Идеальные каюты экипажа центрифуги для межзвездного космического корабля?

Модульные конструкции немного легче строить, их гораздо легче расширять после сборки, их намного проще изолировать секции и они позволяют вам иметь шарнир на конце ступицы каждого рычага, так что направление и сила искусственной гравитации могут поддерживаться даже под тягой.

Смежные торы или цилиндрические формы будут иметь странные эффекты во время разгона и торможения, потому что направление силы тяжести не будет «вниз» с точки зрения содержимого. Это не проблема для космических станций, космических кораблей, движущихся по инерции, или даже космических кораблей, совершающих относительно короткие полеты с кратковременными включениями двигателей, но, учитывая, что космические корабли, вероятно, будут иметь чрезвычайно длительные фазы разгона и торможения (возможно, годы), вы захотите спроектировать ваши гравитационные колоды, чтобы справиться с этой ситуацией. На этом сайте есть связанный с этим вопрос, который может быть актуальным (предупреждение: он содержит длинный бессвязный ответ от меня): как быстро может быть ускорен корабль с вращающимися средами обитания?

Если ваш космический корабль движется достаточно быстро (под чем я подразумеваю «может добраться до другой звезды менее чем за 100 лет»), вам потребуется приличное количество передней защиты, чтобы защитить ваш корабль от столкновений с межзвездной пылью и уменьшить радиационную опасность приближающихся звезд. частиц. Экранирование - это мертвая масса, поэтому на самом деле вы хотите, чтобы его было как можно меньше. Поэтому вы концентрируете свое экранирование в передней части вашего корабля (или жилой части) и имеете длинную структуру позади него. Цилиндрическая форма с защитной крышкой дает у вас гораздо больше объема для данной экранирующей области, чем у тора. Недавно я нашел хорошую статью о сегментированном цилиндрическом дизайне звездолета и, похоже, потерял ее. Извините :-(

Наконец, учтите, что замороженный или вяленый мясной груз не будет зависеть от искусственной гравитации, и его будет легче упаковать и защитить.

В отсутствие сегментированного дизайна, которым я надеялся поделиться, рассмотрим вместо этого ISV Venture Star , космический корабль из «Аватара» .

Секция вращающейся гравитации, выделенная красным (модифицированное изображение, взятое из вопроса о вращающейся гравитации Галактики, ссылка на который приведена выше), в настоящее время сложена для режима тяги. Гравитационная секция крошечная, она остается полезной при большой тяге, почти вся полезная нагрузка находится в нераскрученных накопительных секциях. Большая часть остальной конструкции корабля также довольно высокого качества, за небольшим исключением переворота на полпути (что является самоубийством) и использования ракет для торможения вместо паруса. Кроме того, это отличная отправная точка для любого вопроса о дизайне звездолета.

Однако давайте кратко рассмотрим подход «непрерывной тяги» к созданию искусственной гравитации.

Вам понадобится около 11 лет, 285 дней (с точки зрения стороннего наблюдателя), чтобы долететь куда-то на 10 световых лет со скоростью 1 g и остановиться в пункте назначения. В точке поворота вы будете двигаться со скоростью около 0,987с, коэффициентом Лоренца ~6,16, и вы будете иметь кинетическую энергию около 4,6x10 17 ^{джоулей} на килограмм корабля . Для звездолета массой 100 000 тонн требуется средняя мощность двигателя около 2,5x10 ¹⁷ ватт на все время полета, что составляет около 1,14 по шкале Кардашева.

Каждый нуклон, с которым вы сталкиваетесь на такой скорости, имеет энергию около 6 ГэВ (сравните с ~2 ГэВ энергии, высвобождаемой при аннигиляции нуклона и антинуклона), и вам потребуется защита, эквивалентная нескольким десяткам метров воды на квадратный метр поперечного сечения корабля. раздел, чтобы сохранить все органические и электронные вещи в безопасности. Таким образом, для цилиндра радиусом 10 м потребуется не менее 6000 тонн фронтальной защиты от воды или льда (на самом деле вам понадобится больше, особенно если вам придется справляться с потерей массы в пути!), не считая массы, защищающей от галактических космических лучей и от любая система привода может быть использована.

Чем больше расстояние полета, тем хуже это будет, потому что пиковые скорости будут намного выше.

Ни то, ни другое, потому что вам совсем не нужна центробежная гравитация.

Есть две вещи, которые важны для межзвездных путешествий;
1) Идет очень быстро
2) Не бьет по предметам

Разобравшись с ними по порядку, вашему межзвездному кораблю потребуется двигатель постоянной тяги для путешествия. Почему? Поскольку вы путешествуете на очень большие расстояния, и если у вас есть «всегда включенный» двигатель, даже при низком ускорении вы все равно выиграете от увеличения скорости на межзвездных расстояниях по сравнению с обычной химической ракетой, которая дает вам очень хорошее ускорение за короткий период. Итак, вам нужен очень эффективный двигатель на ионной или плазменной тяге, способный развивать ускорение от 4 до 10 м/с ² в течение многих лет, а лучше десятилетий.

Почему именно этот диапазон? Ну, гравитация Земли ускоряет нас к ядру планеты со скоростью около 9,8 м/с ² , так что это означает, что указанный выше диапазон ускорения даст вам диапазон ускорения, который будет между 0,4 и 1 земной гравитацией, а это означает, что ваша команда не нужно вращение, чтобы было комфортно, корабль сделает это за них. На полпути вы просто поворачиваете корабль на 180 ^° и продолжаете движение — тогда ваш двигатель замедляет ваше движение, но для человека на корабле это будет ощущаться точно так же, и вам даже не придется переворачивать мебель. потолок.

Что касается того, чтобы не сталкиваться с чем-либо, любой разгонный двигатель, способный поддерживать такие уровни тяги в течение длительного периода времени, заставит вас двигаться очень быстро, особенно в середине пути. В зависимости от того, куда вы направляетесь, вы можете достичь некоторой доли скорости света, а это означает, что даже межзвездная пыль будет для вас проблемой. Как этого избежать? Ну, двумя способами; иметь перед собой большой щит из расходуемого материала, вроде ледяного щита, и не делать из себя крупную цель.

На самом деле, вы хотите иметь как можно более низкий передний профиль, чтобы вам не приходилось увеличивать размер вашего щита (и, следовательно, вашу массу) больше, чем это необходимо.

В конечном итоге это означает, что ваш межзвездный корабль будет больше похож на маяк, чем на колесо хомяка. Ваша команда будет испытывать то, что ощущается как гравитационная сила от постоянной тяги двигателя, и у вас не будет ничего, выступающего за борт корабля, если вы можете избежать этого.

Добавьте к этому тот факт, что наличие угловой скорости означает больше движущихся частей, больше обслуживания, больше того, что может пойти не так в вашем путешествии, и станет ясно, что установка вращающихся секций на вашем корабле - это только удочка для вашей спины. Это просто не то, как корабли будут выглядеть в будущем, независимо от того, насколько впечатляющим может быть концепт-арт.

Несколько парадоксально, я бы предположил, что проблема вовсе не в искусственной гравитации, а скорее в защите космического корабля и систем от воздействия высокоэнергетического излучения и столкновения с молекулами межзвездного газа и частицами пыли при движении на высоких долях c . .

Корабль должен быть защищен различными активными или пассивными системами, что, вероятно, приведет к созданию конструкции, напоминающей классический «рожок мороженого».

Космос не такой, как вы ожидаете

Это может работать в любом случае: защитная масса (вероятно, лед) будет упакована в «верхнюю часть» конуса, и корабль будет разгоняться широким концом вперед. Это будет иметь двойную цель: выдвинуть вперед как можно больше защитной массы и использовать эту массу в качестве формы «кубового щита», поэтому остальная часть конуса движется в гораздо более жестком вакууме, чем даже межзвездное пространство. Вращающийся тор или модули могут быть размещены внутри конуса, хотя из соображений размера они должны быть направлены вперед близко к защитной массе, чтобы кольцо было достаточно большим для достижения желаемой силы тяжести при низкой скорости вращения.

Если перевернуть расположение, то заостренный конец конуса будет обращен в направлении движения, а сам конус будет сделан из льда, камня или какого-либо искусственного композитного материала. В этом случае вращающаяся часть будет защищена массой конуса и может быть относительно больше, поскольку конус можно удлинить, чтобы он соответствовал необходимому диаметру. Это также позволило бы несколько упростить устройство для активной защиты, лазер можно установить вдоль оси конуса для ионизации вызывающих раздражение частиц, а магнитную или электростатическую «сетку» можно разместить вдоль внешней стороны конуса для отклонения частиц. . Преимущество этого заключается в том, что оборудование можно упаковать в конус, не мешая вращающейся секции жизнеобеспечения, которая по существу буксируется за конусом.

Учитывая тиранию Ракетного Уравнения («каждый грамм на счету»), любое устройство, вероятно, потребует какой-то лучевой энергетической системы для обеспечения энергии, внешней по отношению к реальному космическому кораблю. Космический корабль, направленный назад, может на самом деле напоминать сосновую шишку с сотнями отдельных панелей, которые улавливают поступающую энергию или действуют как радиаторные панели.

Космические путешествия тоже могут быть органическими

Поскольку, по моему мнению, простота должна быть ключом, в любом случае секция жизнеобеспечения должна представлять собой тор, прикрепленный к самой конструкции корабля (весь корабль вращается вокруг своей оси), чтобы исключить вращающиеся соединения и другие возможные точки отказа. . Переменная сила тяжести из-за ускорения может быть учтена в конструкции (если есть постоянное ускорение, «пол» может быть наклонен, чтобы отразить это), или экипаж просто использует поручни и другие средства передвижения, если периоды ускорения и замедления равны. короткий. В очень крайних случаях, таких как ускорение 1 g, вращение просто останавливается, а экипаж и оборудование ориентируются «вперед вверх», в то время как при отсутствии ускорения корабль вращается, а «внешний борт вниз».

Защита – это ключ. Даже если постулируется, что экипаж корабля будет находиться в свободном падении большую часть пути, экипаж и отсек жизнеобеспечения все равно должны быть защищены от воздействия высокоэнергетического излучения и ударов молекул газа и частиц пыли.

Как уже указывали другие, уравнение ракеты жестоко, и миссия будет диктовать конструкцию космического корабля. Даже высокоэффективные термоядерные двигатели или двигатели на антивеществе не работают достаточно хорошо, чтобы сделать межзвездные путешествия действительно удобными. Ваша единственная надежда состоит в том, чтобы обойти ракетное уравнение. Ваша главная надежда — это такие концепции, как Sail Beams , поскольку они возвращают топливо и выбрасываемую массу обратно в вашу домашнюю систему и подальше от космического корабля. Это означает, что ракетное уравнение больше не применимо к вам.

Beamriders нужны большие круглые магниты для создания магнитных полей, которые передают импульс от плазмы парусов к космическому кораблю. К этим мегаструктурам, возможно, километрового размера, вы хотели бы прикрепить свою инфраструктуру, оптимально распределенную по кольцам. Здесь есть несколько вариантов, ни один из которых не кажется лучшим. Вы можете построить вращающееся кольцо внутри или снаружи магнитного кольца и получить огромный радиус бесплатно. Огромный радиус значительно упрощает работу со спиновой гравитацией. Пассажирский лайнер лучше всего подходит для такой установки. Вы также можете использовать несколько небольших центрифуг, либо колец, либо модулей под углом 90 градусов к основному кольцу. Это, вероятно, лучше для грузовых перевозчиков и имеет приятный побочный эффект: вы можете наблюдать, как релятивистские ракеты-убийцы, которые вы используете для движения, пролетают через судно в нескольких сотнях метров от вас, если корабль замедляется. Если вы в это.

Сравнивая два подхода, я бы сказал, что вращающееся кольцо, вероятно, имеет несколько преимуществ перед распределенными модулями. Во-первых, их размер сделает работу с ними медленнее, а их размер снижает влияние приливных и кориолисовых сил. Кроме того, большое кольцо облегчает совмещение ускорения с гравитационным вращением. Укладка пола, возможно, регулируемая, поможет. Меньшие места обитания будут постоянно испытывать некоторые изменения силы и угла гравитации. Это не здорово, но, вероятно, к этому можно было бы привыкнуть.

Еще один вариант, который следует рассмотреть, — это использование очень маленьких спальных и рабочих мест, в которых есть гравитация. Центрифуги должны быть большими из-за приливных сил и сил Кориолиса, но и то, и другое гораздо менее серьезно, если не двигаться. Эти центрифуги могут иметь диаметр значительно меньше 10 метров. Там ты спишь и работаешь за столом. И ты не двигаешься.

В качестве примечания: вы встретите людей, которые будут утверждать, что людям нужна ровно одна G, 10 м/с^2, чтобы нормально летать на космическом корабле. У этого утверждения нет научной основы. Мы знаем только, что 0G — это плохо для нас, а 1G можно выжить. У нас нет данных о гравитации между ними. Многие эффекты 0G связаны с полным отсутствием гравитации. Может быть, даже 0,1 г совершенно здоровы, если человек достаточно тренируется. Возможно, мы действительно не сможем выжить вне среды 1G. Мы просто еще не знаем. Но для вашей истории предположение, что низкой G достаточно, облегчит проектирование космического корабля.