Wie kann ein Weltraumradar funktionieren?

Im Artikel "Detection" auf der Website Project Rho heißt es: "There Ain't No Stealth In Space". Jedes Raumfahrzeug erzeugt irgendeine Art von Emission, die erkannt werden kann. Die häufigste ist Infrarotstrahlung, da jedes Raumschiff Abwärme erzeugt. Das ist ein unvermeidbarer Nebeneffekt, wenn an Bord Energie verbraucht wird.

Mit einem herkömmlichen Infrarotdetektor können Sie möglicherweise eine Infrarotlichtquelle erkennen, aber möglicherweise nicht die genaue Richtung bestimmen. Aber wenn Sie mehrere Detektoren haben, können Sie Triangulation verwenden, um die genaue Position der Quelle zu lokalisieren.

Wenn Sie die Position der Quelle kennen, aber mehr Informationen darüber wünschen, als mit passivem Infrarot erkannt werden können, können Sie sie mit aktiven Sensoren wie einem Laser- oder Radarstrahl genau auf die Quelle richten.

Auf der Suche nach Reflexionen des Sonnenlichts IS Radar. Nur mit Empfänger (Ihre Sensoren) und Sender (die Sonne) an verschiedenen Positionen.

Die Verwendung eines anderen Senders würde nicht viel bringen, aber wenn man über das sichtbare Spektrum hinausschaut, wird fast jedes energieverbrauchende Objekt Schwarzkörperstrahlung emittieren. Das kannst du suchen.

Es ist kompliziert

Es gibt keine Tarnung im Weltraum – Sie können nicht unsichtbar sein. Aber das ist nicht ganz dasselbe wie zu sagen, dass deine Feinde sich nicht verstecken können. Die naheliegendste Taktik wäre ein groß angelegter Köderangriff.

Nun ist es schwierig, Köder für sich bewegende Schiffe herzustellen, da Motoren und Treibstoff teuer sind und die Energie des Schubs in der Regel mit der Masse korreliert. Wenn Sie also einen Köder für ein 20.000-Tonnen-Schiff bauen wollen, brauchen Sie einen 20.000-Tonnen-Köder. Sie können einen Motor an einen Asteroiden schnallen (und einige kosmetische Arbeiten von außen vornehmen, damit er wie ein Schiff aussieht), aber im Allgemeinen ist dies zu kostspielig für den allgemeinen Gebrauch. Aber das bedeutet nicht, dass wir es als Möglichkeit ignorieren können – es braucht nur ein paar Angriffe, um Ihren Tag zu ruinieren, was bedeutet, dass es immer noch kostengünstig sein könnte.

Ballistische Schiffe hingegen sind relativ leicht zu täuschen. Sie brauchen nur eine Hülle, die wie ein Schiff aussieht, und einige Systeme, um die Strahlungssignatur nachzuahmen, die Ihre normalen Schiffe abgeben. Der Nachteil ist, dass, sobald die Angreifer zum Manövrieren gezwungen sind, die Lockvögel aufhören, nun, Lockvögel zu sein – es wird offensichtlich, welche Schiffe echt und welche gefälscht sind (es sei denn, Ihr Feind ist trickreich und hat natürlich einige echte Schiffe, die vorgeben, Lockvögel zu sein ...).

So. Weltraumradar.

In Anbetracht dessen möchten Sie also etwas, das die folgenden Kriterien erfüllt:

1. Testen Sie so viele Frequenzen wie möglich . Wenn Sie nur eine Sache (Radar, Hintergrundstrahlung, Infrarot) beobachten, die es Ihren Feinden leicht macht, nützliche Köder zu erstellen. Achten Sie auf so viele Dinge wie möglich, und Ihre Feinde müssen all diese fälschen, um Sie zu täuschen.
2. Mehrstufig . Sie wollen Feinde so früh wie möglich entdecken, also brauchen Sie Installationen, die in alle Richtungen spiralförmig nach außen verlaufen. Leider wird dies schnell zu einem Skalierungsproblem, das nicht zu Ihren Gunsten ist – Ihre Verteidigung muss in drei Dimensionen wachsen, aber Ihre Feinde werden immer noch nur an dem Punkt angreifen, den sie wählen. Die Verdoppelung Ihrer effektiven Erkennungsreichweite bedeutet eine 8-fache Erhöhung der Kosten für Sie, und das meiste davon wird für einen bestimmten Angriff verschwendet.
3. Sei nicht vorhersehbar . Wenn Sie keine überwältigende Kraft haben, ist vorhersehbar in der Kriegsführung oft gleichbedeutend mit "tot". Es mag sinnvoll sein, ein perfekt optimiertes Verteidigungssetup zu haben, um die Abdeckung zu maximieren, aber optimiert ist auch vorhersehbar, und … nun, Sie wissen, was das bedeutet. Und sobald Ihre Erkennung ausgeschaltet (oder zumindest erheblich verschlechtert) ist, sind Sie in Schwierigkeiten. Glücklicherweise können Sie auch Köder verwenden, um es Ihren Feinden zu erschweren, Ihre Erkennungsanlagen zu finden und auszuschalten. Sie sollten sie auch regelmäßig bewegen, um zu verhindern, dass ein Feind Ihr Setup abbildet.

Nichts ist perfekt

Am Ende müssen Sie jedoch akzeptieren, dass Sie tot sein werden, wenn Ihr Feind Sie wirklich tot sehen will. Es gibt kein perfektes System – Sie werden niemals 100 % der Angriffe gegen Sie stoppen. Es gibt einen Grund, warum Systeme auf Dinge wie 99,999 % abzielen – es besteht immer die Möglichkeit, dass ein paar Dinge durchkommen. Und leider braucht Ihr Feind im Weltraum und mit relativistischen Geschwindigkeiten wirklich nur eine Sache, um durchzukommen. Werfen Sie genug große Steine ​​mit ausreichend hoher Geschwindigkeit auf ein unbewegliches Ziel, und es ist nur eine Frage der Zeit, bis Ihr Ziel stirbt.

Hoffentlich will Ihr Feind Ihren Planeten intakt und ist nicht bereit, Sie einfach zu Tode zu bombardieren. In diesem Fall sind Sie in Ordnung, solange Sie Ihre Schiffe und Anlagen regelmäßig in Bewegung halten.

Eine Reihe von Leuten hat großartige Antworten gegeben, die sich darum drehten, dass es „keine Tarnung im Weltraum“ gibt, aber ich habe das Gefühl, dass sie den Kern der Frage leicht verfehlen.

Wie würde, wenn möglich, ein Weltraum-"Radar" funktionieren?

So ziemlich das gleiche wie auf der Erde. RA dio Detection And R anging ( auch bekannt als Radar) ist ein System, das Funkwellen von entfernten Objekten reflektiert , um sie zu sehen . Radiowellen, die nur ein bestimmter Teil des Lichtspektrums (EM) sind, können sich problemlos durch den Weltraum bewegen. Tatsächlich bewegt sich Licht im Weltraum etwas schneller als in der Luft.

Oder wie würden Sie nach Schiffen suchen, die weiter entfernt sind, als Ihre optischen Sensoren sehen können?

Wie ich oben erwähnt habe, sind Funkwellen Licht (außerhalb des "sichtbaren" Bereichs für das menschliche Auge, aber immer noch Licht). Angenommen, Sie meinen Schiffe, die zu weit entfernt sind, weil nicht genug Licht in Ihren Detektor gelangt, dann lautet die Antwort wahrscheinlich "Sie können nicht nach ihnen suchen". Licht ist eine ziemlich gute Möglichkeit, Dinge zu sehen. Es bewegt sich an der kosmischen Höchstgeschwindigkeit. Es ist eine Welle, die auch ihr eigenes Medium ist (sie geht also problemlos durch den offenen Raum). Die richtigen Lichtfrequenzen interagieren leicht mit den meisten Dingen (es wird von den meisten Dingen reflektiert oder abgelenkt), daher ist es großartig, um Dinge zu sehen. Und es ist über einen breiten Frequenzbereich hinweg leicht zu erkennen.

Es gibt wirklich kein anderes Erkennungsmedium, das so gut ist wie Licht. Wenn also das Licht nicht gut genug ist, um etwas zu sehen, können Sie es wahrscheinlich nicht sehen. Zum Beispiel:

• W- und Z-Bosonen sind wie das Photon Kraftträgerteilchen. Vielleicht bedeutet das, dass sie in der gleichen Gewichtsklasse wie Light spielen könnten ... wenn ihre Reichweite nicht so begrenzt wäre.
• Neutrinos haben eine sehr große Reichweite, bewegen sich ungefähr mit Lichtgeschwindigkeit und passieren Meilen/Kilometer Felsen, als wäre es nichts. Bedeutet dies, dass wir Neutrinos für eine superdurchdringende Form des Sehens verwenden können? Nö. Es durchläuft die Dinge so gründlich, dass das Super-K-Neutrino-Erkennungsexperiment 1 km unter der Erde gebaut werden musste, als ein 40 x 40 m großer zylindrischer Edelstahltank, der 50000 Tonnen ultrareines Wasser fasst, usw. Hier ist ein Bild . Es bedarf der Analyse von Supercomputern auf der ganzen Welt, um festzustellen, ob einzelne Neutrinoteilchen entdeckt wurden.
• Gravitationswellen , eine weitreichende Störung in der Struktur des Weltraums, sind fast unmöglich zu erkennen, insbesondere wenn sie von kleinen Objekten verursacht werden. Es brauchte den Bau mehrerer 4 km mal 4 km großer Observatorien , nur um die Gravitationswellen von kollidierenden Schwarzen Löchern zu erkennen. Diese Wellen verursachten Störungen, die kleiner als der Durchmesser eines atomaren Nukleons waren.

Der große Raum macht es fast unmöglich, nach den reflektierten Radarstrahlen zu suchen. 0-100 Eyeball funktioniert auch wegen der Weite des Weltraums nicht, genauso wie alle anderen optischen Raten.

Sie sind gerade intuitiv über das Abstandsquadratgesetz gestolpert . Wie Wikipedia es ausdrückt, „ist eine bestimmte physikalische Größe oder Intensität umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung von der Quelle dieser physikalischen Größe. Die grundlegende Ursache dafür kann als geometrische Verdünnung verstanden werden, die einer Punktquellenstrahlung in drei Dimensionen entspricht Platz."

Für Lichtquellen bedeutet dies, dass die sichtbare Intensität schnell abfällt. Aus diesem Grund sind Sterne, die viel heller als die Sonne sind, (bestenfalls) nur Flecken am Nachthimmel. Das Prinzip hinter diesem Gesetz ist auch, warum es, wie Sie bemerkt haben, sehr schwierig (sehr schnell) wird, alles innerhalb eines dreidimensionalen Raums zu überblicken, wenn Sie den sphärischen Bereich erweitern, den Sie betrachten möchten.

Das umgekehrte Quadratgesetz bedeutet auch, dass sich Dinge tatsächlich im Raum verstecken können, aber nur in großen Entfernungen (mindestens mehrere AUs). Aus diesem Grund haben wir möglicherweise einen richtigen neunten Planeten , den niemand jemals bemerkt hat. Licht, das zu diesen Entfernungen und zurück wandert, würde außerordentlich verdünnt werden. Selbst die Wärme, die von einem Super-Erde- bis Neptun-großen Planeten in diesen Entfernungen erzeugt wird, würde nicht erfasst werden. Deshalb wird es Jahre dauern, bis wir Planet Nine bestätigen oder fälschen.

Wie sieht also die weltraumgestützte Erkennung aus?

• Radar (und andere lichtbasierte Erkennungssysteme) funktionieren im Weltraum, verlieren jedoch mit zunehmender Entfernung an Nützlichkeit.
• Aktive omnidirektionale Systeme sind nur gut für die eigene Umgebung. Wie unmittelbar/groß dieser Bereich genau ist, hängt von der Ausgangsleistung der Antennen und der Empfindlichkeit der Detektoren ab. (Das heißt, Sie müssten Zahlen finden, bevor jemand die Entfernungen berechnen könnte.) Wie auch immer, wir sprechen immer noch darüber, wie viele km.
• Passive omnidirektionale Systeme wären ziemlich gut darin, ziemlich weit entfernte Schiffe zu sehen, wenn die Sensoren so ausgelegt sind, dass sie Wärme aufnehmen. Selbst mit dem Gesetz des umgekehrten Quadrats könnte ein computergestütztes Erkennungssystem überdurchschnittliche Hitzepunkte erkennen, die sich durch den Weltraum bewegen. Das bedeutet, dass es fast unmöglich ist, sich an jemanden anzuschleichen, es sei denn, es befindet sich ein großes Objekt zwischen ihnen (z. B. ein Planet oder ein großer Mond). Das umgekehrte Quadratgesetz bedeutet jedoch, dass Sie Schiffe wahrscheinlich nicht mehr als ein paar AUs entfernt passiv erkennen werden. Wie zuvor variiert die genaue Entfernung basierend auf der Empfindlichkeit des Detektors.
• Richtungssysteme (aktiv und passiv) haben weitaus größere Reichweiten, aber Sie müssen wissen, wo Sie nach ihnen suchen müssen, um nützlich zu sein. (Hinweis: Aktive Richtungssysteme funktionieren nur bis zu Entfernungen von Tausenden von Kilometern. Selbst die besten erdgestützten Laser sind mehrere Kilometer breit, wenn sie den Mond erreichen.)
• Angesichts der Tatsache, dass die meisten Menschen selbst in der fortschrittlichsten Raumfahrtgesellschaft auf oder in der Nähe von Planeten, Monden und Raumstationen leben werden. Richtungserkennungssysteme werden wahrscheinlich für entfernte Gebiete nützlich sein, von denen bekannt ist, dass sie besiedelt sind. In diesem Fall hätten Schiffe Schwierigkeiten, sich von zu Hause wegzuschleichen, da ein Richtungssystem sie im Auge behalten könnte, wenn sie sich ins Freie bewegen.
• Schiffe könnten versuchen, der hitzebasierten Erkennung (etwas) entgegenzuwirken, indem sie so kalt wie möglich durch Bereiche fahren, in denen sie wahrscheinlich erkannt werden. Sie könnten auch ein Design haben, das versucht, einen Großteil ihrer überschüssigen Wärme in eine einzige Richtung zu lenken (eine, in der kein Erkennungssystem vorhanden ist). Wie bei herkömmlicher Tarnung würde keine dieser Techniken ein Schiff vollständig verbergen.
• Herkömmliches Stealth wäre immer noch nützlich für Dinge wie Radar. Dies ist im Nahbereich wichtiger, wenn die aktive Erkennung zu einem Problem wird.
• Bei jeder größeren Entfernung wird die Lichtlaufzeit zu einem Problem. Der Mars zum Beispiel ist viele Lichtminuten entfernt. Wenn Sie also Schiffe ein paar Planetenumlaufbahnen im Auge behalten, können Sie Dutzende von Minuten bis mehrere Stunden in die Vergangenheit schauen. (Entsprechend brauchen Dinge Monate, um eine größere Entfernung zurückzulegen.)
• Die Erkennung in großen Entfernungen und hinter Hindernissen wie Planeten könnte durch den Einsatz von Orbitalradarsystemen bewältigt werden. (Das hilft natürlich nicht bei der Übertragungszeit.)

Für eine zivile Anwendung würde jeder seine eigene Position für alle anderen auf einem bekannten Kanal "kreischen". Auf See geschieht dies heute mit AIS – und es umfasst Position, Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und beabsichtigtes Ziel. Zivilflugzeuge verwenden ein ähnliches System.

Für eine militärische Anwendung würden Sie höchstwahrscheinlich einen passiven Sensor verwenden. Es könnte thermisch sein (erkennt Wärme-/Schwarzkörperstrahlung), Neutrino (erkennt Signalschwänze von Spaltungs-/Fusionsstromquellen), EM (erkennt Hochfrequenzlecks von 60 Hz / 50 Hz Stromversorgung, drahtlose Kommunikation innerhalb von Schiffen usw.).

Wahrscheinlich wäre es eine Kombination aus allem oben Genannten und allem, was sonst noch funktioniert.

Diese Sensoren geben Ihnen eine Peilung zu Ihrem Ziel, liefern jedoch keine Informationen zur Entfernung – ohne Zeit pro Flug können Sie die Entfernung nicht basierend auf der bekannten Lichtgeschwindigkeit berechnen. Um die Reichweite zu erhalten, müssten Sie auf der Grundlage einiger Faktoren eine fundierte Vermutung anstellen:

1) Relative Intensität: Besonders wenn Sie dieses Schiff oder Schiffe der gleichen "Klasse" schon einmal beobachtet haben, haben Sie möglicherweise Informationen wie "Wenn wir so weit entfernt sind, erwarte ich eine Signalstärke von X." Dies wird hauptsächlich als verstärkende Information für den nächsten Indikator dienen, der ...

2) Peilung im Laufe der Zeit: Wenn sich sowohl der Sensor als auch das Ziel durch den Raum bewegen, ändert sich die von Ihrem Sensor beobachtete Peilung. Ihr Zielsystem wird die Zahlen zerkleinern und die Reichweite einschränken, wenn Sie mehr Informationen sammeln. Wenn das Ziel stationär wäre und sich Ihr Sensor bewegte, wäre es einfach, zwei oder mehr Abtastungen im Laufe der Zeit zu verwenden, um die Zielposition zu triangulieren. Da sich BEIDE Schiffe bewegen werden, wird dies schwieriger, aber grundsätzlich noch machbar. Wenn das Sensorschiff seinen Kurs ändert, kann es das Problem stark einschränken und die Reichweite schnell beheben.

Passive Wahrnehmung hat den zusätzlichen Vorteil, dass Sie keine "lauten" Radarsignale aussenden, die es anderen Schiffen ermöglichen, Sie zu identifizieren, zu lokalisieren und anzugreifen.

Wie wäre es, die Schwerkraft anstelle von Radiowellen zu nutzen? Die Schwerkraft hat nachweisbare Auswirkungen über große Entfernungen, und wir haben derzeit Sensoren, die Schwankungen der Schwerkraft erkennen und abbilden können. Wenn Sie also einen Detektor hätten, der empfindlich genug wäre, könnten Sie eine Art Gravitonimpuls aussenden und dann registrieren, wo er auf andere Schwerkraft reagiert Felder und/oder Objekte.

Auch ohne Gravitationsimpuls haben alle Objekte Schwerkraft, sodass eine passive Erkennung möglich wäre, insbesondere für sehr große Schiffe oder Schiffe mit künstlicher Schwerkraft.
Ein Stealth-Schiff wäre klein, hat Funk-/Radar- und lichtabsorbierendes Material, aktive Kühlung der Außenfläche zur Weltraumumgebung (vielleicht leitet die Wärme in einen internen Kühlkörper, was bedeutet, dass das Stealth-Schiff nur kurzfristig vor dem Einsatz verwendet werden kann Wärme müsste abgelassen werden) und keine künstliche Schwerkraft im Stealth-Modus.
Aktive Tarnung wäre also eng, heiß und schwerelos.

Es gibt auch eine Theorie, dass sich die Auswirkungen der Schwerkraft schneller ausbreiten als die Lichtgeschwindigkeit*, sodass Sie möglicherweise etwas schneller erkennen könnten, als es die Relativitätstheorie zulässt. Ein normales Radarsignal würde etwa 20 Minuten brauchen, um die Entfernung zwischen Mars und Erde zu überwinden.

TL; DR, es wäre dem Sonar in der modernen Nabelkriegsführung sehr ähnlich. Große Kapitolschiffe und auf Planeten/Monden/Asteroiden basierende Installationen pingen aktiv, kleinere verstohlene Schiffe halten sich, wenn möglich, an Schwerkraftschatten und versuchen, unentdeckt zu bleiben, während sie nach anderen verstohlenen Schiffen lauschen ...

Gravitationskartierung: http://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_of_Earth

Bearbeiten: Ich möchte darauf hinweisen, dass die Theorie eines Gravitonteilchens , wenn es genutzt werden könnte, kontrollierte Gravitationswellen ermöglichen könnte .
Eine andere Möglichkeit, Gravitationswellen zu erzeugen, wäre die Erzeugung eines Paares sehr kleiner Schwarzer Löcher, die sich gegenseitig umkreisen.
Während sich die Wellen nach außen ausbreiten, könnten Detektoren nach Kräuselungen in der Raumzeit suchen, wo kein Objekt sein sollte, oder nach einer Änderung der Größe der Kräuselungen, die durch bekannte Objekte verursacht werden. Wenn ein Asteroid plötzlich eine größere Welligkeit als normal verursacht, würde dies darauf hindeuten, dass sich die Masse geändert hat und sich wahrscheinlich ein Schiff dahinter versteckt.

* Dies basiert auf der Newtonschen Physik und hält der modernen Wissenschaft nicht stand.

Es funktioniert so . Sehen Sie sich dieses Video an, um eine sehr informative Präsentation darüber zu erhalten, wie Radar verwendet wird , um Körper in unserer interplanetaren Nachbarschaft zu entdecken und zu erforschen.

Jeder "aktive" Sensor, den Sie verwenden möchten, wird einfach doppelt so lange brauchen, um Ihnen die Informationen zu geben, die Sie von der emittierten Strahlung des Ziels erhalten würden. Alles, was Sie nicht sehen können, ist sowieso keine Bedrohung, es sei denn, Sie haben FTL In diesem Fall wird Ihnen sowieso kein EM-basiertes Erkennungssystem etwas nützen, da die Angreifer eintreffen, bevor Sie sie sehen können.

Werfen Sie einen Blick auf Jack Campbells Lost Fleet - Serie für einen wirklich guten, harten wissenschaftlichen Blick auf das Problem der Erkennung und Signalverzögerung in Kampfsituationen unter Licht, auch eine ziemlich gute Lektüre an und für sich. Der wichtigste Teil, der hier relevant ist, stammt aus dem ersten Buch, in dem darauf hingewiesen wird, dass Radar hin und zurück doppelt so weit zurückgelegt werden muss wie optische Signaldaten.