Как маяки будут работать в космосе?
В моем мире космические корабли управляются плавающими в космосе маяками, а не электронными навигационными системами. Маяк в космосе имеет форму огромной сферы, излучающей интенсивный красный свет. Как и обычный маяк, космический маяк отмечает опасные объекты, такие как: черные дыры, сверхновые звезды… Они также отмечают космические станции, стыковочные отсеки, заправочные станции и другие объекты.
Мои вопросы:
Жизнеспособна ли эта система?
Возможно ли это с научной точки зрения?
Какой площади должна быть сфера (маяк), чтобы излучать достаточно красного света?
1 - Жизнеспособна ли эта система?
Это потрясающе неэффективно.
2 - Возможно ли это с научной точки зрения?
Да, вопрос в том, сможете ли вы получить достаточную мощность, чтобы оно того стоило.
3 - Какой площади должна быть сфера (маяк), чтобы излучать достаточно красного света?
Это не поверхность, это сила . Поскольку вы всенаправленный, вам понадобится много . По сути, вам нужна звезда.
Проблема заключается в том, чтобы сделать эту штуку достаточно яркой, чтобы ее можно было заметить достаточно далеко, чтобы у быстро движущихся космических кораблей было время скорректировать курс с минимальной дельта-V . Я собираюсь использовать некоторые относительно небольшие числа для времени и скорости по научно-фантастическим стандартам, чтобы дать этому наилучший шанс работать, прежде чем пытаться масштабировать.
Космический корабль, движущийся со скоростью 1% скорости света, движется примерно 10 10 (10 миллиардов) м/ч. Если мы хотим дать этому кораблю предупреждение за час (вероятно, недостаточно времени, но мы начинаем с малого) , он должен увидеть маяк на расстоянии 10 миллиардов метров . Это может показаться далеким, но это всего лишь 1/5 расстояния от Земли до Марса в их ближайшей точке . Нет даже межпланетных весов.
Во-первых, использование видимого света означает, что вы конкурируете со всем остальным, что производит видимый свет: со звездами и всем, что отражает звездный свет. Это как включить фонарик в солнечный день, не видно .
Всенаправленный маяк — это всего лишь радиопередатчик . Видимый свет — это перегруженная часть спектра, поэтому вы можете добиться большего, переключившись на менее распространенную частоту, вероятно, в окне микроволн . В любом случае, ни один человек не будет смотреть на эту штуку, все будет сделано с помощью компьютеров, как радио. Так что выбирайте редкую частоту. Однако чем выше частота, тем больше энергии требуется, поэтому выберите что-нибудь низкое. Передача в малонаселенной низкочастотной части спектра значительно уменьшит требуемую энергию . Пульсирование в узнаваемой последовательности поможет выделить его из фонового шума.
Но вот проблема: поскольку это всенаправленный маяк, вы можете представить, что его энергия устремляется наружу в расширяющейся сфере. Площадь поверхности сферы увеличивается пропорционально квадрату ее радиуса, рассеивая энергию все тоньше и тоньше. Двойное расстояние от маяка, четверть энергии . Если на 1 м 1000 лк , то на 2 м будет всего 250. На 4 м — 62,5 лк. На 10 м это всего 10 люкс.
Сфера радиусом 10 миллиардов метров имеет площадь поверхности 10 20 м , что в 2 раза больше, чем сфера радиусом 1 метр. Источник света, который вы можете заметить с расстояния 1 метр, должен быть в 10 20 раз ярче, чтобы его можно было увидеть с расстояния 10 миллиардов метров . И в этом заключается проблема: мощность. Это большая сила. И это для относительно медленного космического корабля с относительно коротким предупреждением. В какой-то момент вы могли бы просто создать маленькую звезду.
Говоря более конкретно, чтобы ваш маяк был таким же ярким, как Сириус, он должен быть таким же ярким, как электрическая лампочка размером 1,6x10 4 м . Лампочка излучает около 10 3 или 1000 люмен . Чтобы быть таким же ярким на расстоянии 10 миллиардов метров и в 6,25x10 5 раз дальше, вам нужно увеличить его на квадрат расстояния: 3,9x10 11 или в 400 миллиардов раз ярче лампочки: 6,25x10 15 люмен. Это на шесть порядков больше, чем у самого большого прожектора в мире , но все же на девять порядков меньше, чем у самого маленького красного карлика.
Это нижняя граница, которую может увидеть на расстоянии 1 час корабль, движущийся со скоростью 1% скорости света. Мы даже не в межпланетных масштабах, не говоря уже о межзвездных. Удвойте скорость или время реакции, увеличьте требуемую яркость в четыре раза .
Если у вас нет силы звезды, всенаправленная передача не работает в межзвездных или даже межпланетных масштабах. Вам нужно что-то направленное. Проблема для направленного маяка состоит в том, чтобы решить, куда его направить.
Вроде, как бы, что-то вроде.
Да
Это будет зависеть от того, насколько ярким является свет, общее излучение равно площади поверхности * яркости, поэтому, чтобы сделать его более заметным, вы можете увеличить его.
Это, безусловно, помогло бы лучше видеть вещи, но дело в том, что пространство действительно большое и пустое. Там не так много, чтобы столкнуться, и, как правило, достаточно легко избежать вещей, которые там есть (или вам все равно нужно идти к ним).
Навигация в космосе не может осуществляться на глаз, так как вы имеете дело с орбитальной динамикой, переходными орбитами и всевозможными другими очень сложными математическими расчетами. Большую часть времени в космосе с современными технологиями или технологиями ближайшего будущего вы даже не используете свои двигатели. Вы просто используете их время от времени для ускорения/коррекции курса/торможения, а остальное время проводите накатом.
Сверхновая будет гораздо заметнее, чем ваша парящая красная сфера. Даже черная дыра окружена аккреционным диском и большую часть времени хорошо видна. Если бы у вас была изолированная черная дыра или нейтронная звезда, вы, возможно, могли бы привести доводы в пользу какого-то предупредительного маяка, но это все равно не имеет особого смысла, поскольку вам нужно будет учитывать гравитацию нейтронной звезды/черной звезды. дыру при навигации, и если бы вы не знали об этом, вы бы обнаружили ее по изменениям вашего курса, которые она произвела задолго до того, как столкновение стало опасным.
1 - Жизнеспособна ли эта система?
Я думаю, что доллар останавливается здесь, на самом деле. Нет, это нежизнеспособно.
То, что вы предлагаете, возможно, «возможно» в каком-то ограниченном смысле (но, как уже указывалось другими, вы столкнулись с очень жесткой конкуренцией с точки зрения источников света). Однако это не жизнеспособно.
Это не из-за количества света, которое вам нужно потушить. Добавьте к этому достаточное количество handwavium, и вы сможете объяснить это или просто скрыть (каламбур только наполовину) всю проблему.
Причина в прописанной орбитальной механике в сочетании с конечной скоростью как света, так и космического путешествия.
Если мы предположим космические путешествия с помощью ньютоновской или релятивистской механики в том виде, в каком она понимается в настоящее время (что было бы подразумеваемым требованием, поскольку вы просите ответы, основанные на известной науке), то мы ограничены законами орбитальной механики. По сути, космический корабль держит курс на все время полета, кроме крошечной части. Практические космические корабли имеют очень ограниченный бюджет дельта-v (способность изменять свою скорость и вектор) из -за тирании уравнения ракеты . Чтобы уменьшить дельта-v, требуемую для определенного изменения положения через некоторое время, вам необходимо увеличить время между маневром и временем, когда изменение положения должно быть завершено.Чем раньше вы сможете выполнить маневр, тем меньше топлива потребуется для получения желаемого результата. Сравните тот факт, что для того, чтобы приземлиться с орбитальной скоростью порядка 7-8 км/с, космическому челноку нужно было только уменьшить свою скорость примерно на 100 м/с под действием силы , прежде чем гравитация и сопротивление сделают все остальное.
Объекты в космосе обычно отказываются оставаться на месте. Если вы выведете свой причудливый космический корабль на низкую околоземную орбиту, припаркуетесь и заблокируете двери , когда отправляетесь в открытый космос, чтобы пообедать , и будете искать космический корабль примерно через 45 минут, вы найдете его на другом конце света . (К счастью, вы также будете на другом конце света, что несколько снижает практическое значение этого.) Геосинхронные орбиты не помогают, потому что вы все еще движетесь с орбитальными скоростями; у вас просто есть орбитальная скорость, которая соответствует угловой скорости вращения планеты под вами (точка прямо к вашему надиру). Точки Лагранжа тоже не помогают, потому что при перемещении соответствующих объектов эти точки также перемещаются, что означает, что вы (в данном случае источник света) двигаетесь вместе с ними.
Допустим, вы можете каким-то образом спроектировать источник света, достаточно яркий, чтобы его можно было разглядеть на расстоянии между Землей и Плутоном, когда они находятся в оппозиции (наиболее удаленные друг от друга точки), и мы поместим его примерно там, где Плутон находится в нашем вселенная. Орбита Плутона простирается примерно на 49 а.е. от Солнца, а Земля вращается на расстоянии около 1 а.е. от Солнца. Итак, нам нужно что-то видимое на расстоянии 50 а.е. (Орбита Плутона находится в другой плоскости, чем остальная часть Солнечной системы, но, например, это работает в любом случае.) 50 а. опасных объектов, которые вы упомянули в своем вопросе, но это прекрасно работает, когда вы приближаетесь к солнечной системе.
Теперь предположим, что ваши корабли движутся со скоростью 1% скорости света, или 3000 км/с, относительно источника света. (Это намного, намного быстрее, чем все, что мы можем сделать с помощью химических ракет, но это все еще находится в пределах возможного с наукой и технологиями, какими мы их знаем.) 50 а. около 2,5 миллионов секунд в пути. (Проверка правдоподобия на обратной стороне конверта: скорость света запаздывает во времени от Солнца до Плутона, порядка 7 часов. Скорость движения, 1/100 скорости света. Ожидаемое время в пути, 700 часов. 700 часы составляют 2,52 миллиона секунд. Проверьте.)
Орбитальная скорость Плутона составляет в среднем около 4,67 км/с. За те 2,5 миллиона секунд, которые нужны свету, чтобы достичь нашего бесстрашного космического корабля на расстоянии 50 астрономических единиц, Плутон (или наш источник света) проходит почти 11,7 миллиона километров по своей орбите. Это еще до того, как экипаж космического корабля увидит свет.
Космические аппараты обычно перемещаются по эллиптическим переходным орбитам , выбранным для доставки в определенную точку пространства в определенное время (обычно в то время, когда интересующий объект собирается на своей орбите пересечь эту точку или точку рядом с ней) в пределах некоторых заданных ограничений (время, дельта-v, масса полезной нагрузки, ...). Всякий раз, когда космический корабль направляется куда-либо, он делает это, занимая переходную орбиту (очень часто переходную орбиту Хомана , которая во многих случаях представляет собой самый низкоэнергетический известный нам способ добраться из точки А в точку В в космосе; другой Альтернативой, которую иногда рассматривают, является биэллиптическая переходная орбита .). На переходных орбитах Хомана вы в основном обмениваете время на дельта-v; чем больше delta-v вы можете себе позволить, тем более прямой маршрут вы можете выбрать и тем быстрее вы доберетесь до пункта назначения. Поскольку, как мы видели выше, мы хотим минимизировать расход дельта-v, чтобы уменьшить отношение масс нашего космического корабля, это означает, что нам нужно больше времени, чтобы добраться туда, куда мы направляемся, чем если бы мы ехали по прямой.
Таким образом, не только источник света уже переместился более чем на десять миллионов километров по своей орбите к тому времени, когда свет достигает космического корабля в 50 а. где сейчас находится источник света (или точка интереса) . (И это «сейчас», в какой системе отсчета? ) И к тому времени, когда вы туда доберетесь , где будет точка интереса ? Это вариация классического математического вопроса о многократном делении чего-либо пополам:
Это как раз тот тип проблем, с которыми люди плохо справляются, а компьютеры решают их превосходно.
Вот почему любой, кто хочет чего-то даже отдаленно похожего, скорее будет использовать радиомаяки и электронные компьютеры, чем навигацию по зрению и оценке.
Тип используемого вами источника света (или даже ЭМ) не влияет на это, потому что проблема связана не с типом ЭМ источника, а скорее с относительными скоростями вовлеченных объектов и орбитальной механикой.
Помимо всего прочего, упомянутого в других ответах, есть еще несколько важных вопросов:
Сверхновые звезды, черные дыры и тому подобное — у всех есть гравитация. Это переместит «маяк». На практике маяк, вероятно, должен был бы находиться на орбите — почти все, что меньше галактики, имеет тенденцию быть на орбите — Луна вращается вокруг Земли, Земля вращается вокруг Солнца, Солнце (и Солнечная система в целом) вращается вокруг Земли. центр нашей галактики (наша галактика Млечный Путь).
Маяки отлично работают в море, где ничего не торчит. Они хорошо работают на побережье — если вы едете со стороны суши, вам, вероятно, не нужен маяк, а маяки обычно находятся в самой высокой точке, чтобы сиять над всем, что может скрыть его.
В космосе верх одного человека — низ другого, и если вам не повезло подойти не с той стороны, маяк, который вы ищете, может быть позади объекта.
Это относится в первую очередь к черным дырам. Подобно миражам на Земле, свет от «маяка» (или, если уж на то пошло, радиосигналы) будет огибать достаточно тяжелый объект, заставляя его появляться не в том месте, искаженным или другим цветом и/или яркостью. См. " Гравитационное линзирование "
Если это для инопланетных (с нашей точки зрения) существ, то имейте в виду, что свет и радио — это одно и то же. Мы, люди, взяли небольшой кусочек радиоспектра и сказали: «Этот участок отличается от остального, потому что мы его видим». Инопланетяне могут сказать то же самое о других частотах. Или они могут ощущать окружающую среду совершенно по-другому. Точно так же, если бы ваше радио могло быть настроено с его обычных 91,5 МГц до примерно 480 миллионов МГц (480 террагерц), вы были бы настроены на красный свет. Змеи могут видеть инфракрасное излучение (при заданном значении «видеть» — они не ощущают его глазами, но оно проходит через «зрительные» области их мозга), которое кажется нам «черным».
Пункты 1 и 2 можно решить, поместив на орбиту несколько «маяков», подобных «созвездию» спутников GPS. Спутники GPS, например, находятся на 3 разных орбитах, все через полюса; 8 спутников на каждой орбите с интервалом 120 градусов, всего 24 спутника плюс несколько запасных; Я думаю, что 2 на орбиту с противоположных сторон объекта, всего 6, будет достаточно, если смотреть из космоса. Гипотетически вам может сойти с рук 2 на противоположных сторонах объекта, хотя даже небольшой невидимый объект может заслонить ваш маяк.
Как уже отмечали другие, сверхновая излучала бы намного больше света, чем любой маяк, построенный человеком. Это как иметь человека с фонариком, чтобы предупредить людей об извержении вулкана.
А вот как какой-то навигационный маркер вообще... может сработать. Моя непосредственная реакция состоит в том, что было бы более разумно передавать радиосигнал. Его гораздо легче отличить от фонового шума.
Возможно ли технически построить большой красный свет и вывести его на орбиту? Конечно, почему бы и нет? Безусловно, спутники построить можно: человечество уже построило их немало. И, конечно, можно построить большие фонари.
Насколько большим он должен быть? Зависит от того, сколько света вы хотите, чтобы он излучал, и как далеко вы хотите, чтобы он был виден. Я не думаю, что здесь есть какая-то формула. Кроме того, его видимость будет зависеть от того, сколько энергии излучается, что может зависеть от размера, но не определяется им. Лампы на 100 Вт и 40 Вт часто имеют одинаковый размер. Я думаю, что более важный вопрос заключается в том, сколько энергии для этого потребуется и откуда она возьмется?
lx = lm / 4*pi*r^2
. lx
желаемый люкс (освещенность на площадь), lm
люмены (общий излучаемый свет), r
расстояние от источника в метрах. Это яркость вашей вещи на площади поверхности сферы. Лампа мощностью 100 Вт излучает 1000 лм. Таким образом, на расстоянии 1 м выдает 80 люкс. На расстоянии 2 м это 20 люкс. При 4 это 5 люкс и так далее, уменьшаясь в геометрической прогрессии.Скорее всего, они будут излучать что-то более мощное, чем красный свет, но идея здравая. Роман Хью Хоуи « Маяк 23 » основан на этой идее. В этом романе он передает местоположение большого поля астероидов, поскольку сверхсветовое путешествие в этом мире похоже на «Звездные войны» (физические объекты могут влиять на движение из-за гравитационных полей).
Что касается площади поверхности, то ее достаточно во многом зависит от того, насколько далеко вы хотите, чтобы ее видели. Я определенно вижу, что вы хотите отметить что-то темное, например поле астероидов или черную дыру (испускающую что-то иное, чем излучение Хокинга), или более мелкие объекты, такие как вышеупомянутые стыковочные отсеки, хотя для них лучше подойдет что-то более похожее на Range Lights. Сверхновые звезды и подобные события уже довольно ярки из- за своего одиночества.
Вы изучали пульсары?
https://en.wikipedia.org/wiki/Пульсар
Были разговоры об их использовании в качестве галактических навигационных маяков.
Я не думаю, что это действительно сработает.
Однако мне нравится идея маяков в космосе. Это может привести к некоторым красивым визуальным эффектам. Это то, что, возможно, стоит сохранить, даже если идея использования их для навигации непрактична или бесполезна.
Вы предлагаете путешествовать быстрее света? Потому что космос действительно очень большой. Если нет возможности путешествовать быстрее скорости света, вам не нужно беспокоиться о том, что вы столкнетесь с черной дырой, потому что вам потребуются тысячи лет, чтобы добраться до нее. (и если вы путешествуете быстрее света, использование света для навигации не будет работать очень хорошо - также чем глубже вы копаетесь в сверхсветовой скорости, тем больше проблем вы обнаружите). Если вы позиционируете FTL, вы будете позиционировать, оставляя для этого нормальное пространство. Вы идете куда-то еще, проходите какое-то другое расстояние, а затем выскакиваете туда, куда направляетесь. Потребуется возможность почувствовать какой-нибудь навигационный маяк за пределами этих двух типов пространства. Ни это пространство, ни что-либо, что могло бы проникнуть в него, неизвестны. Так придумай это; - ) Если он имеет приятное розовое свечение в визуальном спектре? Бонус.
В обычном космосе никто не собирается тратить энергию, необходимую для создания видимого маяка в космосе. Это не сработает, это будет стоить слишком много энергии, и есть способы сделать это намного лучше.
Вы можете избежать столкновения с камнями, установив на свой корабль радар. И вещи, о которых вам действительно нужно беспокоиться, перемещаются так быстро, что визуальные подсказки бесполезны. Представьте, что камень летит быстрее пули. Он размером с мяч для гольфа и летит на вас сверху. Вы не увидите его вовремя, чтобы что-то с этим сделать. Хотя радар и компьютер будут.
Также не так много визуальных подсказок при навигации на космическом корабле. Учтите тот факт, что гравитационный колодец функционирует как крутой склон, который вы не можете видеть. Когда вы «паркуетесь на орбите», вы на самом деле просто делаете кучу математических вычислений о своей скорости, направлении и положении на крутом склоне. Ничего из этого не увидишь невооруженным глазом.
Что может быть интересным, так это дисплей на лобовом стекле, который ДЕЙСТВИТЕЛЬНО показывает орбитальную динамику и опасности визуально. Хорошо покажите гравитацию в виде освещенного склона, катящегося вниз к планете. Вы можете указать на мусор или навигационные опасности белым светом на лицевой маске или панели управления, когда они находятся слишком далеко, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Вы можете представлять размер и скорость с помощью визуальных подсказок. Человеческий разум очень хорошо настроен на это. Инструмент, который может представлять данные таким образом, может быть очень полезным. Это также упрощает управление и считывание.
Миндвин
Реактормонах
всз
пользователь8827
Стефан Бранчик
Даррел Хоффман
pjc50
Уилл Вусден
Старый кот
ВБТ
Тодд Уилкокс
СинийВолшебник
Пит Манчини
Лорд Даст