Combattere nello spazio Parte 2 - Armi e loro uso in battaglia

Eccoci alla parte 2 della mia analisi del combattimento spaziale. All'inizio avevo pensato di fare tutto in un'unico post, ma la parte sulle armi ed il loro funzionamento stava diventando così pesante che ho pensato di spezzare la cosa in due.

Ora, siamo tutti abituati ai combattimenti spaziali PEW PEW alla Star Wars... ma in realtà, quali sono le problematiche attorno alle quali si deve lavorare per portate una nave a sparare la sua arma per distruggere l'avversario?

Vediamolo dopo il salto. Se avete perso la parte 1, leggetela qui.




Lag Luce

Uno degli aspetti principali della realtà fisica nella quale esistiamo è che la luce ha una velocità finita. Per andare da un punto all'altro impiega del tempo.
Quando guardiamo i nostri piedi, noi non stiamo vedendo come sono i nostri piedi ora, ma come erano 5,6 nanosecondi fa. Ora, nella vita di tutti i giorni questa cosa non da assolutamente problemi a noi umani, il nostro corpo reagisce in millisecondi, qualcosa come 6 ordini di grandezza più lento dell'esempio di guardarsi il piede. Quindi non ce ne accorgiamo.

Il problema però quando ci si sposta nello spazio e inizia a farsi sentire a causa delle distanze elevate.

La luna dista 380.000 circa km dalla Terra, la luce viaggia a 300.000 km... quindi possiamo dire che ogni volta che guardiamo la luna, la stiamo vedendo come era 1 secondo e qualcosa fa (il tempo che impiega la luce a raggiungere i nostri occhi dalla luna).

Ecco, ora trasferite tutto questo in un ipotetico scenario di combattimento. Se io dovessi sparare a qualcosa basandomi solo su quello che vedo ( indipendentemente dallo spettro visivo che uso) incorrerei in un errore. Potrei sparare a qualcosa solo per poi mancarla perché la posizione che vedo ora, in realtà è quella di un suo stato passato.
E nello spazio la distanza Terra-Luna è cortissima. Ritrovarsi in situazioni dove ci sono diversi secondi lag tra me ed il mio bersaglio sarebbe abbastanza comune.

Ora, se si usano caccia e combattimenti ravvicinati, il problema svanisce di nuovo, ma molti sono i casi nei quali ci si immagina combattimenti tra navi più grandi a distanza abbastanza lontane, ma nella maggior parte dei media si sbaglia in 2 modi: o non si tiene conto del lag luce o le distanze rappresentate risultano per essere sempre piccole, perché non ci si rende bene conto della vastità dello spazio e di come le dinamiche di ingaggio cambiano in questo nuovo ambiente.

Individuazione

Uno dei problemi di ogni scenario di combattimento è quello dell'acquisizione del bersaglio.
Sulla terra possiamo usare radiazioni di varia natura, da radar ad infrarossi, alla vista o possiamo sfruttare altre tecniche, come il suono con le nostre orecchie o sonar, per "vedere anche quando non ci vediamo". Tutte queste tecniche hanno velocità diverse.

La vista o gli infrarossi sono passivi, le informazioni arrivano verso di noi alla velocità della luce. Un Radar ha bisogno di toccare l'oggetto e tornare indietro, quindi impiega il doppio del tempo ad acquisire un bersaglio rispetto a vedere una cosa direttamente, ma può darci altre informazioni più utili come la velocità del bersaglio. Il sonoro è lento, ma funziona in ambienti dove non c'è luce. Ricordiamoci che i fulmini e tuoni si vedono prima che si sentano appunto per la differente velocità tra un'onda sonora e la luce.

Nello spazio non c'è aria, quindi tecniche sonore sono inutili. E fino a qui, bon.
Quindi rimangono principalmente 2 metodi per vedere qualcosa nello spazio. Un Radar o la vista passiva, termica idealmente.

Un radar ha il suo scopo anche nello spazio, ricordiamo però che siccome deve aspettare per un ping, per una risposta, la sua lentezza inizia a farsi sentire. 1 secondo lag diventano 2, 2 diventano 4.... insomma non il modo migliore per gestire uno scontro.

Praticamente il metodo più comodo e semplice per individuare astronavi nello spazio è quello di  guardare lo spazio e controllare oggetti caldi, perché non esiste lo stealth nello spazio. Non è possibile mascherare il proprio output energetico, sia della nave stessa per il supporto vitale e per la gente che c'è dentro e le apparecchiature, sia per i motori, che emettono calore consistente.
Considerate che la sonda Voyager, di potenza di appena 20W, che ha oramai superato Plutone già da un bel po', riusciamo a vederla senza problemi.
Di solito in questo ambiente, un po' tutti gli scrittori o si inventano un modo per avere lo stealth o semplicemente si scordano come funziona la termodicamica e le radiazioni termiche nello spazio, o forse non lo sanno proprio. Un altro esempio usato spesso è quello di rendere le navi impossibili da trovare quando viaggiano in FTL.

Però, in realtà, nello spazio il problema che abbiamo qui sulla terra non si pone proprio. Noi abbiamo a che fare con un orizzonte finito e con migliaia di radiazioni di background di ogni tipo e migliaia di modi per nasconderci, per bloccare le emissioni e via dicendo. Nello spazio no. Se ci sei, ti vedono. Tipo tutti, a miliardi di chilometri di distanza. Quindi si passa ad un altro tipo di "invisibilità", quella legata alla manipolazione dell'informazione. Forse i nemici hanno costruito navi militari sulla falsariga di navi mercantili o scientifiche, quindi non emettono più calore o hanno una forma diversa, quindi possono riuscire ad infiltrarsi abbastanza vicino ai propri nemici prima di aprire il fuoco ed entrare in regime da battaglia. La falsificazione dell'informazione che si da all'avversario diventa la cosa più importante, perché l'informazione è sicuro al 100% che gli arrivi.

Questo apre comunque scenari importanti ed interessanti da un punto di vista narrativo, ma pochi davvero ne fanno uso.

Armi Cinetiche

Ora passiamo a "con che cosa ci si picchia", partendo dai vecchi classici: le armi cinetiche.
Sappiamo oramai per esperienza che qui sulla terra le armi cinetiche funzionano molto bene.

L'equazione principale rimane sempre la stessa, E_\text{k} =\tfrac{1}{2} mv^2 , quindi più velocemente sparo un qualcosa, più ha energia cinetica e maggiore sarà il casino fatto all'impatto. Il realtà nello spazio assume più importanza la velocità relativa tra i pezzi viste le alte velocità di solito in gioco, quindi, idealmente, se metto un sasso fermo davanti ad una nave che viaggia a 5km/s e questa nave sbatte contro il sasso, beh è come se avessi sparato io il sasso a 5km/s da un cannone.
Il problema nell'usare armi convenzionali però riguarda il lag luce.
Le armi cinetiche sono intrinsecamente lente. Non si può accelerare un pezzo di metallo alla velocità luce. E neanche a velocità prossime a quelle della luce. Quindi andrà per forza di cose più lento.

Questo può comportare qualcosa del genere qualora le distanza siano eccessive: 2 navi nemiche si identificano a vicenda, si trovano ad 2 secondi luce di distanza. La prima nave spara con un'arma convenzionale che viaggia al 10% della velocità della luce (esagerando ma tipo tanto). Impiegherà quindi 20 secondi a raggiungere il bersaglio. Però, sparare l'arma emana un fortissimo calore dovuto al funzionamento del cannone e questo calore viaggia alla velocità della luce verso la nave avversaria, che lo nota 2 secondi dopo. Ha quindi 18 secondi per spostarsi dalla traiettoria. Se la nave è in grado di reagire abbastanza velocemente modificando in qualche modo il suo vettore di velocità rallentando, cambiandone il verso o quant'altro, ecco che il colpo va a vuoto. Immagino che tutto questo venga fatto con l'aiuto di complessi computer che immagazzinano tutti i dati dai sensori e calcolino come controbattere a cose del genere, quindi che i tempi di reazione perlomeno elettronici siano veloci.

Un modo per aumentare la velocità del proiettile per renderlo più letale e più utile a distanze maggiori è quello di costruire la nave intorno all'arma in quanto le Railgun o Coilgun, che accelerano i proiettili usando forze elettromagnetiche, riescono ad ottenere velocità maggiori più è lungo il canale di accelerazione. Questo ovviamente comporta il dover ruotare la nave per poter mirare al proprio bersaglio, invece di usare delle torrette, ma assicura l'uccisione se la potenza è sufficientemente alta.
Anche in questo caso ovviamente, cercare di accelerare proiettili, anche di piccole dimensioni a velocità consistenti, causa un bel numero di problemi. Cannoni che devono essere lunghi 100km, densità di energia così forti che fanno esplodere il proiettile mentre è ancora nella canna o problemi di saturazione magnetica che rendono il tutto non funzionante.

C'è un bellissimo programmino online che permette di calcolare la potenza richiesta per colpo e quanta armatura brasa per singolo colpo o round (qualora spari più colpi al secondo)
È possibile vedere come se si prova a sparare qualcosa di un po' più grosso o a velocità che si avvicinano all'1% della velocità luce, le richieste energetiche sono esorbitanti ed in quel caso bisogna anche chiedersi dove andare a buttare tutto il calore prodotto, visto che nello spazio le capacità di dissipare il calore sono un pochino limitate e combattere con i radiatori belli in vista non è la cosa più furba che ci sia.

Quindi abbiamo un paio di problemi in questo campo. Armi gigantesche per avere proiettili iperveloci sono un po' difficili da realizzare per problematiche tecniche, mentre sistemi più piccoli sono tutto sommato fattibili e ipotizzando tecnologia futura anche bellamente realizzabili, ma sono troppo lenti per poter essere una vera minaccia. In teoria basta poco a devastare completamente una nave nemica, la quantità di armatura necessaria a proteggere da un colpo di Railgun (prendendo come esempio la railgun della marina americana odierna che è in fase di sperimentazione) risulterebbe eccessiva ed aumenterebbe la massa di un'astronave di troppo. Molto meglio essere agili e scattanti, quindi avere motori con un buon impulso specifico, avere poca inerzia e riuscire a cambiare direzione velocemente per schivare i proiettili.

Questo quindi apre uno scenario alquanto simpatico che non si è visto/letto molto in giro.

Nello spazio c'è un'altra differenza rispetto a stare su di un pianeta o anche solo intorno ad esso. Non c'è terreno. Non ci sono ostacoli. Come dicevo nella parte 1, i combattimenti spaziali nell'orbita di un pianeta sono fighissimi, perché ci sono strutture, satelliti, si gira tutti intorno al pianeta e quindi è un gioco di nascondino. Nello spazio aperto no. Quindi si può creare il proprio terreno, si possono incanalare i nemici ad andare dove voglio io. Come? Sparando con proiettili cinetici. Buttando in una zona vari sassi ad una velocità anche di pochi km/s, credo una zona rischiosa per la nave nemica dove muoversi. Si arriva a sfruttare il fatto che la nave nemica DEVE schivare i proiettili oppure è fottuta. Siccome i nemici li schiveranno sempre, ciò che conta non è la letalità del colpo, ma la letalità potenziale. In fondo è come il fuoco di soppressione. Sparo per non far fare qualcosa al nemico, non per ucciderlo direttamente. Poi se capita, ottimo. Ecco, io userei le armi convenzionali, i proiettili cinetici così. Area Denial Weapons. Ovvio, lo spazio è grande e questa tattica perde completamente senso se andiamo a confrontarci su distanze troppo grandi, ma con un paio di tocchi e nei setting giusti è molto interessante. Se per esempio i punti di uscita ed entrata nell'FTL sono fissi, posso effettivamente guidare ne navi nemiche creando efficienti punti pieni di detriti.

Lo svantaggio è che se per sbaglio uno di questi proiettili continuando nella sua corsa becchi un pianeta abitato... eh, c'è da stare attenti, molto attenti.


L'altro problema delle armi classiche è quello del rinculo. Se sparo un proiettile ad alta velocità io accelero nella direzione opposta. Nello spazio questo si traduce nella capacità di poter usare i cannoni come motore qualora abbia problemi di propulsione. Questo è facilmente contrastabile con controspinte di motori, a meno che non viviate nel mondo di Halo, dove sparano proiettili che pesano come metà nave a velocità folli. In quel caso non c'è nulla da fare, partirete a razzo nella direzione opposta. Ma oramai lo sappiamo che mi piace martellare la cattiva scienza di Halo.

L'altro filone delle armi convenzionali sono i missili, ma su di loro c'è meno da dire. Basta ricordare che nello spazio tutti i missili sono a doppio stadio, e che il primo stadio è rappresentato dall'astronave che li lancia. Vista la natura del vuoto cosmico, è comodo lanciare i missili a la nature, anche sparandoli gentilmente con un cannone magnetico e poi al momento giusto questi accendono il loro reattore e partono all'inseguimento di navi nemiche. I missili devono essere ovviamente più manovrabili delle navi che vogliono colpire e questo può limitarne l'efficacia contro determinate classi di navi, Sono deboli a sistemi di difesa puntuale, ma hanno un raggio d'azione infinito ovviamente.

Armi Laser

Qua si entra nel vivo della conversazione mi sa, perché le armi laser sono sempre rappresentate nei modi più a caso nella finzione. Sono o blaster che funzionano come proiettili,solo più lenti e luminosi o sono fasci di luce di lunghezza e durata non ben definita che hanno sul bersaglio gli effetti più strani.

Stiamo arrivando nel mondo attuale a sviluppare ed impiegare armi laser come sistemi difensivi per ora. Il loro metodo di funzionamento è molto semplice: scaldano a distanza un oggetto e questo reagisce al calore nel modo appropriato. Se è un missile esplode a mezz'aria. Se è un drone si surriscalda e smette di funzionare e così via.

I laser viaggiano alla velocità della luce, quindi viaggiano alla stessa velocità del lag e questo è un grande vantaggio per combattere nello spazio. Si usa la cosa più veloce che si conosca. Il problema è che i laser sono sottoposti a diffrazione, ovvero hanno una massima gittata oltre la quale applicano al bersaglio solo una frazione della potenza in ingresso.

Ci sono un po' di equazioni da seguire. La prima è:
RT = 0.61 * D * L / RL
Dove RT è il raggio del laser al bersaglio, D è la distanza dall'emettitore del laser al bersaglio, L è la lunghezza d'onda del laser e RL il raggio della lente del laser. Tutto in metri.
Poi si calcola la divergenza del laser al bersaglio, che è semplicemente θ = 1.22 L/RL
A questo punto arriviamo a ricavarci la potenza in Megawatt per metro quadro del laser sul bersaglio con questa formula:
 IT = Is/(π * (D * tan(θ/2))2)
Con IT l'intensità sul bersaglio, Is l'intensità all'emettitore, D la distanza dal bersaglio in metri e l'angolo quello calcolato prima. Quello che bisogna capire è che in questo caso si parla di intensità del laser e non della sua potenza effettiva, quella non cambia. È come usare una lente di ingrandimento per incenerire le cose. La potenza che si deposita sulla lente è sempre la stessa, voi la state solo intensificando.
Ora, come si calcola quanto male fa un laser? Si prende la potenza su metro quadro sul bersaglio che si ricava dalla formula di sopra e si confronta con la "durezza" del materiale contro il quale ci si impatta, di solito espressa in kilojoules/cm2, la si divide per la potenza e di trova quanti secondi il laser deve martellare nello stesso punto per sfondare la protezione.

Facendo vari calcoli in questo senso si vede come il vantaggio di poter operare a distanze potenzialmente maggiori grazie alla grande velocità dei laser che minimizza il lag luce in realtà svanisce perché il laser fa molta fatica a portare potenza a distanze elevate. Questo poi va a scontrarsi con un'altra realtà fisica: l'inefficienza dei laser.
Efficienze teoriche massime raggiungono il 65% e quelle reali sono molto, molto più basse, intorno al 20-30%, andando a richiedere dei sistemi davvero onerosi sia di produzione energetica che di dissipazione di calore. E questi dissipatori non possono essere corazzati.
Ovviamente si cerca sempre di trovare soluzioni più efficienti e l'efficienza e la termodinamica ancora sono concetti spesso estranei a tutta la fiction.

La soluzione sarebbe quella di costruire un cannone a raggi X, che risultano essere tipo i migliori da usare nello spazio, ma la cosa è complicata. O si accelerano elettroni per qualcosa come qualche chilometro (quindi bisogna avere navi enormi) o si usano esplosioni atomiche per produrli... quindi non proprio fattibilissimo.

Quindi come saltarci fuori da tutto sto casino?

L'idea è quella di usare i laser come sistemi d'accecamento dei sensori. Bene, una nave mi vede. Gli sparo addosso un bel laserone che gli manda in pappa i sensori infrarossi. A quel punto, essendo praticamente cieco, deve ricorrere ad altri sistemi, attivi possibilmente, che richiedono o droni esterni che fungono da sensori per lui, oppure deve usare radar e cose del genere, andando a raddoppiare il lag luce. Questo mi permette di sparagli senza problemi con armi cinetiche o con missili.
Un laser usato in questo modo non ha bisogno di grosse potenze, ma bisogna conoscere bene la nave nemica e sapere dove accecare.


Scenario finale

Quindi qual è lo scenario che vedo io di combattimento spaziale? Un po' strano devo dire.
Armi laser che funzionano nella maggioranza dei casi come accecatori dei sensori passivi, armi cinetiche che funzionano da area denial, missili che vanno per l'uccisione su di un nemico che ha ridotte capacità di manovra e contromisura. Casomai in un gruppo di navi, esisteranno 2-3 con il ruolo di killer, con un'arma dorsale di grande potenza, o elettromagnetica o laser ed il resto delle navi sono di disturbo o di supporto. In quest'ottica i caccia, che tanto sono inutili, possono riavere una certa utilità, funzionando da sensori e sistemi di attacco esterni per una nave cieca. Ovviamente metterci un uomo diventa sembra poco efficiente, quindi penso che piattaforme esterne automatiche potrebbero essere usate in questo scenario di combattimento un po' incasinato, ma a mio avviso che si apre a tante manovre tattiche.

Vorreste vedere un gioco/film dove si combatte così?

Stay Classy, Internet

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