Космические путешествия: есть ли ограничение скорости ниже скорости света?

Это не совсем так, как вы выразились, скорость выхлопа не является максимальной скоростью для космического корабля . В то время как скорость выхлопа определяет тягу вместе со скоростью выбрасываемой массы и определяется как:

где тяга$T$это сила реакции, которая является произведением скорости истечения$v$и массовое изменение$\Delta m$во время$\Delta t$, вы пренебрегаете инерцией . В некотором смысле, если вы вкладываете часть топлива для достижения некоторой тяги, и вы продолжаете свой путь с заданной скоростью, оставшееся топливо ракеты теперь несет ту же силу импульса ракеты . Это чаще называют сохранением импульса .

Таким образом, хотя скорость выхлопа обычно не меняется (при условии одинаковых характеристик двигателей и топлива) и напрямую связана с характеристиками ракеты (что мы обычно называем удельным импульсом ), вся оставшаяся масса ракеты, включая оставшееся топливо, теперь нести эту же скорость. Поскольку тяга определяется скоростью выхлопа по отношению к самой ракете, вы будете постоянно добавлять собственную скорость ракеты к новой тяге во времени, чтобы потенциально выйти за пределы скорости выхлопа. Имеет ли это смысл?

Если вы хотите узнать больше о том, как рассчитать максимально достижимую скорость (в основном называемую$\Delta v$, delta-v или изменение скорости), я бы посоветовал прочитать статью в Википедии об уравнении ракеты Циолковского или другие подобные вопросы на нашем сайте.

Например, если принять соотношение сырой и сухой масс 10:1 (полезная нагрузка и ракета вместе весят 1/10 веса топлива), ракета достигнет$\ln(10) \approx 2.3 \cdot v_e$, или дельта-v примерно в 2,3 раза больше скорости истечения топлива. Для более практического примера скажем, что общая масса нашей ракеты (влажная масса; топливо + сухая масса ракеты) составляет 100 метрических тонн, а сухая масса ракеты (когда она израсходовала все свое топливо) составляет 10 метрических тонн. Предполагая удельный импульс$I_{sp}$460 секунд (скорость истечения ~ 4511 м/с, или$I_{sp}$в секундах умножить на$g \approx 9.80665\ m/s^2$), что достижимо с LOX / LH (жидкий кислород / жидкий водород) криогенными двигателями топлива, такими как главные двигатели космического корабля "Шаттл " в вакууме, общая дельта-v с использованием уравнения Циолковского для ракет, приведенного выше, составляет 10 387 м / с. Итак, снова эти ~ 2,3-кратные скорости выхлопа, т.е. натуральный логарифм $\ln(x)$, куда$x$является$\frac {m_0} {m_1}$, или наше отношение массы мокрого к сухому . Если вы хотите поиграть с другими параметрами, вы можете использовать этот калькулятор Delta-V для удобства.

Между прочим, то, что вы сказали в вопросах, было бы верно для некоторых других методов движения, когда источник вашей тяги стационарен до точки, с которой вы определяете свою скорость, таких как, скажем, солнечные паруса или некоторые формы луча . силовая установка .

Что касается ограничений , то у традиционных методов ракетного движения есть свой собственный предел, который часто называют тиранией ракетного уравнения , поскольку, упрощая, ваша общая дельта-v зависит от того, сколько топлива вы носите, но чем больше вы носите топлива, тем больше вы становитесь тяжелее, и становится дороже разгонять их до любой скорости (не путать со скоростью выхлопа , она остается прежней).

TildalWave дал правильный и подробный ответ. Однако для очень простого доказательства:

Даже водородно-кислородные двигатели (самое мощное топливо, которое фактически использовалось) имеют скорость истечения намного ниже орбитальной скорости.

На самом деле ваше право на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Поэтому, когда нет гравитации, максимальная скорость будет равна ей. Но нет фиксированного предела меньше скорости света. Только скорость света постоянна и нерушима. согласно теории относительности, и это потому, что время замедляется, чтобы сохранить это постоянное значение.