Ускорение в космосе

Лучший способ сохранить массу — использовать внешнюю энергию для ускорения корабля.

Роберт Л. Форвард разработал многоступенчатый световой парус, который позволял кораблям разгоняться, а затем, отсоединяя части паруса и используя их для отражения лазерной энергии обратно на звездолет, замедляться у целевой звезды. Недостатком является то, что световые паруса с лазерным приводом все еще довольно массивны, а количество лазерной энергии, необходимой для управления звездолетом, измеряется в Терраваттах . Создание одной только лазерной установки — это огромная работа (обычно описывается как создание кольца спутников солнечной энергии и лазеров на полярной орбите вокруг Меркурия), гигантских фокусирующих линз диаметром более тысячи километров во внешней части Солнечной системы, а затем сам звездолет.

Поскольку корабль поколений обязательно должен быть больше, чем исследовательский космический корабль, подобный тому, который предлагал Фроуард, вам нужно будет значительно увеличить масштабы. (На самом деле, если вы можете разогнать корабль до скоростей, рассматриваемых Форвардом, то это не настоящий корабль поколений, но, поскольку на строительство колоний в новой звездной системе могут уйти столетия, конструкция размером с корабль поколений, вероятно, необходима в качестве базы для жизни и работы, пока не будет создано новое пространство для колонии NextBigFuture опубликовал интересное предположение о « Звезде Табби », в котором предполагалось, что орбитальное зеркало размером с орбиту Луны вокруг Земли может привести в действие гигантские световые паруса.

Если световой парус вам не по душе, то, возможно, для ускорения звездолета можно использовать гигантский двигатель массы. Замедление может быть выполнено различными способами, включая ракету, парус или развертывание светового паруса для использования энергии целевой звезды. Снова. речь идет о чудовищном устройстве. Маршал Сэвидж концептуализировал нечто подобное в своей книге « Проект Тысячелетия », описывая систему, протянувшуюся через Солнечную систему . Одной из причин сделать его таким большим является ограничение ускорения до разумного предела (3 g — это лучшее, что может выдержать незащищенный человек, обученные пилоты в костюмах G могут выдержать до 9 g, для устойчивого ускорения сверх этого предела людям, возможно, придется погружены в жидкость и имеют все внутренние пространства, заполненные оксигенированными фторуглеродами).

Опять же, использование высоких начальных ускорений позволяет кораблю преодолевать межзвездное расстояние за десятилетия, а не за столетия, поэтому преимущество большого корабля в качестве укрытия и рабочего места по прибытии; поколениям колонистов, возможно, придется оставаться на борту корабля, пока планета-колония не будет терраформирована.

• Световые паруса , возможно, приводимые в действие лазерной системой запуска.
• Варианты вроде магнитного паруса .
• Бюссар Рэмджетс .
• Примите тот факт, что вам потребуется топливо или реактивная масса для ускорения/замедления, и спланируйте это. Возьмите очень эффективное топливо, такое как антивещество, и/или примите долгий полет.

Что бы вы ни делали, научное решение будет иметь мизерную полезную нагрузку и астрономическую цену.

Ракета ускоряется в космосе. Импульс горячего газа сзади = импульс движения вперед. Измените скорость горения, и вы измените импульс (т. е. ускоритесь). Кроме того, масса ракеты изменяется по мере сжигания топлива, поэтому при постоянной скорости горения ракета естественным образом ускоряется.

Импульс замкнутой системы всегда сохраняется, если нет внешней силы.

Рассмотрим массу ракеты вместе с топливом при$t_0$быть$M_0\,.$Пусть газ выбрасывается в$\dot m\,.$Следовательно, масса ракеты вместе с остатком топлива после бесконечно малого приращения$\mathrm dt$дается как

$$M(t_0+ \mathrm dt) = M_0 - \dot m~\mathrm dt\,.$$

Линейный импульс во времени$t$является$(M_0-\dot m~\mathrm(t-t_0) )\mathbf v\,.$

Применяя закон сохранения импульса, получаем

$$\begin{align}(M-\dot m~\mathrm dt)\mathbf v_\textrm{rocket w.r.t. ground} + (\dot m~\mathrm dt)\mathbf v_\textrm{gas w.r.t. ground} &= \mathbf 0\\ \implies(M-\mathrm dM)(\mathbf v+ \mathrm d\mathbf v) + \mathrm dM(\mathbf v+ \mathrm d\mathbf v-\mathrm v_\textrm{gas w.r.t. rocket}) & = \mathbf 0\\ \implies \mathrm d\mathbf v &= \frac{\mathrm dM~\mathbf u}{M-\mathrm dM}\\ \implies \dot{\mathbf v } &= \frac{\dot m\mathbf u}{M_0-\dot m t} \,,\end{align}$$ куда $\mathbf u$– скорость газа относительно ракеты; при выводе пренебрегли произведением бесконечно малых величин.

Вы можете ускориться перед межзвездной частью миссии. Это можно сделать с помощью ракет-носителей, как во многих реальных миссиях, или с помощью космического буксира (который на самом деле является просто разновидностью ракеты-носителя). Вы также можете проявить фантазию и использовать какую-то рельсотронную установку с магнитами, лазерами или чем-то еще, установленным на орбитальных станциях в Солнечной системе отправления, и каждая станция добавляет кораблю немного больше импульса.

Какой бы метод вы ни использовали, корабль будет просто дрейфовать в космосе, пока не достигнет пункта назначения. Если это первый прибывший корабль, ему, вероятно , придется использовать одну или несколько ракет, чтобы выйти на планетарную орбиту и, в конце концов, приземлиться ^. В противном случае вам не нужно будет использовать какую-либо большую тягу на пути, хотя, как указывает Михаэль Кьёрлинг, вам, вероятно, понадобится некоторая тяга, чтобы скорректировать курс по пути ² . Если это не первый прибывший корабль, предыдущие корабли могут иметь такие же причудливые настройки для замедления корабля, но для их постройки потребуется много ресурсов, и они, вероятно, не будут существовать до тех пор, пока не прибудет и не обустроится множество кораблей. новая звездная система.

Тем не менее, ваш корабль не может иметь полностью закрытую установку. Электромагнитная энергия будет просачиваться в космос, плюс энтропия говорит, что каждый раз, когда ваш жизненный цикл зацикливается, у вас не так много дополнительной энергии. Так что вам нужен источник энергии, который будет согревать корабль, питать растения и т. д. на время вашего путешествия, хотя приличной партии ядерного топлива должно хватить в зависимости от размера корабля и экипажа.

Другое соображение заключается в том, что вы доберетесь туда быстрее, если продолжите ускоряться до середины пути. Это означает, что вам нужно гораздо больше топлива для ускорения, затем еще больше топлива для замедления, и еще больше топлива, чтобы получить все это топливо из Солнечной системы, и еще больше топлива, чтобы убрать все это с поверхности исходной планеты. Это будет намного дороже, но меньшее время в пути означает меньше возможностей для отказа и меньшее количество поколений, живущих на корабле.

_{¹ Я думаю, что технически вы могли бы использовать гигантский световой парус для воздушного торможения, как только вы доберетесь до другого конца, но я чувствую, что там недостаточно ускорения, чтобы замедлить вас с очень высоких скоростей, на которых вы хотели бы пересечь межзвездное пространство. Однако в статье в Википедии упоминается гипотетический способ довести космический корабль до внутреннего облака Оорта (около 0,8 световых лет от Земли) за 30 лет, поэтому аналогичная технология может быть использована для достижения Проксимы Центавра (около 4,2 световых лет от Земли) в разумные сроки. без использования ракет.}

_{² Незначительные ошибки в скорости в начале путешествия могут привести к тому, что вы полностью пропустите другую звездную систему, если не принять во внимание. Как видно из ответа Брендана на другой вопрос , даже полеты на Луну сделали пару небольших корректировок курса по пути, и это примерно в 100 миллионов раз ближе, чем ближайшая звездная система.}