двигатель Эпштейна — реактивный (Magnetic Confinement Fusion drive). Но его первооткрыватель (Соломон Эпштейн) опытным путём наткнулся на какой-то необычайно эффективный режим работы. Хотел увеличить эффективность на несколько процентов, а получилось на несколько порядков. От чего, к слову, и погиб. Сделав свою наследницу-жену миллиардершей, а человечеству открыв дорогу к внешним планетам.

Подробный разбор двигателя фанатами, на английском:
http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist3.php#epstein
https://expanse.fandom.com/wiki/Epstein_Drive

Рассказ "Drive", про открытие Соломоном Эпштейном своего двигателя (англ.):
https://web.archive.org/web/20190412110024/https://www.syfy.com/theexpan...

Интересный разбор двигателя. У людей получается скорость истечения от 3.7 до 4.3 процентов скорости света, мощность реактора для одного двигателя до 5.5 тераватт

"Пространство" - выдающееся произведение последних десятилетий. Прочитал все книги, жду выхода завершающей. Сериал тоже высоко оцениваю, хотя они начали отходить от текста.

Помню, что тоже считал время полета на Марс при постоянной тяге в 1 "же" и благоприятном расположении планет, но у меня получалось около недели, что тоже меняет реальность, конечно.

Как-то прошло мимо меня. Это? Не, это Аластер Рейнольдс.

А где берут правильное "Пространство" почитать?

Правильное "Пространство". Есть переводы на русский, в т.ч. на флибусте.

На Амазоне для Киндла вся серия, 8 книг. Наверное, куплю

Тоже прочитал и просмотрел всё. Многое по несколько раз, на двух языках. Слежу за выпуском сезонов и романов.

Сейчас практически вся живая н/ф ушла в мистику. Тот же Стар Трек с самого начала играл с переселением душ и прочей чертовщинкой. На всём этом фоне Экспансия — как глоток свежего воздуха.

Купил. Про глотки свежего воздуха - это в точку!

Сам сериал можно смотреть бесплатно, если есть подписка на Амазон видео. Больше, правда, по этой подписке ничего интересного нет. Такой недо-Нетфликс.

Сначала книги. Я был просто счастлив, что сначала прочитал "Марсианина", а уже потом посмотрел фильм с Мэттом Деймоном

Хорошей научной фантастики в последнее время мало выходит.
Из того, что запомнилось за последние годы, это:
1. Марсианин и Artemis от того же автора
2. Dennis E. Taylor серия Bobiverse, и отдельные новеллы и небольшие истории вроде The Singularity Trap/Outland/A Change of Plans/Feedback тоже неплохие.
3. Дилогия Children of Time от Adrian Tchaikovsky - это вообще супер, особенно первая книга.
4. Серия Children of Titan от Rhett C. Bruno
5. Серия Expeditionary Force от Craig Alanson. Это больше боевая фантастика, но очень и очень неплохая. Особенно в виде аудиокниг, начитанных R.C.Bray.
6. Серия Wayfarers Becky Chambers.
7. Трилогия Planetside от Michael Mammay.
8. И серия The Murderbot Diaries by Martha Wells.

Я бы еще добавил в список:

  1. Вернор Виндж "Пламя над бездной"
  2. Вернор Виндж "Глубина в небе"
  3. Питер Уоттс "Ложная слепота"
  4. Нил Стивенсон "Анафем"
  5. Нил Стивенсон "Семиевие"
  6. Иэн Бэнкс "Алгебраист"

Почти все в списке - номинанты и призеры Хьюго, Небьюла и Кларк.

«Экспансия» — довольно насыщенное произведение. Много идей заложено, острый сюжет, глубоко проработанные персонажи. Я смотрел после прочтения. Многие детали в момент просмотра, увы, забылись.

Советую смотреть одновременно, но с опережением на 1-2 книги. Так как в первых сезонах вводятся персонажи из следующих книг. Тогда фильмы будут хорошо дополнять повествование. При этом впечатления от книг будут свежие и можно будет замечать различия. Сюжет не превратится в кашу.

Проверять, чтобы фильмы не забегали вперёд книг, просто. Достаточно посмотреть список эпизодов следующего сезона. Названия некоторых эпизодов совпадают с названиями книг. Так, кстати, проще понять, почему книги так названы. Это отдельная головоломка для фанатов. :-)

Выходные это сам полёт по прямой от точки З до точки М. Старт с Земли, выход на орбиты Земли и Марса — это тоже занимает время, но не включено в модель с равномерным ускорением. С Марсом, кстати, связаны две орбиты. Надо не просто погасить межпланетную скорость в точке М (как в модели), а сравнять скорости и выйти на орбиту Марса вокруг Солнца, потом выйти на орбиту вокруг самого Марса, погасить эту орбитальную скорость и совершить мягкую посадку.

Здесь как с самолётами — при небольших перелётах между близкими странами больше времени проводишь в аэропорту, чем в воздухе. Ещё совсем недавно полёт на орбиту Земли (МКС) занимал 2 суток. Сейчас 6 часов, но это тоже существенно. Сразу получаем полёт «Земля-Марс» на 3 с четвертью часа больше, чем двое суток. И это без учёта посадки и манёвров у Марса.

Такая точность до секунд совершенно избыточна. Ну и closest distance случаются редко, лучше бы по средним посчитать. И с запасом, т.к. если цель с другой стороны Солнца, то нужно по дуге лететь, чтоб не поджариться.
Плюс, тут уже релятивистские поправки нужно учитывать. В случае с Плутоном и Нептуном, если я правильно прикинул, то минуты полторы-две выходит.

Создана теоретическая модель космического двигателя будущего. Устройство приводится в движение благодаря технологии термоядерного синтеза, а источником топлива выступит дейтерий. По словам учёных, такой механизм позволит человечеству исследовать отдалённые уголки Вселенной.

Учёные уверены, что разработка двигателей на солнечных элементах неэффективна, поскольку для увеличения скорости потребуются гигантские зеркала. Совершить новый прорыв позволит Direct Fusion Drive (DFD) — двигатель, способный доставить человека к Нептуну всего за 10 лет. Теоретическая скорость агрегата будет достигать 44 км/с, что выше наиболее перспективных электромагнитных двигателей.

https://4pda.ru/2021/04/11/384165/sozdan_dvigatel_dlya_dalnikh_kosmiches...

Когда в одном тексте попадается такое:

Удалённые уголки Вселенной
К Нептуну за 10 лет

то у меня ощущение, что ученый изнасиловал журналиста.

Русские тексты, к сожалению, уже 20 лет захламлены низкопробным пригожинско-путинско-мракобесным мусором. Наука и логика, увы, у широкой русскоязычной публики не в почёте. Первоисточник же на английском достаточно адекватен:

И сайт тоже есть, с минимумом влияния «духовно возрождённых»:
https://www.psatellite.com/technology/fusion/

Спасибо за ссылки. Посмотрев на сайт, я "вспомнил их в лицо" (хотя могу ошибаться). Когда-то у них был проект вывода на орбиту Плутона исследовательского зонда, при помощи этого двигателя.

UPDATE: похоже, это были они, вот с нынешнего сайта:

We have analyzed DFD for many missions and applications:

Human Mars orbital mission
Deploying the James Webb Telescope to a Lagrange point
Asteroid deflection
Jupiter Icy Moons Mission
Pluto orbiter and lander
Alpha Centauri
550+ AU gravity lens telescope
Mobile and modular terrestrial power

Если это дорастет до рабочего устройство, это будет революция. Мегаватты энергии с собой, космические миссии совсем другого уровня.