Космические путешествия с постоянным ускорением — это гипотетический метод космических путешествий , который включает использование двигательной системы, которая генерирует постоянное ускорение, а не короткие импульсные толчки , производимые традиционными химическими ракетами . В течение первой половины путешествия двигательная система будет постоянно ускорять космический корабль по направлению к месту назначения, а во второй половине путешествия она будет постоянно замедлять космический корабль. [1] Постоянное ускорение может быть использовано для достижения релятивистских скоростей , [2] [3] [4] что делает его потенциальным средством достижения человеком межзвездных путешествий . Этот режим путешествий еще не использовался на практике.
Постоянное ускорение имеет два основных преимущества:
Траектории с постоянной тягой и с постоянным ускорением подразумевают, что космический корабль непрерывно запускает свой двигатель. На траектории с постоянной тягой [5] ускорение транспортного средства увеличивается в течение периода тяги, поскольку использование топлива уменьшает массу транспортного средства. Если вместо постоянной тяги транспортное средство имеет постоянное ускорение, тяга двигателя уменьшается во время путешествия.
Космический корабль должен изменить свою ориентацию на полпути и замедлиться на оставшемся пути, если требуется встреча с целью (а не пролет).
Космический корабль, использующий значительное постоянное ускорение, будет приближаться к скорости света на межзвездных расстояниях, поэтому эффекты специальной теории относительности, включая замедление времени (разница в течении времени между временем корабля и местным временем), становятся важными. [7]
Пройденное расстояние, при постоянном собственном ускорении , с точки зрения Земли как функция времени путешественника выражается координатным расстоянием x как функцией собственного времени τ при постоянном собственном ускорении a . Оно определяется по формуле: [8] [9]
где с — скорость света.
При тех же обстоятельствах время, прошедшее на Земле ( координатное время ), как функция времени путешественника определяется по формуле:
Ограничением постоянного ускорения является адекватное топливо. Постоянное ускорение осуществимо только с разработкой топлива с гораздо более высоким удельным импульсом , чем те, которые доступны в настоящее время.
Существует два основных подхода к повышению удельного импульса тяги:
Подбор топлива по пути — подход с прямоточным воздушно-реактивным двигателем — приведет к потере эффективности по мере увеличения скорости космического корабля относительно планетарной отсчетной скорости. Это происходит, поскольку топливо должно быть ускорено до скорости космического корабля, прежде чем его энергия может быть извлечена, и это резко снизит топливную эффективность .
Связанная проблема — сопротивление . Если космический корабль, летящий со скоростью, близкой к скорости света, взаимодействует с материей, которая медленно движется в планетарной системе отсчета, это вызовет сопротивление, которое спустит часть ускорения двигателя.
Вторая большая проблема, с которой сталкиваются корабли, использующие постоянное ускорение для межзвездных путешествий, — это столкновение с материей и излучением во время полета. В середине путешествия любое такое столкновение будет происходить на скорости, близкой к скорости света, поэтому результат будет драматичным.
Если космический корабль использует постоянное ускорение на межзвездных расстояниях, он будет приближаться к скорости света в средней части своего путешествия, если смотреть из планетарной системы отсчета . Это означает, что эффекты относительности станут важными. Самый важный эффект заключается в том, что время будет казаться текущим с разной скоростью в системе корабля и планетарной системе отсчета, и это означает, что скорость корабля и время путешествия будут казаться разными в двух системах отсчета.
Из планетарной системы отсчета скорость корабля будет казаться ограниченной скоростью света — он может приближаться к скорости света, но никогда не достичь ее. Если корабль использует постоянное ускорение 1 g , то будет казаться, что он приближается к скорости света примерно за год и пролетает расстояние около половины светового года. В середине путешествия скорость корабля будет примерно равна скорости света, а в конце путешествия она снова замедлится до нуля в течение года.
Как правило, для постоянного ускорения в 1 g ( земная гравитация ) время в пути, измеренное на Земле , будет равно расстоянию в световых годах до пункта назначения плюс 1 год. Это правило даст ответы, которые будут немного короче точного расчетного ответа, но достаточно точны.
С точки зрения системы отсчета находящихся на корабле ускорение не будет меняться по мере продолжения путешествия. Вместо этого планетарная система отсчета будет выглядеть все более и более релятивистской. Это означает, что для путешественников на корабле путешествие будет казаться намного короче, чем видят наблюдатели планет.
При постоянном ускорении 1 g ракета могла бы преодолеть диаметр нашей галактики примерно за 12 лет корабельного времени и примерно за 113 000 лет планетарного времени. Если последняя половина путешествия включает замедление при 1 g , путешествие займет около 24 лет. Если путешествие будет просто до ближайшей звезды, с замедлением на последней половине пути, оно займет 3,6 года. [10]
Космические корабли из рассказов Джорджа О. Смита « Венера Равносторонняя » — это корабли с постоянным ускорением. Нормальное ускорение составляет 1 g , но в «Внешнем треугольнике» упоминается, что ускорения до 5 g возможны, если экипажу вводят граванол [11] для противодействия эффекту перегрузки .
« Небесный лифт » — научно-фантастический рассказ Роберта А. Хайнлайна, впервые опубликованный в 1953 году. В рассказе пилот корабля-факела отправляется с орбиты Земли на Плутон с миссией доставить лекарство от чумы, опустошающей исследовательскую станцию. [12]
В научно-фантастическом романе Пола Андерсона «Тау Ноль» есть космический корабль, использующий двигатель постоянного ускорения.
Космические корабли в романе Джо Холдемана 1974 года «Бесконечная война» широко используют постоянное ускорение; они требуют сложного оборудования безопасности, чтобы поддерживать жизнь своих пассажиров при высоком ускорении (до 25 g ), и ускоряются до 1 g даже в «покое», чтобы обеспечить людям комфортный уровень гравитации.
В известной космической вселенной, созданной Ларри Нивеном , Земля использует двигатели постоянного ускорения в форме прямоточных воздушно-реактивных двигателей Бассарда, чтобы помочь колонизировать ближайшие планетные системы . В неизвестном космическом романе Мир вне времени Джером Бранч Корбелл (для себя) «берет» прямоточный воздушно-реактивный двигатель в Галактический центр и возвращается обратно через 150 лет по времени кораблей (большая часть из которых находится в холодном сне), но на Земле проходит 3 миллиона лет.
В «Воробье » Мэри Дории Рассел межзвездное путешествие достигается путем превращения небольшого астероида в космический корабль с постоянным ускорением. Сила прикладывается ионными двигателями, питаемыми материалом, добытым из самого астероида.
В серии Revelation Space Аластера Рейнольдса межзвездная торговля зависит от звездолетов "lighthugger", которые могут бесконечно ускоряться со скоростью 1 g , с двигателями постоянного ускорения, работающими на антиматерии. Эффекты релятивистских путешествий являются важным сюжетным моментом в нескольких историях, например, информируя о психологии и политике экипажей "ультранавтов" lighthugger.
В романе Артура Кларка «2061: Одиссея-3» космический корабль «Вселенная» , использующий мюонный термоядерный реактор , способен развивать постоянное ускорение в 0,2 g при полной тяге. В романе Кларка « Имперская Земля » представлен «асимптотический двигатель», который использует микроскопическую черную дыру и водородное топливо для достижения аналогичного ускорения при полете от Титана до Земли.
Космические корабли UET и Hidden Worlds из саги Ф. М. Басби «Риссо-Кергелен» используют двигатель постоянного ускорения, способный развивать ускорение до 1 g или даже немного больше.
Корабли серии «Пространство» Джеймса С.А. Кори используют двигатели постоянного ускорения, которые также обеспечивают искусственную гравитацию для пассажиров.
В романе «Марсианин » Энди Вейра космический корабль «Гермес» использует ионный двигатель с постоянной тягой для перевозки астронавтов между Землей и Марсом . В романе «Проект Аве Мария » также Вейра космический корабль главного героя использует вращающийся двигатель с постоянным ускорением 1,5 g для перемещения между Солнечной системой , Тау Кита и 40 Эридана .
Explorers on the Moon , один изкомиксов серии Adventures of Tintin Эрже , представляет собой управляемую лунную ракету с неуказанным «атомным ракетным двигателем». Корабль постоянно ускоряется с момента взлета, чтобы обеспечить пассажирам постоянную гравитацию, пока не будет достигнута средняя точка, где корабль разворачивается, чтобы постоянно замедляться по направлению к Луне.
The Lost Fleet , написанный Джоном Г. Хемри под псевдонимом Джек Кэмпбелл, является военно-фантастическим сериалом, в котором различные корабли всех размеров используют постоянное ускорение для перемещения на большие расстояния в пределах звездных систем. Принимая во внимание релятивистские эффекты в космическом бою, связи и синхронизации, корабли работают в различных формациях, чтобы максимизировать огневую мощь и минимизировать получаемый урон. В сериале также используются прыжковые двигатели для перемещения между звездами с использованием гравитационных точек прыжка, а также использование гиперсетей, которые используют квантовую запутанность и принципы вероятностных волн для перемещения на большие расстояния между массивно построенными вратами.
В этой статье используется текст из этого источника, который находится в общественном достоянии .
