Я делаю пошаговую тактическую RPG с кооперативом про экипаж межзвёздного ковчега. Эта статья — о том, как реальная физика (гравитация, радиация, тепло, запас топлива) почти без моего участия задала облик этого корабля.
Я давно хотел сделать собственную игру. Но почти во всей космической фантастике — и в играх особенно — мне не нравилось одно и то же: корабли там нереальны. Гравитация из ниоткуда, развороты как в атмосфере, топливо, которого хватает на всё. В итоге я решил строить игру вокруг корабля, который мог бы существовать на самом деле — который соблюдает законы физики, а не делает вид, что их нет.
В фантастике для этого есть полезное правило — закон Уэллса. Автор имеет право на одно большое фантастическое допущение, но дальше обязан играть честно: после главного «магического фокуса» всё остальное должно оставаться человеческим, вещественным и логичным. Космоопера обычно поступает наоборот и громоздит чудеса друг на друга: гипердвигатель, искусственная гравитация по щелчку, силовые поля, звук взрывов в вакууме, отсутствие радиаторов. Когда возможно всё, по-настоящему не важно уже ничего.
Игру я делаю по первому пути: одно допущение на весь сеттинг — и максимально честная физика вокруг него. Главное фантастическое допущение касается источника рабочего тела и энергии для межзвёздного перелёта. Всё остальное — размеры, вращение, защита, охлаждение, ориентация, ремонт и быт — я стараюсь проектировать через физические ограничения. Эта статья о том, что из этого вышло.
Игра не про корабль, но корабль задаёт ограничения
Игрок командует людьми внутри корабля-ковчега — бойцами, инженерами, специалистами, которые идут ногами туда, где автоматика уже не справилась или не имеет права действовать сама. Капитанского мостика нет: курс, тяга и траектории остаются за кадром. Зато почти каждая игровая ситуация растёт из устройства корабля — миссии возникают там, где что-то ломается, бой идёт в невесомости нерабочих зон, а рядом летит второй ковчег, на который приходится летать с ремонтом. Поэтому прежде чем рисовать уровни, мне пришлось спроектировать сам ковчег — как место действия, экосистему и набор ограничений. Дальше — разбор этой машины слой за слоем: от радиуса жилых колец до того, почему спуск на планету оказывается билетом в один конец.
Сначала я смоделировал расселение
Ковчеги в моём сеттинге уходят из уже колонизированных систем, а расселение работает как цепная реакция: колония через какое-то время строит собственные корабли и отправляет их дальше.
Чтобы понять масштаб расселения, я сделал систему имитационного моделирования межзвёздной экспансии. В этой системе на 2D-карту нанесено реальное расположение ближайших к Солнцу звёзд — координаты я взял из открытого астрономического каталога HYG. Вы можете сами поиграть с параметрами моделирования и оценить, как будет проходить колонизация галактики.
Я установил следующие правила модели:
Колонизируются орбиты звёзд, где можно добывать ресурсы из астероидов и строить новые ковчеги: пригодная для жизни планета для этого не нужна, ковчеги собираются из ресурсов в космосе.
Ковчеги имеют запас Δv около 20% скорости света. Этого хватает, чтобы в пределе разогнаться до 0,1c и затем погасить эту скорость у цели, но на типичных маршрутах до 20 световых лет ковчег не всегда выходит на этот предел: профиль полёта чаще получается треугольным — разгон до промежуточной пиковой скорости (порядка 0,06c) и сразу торможение, без долгого крейсерского участка.
Ускорение — около 0,19 милли-g. При нём даже один разгон до 0,1c занял бы примерно 500 лет и порядка 25 световых лет пути, поэтому на коротких маршрутах корабль переходит к торможению раньше, чем достигнет предельной скорости.
Максимальная дальность полёта — 20 световых лет.
Новая колония развивается 300–450 лет, затем каждые 100 лет строит новый ковчег.
Вероятность встретить мир земного типа у жёлтого карлика — 5%, вероятность пережить 500-летний перелёт — 90,5%.
При таких параметрах к 15 000 году люди могут колонизировать 21 планету земного типа, построить 938 планетарных колоний и 2 730 аванпостов у звёзд с суровыми условиями. Будет отправлено 15 850 экспедиций колонистов, из которых 1 429 к этому моменту погибнут. Перелёт ковчега займёт 5–6 веков.
Результаты моделирования будут использоваться для создания мира, в котором происходит игра. Действие игры происходит в начале 16-го тысячелетия на одном из таких ковчегов.
Почему ковчег такой большой
Людям трудно веками жить в невесомости. Для постоянного населения нужна искусственная гравитация, а самый простой способ получить её в космосе — вращение. Поэтому внутри ковчега находятся жилые кольца: они вращаются вокруг продольной оси и создают для людей привычное «вниз».
Жилое кольцо не может быть маленького размера, так как маленькое кольцо надо быстро вращать, а высокая скорость вращения даёт неприятные эффекты: укачивание, ускорения Кориолиса, странные ощущения при движении и разницу между тем, что чувствуют голова и ноги.
В моей версии кольца вращаются примерно с частотой два оборота в минуту. При такой скорости радиус для земной тяжести получается порядка 220–230 метров.
Расчёт здесь короткий. Центростремительное ускорение во вращающемся кольце:
и чтобы оно равнялось земному g, радиус должен быть:
Два оборота в минуту — это ω = 2π·2/60 ≈ 0.209 рад/с, откуда r = 9.81/0.209² ≈ 224 м.
В классических исследованиях космических поселений фигурировали ещё более крупные масштабы. Стэнфордский тор из исследования NASA 1970-х годов имел диаметр около 1800 метров и вращался примерно один раз в минуту для создания земной тяжести. Та же формула сходится и здесь: один оборот в минуту даёт r = g/ω² ≈ 900 м, то есть как раз около 1800 метров диаметра. У моего ковчега масштаб скромнее, но принцип тот же: если людям нужна гравитация, корабль быстро вырастает до сотен метров в поперечнике.
Кроме того, нужна радиационная защита. Межзвёздный ковчег летит без прикрытия земного магнитного поля: МКС на низкой околоземной орбите всё ещё частично защищена Землёй и её магнитосферой, а в глубоком космосе рассчитывать на это уже нельзя.
Вокруг жилых зон нужна толстая защита от ионизирующего излучения: галактических космических лучей, солнечных частиц и вторичного излучения, которое возникает при столкновении быстрых частиц с материалом корабля. Хорошо подходят материалы, богатые водородом: вода, лёд, полиэтилен и другие лёгкие вещества.
В моём сеттинге значительная часть боковой защиты — ледяная броня: одновременно радиационный экран, запас воды и аварийный ресурс.
Радиационная защита при этом висит на неподвижном бронецилиндре, а не на самих кольцах, так как её нет смысла вращать. И уже переднюю проекцию этого корпуса приходится закрывать отдельным головным щитом.
Щитом вперёд
Теперь у ковчега есть понятная передняя проекция: неподвижный бронецилиндр, внутри которого вращаются жилые кольца. При скорости порядка 0,1 скорости света эту конструкцию нельзя просто выставить навстречу межзвёздной среде.
Газ, пыль и редкие твёрдые частицы становятся набегающим потоком. Для медленного аппарата это почти ничто. Для корабля, который идёт десятки тысяч километров в секунду, даже микроскопические частицы превращаются в опасные снаряды. Работы по релятивистским аппаратам прямо рассматривают необходимость защищать переднюю проекцию корабля от межзвёздного водорода, гелия и пыли.
Поэтому ковчег летит щитом вперёд.
Головной щит закрывает не кабину и не «нос» корабля, а всю переднюю проекцию бронецилиндра — его диаметр задаёт вся внутренняя архитектура: кольца, корпус и боковая защита.
Снаружи это бронированный цилиндр, спрятанный в тени собственного щита, — никаких ажурных ферм и панорамных иллюминаторов.
Импульсные лазеры против микротел
На скорости 0,1 скорости света небольшие метеороиды угрожают целостности щита. Поэтому их нужно устранять заранее — это работа ИИ, датчиков и импульсных лазеров.
Лазер при этом не «нагревает астероид» в бытовом смысле — на долгий нагрев просто нет времени. Короткий мощный импульс отдаёт энергию в малое пятно на поверхности. Часть вещества взрывно испаряется и ионизируется, образуя плазменный факел.
В исследованиях лазерной абляции астероидного материала этот механизм описывается именно так: абляция вещества в пятне лазера с образованием направленного плазменного выброса и передачей импульса цели. Эксперименты с наносекундными импульсными лазерами в вакууме отдельно изучают, как такие импульсы воздействуют на имитаторы астероидного материала.
Цель не обязательно в том, чтобы аккуратно испарить весь камень. Достаточно разрушить его, сорвать поверхностный слой, изменить форму удара или превратить компактное тело в облако плазмы и обломков. С таким потоком щиту справиться проще, чем с плотным снарядом.
Доктрина Близнецов: зачем ковчеги летят парами
У одиночного ковчега есть геометрическая проблема, которую создаёт его собственная защита.
Большой головной щит закрывает корпус, но одновременно создаёт зоны, которые неудобно простреливать собственными системами перехвата. Турель не может безопасно стрелять сквозь щит, а часть пространства прямо перед защитной массой оказывается сложной для контроля.
Поэтому ковчеги летают парами.
Два корабля летят рядом, на дистанции порядка километров. Этого достаточно, чтобы они оставались отдельными кораблями, но при этом могли прикрывать опасные сектора друг друга. Первый ковчег контролирует слепую область второго. Второй делает то же самое для первого. Поэтому лазерные турели размещают ближе к корме, у двигательного отсека: так собственный головной щит меньше перекрывает им линию огня в сторону передней полусферы соседнего ковчега.
Тепло как отдельная проблема
Если у корабля есть мощная двигательная установка, у него есть проблема отвода тепла.
В вакууме нельзя открыть форточку и «проветрить реактор». Тепло приходится излучать. Для больших энергетических систем радиаторы становятся огромной инженерной проблемой. NASA в своих материалах по ядерной электрической тяге прямо отмечает, что радиаторная система может получаться размером с футбольное поле.
Для ковчега я использую капельное охлаждение. Идея не взята с потолка: капельные радиаторы рассматривались как способ сбрасывать тепло в космос с помощью потока мелких капель, которые летят от генератора к коллектору и охлаждаются излучением.
В лоре корабля это выглядит как «огненный дождь». Раскалённый теплоноситель распыляется вдоль продольной оси корпуса, летит через открытое пространство, излучает тепло и собирается обратно.
Чтобы защитить корпус от инфракрасного излучения системы охлаждения, бронецилиндр покрывают отражающим материалом.
Как ковчег поворачивает
В космосе нет воздуха, чтобы опереться на рули: ориентацию меняют через момент импульса.
Внутри ковчега находятся огромные гироскопические маховики — гиродины. Это массивные вращающиеся системы, которые позволяют менять ориентацию корабля без постоянной траты рабочего тела. Похожий принцип используется на космических аппаратах и орбитальных станциях: например, Международная космическая станция управляет ориентацией с помощью гиродинов и включает двигатели только в отдельных режимах, когда нужно сбросить накопленный момент или выполнить коррекцию.
Для маленького спутника такая система выглядит как компактный узел. Для ковчега это целые машинные залы: роторы, магнитные подвесы, силовые рамы, системы охлаждения, аварийные тормоза и зоны, куда никто не ходит без крайней необходимости.
Гиродины накапливают и перераспределяют момент медленно: смена ориентации ковчега — операция на часы, а не на секунды.
Что находится внутри бронецилиндра
Под бронёй — технический вакуумный ангар. В нём спрятаны вращающиеся жилые кольца, гироскопические маховики, склады, челноки, контейнеры, ремонтные зоны, реактор, часть системы охлаждения, двигатель и транспортная ось. Кольца дают людям нормальную тяжесть, но большая часть технических зон существует в невесомости или при слабом ускорении от работы двигателя.
В ангарах, осевых коридорах, ремонтных палубах и двигательных отсеках нормальной гравитации нет, поэтому полы таких зон заранее проектируются с покрытием для магнитной фиксации. Персонажи работают на палубах, рассчитанных под магбуты. Ботинки удерживают человека на месте, помогают не улететь от отдачи при стрельбе, позволяют переносить снаряжение и действовать в среде, где обычный шаг без фиксации превратился бы в неконтролируемый полёт.
Отсюда идёт название игры: Magboots.
Фаза разгона: щит впереди, двигатель сзади
Во время разгона всё устроено относительно просто: щит идёт впереди и принимает набегающий поток, основной бронецилиндр находится в его защитной тени, а двигательная установка работает сзади, разгоняя корабль.
Позади основного корпуса на тросах идёт прицепно бронемодуль — дополнительный защищённый объём: склад, балласт и материал для будущей перестройки корабля перед торможением. На разгоне массу, которой не место впереди, безопаснее держать сзади.
Чтобы не повреждать выхлопами прицепной бронемодуль и тросы, сопла двигателя направлены в стороны под углом 15 градусов. Осевая составляющая тяги пропорциональна косинусу угла развала: cos 15° ≈ 0,966, то есть теряется около 3,4 % полезной тяги.
Конфигурация ковчега меняется от фазы к фазе: разгон, разворот, торможение и колонизация — фактически четыре разные машины, собранные из одних и тех же частей.
Маневр разворота: Великая Тишина
Ковчег не может просто повернуться боком к межзвёздному потоку: боковая проекция не рассчитана на то, что принимает головной щит. Разворот поэтому — отдельная опасная фаза полёта.
Двигатель глушится. Капельное охлаждение сворачивается, чтобы поток теплоносителя не разлетелся в стороны. Корабль переходит на резервные контуры. Щит, корпус и прицепной модуль перестраивают конфигурацию. Перед щитом создаётся облако пыли для защиты корпуса.
Жилые кольца при этом останавливать не нужно. Вращающееся кольцо — гигантский маховик, и его момент импульса сопротивлялся бы любой попытке изменить ориентацию корабля. Но кольца собраны в пары и вращаются навстречу друг другу: суммарный момент импульса близок к нулю и развороту не мешает. Гироскопические нагрузки от манёвра принимают на себя подшипники и силовые рамы, а тяжесть в жилых зонах сохраняется.
Торможение: щит на тросах
После разворота двигатель смотрит по ходу движения и начинает тормозить корабль. Но защита от набегающего потока всё ещё нужна впереди — а «перед» у корабля теперь там, где раньше была корма.
Поэтому перед разворотом головной щит отделяется от корпуса, а перед торможением переходит на тросовую сцепку. Дальше работает простая механика. Корабль тормозит двигателем, щит по инерции стремится уйти вперёд, тросы натягиваются — и через это натяжение корабль тормозит щит вместе с собой. Щит остаётся впереди, продолжает принимать пыль и газ, а корпус по-прежнему идёт в его защитной тени.
С прицепным модулем происходит обратное. Пока корабль тормозит, модуль, который шёл сзади по инерции, постепенно догоняет основной корпус и стыкуется с ним. Масса, которую во время разгона было удобнее держать позади, теперь становится частью корпуса и ресурсом для перестройки корабля перед прибытием.
Теперь двигатель смотрит туда же, куда и щит. Чтобы выхлоп не жёг собственную защиту, тросы делают длинными, а факелы сопел расходятся конусом мимо щита.
Орбитальная колонизация: билет в один конец
Когда многовековой полёт подходит к концу и торможение почти завершено, начинается этап орбитальной колонизации. И здесь снова вмешивается физика.
Первое, что делает ковчег на подлёте к целевой системе, — избавляется от балласта. Огромный фронтальный щит, который веками принимал на себя удары межзвёздной пыли, больше не нужен: на остаточных скоростях пыль уже не смертельна. Поэтому тросовая сцепка отстреливается, и щит уходит по инерции дальше в глубокий космос. Сам ковчег совершает манёвр и встаёт на стабильную орбиту вокруг выбранной планеты.
Ковчег никогда не садится на поверхность. Это орбитальная мегаструктура, которая после прибытия перестраивается в верфь, завод и командный центр колонизации.
Ему нужны ресурсы, но брать их с планеты слишком дорого: всё, что спущено в гравитационный колодец, потом трудно поднять обратно. Поэтому ранняя логистика строится вокруг малых тел — астероидов, ледяных обломков, спутников: на них почти нет притяжения, и руду не нужно поднимать ракетами. Ковчег рассылает добывающие дроны, а контейнеры с сырьём разгоняет к орбитальным заводам электромагнитными катапультами — межпланетное пространство постепенно превращается в конвейер. Идею использовать внеземные ресурсы и масс-драйверы давно рассматривают в космической инженерии.
Параллельно ковчег готовит высадку: орбитальные заводы штампуют одноразовые посадочные капсулы и снаряжение для первых поселений, а системы жизнеобеспечения растят новые поколения экипажа — тех, кто сможет жить на поверхности.
И здесь физика снова диктует логистику: спуск на планету — для большинства билет в один конец. Сбросить человека или груз в атмосферу землеподобной планеты энергетически проще, чем поднять обратно: атмосфера помогает тормозить — теплозащитный экран, парашюты, посадочные двигатели. Обратный путь требует ракеты, топлива, стартовой инфраструктуры и целой промышленной цепочки, которой у первых колонистов нет.
Но дело даже не в стоимости подъёма: поднимать людей обратно попросту незачем. Любую работу в космосе делают те, кто и так живёт на орбите.
Так экипаж естественно делится на два общества по разные стороны гравитационного колодца: наверху орбитальные — те, кто ведёт ковчег и распоряжается астероидными ресурсами; внизу — те, кто строит мир на поверхности.
В Magboots прибытие не закрывает историю. Персонажи могут просыпаться из криосна на разных стадиях колонизации: во время первых спусков, при аварии орбитальной верфи, при бунте на поверхности, при попытке построить первый космодром или во время миссии по возвращению специалиста, которого невозможно заменить наверху.
Ковчег долетел — и сам стал источником нового конфликта.
Проблема массы: двигателю нужно чем-то плеваться в пустоту
Когда проектируешь огромный межзвёздный ковчег, быстро сталкиваешься с неприятной механикой: реактивному двигателю нужна не только энергия. Ему нужна масса, которую можно разогнать и выбросить назад.
Масштаб проблемы задаёт уравнение Циолковского: Δv = vₑ·ln(m₀/m₁), где vₑ — скорость истечения, а m₀ и m₁ — масса корабля с запасами и без них. В обратную сторону оно ещё нагляднее: m₀/m₁ = e^(Δv/vₑ), то есть отношение масс растёт экспоненциально.
В предельном сценарии ковчегу нужно набрать 0,1 скорости света, а потом погасить её у цели — суммарно Δv = 0,2c. Даже для термоядерного двигателя со скоростью истечения порядка 0,03c (уровень самых смелых проектов вроде «Дедала») экспонента даёт m₀/m₁ ≈ e^(0,2/0,03) ≈ 800: на каждую тонну корабля — сотни тонн запасов.
В инженерных набросках Британского межпланетного общества даже медленные корабли-ковчеги, рассчитанные на скорость в доли процента от скорости света и путешествие длиной в сотни или тысячи лет, требовали огромных двигательных запасов. В одном из вариантов обитаемая часть корабля оценивалась в 168 миллиардов тонн, а масса двигательных запасов — в 779 миллиардов тонн. Если считать только эти две величины, больше четырёх пятых приходится не на город, не на экипаж и не на промышленность, а на то, что корабль должен израсходовать ради движения.
Для обычного звездолёта это почти приговор. Особенно если он летит не к ближайшей звезде, а к потенциально пригодной планете в следующей волне расселения.
Здесь начинается то самое фантастическое допущение из закона Уэллса.
Идея: двигатель на основе портальной технологии
Изначально у меня появилась идея использовать фантастический приём с порталами, как в игре Portal, для передачи рабочего тела из атмосферы планеты на космический корабль. Например, в игре Portal 2 открывают портал на Луну, и атмосферу Земли засасывает в него.
Идея показалась мне очень интересной: атмосферу планеты можно использовать для реактивной тяги. Кроме того, если открыть портал в атмосферу газового гиганта, то там присутствуют водород, гелий и редкие изотопы, включая гелий-3, который можно было бы использовать как топливо для термоядерных двигателей.
Однако потом я задумался: вдруг это слишком примитивное применение технологии — как забивать гвозди микроскопом? Ведь, по сути, порталы из игры Portal позволяют создать вечный двигатель. Разобравшись подробнее, я выяснил, что для сохранения энергии правдоподобные порталы должны передавать не только вещество, но и гравитацию.
На ютуб-канале оптозоракс есть моделирование ньютоновской гравитации для случая, когда один портал открыт на планете, а другой — на космическом корабле. Из него видно, что на корабль начинает действовать сильная гравитация, направленная в точку его портала. Более того, перемещать такой портал с ускорением сложно: он сам становится источником гравитации.
В сеттинге из этого сделано инженерное ограничение: портал для передачи рабочего тела можно открыть только между двумя точками, каждая из которых находится в невесомости. То есть корабль в этот момент должен лететь равномерно, без тяги, а вторая точка портала — тоже быть вне заметного ускорения и гравитации. Иными словами, портал открывается только тогда, когда двигатели выключены.
Это и есть то самое единственное допущение из закона Уэллса — и, строго говоря, физика к нему не принуждает. Можно обойтись и без порталов: построить чудовищно большой термоядерный ковчег, который везёт весь запас топлива с собой (как в набросках Британского межпланетного общества) и вытянут в длину, чтобы развести радиаторы и защиту. Но именно портальное допущение нужно мне для сюжета. Откуда в этом мире берутся порталы, зачем кораблю живой экипаж и как многовековой перелёт превращается в тактическую RPG — это уже про лор сеттинга, и о нём, может быть, как-нибудь отдельно.
Итог
Этот мир можно было упростить: нарисовать красивый корабль, сказать «он летит между звёздами» и не объяснять, почему он устроен именно так. Но мне хотелось, чтобы Magboots ощущался как система, где из каждого ограничения растёт что-то конкретное.
Кольцам нужны сотни метров радиуса — и ковчег вырастает до города. Радиация требует ледяной брони, вращать её вместе с кольцами расточительно — появляется неподвижный бронецилиндр, а скорость полёта добавляет головной щит. Капельное охлаждение даёт опасные внешние контуры, гиродины — машинные залы с тяжёлым ремонтом, парный строй — вылазки на соседний ковчег, а орбитальная колонизация превращает финал перелёта в новый этап вместо развязки. И только двигательные запасы физика не отдаёт даром: уравнение Циолковского упирается в экспоненту — здесь и понадобилось единственное допущение.
Так из набора ограничений вырос не просто звездолёт, а сцена для тактической RPG: бронированный город, летящий щитом вперёд через межзвёздную пыль, рядом со своим близнецом.
Что дальше
Это был разбор физической стороны корабля. О чём могу написать дальше, если будет интерес:
Лор Magboots — тёмное фэнтези внутри твёрдой научной фантастики: демоны из параллельного измерения, псионики, порталы и то, как из всего этого складываются сюжет и миссии игры.
Сетевая архитектура пошагового кооператива — как устроен сетевой код для совместной игры: лог команд вместо авторитарного сервера, синхронизация состояния и протокол.
Напишите в комментариях, какая тема интереснее — про то и разверну подробнее.
