Космические путешествия с постоянным ускорением

Предлагаемый способ космического путешествия

Космические путешествия с постоянным ускорением — это гипотетический метод космических путешествий , который предполагает использование двигательной установки, создающей постоянное ускорение , а не короткие импульсивные толчки, производимые традиционными химическими ракетами . Первую половину пути двигательная установка будет постоянно ускорять космический корабль к месту назначения, а вторую половину пути она будет постоянно замедлять космический корабль. ^[1] Постоянное ускорение можно использовать для достижения релятивистских скоростей , ^{[2] [3] [4]} что делает его потенциальным средством достижения человеком межзвездных путешествий . Этот способ передвижения еще не использовался на практике.

Приводы постоянного ускорения

Постоянное ускорение имеет два основных преимущества:

• Это самый быстрый вид межпланетных и межзвездных путешествий .
• Он создает собственную искусственную гравитацию , потенциально избавляя пассажиров от воздействия микрогравитации .

Постоянная тяга против постоянного ускорения

Траектории с постоянной тягой и постоянным ускорением предполагают непрерывную работу двигателя космического корабля. На траектории с постоянной тягой ^[5] ускорение аппарата увеличивается в период тяги, поскольку расход топлива уменьшает массу аппарата. Если вместо постоянной тяги автомобиль имеет постоянное ускорение, тяга двигателя во время движения уменьшается.

Космический корабль должен изменить свою ориентацию на полпути и замедлиться на оставшейся части пути, если ему необходимо достичь места назначения (в отличие от пролета).

Межзвездное путешествие

Этот график показывает, что корабль, способный «ощущать» ускорение 1 g (10 м/с ² или около 1,0 лет/год ² ) или правильное ускорение ^[6], может преодолевать огромные расстояния, хотя его возможности ограничены массой любого топлива, которое он несет.

Космический корабль, использующий значительное постоянное ускорение, приблизится к скорости света на межзвездных расстояниях, поэтому специальные эффекты относительности, включая замедление времени (разница во временном потоке между временем корабля и местным временем), становятся важными. ^[7]

Выражения для пройденного расстояния и затраченного времени

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 . Его дают: ^{[8] [9]}

${\displaystyle x(\tau )={\frac {c^{2}}{a}}\left(\cosh {\frac {a\ \tau }{c}}-1\right),}$

где с — скорость света.

При тех же обстоятельствах время, прошедшее на Земле ( координатное время ), как функция времени путешественника определяется выражением:

${\displaystyle t(\tau )={\frac {c}{a}}\sinh {\frac {a\ \tau }{c}}.}$

Технико-экономическое обоснование

Ограничение постоянного ускорения – достаточное количество топлива. Постоянное ускорение возможно только при разработке топлива с гораздо более высоким удельным импульсом , чем доступно в настоящее время.

Существует два широких подхода к повышению удельной импульсной тяги:

1. Топливо более высокой эффективности (подход теплохода). Две возможности подхода к теплоходу — это ядерное топливо и топливо на основе вещества-антиматерии.
2. Получение движущей энергии из окружающей среды при прохождении корабля через нее (приближение парусного корабля). Один из гипотетических подходов к созданию парусного корабля заключается в открытии чего-то эквивалентного параллелограмму силы между ветром и водой, который позволяет парусам приводить в движение парусный корабль.

Подбор топлива по пути — подход с прямоточным воздушно-реактивным двигателем — потеряет эффективность по мере увеличения скорости космического корабля относительно планетарной отсчета. Это происходит потому, что топливо необходимо разогнать до скорости космического корабля, прежде чем его энергию можно будет извлечь, а это резко снизит эффективность использования топлива .

Связанная с этим проблема — перетаскивание . Если космический корабль, движущийся со скоростью, близкой к световой, взаимодействует с веществом, которое медленно движется в планетарной системе отсчета, это вызовет сопротивление, которое отнимет часть ускорения двигателя.

Вторая серьезная проблема, с которой сталкиваются корабли, использующие постоянное ускорение для межзвездных путешествий, — это столкновение с материей и радиацией во время пути. В середине путешествия любое такое столкновение будет происходить со скоростью, близкой к скорости света, поэтому результат будет впечатляющим.

Межзвездные скорости перемещения

Если космический корабль использует постоянное ускорение на межзвездных расстояниях, в средней части своего путешествия он приблизится к скорости света, если смотреть из планетарной системы отсчета . Это означает, что эффекты теории относительности станут важными. Самый важный эффект заключается в том, что время будет течь с разной скоростью в системе координат корабля и в системе планетарной системы, а это означает, что скорость корабля и время путешествия будут различаться в двух кадрах.

Планетарная система отсчета

В планетарной системе отсчета скорость корабля будет казаться ограниченной скоростью света — он может приближаться к скорости света, но никогда не достигать ее. Если корабль использует постоянное ускорение 1 g , то примерно за год он приблизится к скорости света и преодолеет расстояние примерно в полсветового года. В середине путешествия скорость корабля будет примерно равна скорости света, а в конце путешествия он снова замедлится до нуля в течение года.

Как правило, для постоянного ускорения в 1 g ( земная сила тяжести ) время в пути, измеренное на Земле , будет равно расстоянию в световых годах до пункта назначения плюс 1 год. Это эмпирическое правило дает ответы, которые немного короче точно рассчитанного ответа, но достаточно точны.

Система координат корабля

График параметров скорости и времени на горизонтальной оси в зависимости от положения на вертикальной оси для ускоренного двойного полета туда и обратно к пункту назначения с Δx _AB =10c ² /α на расстоянии ~ 10 световых лет, если α ~ 9,8 м/с ² .

С точки зрения находящихся на корабле ускорение не изменится по мере продолжения путешествия. Вместо этого планетарная система отсчета будет выглядеть все более и более релятивистской. Это означает, что путешественникам на корабле путешествие окажется намного короче, чем то, что видят планетарные наблюдатели.

При постоянном ускорении 1 g ракета могла бы преодолеть диаметр нашей галактики примерно за 12 лет по корабельному времени и примерно за 113 000 лет по планетарному времени. Если последняя половина путешествия предполагает замедление на 1 g , путешествие займет около 24 лет. Если путешествие будет просто к ближайшей звезде с замедлением на второй половине пути, оно займет 3,6 года. ^[10]

В фантастике

Все космические корабли из рассказов Джорджа О. Смита « Равносторонняя Венера» представляют собой корабли с постоянным ускорением. Нормальное ускорение составляет 1 g , но во «Внешнем треугольнике» упоминается, что ускорения до 5 g возможны, если экипаж накачивают граванолом ^[11] для противодействия воздействию перегрузки .

« Небесный лифт » — это научно-фантастический рассказ Роберта А. Хайнлайна, впервые опубликованный в 1953 году. В этом рассказе пилот корабля-факела отправляется с околоземной орбиты к Плутону с миссией по доставке лекарства от чумы, опустошающей исследовательскую станцию. ^[12]

В научно-фантастическом романе Пола Андерсона «Тау Зеро» рассказывается о космическом корабле, использующем привод с постоянным ускорением.

Космический корабль в романе Джо Холдемана 1974 года «Вечная война» широко использует постоянное ускорение; им требуется сложное защитное оборудование, чтобы поддерживать жизнь пассажиров при высоких ускорениях (до 25 g ), а также ускоряться на 1 g даже в состоянии покоя, чтобы обеспечить людям комфортный уровень гравитации.

Во вселенной «Известное пространство» , созданной Ларри Нивеном , Земля использует двигатели постоянного ускорения в виде ПВРД Бассарда , чтобы помочь колонизировать ближайшие планетные системы . В малоизвестном космическом романе « Мир вне времени» Джером Бранч Корбелл (для себя) «отправляет» прямоточный воздушно-реактивный двигатель в Галактический центр и обратно через 150 лет отправляет время (большая его часть в холодном сне), но 3 миллиона лет назад проходит по Земле.

В «Воробье» Мэри Дориа Рассел межзвездное путешествие достигается путем превращения небольшого астероида в космический корабль с постоянным ускорением. Сила применяется ионными двигателями, питаемыми материалом, добытым на самом астероиде.

В серии Revelation Space Аластера Рейнольдса межзвездная торговля зависит от «светоемких» звездолетов, которые могут бесконечно ускоряться при 1 g , с замененными приводами постоянного ускорения, работающими на антивеществе. Эффекты релятивистских путешествий являются важным сюжетным моментом в нескольких историях, например, влияющих на психологию и политику экипажей «ультранавтов» светохватчиков.

В романе Артура Кларка «2061: Одиссея три» космический корабль «Вселенная» , использующий термоядерную ракету, катализируемую мюонами , способен к постоянному ускорению 0,2 g при полной тяге. В романе Кларка « Имперская Земля » описан «асимптотический привод», в котором используется микроскопическая черная дыра и водородное топливо для достижения аналогичного ускорения при движении от Титана к Земле.

Космические корабли UET и «Скрытые миры» из саги Ф.М. Басби о Риссе Кергелен используют двигатель постоянного ускорения, который может ускоряться до 1 g или даже немного больше.

Корабли серии Expanse Джеймса С.А. Кори используют приводы постоянного ускорения, которые также обеспечивают искусственную гравитацию для пассажиров.

В романе Энди Вейра « Марсианин » космический корабль «Гермес» использует ионный двигатель постоянной тяги для перевозки астронавтов между Землей и Марсом . В проекте «Радуйся, Мария» , также созданном Вейром , космический корабль главного героя использует привод вращения с постоянным ускорением 1,5 g для перемещения между Солнечной системой , Тау Кита и 40 Эриданом .

«Исследователи на Луне» , один из альбомов комиксов Эрже из серии « Приключения Тинтина» , представляет собой лунную ракету с экипажем и неуказанным «атомным ракетным двигателем». Корабль постоянно ускоряется от взлета, чтобы обеспечить пассажирам постоянную гравитацию, пока не достигнет середины пути, где корабль разворачивается, чтобы постоянно замедляться по направлению к Луне.

«Затерянный флот» , написанный Джоном Г. Хемри под псевдонимом Джек Кэмпбелл, представляет собой военно-фантастический сериал, в котором различные корабли всех размеров используют двигательную установку с постоянным ускорением для путешествий на большие расстояния в пределах звездных систем. Принимая во внимание релятивистские эффекты на космический бой, связь и время, корабли работают в различных построениях, чтобы максимизировать огневую мощь и минимизировать получаемый урон. В сериале также показано использование прыжковых двигателей для путешествий между звездами с использованием точек гравитационного прыжка, а также использование гиперсетей, которые используют принципы квантовой запутанности и волн вероятности для путешествий на большие расстояния между массивно построенными вратами.

Рекомендации

1. Халупек, Уильям (2013). Расчеты для писателей-фантастов/Космические путешествия с постоянным ускорением – нерелятивистский случай . Издание Смэшвордс. ISBN 9781301789078.
2. Джозеф Галлант (2012). Занятие физикой с помощью научной тетради: подход к решению проблем (иллюстрированное издание). Джон Уайли и сыновья. п. 382. ИСБН 978-0-470-66598-5.Выдержка со страницы 382
3. Ричард Ф. Тиндер (2022). Релятивистская механика полета и космические путешествия. Спрингер Природа. п. 33. ISBN 978-3-031-79297-7.Выдержка со страницы 33
4. Йорген Фройнд (2008). Специальная теория относительности для начинающих: Учебник для студентов. Всемирная научная. п. 99. ИСБН 978-981-277-159-9.Выдержка со страницы 99
5. WE Moeckel, Траектории с постоянной тангенциальной тягой в центральных гравитационных полях, Технический отчет R-63 , Исследовательский центр Льюиса НАСА, 1960 г. (по состоянию на 26 марта 2014 г.) Эта статья включает текст из этого источника, который находится в открытом доступе .
6. Эдвин Ф. Тейлор и Джон Арчибальд Уиллер (1966 - только первое издание) Физика пространства-времени (WH Freeman, Сан-Франциско) ISBN 0-7167-0336-X , Глава 1, Упражнение 51, стр. 97–98: «Парадокс часов III» » (pdf). 
7. К. Лагут и Э. Даву (1995) Межзвездный путешественник, Am. Дж. Физ. 63 : 221–227
8. Кокс, Дон (2006). Исследования в области математической физики: концепции элегантного языка (иллюстрированное издание). Springer Science+Business Media. п. 242. ИСБН 978-0-387-32793-8.Отрывок со страницы 242 (где g=a, c=1 и x0=x(0))
9. Миснер, Чарльз В.; Кип С. Торн; Джон Арчибальд Уиллер (сентябрь 1973 г.). Гравитация . Сан-Франциско: WH Freeman . Раздел 6.2. ISBN 0-7167-0344-0.
10. Баэз, UCR, «Релятивистская ракета»
11. Смит, Джордж О. (1942–1945). Венера равносторонняя. Потрясающая научная фантастика. п. 49.Выдержка со страницы 49
12. Хайнлайн, Роберт А. (1953). Небесный лифт. Издательская компания Гринлиф. п. 164.