Что может быть жизнеспособным направлением исследований двигателей для миссии delta-V со скоростью севернее 100 км/с?

Этот вопрос был вдохновлен некоторыми моими комментариями, которые я оставил здесь:

Лучше разрабатывать более мощные ракеты, чем искать и разрабатывать новые технологии?

и, таким образом, в свою очередь, как вопрос ОП о том, как нацелить исследовательскую карьеру (предположительно) на разработку усовершенствованных технологий космического движения, так и ответ и комментарии на этот вопрос, которые предполагали, что нам не обязательно нужно заходить так далеко, как между - звездные путешествия, и с новой физикой, и это улучшенное межпланетное все еще было бы очень хорошо, и возможное с «только существующей физикой», что заставило меня указать, что могут быть проблемы даже с межпланетным путешествием, если вы этого хотите. чтобы быть достаточно быстрым, что закончилось вопросами, которые, вероятно, заслуживают отдельной ветки, и вот оно.

В частности, мне было любопытно, какие технологии могут потребоваться, если вместо межзвездных путешествий мы собираемся ограничиться быстрыми межпланетными путешествиями, но с максимальным временем прохождения 30 мегасекунд (**) (немного меньше одного земного времени). год или полмарсианского года), чтобы, по крайней мере, добраться до Плутона (*), находящегося на расстоянии около 6500 Гм от Солнца, хотя в комментариях оставлено место для более подробного представления, возможно, немного более мягкого сценария перехода к Марсу. со средним временем в пути 2 мс (~ 23 дня), со средним расстоянием 225 Гм (для сравнения, текущие миссии в среднем составляют около 20 мс (0,65 года), поэтому цель состоит в том, чтобы сделать транзит в 10 раз быстрее).

И я привел некоторые расчеты, включающие разделение этого на фазу постоянного ускорения 500 кс, фазу крейсерского полета 1 мс и фазу постоянного замедления 500 кс, чтобы закончить прибытие на Марс. Из простой геометрии площадей под кривыми видно, что если сделать общее время разгона/торможения равным крейсерскому времени,$t_c$, то пройденное расстояние как функция крейсерского времени и крейсерской скорости$v_c$является

который можно инвертировать, чтобы найти$v_c$как функция$t_c$и расстояние до цели$D_\mathrm{goal}$, что если принять за 225 Гм и$t_c$1 мс дает$v_c$150 км/с при необходимости. Обратите внимание, что это довольно грубо, так как оно исключает гравитационные эффекты в Солнечной системе — я аппроксимирую как прямой выстрел, поскольку мы значительно превышаем обычные астродинамические скорости. Поскольку вам нужно ускоряться и замедляться, это означает, что общий бюджет миссии составляет 300 км/с дельта-V для одного такого перехода, а ускорение составляет$0.30\ \mathrm{m/s^2}$или около$0.03\ \mathrm{gee}$.

И более того, если вы представляете себе 100-мегаграммовый (мегаграмм, то же, что тонны) корабль, который движется, это означает, что около 30 кН непрерывной тяги, или 3 тонны гравитационного эквивалента, потребуется для 500-килосекундного периода, дважды, не считая за любое использование ракетного топлива.

Если бы мы поставили перед собой цель разработать космический корабль, способный на это, то какой вариант мог бы предложить предполагаемый исследователь, чтобы внести в него свой вклад? Черт возьми, даже отбросив цель в 300 км/с, как насчет всего лишь 100 км/с? Ясно, что из-за тирании ракетного уравнения химические ракеты работать не будут, но 30 кН, хотя тяга гораздо меньше, чем у CR, также намного больше тяги, чем многие предлагаемые альтернативы, например, ионные двигатели и легкие паруса.

В качестве примера этого последнего пункта, чтобы получить 30 кН из легкого паруса, вам нужна падающая мощность на$F = \frac{P}{c}$таким образом$P = cF$около 9 ТВт, или 9000 ГВт. При солнечной постоянной примерно$1\ \mathrm{kW/m^2}$который становится$1\ \mathrm{GW/km^2}$, тебе необходимо$9000\ \mathrm{km^2}$легкий парус, чуть больше, чем размер американского штата Делавэр, и, таким образом, явно представляет собой колоссальный инженерный проект (что можно сказать о том, что его можно будет запустить где-то в следующем столетии / 3 G, или даже просто оставшийся срок службы стремящийся или начинающий студент колледжа, типичный возраст которого составляет около 18 лет (570 Мс) в настоящее время, при условии отсутствия радикальных прорывов в области долголетия?) и даже если вы используете мощность луча для уменьшения размера паруса, массив мощностью 9 ТВт может быть использован для беспилотных зондов, и, таким образом, мы уже находимся в диапазоне перекрытия с межзвездными путешествиями, на 100% отвергая идею сосредоточиться на одном, а не на другом.

Конечно, мы могли бы уменьшить время, но мы все равно хотим, чтобы оно было значительно быстрее — как в целочисленных множителях скорости, по крайней мере, больше 1 — чем существующие химические миссии.

Итак, имея это в виду, мой последний вопрос, и просто увеличивая еще больше до точки меньшей скорости: есть ли какой -либо возможный путь исследования для получения, скажем, дельта-ви миссии по крайней мере 100 км/с или 50 км/с крейсерская скорость на одной заправке топливом (или даже на внешнем источнике питания), возможно, с временем нарастания и спада 1 мс (XXX) для корабля, способного перевозить людей?

ПРИМЕЧАНИЯ:

(*) ДА, я знаю, что «официальное» определение планеты исключает его, для меня это планета, я со многими в команде New Horizons занимаюсь этим, и если это означает, что нам нужно признать больше в "клуб" вроде Цереры, Эриды и т.д. для убедительности, тогда чем больше планет, тем веселее, ругайте меня сколько хотите :g:

(**) 1 мс, 1 000 000 с соответствует 11 дням и 49,6 килосекундам.

(XXX) Предполагается, что это будет 1 Мс каждый , для индивидуального разгона/торможения , для этой контрольной точки технологии, так что опять же, более расслабленно, вместо 0,5 Мс в более оптимальном сценарии.