Наука «Звёздных Войн»

Когда С-3РО говорил о шансах он, конечно же, не понимал, насколько талантливым и везучим пилотом был Хан Соло. Вдобавок психологические параметры, которые могли повлиять на способность Хана фокусироваться на задаче и преуспеть в ее решении, слишком непредсказуемы.

Роботу было бы проще предсказать траектории астероидов. Теоретически, будь у него хорошие сенсоры, он мог стать более подходящим пилотом для навигации между астероидами, чем Хан Соло. А еще более удачным решением было бы оборудовать корабль системой раннего оповещения, которая помогла бы вообще избежать вхождения в поле астероидов.

Подобная система была разработана на Земле против айсбергов. После гибели «Титаника» был организован Международный ледовый патруль, отслеживающий ситуацию с айсбергами в Северной Атлантике и передающий необходимые данные судам.

У нас есть и система слежения за астероидами. Координационный центр планетарной защиты, созданный под эгидой НАСА, отвечает за раннее обнаружение потенциально опасных объектов (PHOs) — астероидов или комет, орбита которых пролегает на близком расстоянии от Земли, и достаточно больших, чтобы достичь поверхности нашей планеты при попадании в атмосферу.

Но если С-3РО говорил о конкретной ситуации, то, вероятно, и шансы он определял касательно конкретного поля астероидов. Возможно, он просто повторял статистические сведения из банка данных. Хотя лучше воспользовался бы другой информацией.

Например, данными об укрепленном корпусе «Сокола» и его дефлекторных щитах, а также о высокой маневренности корабля — если бы он учел все это, то, несомненно, шансы выживания в его расчетах были бы выше. Также помогло бы знание о типе астероидов в данном регионе.

Современные ученые считают, что многие астероиды не являются одним цельным камнем, а состоят из нескольких камней, слабо скрепленных друг с другом, — иногда подобные конгломераты называют «грудой щебня». Столкновение с таким астероидом вряд ли нанесло бы значительный урон «Тысячелетнему соколу», защищенному щитами.

Подводя итог, можно сказать, что шансы уцелеть в случайно встреченном «астероидном поле» вряд ли можно рассчитать, не имея под рукой достаточно полной информации обо всех факторах, способных повлиять на развитие ситуации. Одно можно сказать наверняка — если пояс астероидов подобен главному поясу Солнечной системы, то шансы на успех весьма велики.

Насколько вероятны межзвездные перелеты как в «Звездных войнах»?

Люк Скайуокер находится в системе Дагоба у Йоды. Он узнаёт, что его друзья на планете Беспин попали в беду. Он прыгает в свой Х-крыл и отправляется к ним. Если взглянуть на карту вселенной «Звёздных войн», то можно увидеть, что от системы Дагоба до Беспина минимум 10 тысяч световых лет. Люка не пугает перспектива полета на такое расстояние в тесной кабине. На дорогу у него уходит от силы несколько часов.

Как мы помним, Эйнштейн утверждал, что невозможно передвигаться быстрее скорости света. Очевидно, жители вселенной «Звёздных войн» не задумываются об этой проблеме. Они не следуют законам физики, а срезают расстояние через гиперпространство.

Правда, подобной способностью обладают не все космические корабли — остальным приходится довольствоваться старой доброй досветовой скоростью. К сожалению, мы тоже попадаем в эту группу.

С точки зрения современной науки, насколько возможны межзвездные перелеты в духе «Звёздных войн»?

Первые шаги

Путешествие на другие планеты может занять месяцы или годы, но полет до соседней звездной системы — даже ближайшей — может длиться десятилетия или даже века.

На сегодняшний день рекорд на самый дальний полет от Земли принадлежит экипажу корабля «Апполон-13», который в 1971 году обогнул Луну. Астронавты, находившиеся в лунном модуле, названном «Водолей», отлетели от Земли на 400 171 км. Их полет в обе стороны занял чуть меньше шести дней.

Нельзя сказать, что миссия прошла гладко. Во время полета возникло множество проблем, и то, что астронавты «Аполлона-13» вернулись домой, говорит о таланте и упорстве всех участников экспедиции, включая специалистов на Земле.

Удивительно, что по прошествии почти полувека со времен миссий «Апполонов» мы так и не приблизились к полету на другую планету, не говоря уже о другой звездной системе. Мы еще очень и очень далеки от межзвездных путешествий.

Важным вопросом остается поддержание жизни экипажа на протяжении долгого путешествия в столь враждебной среде. Проблемы вызывает даже шестимесячный полет на Марс — представьте, насколько сложнее будет с путешествием за пределы Солнечной системы.

Тем не менее кое-что мы смогли отправить туда. Зонд «Вояджер-1», запущенный в 1977 году, на сегодняшний день удалился от нас более, чем на 20 миллиардов километров (в 134 раза больше, чем расстояние от Земли до Солнца), летя сквозь межзвездное пространство.

В настоящий момент его скорость составляет 62 тысячи километров в час. Если бы «Вояджер» направлялся к ближайшей звезде — Проксиме Центавра, — то полет занял бы еще 73 700 лет.

Недавно была запущена инициатива Breakthrough Starshot, поддерживаемая Стивеном Хокингом. Участники проекта собираются с помощью наземного лазерного комлекса разогнать рой сверхлегких нанозондов с солнечными парусами. Теоретически зонды могут достичь скорости 200 миллионов км/ч. При такой скорости на полет к Альфе Центавра у них уйдет около 20 лет. Оттуда зонды смогут передавать изображения планет и другую информацию.

Очевидно, что для пилотируемых миссий такие варианты не подходят, но не стоит забывать, что мы в космосе еще немногим более полувека.

К тому же космические программы не дешевые. Они требуют больших вложений, солидной инфраструктуры и сотрудничества многих организаций. Приведем пример: чтобы послать человека на Луну в 1969 году, потребовалось 400 тысяч сотрудников, поддержка 20 тысяч организаций и университетов, а также 24 миллиарда долларов. А какова сегодня ситуация с космическими технологиями?

Космические корабли

За последний век летательные аппараты, построенные человеком, проделали огромный путь к совершенству.

И кажется, самые заметные рывки в развитии этой технологии связаны с войной.

Появление самолетов изменило всю сферу транспорта, а катализатором стала Первая мировая война. Скачок в развитии ракетных технологий тоже произошел благодаря войне — на этот раз Второй мировой, которая породила ракету «Фау»-2. А последовавшая за ней холодная война привела к космической гонке, в результате которой появились первые межконтинентальные баллистические ракеты.

Именно баллистические ракеты позволили человечеству вступить в космическую эру, выведя на орбиту сначала первый искусственный спутник, а в 1961 году и первого человека — Юрия Гагарина. Очевидно, война является хорошим двигателем для развития новых технологий.

Меньше чем через десять лет после выхода в космос человек ступил на поверхность нового мира, достигнув его с помощью ракеты «Сатурн-5». Около полувека «Сатурн-5» был самой большой из когда-либо построенных ракет, но ракета SLS[20], разрабатываемая НАСА, должна побить этот рекорд.

НАСА описывает ее как транспортное средство для новой эры исследования космоса за пределами земной орбиты. Впрочем, некоторые разрабатываемые космические аппараты доберутся до орбиты без помощи ракеты-носителя.

Крылатые космопланы будут стартовать за счет собственных двигателей. Кстати, именно так и поступают корабли во вселенной «Звёздных войн». Несколько подобных проектов сейчас находится на разных стадиях разработки. Среди них можно отметить космоплан Skylon, который планируется использовать на низкой околоземной орбите. Компания Virgin Galactic также собирается в ближайшее время запустить свой флот космических аппаратов.

Двигатели

Если говорить о межзвездных путешествиях, то две технологии, которые мы можем увидеть в «Звёздных войнах», действительно применяются при полетах в космосе.

Ионные двигатели, установленные на СИД-истребителях[21], используются в спутниках связи и космических зондах, таких как Dawn[22].

Правда, в отличие от СИД-истребителей, корабли с такими двигателями движутся медленно и плавно — во всяком случае поначалу. Ионные двигатели направляют разогнанные заряженные частицы в одну сторону, что позволяет толкнуть корабль в другую. Прелесть этих двигателей в том, что они весьма эффективно расходуют топливо и при постоянном ускорении могут развить весьма большую скорость.

Но, как и в случае с химическим ракетным двигателем, их скорость ограничена количеством имеющегося топлива. Когда оно заканчивается, двигатель не может больше ускоряться. К сожалению, ионный двигатель не подходит, если вы хотите в течение своей жизни добраться до другой звездной системы.

В «Атаке клонов» граф Дуку после битвы с Энакином, Оби-Ваном и Йодой отправляется с Джеонозиса на Корусант. Его корабль «Панворкка-116» оснащен солнечным парусом. Но, поскольку путь лежит практически на другой конец галактики, ему приходится воспользоваться гипердрайвом.

Так есть ли толк от солнечного паруса?

Если мы говорим о межзвездных путешествиях, то парус поможет покинуть звездную систему. Он способен еще увеличить скорость, используя эффект гравитационной пращи[23] на пути из системы. Однако, поскольку излучение звезды с удалением от нее становится слабее, парус не даст вам набрать достаточную скорость для быстрого путешествия к соседней звезде.

Сегодня НАСА готовит солнечный парус для миссии по изучению околоземных астероидов, которая начнется в 2018 году. Согласно расчетам, после трех лет пути парус поможет зонду развить скорость 240 тысяч км/ч (0,022 % скорости света).

Пассажирам подобного судна придется долго ждать, прежде чем оно разгонится. А потом им потребуется еще достаточно много времени — и соотвествующего расстояния, — чтобы затормозить перед тем, как они достигнут пункта назначения. Такие технологии не прокатят у жителей вселенной «Звёздных войн».

К сожалению, земные технологии в части межзвездных путешествий не так развиты, как в «Звёздных войнах».

Там разумные расы используют двигатели гиперпространства — гипердрайвы. Мы же пока не знаем, сможем ли в будущем достичь — или превысить — скорости света. За исключением гипотетического существования червоточин, описанных теоретиками, известные законы физики на сегодня отрицают возможность столь быстрого перемещения.

Может быть, бóльшая часть космоса так и останется для нас недоступной, и судьбой нам предначертано обжить только близлежащие звезды. Однако исследователи из Института будущего человечества в Оксфорде придерживаются более амбициозных взглядов:

Путешествие между галактиками и, возможно, даже колонизация всей обозримой вселенной — достаточно простая задача для цивилизации, достигшей межзвездных путешествий, не требующая значительных затрат энергии и ресурсов… Если мы захотим, то человечество, вероятно, сможет достигнуть этого в обозримом будущем.

Почему корабли в «Звездных войнах» наклоняются, когда маневрируют в вакууме?

Конечно, мы все видели захватывающие космические сражения, гарантирующие «Звёздным войнам» место среди классики жанра космической оперы.

Вражеские СИД-истребители со свистом нагоняют Х-крылы Повстанцев, которые маневрируют, пытаясь уйти из-под огня лазеров противника.

В финале сражения Дарт Вейдер в сопровождении двух СИД-истребителей преследует Люка Скайуокера, но ему на помощь приходит Хан Соло на «Тысячелетнем соколе», сбив один истребитель. Затем он наклоняет корабль и уходит вправо, давая Люку возможность произвести выстрел, который разрушит Звезду Смерти.

Тот факт, что «Тысячелетний сокол» наклоняется, необычен, поскольку наклон необходим только при полете в атмосфере. Почему же в «Звёздных войнах» при повороте наклоняются корабли, летящие в вакууме?

Вопрос аэродинамики

Наклон летательных аппаратов связан с аэродинамикой. Проще говоря, аэродинамика — это то, как воздух движется вокруг вещей. На Земле воздуха предостаточно, в отличие от вакуума космического пространства. Поэтому при проектировании и постройке летательных аппаратов аэродинамические свойства рассматриваются лишь касательно тех, которые летают на планетах с атмосферой.

Крыло создает подъемную силу благодаря движению воздуха над ним, а точнее, благодаря движению крыла в воздухе. Двигаясь по воздуху, аппарат сталкивается с лобовым сопротивлением, которое можно было бы назвать врагом подъемной силы. Бороться с сопротивлением легче, если придать судну аэродинамическую форму.

Центром масс называют условную точку, относительно которой массы всех элементов системы находятся в равновесии. Если приложить к летательному аппарату силу в направлении, не проходящем через его центр масс, то он повернется, изменив свое положение в пространстве.

Для описания движения в пространстве используются три оси, связанные с самим аппаратом и образующие так называемую связанную систему координат.

Изменение положения

Движения летательного аппарата относительно трех осей — это крен, рысканье и тангаж. Рассмотрим их на примере самолета. Тангажем называют движение относительно поперечной оси, когда опускается или поднимается нос самолета. Рысканьем называется движение вокруг вертикальной оси — оно схоже с тем, как мы поворачиваем голову вправо-влево. И, наконец, крен — это движение относительно продольной оси, когда самолет наклоняется, поднимая одно крыло и опуская другое. За контроль над этими движениями отвечают руль высоты, руль направления и элероны — так называемые рулевые, или контрольные, поверхности.

Когда самолет движется в каком-либо направлении, на поворот уходит время. Обычно протяженность поворота определяется по его радиусу. Чем быстрее движется предмет, тем больше места ему нужно для поворота, поэтому у сверхзвукового истребителя F-16 Fighting Falcon радиус поворота будет больше, чем у легкомоторной «Цессны».

Так при чем же тут повороты с наклоном?

Наклон в атмосфере

Когда самолет поворачивает, он не просто рыскает, что привело бы к большому радиусу поворота. Вместо этого он использует подъемную силу.

При обычном горизонтальном полете подъемная сила направлена вертикально вверх, поддерживая самолет в равновесии с силой притяжения Земли. Но, если самолет накренится, часть подъемной силы будет направлена в ту сторону, куда самолет поворачивает. Именно она помогает самолету повернуть быстрее.

Если вы посмотрите на большинство космических кораблей в мире «Звёздных войн», то вы не увидите у них рулевых поверхностей, необходимых для смены ориентации в пространстве. Выглядит логичным, потому что корабли были построены для полетов в космосе, где законы аэродинамики не действуют.

Несмотря на это, при поворотах корабли наклоняются, как самолеты в земной атмосфере. Очевидно, в космосе корабли используют другой способ смены направления, не связанный с аэродинамическими свойствами.

Нужны ли крылья Х-крылу?

Х-крыл относится к группе летательных аппаратов под аббревиатурой СВВП (самолет вертикального взлета и посадки). Хотя в реальном мире летательные аппараты типа СВВП могут еще и парить на большой высоте, Х-крылы никогда так не поступают. Вероятно, из-за того что при взлете они используют репульсорную технологию.

Во время полета крылья Х-крыла сложены, и в этом виде истребитель напоминает классический двукрылый самолет. Но в бою они раскрываются, придавая ему знаменитую форму буквы «Х».

Подобное конструкторское решение снижает максимальную скорость и маневренность судна при полете в атмосфере — например, на планете, где находится база «Старкиллер». В чем же его смысл?

В наши дни изменение конфигурации крыла позволяет самолету изменить его летные характеристики. Такой возможностью пользуются различные самолеты: «Конкорд», F3 Tornado, F-14 Tomcat и многие другие.

Изменение конфигурации крыла позволяет самолетам лучше маневрировать или пролетать большее расстояние, тратя меньше горючего, то есть увеличивать потенциальную дальность. Однако все эти изменения эффективны только в атмосфере.

Таким образом, в случае Х-крыла мы должны спросить: дает ли раскрытие крыльев какие-то плюсы при полете в космосе? Нет. Оно увеличивает зону поражения для установленных на крыльях лазерных орудий, так что смысл раздвижных крыльев касается боевых, а не летных качеств корабля.

Х-крыл в два раза легче истребителя F-14 Tomcat, а его максимальная скорость в атмосфере 1050 км/ч, что меньше половины скорости F-14. Можно было бы ожидать, что радиус поворота у него будет меньше. Но крылья слишком малы, и на них нет рулевых поверхностей, так что, вероятно, здесь работают технологии, которые нам пока неизвестны.

Как корабли меняют направление в космосе?

В космосе объекты движутся в том направлении, куда их толкнули. Для корабля этот толчок исходит от его двигателей, которые выпускают вещество в одном направлении, образуя тем самым тягу в противоположном. Такой тип двигателя называется реактивным и подчиняется третьему закону Ньютона, гласящему, что каждому действию есть равное противодействие.

Другой путь — применить маховик или гиродин, создающие вращательную силу внутри корабля. Чем больше и массивнее маховик, тем значительнее сила вращения. Маховики и гиродины используются для изменения ориентации спутников, телескопов и Международной космической станции.

У кораблей вселенной «Звёздных войн», таких как «Тысячелетний сокол», Х-крылы и СИД-истребители, не видно специальных реактивных двигателей для осуществления поворотов. Теоретически внутри у них может быть маховик, но он должен быть очень массивным и прочным, чтобы вращаться невероятно быстро, не разлетаясь на части.

Более реалистичным выглядит управление вектором тяги. Оно позволяет направить часть энергии от двигателя в сторону, отличную от основного курса полета, создавая боковую силу. Такой эффект используется в ракетах и истребителях, а также, очевидно, в «Тысячелетнем соколе».

Виражи в космосе

«Сокол» исполняет резкие повороты с наклоном — как истребитель. Он способен поворачивать под углом, близким к прямому, и даже переворачиваться вокруг поперечной оси по тангажу, как сделала Рей, когда ее преследовали истребители Первого Ордена на Джакку.

Его двигатели расположены сзади, а сверху и снизу размещены рулевые пластины для управления вектором тяги. Поскольку они могут двигаться только вверх и вниз, кораблю, по сути, доступно движение лишь по двум осям — крену и тангажу, без рысканья. Впрочем, в атмосфере он может пользоваться еще и репульсорами, чтобы компенсировать гравитацию планеты и даже облегчить маневрирование.

Если «Сокол» хочет повернуть, ему сначала надо наклониться, повернув крайние левые и правые рулевые пластины в противоположных направлениях. Доведя наклон до нужного угла крена, он начинает наклон по тангажу, пока нос корабля не будет нацелен в нужном направлении. Крен оказывается необходимым для возможности «Сокола» эффективно использовать вектор тяги при поворотах.

Для того чтобы понять, насколько эффективной может быть идея управляемого вектора тяги, посмотрите на F-22 Raptor. Его пилоты выполняют очень точные повороты и невероятные маневры. Для контроля систем управления вектором тяги необходим компьютер, что, скорее всего, реализовано и на кораблях вселенной «Звёздных войн».

Таким образом, хотя в космосе и не действуют законы аэродинамики, корабли, подобные «Соколу» и Х-крылам, наклоняются благодаря управляемому вектору тяги.

Часть 2. Космос

Означает ли гибель «Звезды Смерти» конец для Эндора?

Вспомните одну сцену.

Имперский шаттл с Люком на борту вылетает из главного ангара Звезды Смерти. Целую стену сносит взрывом. Вырывая победу из лап смерти, Лэндо выводит «Сокола» из взрывающейся позади него станции и направляет к Эндору Они с Ниеном Нунбом с облегчением смеются. Мы видим эндорский лес, где Хан, Лея, Чуи и эвоки наблюдают саморазрушение Звезды Смерти — похожее на фейерверк в небе. Все радуются. Вскоре титры бегут на фоне звездного неба. Проблемы? Возможно. Нет сомнений, что сцена в «Возвращении джедая» снята и смонтирована прекрасно. Но давайте посмотрим на это с точки зрения науки. Что на самом деле случилось бы с эвоками на покрытой лесами луне, когда вторая Звезда Смерти была уничтожена? Смогла бы маленькая луна пережить это событие? Давайте попробуем создать альтернативную концовку к фильму с помощью науки.

Звезда Смерти как луна Эндора

Итак, давайте перепишем сцену. Для начала нам надо разобраться с характеристиками нескольких объектов и ответить на пару технических вопросов. Каковы размеры Эндора и Звезды Смерти? Как далеко друг от друга они расположены? Сколько энергии высвободится при взрыве Звезды Смерти и как именно она взорвется? И как этот взрыв отразится на поверхности покрытой лесами луны? Вроде бы все просто.

Но с самого начала мы сталкиваемся со сложностями. Каков на самом деле размер Звезды Смерти II? В каноне приводится число 160 км, которое можно посчитать диаметром станции — диаметр первой Звезды Смерти был 120 км. Другие источники говорят, что размер Звезды Смерти составлял около 3 % от размеров Эндора, диаметр которого 4900 км. Если исходить из этого, то диаметр второй Звезды Смерти — всего 147 км.

Третий вариант предполагает, что диаметр станции — целых 343 километра.

Последняя цифра выведена на основании изучения фильма. Если проанализировать голограмму, которую мы видим во время совещания в «Возвращении джедая», можно выяснить относительные размеры Эндора и Звезды Смерти. Как мы уже сказали, диаметр Эндора — 4900 км, а поскольку голограмма Звезды Смерти равняется примерно 7 % голограммы Эндора, то диаметр станции равен 343 км. Конечно, это не идеальные данные, но мы возьмем их за основу, поскольку они поступили из первоисточника.

А на небе Звезда Смерти…

Итак, с размерами обоих тел мы разобрались. Какое же между ними расстояние?

Зная высоту орбиты станции, мы поймем, как далеко Эндор был от центра взрыва и насколько большой урон мог быть ему причинен. Если снова взглянуть на голограмму из «Возвращения джедая», то можно определить, что расстояние между центрами Эндора и Звезды Смерти составляет 2910 км. Отняв радиус (4900: 2 = 2450) Эндора от этого числа (2900–2450 = 460), мы получим, что Звезда Смерти находилась в 460 км над поверхностью луны.

Чтобы вычислить массу Эндора, можно использовать массу Земли.