Cestování vesmírem pomocí konstantního zrychlení - Space travel using constant acceleration

Konstantní zrychlení je navrhovaným aspektem většiny budoucích forem cestování vesmírem . Znamená to, že pohonný systém bude fungovat nepřetržitě se stálým zrychlením , spíše než s krátkými impulzivními tahy používanými chemickými raketami - v první polovině cesty neustále tlačí kosmickou loď k cíli a v poslední polovině cesty neustále využívá zpětný tah, takže kosmická loď dorazí na místo v klidu.

Pohony s konstantní akcelerací

Konstantní zrychlení je pozoruhodné z několika důvodů:

• Je to rychlá forma cestování. Když se vezme v úvahu ergonomie, jsou nejrychlejší formou meziplanetárního a mezihvězdného cestování .
• Konstantní zrychlování vytváří vlastní umělou gravitaci ve prospěch cestujících, kteří tak mohou být ušetřeni toho, že se budou muset vypořádat s účinky mikrogravitace .

Konstantní tah versus konstantní zrychlení

Trajektory s konstantním tahem a konstantním zrychlením zahrnují kosmickou loď, která vypaluje svůj motor v prodlouženém neustálém hoření. V omezujícím případě, kdy je zrychlení vozidla ve srovnání s místním gravitačním zrychlením vysoké, se oběžná dráha přiblíží k přímce. Kosmická loď míří přímo k cíli (odpovídá pohybu cíle) a zůstává neustále zrychlována pod vysokým tahem, dokud nedosáhne svého cíle. Pokud je požadováno, aby se kosmická loď setkala s cílem, místo aby provedla průlet, musí kosmická loď v polovině cesty převrátit svou orientaci a zbytek cesty zpomalit.

V trajektorii s konstantním tahem se zrychlení vozidla během doby tlačení zvyšuje, protože spotřeba paliva znamená, že hmotnost vozidla klesá. Pokud místo konstantního tahu má vozidlo konstantní zrychlení, musí se tah motoru během trajektorie snižovat.

Mezihvězdné cestování

Tento graf ukazuje, že loď schopná 1– g (10 m/s ² nebo přibližně 1,0 ly/r ² ) „plsti“ nebo vlastní akcelerace může dojít daleko, kromě problému se zrychlením palubního paliva.

Na mezihvězdné vzdálenosti se kosmická loď využívající výrazné konstantní zrychlení přiblíží rychlosti světla, takže jsou důležité speciální efekty relativity, jako je dilatace času (rozdíl v časovém toku mezi časem lodi a časem planetárním).

Výrazy pro uraženou vzdálenost a uplynulý čas

Jak daleko člověk cestuje, zažívá konstantní zrychlení, z pohledu Země jako funkci času cestovatele, je vyjádřen vzdáleností souřadnic x jako funkce správného času τ při konstantním vlastním zrychlení a . Je to dáno:

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

kde c je rychlost světla .

Za stejných okolností je čas uplynulý na Zemi ( čas souřadnic ) v závislosti na čase cestovatele dán vztahem:

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

Proveditelnost

Hlavním omezujícím faktorem pro jízdy s konstantní akcelerací je dostatek paliva. Konstantní zrychlení nebude možné, pokud konkrétní impulz pro palivo ( palivová účinnost paliva ) nebude mnohem vyšší.

Existují dvě široké kategorie způsobů, jak tento problém vyřešit: jedna je palivo s vyšší účinností (přiblížení motorové lodi) a druhé čerpání pohonné energie z prostředí, jak jím loď proplouvá (přístup plachetnice). Dvě možnosti přístupu motorových lodí jsou jaderná paliva a paliva na bázi antihmoty. Jednou z možností přístupu k plachetnici je objevit něco ekvivalentního rovnoběžníku síly mezi větrem a vodou, který umožňuje plachtám pohánět plachetnici.

Nabíjení paliva po cestě - přístup ramjet - ztratí účinnost, protože rychlost kosmického plavidla se zvyšuje vzhledem k planetární referenci. K tomu dochází, protože palivo musí být zrychleno na rychlost kosmické lodi, než bude možné extrahovat jeho energii, a to dramaticky sníží účinnost paliva.

Souvisejícím problémem je přetažení. Pokud vesmírné plavidlo s rychlostí blízkou rychlosti světla interaguje s hmotou nebo energií, která se v planetárním referenčním rámci pohybuje pomalu-sluneční vítr, magnetická pole, záření kosmického mikrovlnného pozadí-způsobí to odpor, který odstřelí část zrychlení motoru.

Druhým velkým problémem, kterému lodě využívající konstantní zrychlování pro mezihvězdné cestování čelí, je srážení hmoty a radiace během plavby. V polovině cesty bude jakákoli věc, kterou loď zasáhne, dopadat rychlostí blízkou světlu, takže dopad bude dramatický.

Mezihvězdné rychlosti cestování

Pokud vesmírná loď používá konstantní zrychlení na mezihvězdné vzdálenosti, přiblíží se rychlosti světla pro střední část své cesty při pohledu z referenčního planetárního rámce . To znamená, že efekty relativity budou důležité. Nejdůležitějším efektem je, že čas se bude zdát plynout různými rychlostmi v rámu lodi a v planetárním rámci, a to znamená, že rychlost lodi a doba jízdy se budou ve dvou rámcích lišit.

Planetární referenční rámec

Z planetárního referenčního rámce se zdá, že rychlost lodi je omezena rychlostí světla - může se přibližovat rychlosti světla, ale nikdy ji nedosáhne. Pokud loď používá konstantní zrychlení 1 g , zdá se, že se přiblíží rychlosti světla přibližně za rok a urazila vzdálenost přibližně půl světelného roku. V polovině cesty bude rychlost lodi zhruba rychlostí světla a na konci cesty se během roku opět zpomalí na nulu.

Obecně platí, že pro konstantní zrychlení na 1 g ( zemská gravitace ) bude doba jízdy měřená na Zemi vzdálenost ve světelných letech k cíli plus 1 rok. Toto pravidlo poskytne odpovědi, které jsou o něco kratší než přesně vypočítaná odpověď, ale přiměřeně přesné.

Referenční rám lodi

Vykreslení parametrů rychlosti a časů na vodorovné ose oproti poloze na svislé ose pro zrychlenou dvojitou zpáteční cestu do cíle s Δx _AB = 10c ² /α ~ 10 světelných let daleko, pokud α ~ 9,8 m /s ² .

Z referenčního rámce těch na lodi se zrychlení během cesty nezmění. Místo toho bude planetární referenční rámec vypadat stále relativističtěji. To znamená, že pro cestovatele na lodi bude cesta vypadat mnohem kratší, než to, co vidí planetární pozorovatelé.

Při konstantním zrychlení 1 g by raketa mohla cestovat průměrem naší galaxie za přibližně 12 let času lodi a přibližně 113 000 let planetárního času. Pokud poslední polovina cesty zahrnuje zpomalení na 1 g , cesta by trvala asi 24 let. Pokud je cesta pouze k nejbližší hvězdě, se zpomalením v poslední polovině cesty, bude to trvat 3,6 roku.

Ve fikci

Tau Zero , tvrdý sci -fi román Poula Andersona , má vesmírnou loď využívající neustálé zrychlování.

Vesmírná loď příběhů Venuše George O. Smitha o rovnoramenech jsou lodě s neustálým zrychlováním. Normální zrychlení je 1 g , ale v „The External Triangle“ je uvedeno, že zrychlení až 5 g je možné, pokud je posádka omámena gravanolem, aby působila proti účinkům zátěže g .

Kosmická loď v románu Joe Haldemana Věčná válka hojně využívá neustálé zrychlování; vyžadují propracované bezpečnostní vybavení, které by udrželo jejich obyvatele naživu při vysokém zrychlení (až 25 g ) a zrychlovalo na 1 g, i když „v klidu“, aby poskytlo lidem pohodlnou úroveň gravitace.

Ve vesmíru známého vesmíru zkonstruovaném Larrym Nivenem Země využívá kolony s neustálým zrychlováním ve formě Bussardových ramp, které pomáhají kolonizovat nejbližší planetární systémy . V neznámém vesmírném románu Svět mimo čas Jerome Branch Corbell (pro sebe) „vezme“ rampu do galaktického centra a zpět za 150 let posílá čas (většina z toho ve studeném spánku), ale 3 miliony let prochází na Zemi.

Ve hře The Sparrow , Mary Doria Russell , je mezihvězdného cestování dosaženo přeměnou malého asteroidu na kosmickou loď s konstantním zrychlením. Sílu aplikují iontové motory napájené materiálem těženým ze samotného asteroidu.

V sérii Revelation Space od Alastaira Reynoldse mezihvězdný obchod závisí na hvězdných lodích „lightthugger“, které se mohou neomezeně zrychlovat na 1 g , což nahradilo pohony s konstantním zrychlením poháněné antihmotou. Účinky relativistického cestování jsou důležitým bodem zápletky v několika příbězích, které informují například o psychologii a politice posádek „ultranaut“ lehkých lupičů.

V románu 2061: Odyssey Three od Arthura C. Clarka je vesmírná loď Universe využívající fúzní raketu katalyzovanou mionem schopná konstantního zrychlení na 0,2 g při plném tahu. Clarkův román „ Imperial Earth “ je vybaven „asymptotickým pohonem“, který využívá mikroskopickou černou díru a vodíkový pohon k dosažení podobného zrychlení při cestování z Titanu na Zemi.

Tyto UET a Skryté světy kosmické lodě z FM Busby je Rissa Kerguelen sága používají konstantní zrychlení disk, který může urychlit na 1 g , nebo dokonce o něco více.

Lodě v sérii Expanse od James SA Corey využívají pohonů s konstantním zrychlením, které také poskytují umělou gravitaci cestujícím.

V Marsu , od Andyho Weira , kosmická loď Hermes používá konstantní tah VASIMR k přepravě astronautů mezi Zemí a Marsem . V projektu Hail Mary , také od Andy Weira , vesmírná loď hlavního hrdiny používá konstantní 1,5 g zrychlovací rotační pohon k cestování mezi sluneční soustavou a 40 Eridani .

Reference