Межзвёздный полёт

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Межзвёздный полёт — путешествие между звёздами пилотируемых аппаратов или автоматических станций. Чаще всего под межзвёздным полётом понимают пилотируемое путешествие, иногда с возможной колонизацией внесолнечных планет.

Расстояние до ближайшей звезды (Проксимы Центавра) составляет около 4,243 световых лет, то есть примерно в 268 тысяч раз больше расстояния от Земли до Солнца.

Четыре автоматические станции — Пионер-10, Пионер-11, Вояджер-1, Вояджер-2 — достигли третьей космической скорости и покинули солнечную систему; теперь с их помощью изучают межзвёздное пространство.

Аппаратов, прямым назначением которых был бы полёт до ближайших звёзд, на начало XXI века не существует, однако в 2011 году DARPA совместно с НАСА объявили о начале проекта «Через 100 лет к звёздам», целью которого является осуществление пилотируемого полёта к другим звёздным системам[1][2]. По словам Поля Ерёменко, координатора проекта в DARPA, целью данного проекта является не постройка космического корабля, а стимулирование нескольких поколений учёных на исследование в различных дисциплинах и создание прорывных технологий. По словам директора Исследовательского центра Эймса (НАСА) Симона П. Уордена проект двигателя для полётов в дальний космос может быть разработан в течение 15-20 лет[3].

Полёты на звездолётах занимают существенное место в научной фантастике.

Кинематика межзвёздных полётов[править | править вики-текст]

Пусть полёт туда и полёт обратно состоят из трёх фаз: равноускоренного разгона, полёта с постоянной скоростью и равноускоренного торможения.

Собственное время любых часов имеет вид:

\int\limits^t_0\sqrt{1-\mathbf{u}^2(t)/c^2}\cdot dt,

где \textstyle \mathbf{u}(t) — скорость этих часов. Земные часы неподвижны (\textstyle \mathbf{u}=0), и их собственное время равно координатному \textstyle \tau_0=t. Часы космонавтов имеют переменную скорость \textstyle \mathbf{u}(t). Так как корень под интегралом остаётся всё время меньше единицы, время этих часов, независимо от явного вида функции \textstyle \mathbf{u}(t), всегда оказываются меньше \textstyle t. В результате \textstyle \tau'_0<\tau_0.

Если разгон и торможение проходят релятивистски равноускоренно (с параметром собственного ускорения \textstyle a) в течение \tau_1, а равномерное движение — \tau_2, то по часам корабля пройдёт время[4]:

\tau_0 = \frac{2c}{a}\,\ln\left[\frac{a\tau_1}{c}+\sqrt{1+\left(\frac{a\tau_1}{c}\right)^2}\right] + \frac{\tau_2}{\sqrt{1+(a\tau_1/c)^2}} = \frac{2c}{a}\, \operatorname{arcsinh}\frac{a\tau_1}{c} + \frac{\tau_2}{\sqrt{1+(a\tau_1/c)^2}}, где \operatorname{arcsinh} — гиперболический арксинус

Рассмотрим предполагаемый полёт к звёздной системе Альфа Центавра, удалённой от Земли на расстояние в 4,3 световых года. Если время измеряется в годах, а расстояния в световых годах, то скорость света \textstyle c равна единице, а единичное ускорение \textstyle a=1 св.год/год² близко к ускорению свободного падения и примерно равно 9,5 м/c².

Пусть половину пути космический корабль двигается с единичным ускорением, а вторую половину — с таким же ускорением тормозит (\textstyle \tau_2=0). Затем корабль разворачивается и повторяет этапы разгона и торможения. В этой ситуации время полёта в земной системе отсчёта составит примерно 12 лет, тогда как по часам на корабле пройдёт 7,3 года. Максимальная скорость корабля достигнет 0,95 от скорости света.

За 64 года собственного времени космический корабль с единичным ускорением потенциально может совершить путешествие (вернувшись на Землю) к галактике Андромеды, удалённой на 2,5 млн св. лет. На Земле за время такого полёта пройдёт около 5 млн лет. Развивая вдвое большее ускорение (к которому тренированный человек вполне может привыкнуть при соблюдении ряда условий и использования ряда приспособлений, например, анабиоза), можно подумать даже об экспедиции к видимому краю Вселенной (около 14 млрд св. лет), которая займёт у космонавтов порядка 50 лет; правда, возвратившись из такой экспедиции (через 28 млрд лет по земным часам), её участники рискуют не застать в живых не то что Землю и Солнце, но даже нашу Галактику. Исходя из этих расчётов, чтобы космонавты избежали футурошока по возвращении на Землю, разумный радиус доступности для межзвёздных экспедиций с возвратом не должен превышать нескольких десятков световых лет, если, конечно, не будут открыты какие-либо принципиально новые физические принципы перемещения в пространстве-времени. Впрочем, обнаружение многочисленных экзопланет даёт основания полагать, что планетные системы встречаются у достаточно большой доли звёзд, поэтому космонавтам будет что исследовать и в этом радиусе (например, планетные системы ε Эридана и Глизе 581).

Двигатели и движители для межзвёздных полётов[править | править вики-текст]

Пригодность различных типов двигателей для межзвёздных полётов в частности была рассмотрена на заседании Британского межпланетного общества в 1973 г. доктором Тони Мартином (Tony Martin)[5][6][7].

Двигатели на управляемых ядерных процессах[править | править вики-текст]

Электроракетный двигатель с ядерным реактором имеет малую тягу, большой вес необходимого для преобразования ядерной энергии в электрическую оборудования и как следствие небольшое ускорение, поэтому потребуются столетия для достижения нужной скорости[5][6][7], что позволяет использовать его только в кораблях поколений. Термические ядерные двигатели типа NERVA имеют достаточную величину тяги, но низкую скорость истечения рабочей массы (порядка 10 км/сек), поэтому для разгона до нужной скорости потребуется огромное количество топлива[5][6][7]. Таким образом корабль с таким двигателем будет ещё на несколько порядков тихоходней корабля с электрореактивным двигателем. Для полёта к соседней звезде на таком корабле уйдут десятки и сотни тысяч лет.(полет до альфы центавра на скорости 30 км/сек займет 40 тыс лет)[источник не указан 577 дней]).

Проект «Орион»[править | править вики-текст]

С 1950-60 гг. в США разрабатывался космический корабль с ядерно-импульсным ракетным двигателем для исследования межпланетного пространства «Орион». В ходе работ были предложены проекты большого и малого звездолётовкораблей поколений»), способных добраться до звезды Альфа Центавра за 1800 и 130 лет соответственно.

Проект «Дедал»[править | править вики-текст]

С 1973 по 1978 год Британское межпланетное общество разрабатывало проект «Дедал» целью которого было создать наиболее правдоподобный проект автоматического аппарата с термоядерным ракетным двигателем, способного достичь звезды Барнарда за 50 лет.[8]

Ракетный корабль по проекту «Дедал» оказался таким громадным, что строить его пришлось бы в открытом космосе. Он должен был весить 54 000 т (почти весь вес — ракетное топливо) и мог бы разогнаться до 7,1 % скорости света, неся на себе полезную нагрузку весом 450 т. В отличие от проекта «Орион», рассчитанного на использование крохотных атомных бомб, проект «Дедал» предусматривал использование миниатюрных водородных бомб со смесью дейтерия и гелия-3 и системой зажигания при помощи электронных лучей. Но огромные технические проблемы и опасения, связанные с ядерным двигателем, привели к тому, что проект «Дедал» также был отложен на неопределённое время.[9]

Технологические идеи Дедала использованы в проекте термоядерного звездолета «Икар (Icarus)»[10].

Движители на давлении электромагнитных волн[править | править вики-текст]

Идея о использовании давления света для осуществления межпланетных путешествий была выдвинута практически сразу после открытия этого давления физиком П. Н. Лебедевым в работах К. Циолковского и Ф. Цандера. Однако реальная возможность получения электромагнитного луча нужной мощности появилась только после изобретения лазеров.

В 1971 году в докладе Г. Маркса на симпозиуме в Бюракане было предложено использовать для межзвёздных перелётов лазеры рентгеновского диапазона. Позже возможность использования этого типа движителя исследовалась НАСА. В результате был сделан следующий вывод: «Если будет найдена возможность создания лазера, работающего в рентгеновском диапазоне длин волн, то можно говорить о реальной разработке летательного аппарата (разгоняемого лучом такого лазера), который сможет покрывать расстояния до ближайших звёзд значительно быстрее, чем все известные в настоящее время системы с ракетными двигателями. Расчёты показывают, что с помощью космической системы, рассмотренной в данной работе, можно достичь звезды Альфа Центавра… примерно за 10 лет»[11].

В 1985 году Р. Форвардом была предложена конструкция межзвёздного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звёзд за 21 год.

На 36-м Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолёта, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия. По расчётам, путь звездолёта этой конструкции до звезды Эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.

Солнечный парус — самый перспективный и реалистичный на сегодняшний день вариант звездолета.[12],[13],[14]

Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту. Его недостатком является невозможность использования паруса для путешествия назад к Земле, поэтому он хорош для запуска автоматических зондов, станций и грузовых кораблей, но малопригоден для пилотируемых полётов с возвратом (либо космонавтам нужно будет взять с собой второй лазер с запасом топлива для установки в пункте назначения, что фактически сводит на нет все преимущества парусника).

Аннигиляционные двигатели[править | править вики-текст]

Скорость движения обычных ракет существенным образом зависит от скорости истечения рабочего тела. Ни химические, ни ядерные реакции, известные в настоящее время, не позволяют достичь скоростей истечения, достаточных для разгона космического судна до околосветовой скорости. В качестве одного из вариантов решения проблемы предлагается использование в качестве рабочего вещества ракеты элементарные частицы, движущиеся со световой или околосветовой скоростью.

Для получения таких частиц можно использовать аннигиляцию материи и антиматерии. Например, взаимодействие электронов и позитронов порождает гамма-излучение, которое используется для создания реактивной тяги в конструкциях так называемых фотонных ракет. Может быть также использована реакция аннигиляции протонов и антипротонов, в результате которой образуются пионы.

Теоретические расчёты американских физиков Ронана Кина и Вей-мин Чжана показывают, что на основе современных технологий возможно создание аннигиляционного двигателя, способного разогнать космический корабль до 70% от скорости света. Предложенный ими двигатель быстрее других теоретических разработок благодаря особому устройству реактивной дюзы. Однако основными проблемами при создании аннигиляционных ракет (англ.) с подобными двигателями являются получение нужного количества антивещества, а также его хранение[15]. По состоянию на май 2011 года рекордное время хранения атомов антиводорода составило 1000 секунд (~16,5 минут)[16]. По оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США[17]. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов[18].

Прямоточные двигатели на межзвёздном водороде[править | править вики-текст]

Основная составляющая массы современных ракет — это масса топлива, потребного ракете для разгона. Если удастся каким-нибудь образом использовать в качестве рабочего тела и топлива окружающую ракету среду, можно значительно уменьшить массу ракеты и достичь за счёт этого больших скоростей движения.

Для прямоточного двигателя потребуется воронка огромного диаметра для сбора разреженного межзвёздного водорода, имеющего плотность 1 атом на кубический сантиметр. Если для сбора межзвёздного водорода использовать сверхмощное электромагнитное поле, то силовые нагрузки на генерирующую катушку окажутся настолько велики, что их преодоление окажется маловероятным даже для техники будущего[6][7].

В 1960-е годы Бюссаром (англ.) была предложена конструкция межзвёздного прямоточного реактивного двигателя (МПРД). Она схожа с конструкцией воздушно-реактивных двигателей. Межзвёздная среда состоит в основном из водорода. Этот водород может быть захвачен и использован в качестве рабочего тела. Кроме того, он может быть использован в качестве топлива для управляемой термоядерной реакции, служащей источником энергии для создания ускоряющего ракету реактивного потока.

Поскольку межзвёздная среда является крайне разреженной (порядка 1 атома водорода на кубический сантиметр пространства), необходимо использование экранов огромного размера (тысячи километров) для сбора нужного количества топлива. Масса таких экранов крайне велика даже при условии использования наиболее лёгких материалов, поэтому предлагается использовать для сбора вещества магнитные поля.

Ещё одним недостатком термоядерного прямоточного двигателя является ограниченность скорости, которой может достичь оснащённый им корабль (не более 0,119c = 35,7 тыс. км/с). Это связано с тем, что при улавливании каждого атома водорода (который можно в первом приближении считать неподвижным относительно звёзд) корабль теряет определённый импульс, который удастся компенсировать тягой двигателя только если скорость не превышает некоторый предел. Для преодоления этого ограничения необходима как можно более полная утилизация кинетической энергии улавливаемых атомов, что представляется достаточно трудной задачей.

Фотонный двигатель на магнитных монополях[править | править вики-текст]

Если справедливы некоторые варианты теорий Великого объединения, такие как модель 'т Хоофта — Полякова, то можно построить фотонный двигатель, не использующий антивещество, так как магнитный монополь гипотетически может катализировать распад протона[19][20] на позитрон и π0-мезон:

p \rarr e^{+} + \pi^0

π0 быстро распадается на 2 фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, в итоге атом водорода превращается в 4 фотона, и нерешённой остаётся только проблема зеркала.

Фотонный двигатель на магнитных монополях мог бы работать и по прямоточной схеме.

В то же время в большинстве современных теорий Великого объединения магнитные монополи отсутствуют, что ставит под сомнение эту привлекательную идею.

Внешний источник энергопитания[править | править вики-текст]

Одним из недостатков межзвездных кораблей является необходимость нести с собой энергосистему, что увеличивает массу и соответственно снижает скорость. Поэтому появились идеи снабжать межзвездные корабли энергией из внешнего источника. Geoffrey A. Landis (англ.)русск. предложил проект межзвёздного зонда с ионным двигателем[21][22], получающим энергию через лазер от базовой станции[23].

Системы торможения[править | править вики-текст]

Предложены несколько способов:

1. Торможение на внутренних источниках — ракетное

2. Торможение за счёт лазерного луча, присылаемого с Солнечной Системы.

3. Торможение магнитным полем с использованием Магнитного Паруса Зубрина на сверхпроводниках.

Корабли поколений[править | править вики-текст]

Возможны также межзвёздные путешествия с использованием звездолётов, реализующих концепцию «кораблей поколений» (например, по типу колоний О’Нейла). В таких звездолётах создаётся и поддерживается замкнутая биосфера, способная поддерживать и воспроизводить себя в течение нескольких тысяч лет. Полёт происходит с небольшой скоростью и занимает очень долгое время, на протяжении которого успевают смениться многие поколения космонавтов.

Опасности внешней среды[править | править вики-текст]

Эту проблему подробно рассмотрел Иван Корзников в статье «Реальности межзвёздных полётов»[24]. Столкновение с межзвёздной пылью будет происходить на околосветовых скоростях и по физическому воздействию напоминать микровзрывы. При скоростях больше 0,1 С защитный экран должен иметь толщину десятки метров и массу сотни тысяч тонн. Но этот экран будет надёжно защищать только от межзвёздной пыли. Столкновение с метеоритом будет иметь фатальные последствия. Корзников приводит расчеты, что при скорости более 0,1 С космический корабль не успеет изменить траекторию полёта и избежать столкновения. Он считает, что при субсветовой скорости космический корабль разрушится до достижения цели. По его мнению межзвёздное путешествие возможно только при существенно меньших скоростях (до 0,01 С).

Энергия и ресурсы[править | править вики-текст]

Для межзвёздного полёта потребуются большие запасы энергии и ресурсов, которые придется везти с собой. Это одна из малоизученных проблем в межзвёздной космонавтике.

Например, самый проработанный на сегодняшний день проект «Дедал» с импульсным термоядерным двигателем за полвека достиг бы звезды Барнарда (шесть световых лет), затратив 50 тысяч тонн термоядерного горючего (смесь дейтерия и гелия-3) и доставив к цели полезную массу в 4 тысячи тонн[10].

Сверхсветовое движение[править | править вики-текст]

В научно-фантастических произведениях нередко упоминаются методы межзвёздных перелётов, основанные на перемещении быстрее скорости света в вакууме. Хотя специальная теория относительности Эйнштейна говорит о невозможности такого перемещения, существует несколько теорий, предлагающих возможность «обойти» это ограничение. Общая теория относительности может разрешать перемещение объекта быстрее света в искривленном пространстве-времени - существуют решения уравнений Эйнштейна, допускающие такие концепции как Пузырь Алькубьерре и «кротовые норы».

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Пентагон нацелился на звезды / Gazeta.ru, 24 июня 2011.
  2. DARPA Encourages Individuals and Organizations to Look to the Stars; Issues Call for Papers for 100 Year Starship Study Public Symposium / Сайт DARPA, 15 июня 2011  (англ.)
  3. Ирина Шлионская, Полет к звездам все-таки состоится? // Правда.ру, 02.07.2011.
  4. Ускоренное движение в специальной теории относительности
  5. 1 2 3 PROJECT DAEDALUS: THE PROPULSION SYSTEM Part 1; Theoretical considerations and calculations. 2. REVIEW OF ADVANCED PROPULSION SYSTEMS
  6. 1 2 3 4 Project Daedalus — Origins
  7. 1 2 3 4 перевод А.Семенова. Заседание общества благородных джентельменов
  8. Project Daedalus Study Group: A. Bond et al., Project Daedalus — The Final Report on the BIS Starship Study, JBIS Interstellar Studies, Supplement 1978
  9. Звездолеты. Звездные двигатели
  10. 1 2 Учёные мечтают отправить к звёздам термоядерный «Икарус»
  11. Цит. по: Колесников Ю. В. Вам строить звездолёты. М., 1990. С. 185. ISBN 5-08-000617-X.
  12. Роберт Л. Форвард К звездам на острие луча
  13. Ч. Дэнфорт Под парусом в протонном ветре
  14. Эрик М. Джонс Корабль Дайсона
  15. Физики "ускорили" двигатель на антиматерии до 70% от скорости света. РИА Новости (15 мая 2012). Проверено 16 мая 2012. Архивировано из первоисточника 6 июня 2012.
  16. Физики поставили рекорд по времени хранения антиматерии. Lenta.ru (2 мая 2011). Проверено 16 мая 2012.
  17. New and Improved Antimatter Spaceship for Mars Missions. NASA (2006). Проверено 28 сентября 2009. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  18. Reaching for the stars: Scientists examine using antimatter and fusion to propel future spacecraft. NASA (12 april 1999). Проверено 21 августа 2008. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  19. Curtis G. Callan, Jr. (1982). «Dyon-fermion dynamics». Phys. Rev. D 26 (8): 2058–2068. DOI:10.1103/PhysRevD.26.2058.
  20. B. V. Sreekantan (1984). «Searches for Proton Decay and Superheavy Magnetic Monopoles». Journal of Astrophysics and Astronomy 5: 251–271. DOI:10.1007/BF02714542. Bibcode:1984JApA....5..251S.
  21. Laser-Powered Interstellar Probe G Landis — APS Bulletin, 1991
  22. Geoffrey A. Landis. Laser-powered Interstellar Probe on the Geoffrey A. Landis: Science. papers available on the web
  23. Джеффри А. Лэндис. Межзвездный ионный зонд, снабжаемый энергией по лазерному лучу
  24. Иван Корзников. Реальности межзвездных полетов

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Колесников Ю. В. Вам строить звездолёты. М., 1990. 207 с. ISBN 5-08-000617-X.

Ссылки[править | править вики-текст]