Космические путешествия с постоянным ускорением - Space travel using constant acceleration

Постоянное ускорение является предлагаемым аспектом большинства будущих форм космическое путешествие. Это означает, что двигательная установка любого типа работает непрерывно с устойчивым ускорение, а не кратковременные импульсные толчки, используемые химическими ракетами - в течение первой половины путешествия он постоянно толкает космический корабль к месту назначения, а в течение второй половины путешествия он постоянно использует обратную тягу, так что космический корабль прибывает в пункт назначения в застой.^[1]

Приводы с постоянным ускорением

Постоянное ускорение примечательно по нескольким причинам:

• Это быстрый способ путешествия. Если рассматривать эргономику, они являются самой быстрой формой межпланетного и межзвездное путешествие.
• Постоянное ускорение создает свое искусственная гравитация в интересах пассажиров, которые, таким образом, могут быть избавлены от последствий микрогравитация.

Однако постоянное ускорение - это неэффективное использование топлива и энергии, и оно не используется в существующих космических системах.^{[нужна цитата ]}

Постоянная тяга против постоянного ускорения

Траектории с постоянной тягой и постоянным ускорением включают в себя запуск двигателя космического корабля в режиме длительного постоянного горения. В предельном случае, когда ускорение транспортного средства велико по сравнению с местным ускорением свободного падения, орбита приближается к прямой. Космический корабль направлен прямо на цель (с учетом движения цели) и продолжает постоянно ускоряться под действием большой тяги, пока не достигнет своей цели. Если требуется, чтобы космический корабль встретился с целью, а не выполнял облет, то космический корабль должен изменить свою ориентацию на полпути полета и замедлить оставшуюся часть пути.

На траектории постоянной тяги^[2] ускорение транспортного средства увеличивается в течение периода тяги, поскольку расход топлива означает, что масса транспортного средства уменьшается. Если вместо постоянной тяги автомобиль имеет постоянное ускорение, тяга двигателя должна уменьшаться во время движения по траектории.

Межзвездные путешествия

На этом графике показан корабль, способный 1-грамм (10 м / с² или около 1,0 лет / год²) "чувствовал" или собственное ускорение^[3] можно далеко уйти, если не считать проблемы разгона бортового пороха.

Над межзвездный расстояния, на которые космический корабль, использующий значительное постоянное ускорение, приблизятся к скорости света, поэтому специальная теория относительности эффекты как замедление времени (разница во времени между корабельным и планетарным временем) становится важной.^[4]

Выражения для пройденного расстояния и прошедшего времени

Основная статья: Гиперболическое движение (относительность)

Как далеко человек путешествует, испытывая постоянное ускорение, с точки зрения Земли, как функция времени путешественника, выражается координатное расстояние Икс как функция подходящее время τ при постоянном правильное ускорение а. Выдается:^[5]

${\displaystyle x(\tau )={\frac {c^{2}}{a}}\left(\cosh {\frac {a\ \tau }{c}}-1\right),}$

куда c это скорость света.

При тех же обстоятельствах на Земле прошло время ( координировать время ) как функция времени путешественника определяется выражением:

${\displaystyle t(\tau )={\frac {c}{a}}\sinh {\frac {a\ \tau }{c}}.}$

Осуществимость

Основным ограничивающим фактором для приводов с постоянным ускорением является наличие достаточного количества топлива. Постоянное ускорение не будет возможным, если не будет удельного импульса для топлива ( эффективность топлива ) становится намного выше.

Есть две широкие категории способов решения этой проблемы: первая - это топливо с более высокой эффективностью (подход на теплоходе), а другая - получение энергии тяги из окружающей среды, когда корабль проходит через нее (подход парусного корабля). Две возможности для подхода к теплоходу - это ядерное топливо и топливо на основе антивещества. Одна из возможностей подхода с парусным судном - это открытие чего-то эквивалентного параллелограмм силы между ветром и водой, что позволяет парусам управлять парусным кораблем.

Подбирая топливо по пути - ПВРД приближение - потеряет эффективность по мере увеличения скорости космического корабля относительно планетарного отсчета. Это происходит потому, что топливо должно быть разогнано до скорости космического корабля, прежде чем его энергия будет извлечена, а это резко снизит эффективность использования топлива.

Связанная проблема - перетаскивание. Если космический корабль, близкий к скорости света, взаимодействует с веществом или энергией, которые медленно движутся в планетарной системе отсчета - солнечным ветром, магнитными полями, космическим микроволновым фоновым излучением, - это вызовет сопротивление, которое снизит часть ускорения двигателя.

Вторая большая проблема, с которой сталкиваются корабли, использующие постоянное ускорение для межзвездных путешествий, - это столкновения с веществом и радиацией в пути. На полпути любой объект, в который попадает корабль, будет падать со скоростью, близкой к скорости света, поэтому удар будет драматичным.

Межзвездные скорости передвижения

Если космический корабль использует постоянное ускорение на межзвездных расстояниях, он будет приближаться к скорости света в средней части своего путешествия, если смотреть с планеты. точка зрения. Это означает, что станут важными интересные эффекты теории относительности. Самый важный эффект заключается в том, что время будет течь с разной скоростью в кадре корабля и планетарном кадре, а это означает, что скорость корабля и время в пути будут разными в двух кадрах.

Планетарная система отсчета

С планетарной системы координат скорость корабля будет казаться ограниченной скоростью света - он может приближаться к скорости света, но никогда не достичь ее. Если корабль использует 1 грамм При постоянном ускорении он будет приближаться к скорости света примерно через год и прошел расстояние примерно в пол светового года. В середине путешествия скорость корабля будет примерно равна скорости света, а к концу путешествия он снова снизится до нуля.

Как показывает практика, для постоянного ускорения на 1 грамм (Земная гравитация ), время в пути; как измерено на земной шар, будет расстояние в световых годах до пункта назначения плюс 1 год. Это эмпирическое правило даст ответы, которые будут немного короче, чем точно рассчитанный ответ, но достаточно точными.

Система отсчета корабля

График параметров скорости и времени по горизонтальной оси в зависимости от положения по вертикальной оси для ускоренного двойного туда и обратно к месту назначения с Δx_AB= 10c²/ α ~ 10 световых лет, если α ~ 9,8 м / с².

С точки зрения тех, кто находится на корабле, ускорение не изменится во время путешествия. Вместо этого планетарная система координат будет выглядеть все более и более релятивистской. Это означает, что для путешественников на корабле путешествие будет намного короче, чем то, что видят планетарные наблюдатели.

При постоянном ускорении 1 граммракета может пройти диаметр нашей галактики примерно за 12 лет по корабельному времени и примерно за 113000 лет по планетному времени. Если последняя половина поездки предполагает торможение на 1 грамм, поездка займет около 24 лет. Если путешествие будет просто к ближайшей звезде, с замедлением на последней половине пути, это займет 3,6 года.^[6]

В художественной литературе

Тау Зеро, а научная фантастика роман Пол Андерсон, имеет космический корабль, использующий двигатель постоянного ускорения.

Космический корабль Джордж О. Смит с Венера равносторонняя все истории - это корабли с постоянным ускорением. Нормальное ускорение 1 грамм, но в «Внешнем треугольнике» упоминается, что ускорения до 5 грамм возможны, если экипаж введен в действие граванолом, чтобы противодействовать эффектам грамм-нагрузка.

Космический корабль в Джо Холдеман роман Вечная война широко использовать постоянное ускорение; им требуется тщательно продуманное защитное оборудование, чтобы их пассажиры оставались живы при высоком ускорении (до 25 грамм) и ускоряться на 1 грамм даже в состоянии покоя, чтобы обеспечить людям комфортный уровень гравитации.

В "Известное пространство "Вселенная, созданная Ларри Нивен, Земля использует двигатели постоянного ускорения в виде ПВРД Bussard чтобы помочь колонизировать ближайший планетные системы. В неизвестном космическом романе Мир вне времени, Джером Бранч Корбелл (для себя) "берет" ПВРД к Галактический Центр и назад на 150 лет корабли время (большая часть его в холодном сне), но на Земле проходит 3 миллиона лет.

В "Воробей ", к Мэри Дориа Рассел межзвездное путешествие достигается за счет преобразования небольшого астероида в космический корабль с постоянным ускорением. Сила применяется ионными двигателями, питаемыми материалом, добытым с самого астероида.

в Revelation Space серия по Аластер Рейнольдс, межзвездная торговля зависит от звездолетов-грабителей, которые могут бесконечно ускоряться на 1 грамм. Эффекты релятивистских путешествий - важный сюжетный момент в нескольких историях, рассказывающих, например, о психологии и политике «ультранаутов» экипажей светоголовников.

В романе "2061: Третья Одиссея " к Артур Кларк, космический корабль Вселенная, используя катализируемый мюонами термоядерная ракета, способна к постоянному ускорению при 0,2 грамм под полной тягой. Роман Кларка "Имперская Земля "имеет" асимптотический привод ", который использует микроскопическую черную дыру и водородное топливо для достижения аналогичного ускорения при движении от Титан на Землю.

Космические корабли UET и Скрытых миров F.M. Басби с Рисса Кергелен сага использует привод постоянного ускорения, который может ускоряться на 1 грамм или даже немного больше.

Корабли в Простор серия по Джеймс С. А. Кори использовать приводы с постоянным ускорением, которые также создают искусственную гравитацию для пассажиров.

В "Марсианин ", к Энди Вейр, космический корабль Гермес использует постоянную тягу ВАСИМИР ездить для перевозки космонавтов между земной шар и Марс.

Рекомендации

1. См. Williamhaloupek.hubpages.com/hub/Calculations-for-science-fiction-writers-Space-travel-with-constant-acceleration-nonrelativistic для некоторых примеров вычислений.
2. W. E. Moeckel, Траектории с постоянной тангенциальной силой в центральных гравитационных полях., Технический отчет R-63, NASA Lewis Research Center, 1960 (по состоянию на 26 марта 2014 г.) Эта статья включает текст из этого источника, который находится в всеобщее достояние.
3. Эдвин Ф. Тейлор и Джон Арчибальд Уиллер (1966 - только первое издание) Физика пространства-времени (W.H. Freeman, Сан-Франциско) ISBN  0-7167-0336-X, Глава 1, Упражнение 51, стр. 97–98: «Парадокс часов III» (pdf ).
4. К. Лагут и Э. Даву (1995) Межзвездный путешественник, Являюсь. J. Phys. 63:221–227
5. Кокс, Дон (2006). Исследования в области математической физики: концепции, лежащие в основе элегантного языка (иллюстрированный ред.). Springer Science + Business Media. п. 242. ISBN  978-0-387-32793-8. Выдержка страницы 242 (где грамм=а, c= 1 и x₀= х (0))
6. Баэз, УЦР, "Релятивистская ракета"