Napęd kosmiczny: oddzielenie faktu od fantastyki naukowej

Niefortunną cechą science fiction jest to, że jest to, tragicznie, fikcja. Zamiast latać między niezliczonymi gwiazdami i galaktykami, znajdujemy się dotychczas w pułapce tej planety, którą nazywamy Ziemią. Tylko garstka ludzi dotarła do jedynego księżyca Ziemi, a tylko dwie z naszych bezzałogowych sond uciekły z ziemskiego układu słonecznego po kilkudziesięciu latach podróży. Wystarczy zrozpaczać, że nigdy nie zbliżymy się do cudownej przyszłości, którą wydaje się nam obiecać science fiction.

Jednak mógł nie stracić całej nadziei. W ciągu ostatnich dziesięcioleci ulepszyliśmy nasze rakiety chemiczne, eksperymentowaliśmy z różnymi typami pocisków jądrowych oraz Propelenty jonowe Jest to wspólna cecha współczesnych satelitów, a także misji w Układzie Słonecznym. Nawet jeśli szum jest w pobliżu EMDrive Zniknął tak szybko, jak się pojawił i Kupierzy Szybszy od światła napęd pozostaje zagadkową możliwością po wielu latach ulepszeń.

Nawet jeśli fizyka spiskuje przeciwko naszemu pragnieniu życia międzygwiezdnego, jak wyglądają nasze obecne możliwości? Przyjrzyjmy się dzisiejszym metodom płatności i temu, na co możemy patrzeć z różnym stopniem pewności.

Władcy niskiej orbity okołoziemskiej

Jeśli chodzi o umieszczanie rzeczy na orbicie i utrzymywanie ich tam, wykonujemy dobrą robotę. Od pierwszych dni silnika rakietowego w pierwszej połowie XX^Dziesiąty Wiek, opracowaliśmy wiele ulepszeń i nowych technologii. Opracowaliśmy nowe rodzaje paliw stałych i płynnych i nauczyliśmy się ich używać nadmierny Jak również paliwo chłodzące. To spowodowało, że wystrzeliwanie nowych satelitów i nowe badania orbity Ziemi i orbity międzyplanetarne praktycznie stały się sprawą rutynową.

Gdy ziemska grawitacja jest już dobrze oddalona lub bezpiecznie na orbicie wokół planety, metoda napędu zdolna do zmniejszenia potwornej siły jest wystarczająca, ponieważ grawitacja Ziemi nie jest już problemem. To właśnie tutaj świecą silniki z napędem jonowym: wykorzystując stosunkowo niewielkie ilości paliwa i energii elektrycznej z paneli słonecznych lub innych źródeł, takich jak RTG, są w stanie wygenerować duże ilości napędu w postaci wiązek jonowych. Ponieważ silniki jonowe są bardzo wysokie Konkretny motywSą bardzo oszczędne, ale mają tę wadę, że mają bardzo mały ciąg.

To prowadzi nas do sedna problemu z rakietami i napędem kosmicznym: równoważenia wydajności między wymaganą energią a zużytym paliwem. O ile pocisk chemiczny można łatwo eskalować, aby zużywał więcej paliwa do dalszego napędu, jego ciąg jest dość straszny, co oznacza, że ​​na każdą spaloną jednostkę paliwa większość energii w paliwie jest marnowana, czyli nie jest wykorzystywana do tego napędu. cel, powód.

Motyw determinujący (tj_s) W sekundach, przy czym wskazana wartość określa, jak długo silnik rakietowy lub równoważne urządzenie może dostarczyć pociskowi dostępne paliwo. Określa to czas trwania ciągu, a tym samym ogólne przyspieszenie. Ponadto rakiety chemiczne stają się lżejsze, gdy używają paliwa, powodując wzrost przyspieszenia dla tego samego ciągu w czasie. Plik Stosunek ciągu do masy W ten sposób określa, jak dobrze pocisk będzie działał.

Dla bezpośredniego porównania rakieta chemiczna, taka jak SpaceX Falcon 9 z Silniki Merlin 1D (pełny ciąg) On mnie ma_s 311 sekund w przestrzeni i 282 sekundy na poziomie morza. Tymczasem jestem_s Napęd jonowy nie jest mierzony w sekundach, ale w tygodniach, a nawet miesiącach lub latach. Dzieje się tak pomimo faktu, że paliwo jonowe w satelicie lub sondzie zawiera tylko ułamek ciągu, jaki posiada pocisk chemiczny. W międzyczasie, propelent jonowy ma bardzo niski stosunek ciągu do ciężaru, co uniemożliwia mu bardzo dobre podniesienie się do warstwy ziemskiej grawitacji.

Poza orbitą Ziemi

Dzięki tym rakietom chemicznym i obronie jonowej możemy pozyskiwać i utrzymywać satelity, a także Międzynarodową Stację Kosmiczną na orbicie, nawet na niskich orbitach, gdzie problemem są chmury atmosferyczne. I Jak zostało niedawno wyjaśnione Przez Stany Zjednoczone, Chiny i Zjednoczone Emiraty Arabskie, aby uzyskać za pośrednictwem Nadzieje (Misabar Al Amal& Tianwen -1 (spytania do nieba) Orbitując wokół Marsa, a także łazik wytrwały na Marsie, całkiem nieźle radzimy sobie z podróżowaniem do co najmniej jednego z naszych najbliższych sąsiadów w Układzie Słonecznym.

Większość podróży w obrębie Układu Słonecznego wykorzystuje mechanikę orbitalną, z obecnym ESA BepiColombo Zadanie jest tego najlepszym przykładem. Zamiast podróżować w linii prostej z Ziemi na Merkurego, misja ta trwa siedem lat, podczas których BepiColombo będzie korzystać z pomocy grawitacyjnej: zasadniczo wykorzystując przyciąganie grawitacyjne różnych planet i słońca naszego Układu Słonecznego, aby zyskać i stracić prędkość , na przykład poza zmianą jego orbity wokół Słońca, aby w końcu mógł wyrównać Merkurego i zatrzymać się na swojej orbicie.

To również pokazuje, że innym ważnym czynnikiem jest tutaj czas. Nie patrząc na to, jak długo może potrwać podróż w obrębie Układu Słonecznego lub poza nim, korzystanie z pomocy grawitacyjnej z Ziemi i innych planet jest bardzo ważnym i skutecznym sposobem poruszania się w przestrzeni kosmicznej. Plik Podróżnik Sondy wyciągnęły się w ten sposób z Układu Słonecznego i zajęło im to tylko około czterdziestu lat. Oczywiście poza zadaniami naukowymi ignorowanie czynnika czasu jest tylko opcją, gdy ktoś zaczyna myśleć o czymś takim Generowanie statków.

Podobnie jak na Ziemi wolimy podróżować szybciej i tracić mniej czasu. W końcu kto chciałby utknąć na żaglowcu przylądkowym podczas wielomiesięcznego rejsu, podczas gdy można np. Polecieć samolotem na wschód? Podobnie szukamy sposobów na szybsze podróżowanie w kosmosie.

Idąc w kierunku atomowym

Jest kilka potencjalnych miejsc docelowych, do których chcielibyśmy dotrzeć szybciej: jednym z nich jest oczywiście Mars, ale inne planety w naszym Układzie Słonecznym również przyciągają uwagę, takie jak księżyc Jowisza, Europa. Tutaj napotykamy duży problem zarówno z naszymi pociskami chemicznymi, jak iz naszymi impulsami jonowymi: jeden nie może zapewnić wystarczająco długiego ciągu, a drugi nie zapewnia wystarczającego ciągu. Jedno z możliwych rozwiązań pochodzi z lat pięćdziesiątych XX wieku w postaci napędu jądrowego.

Być może wielu zdaje sobie sprawę z projektu Orion DARPA, z którego korzystano Ciąg impulsu jądrowego Jako sposób na podróż na Marsa iz powrotem za cztery tygodnie. Chociaż projekt ten nigdy się nie rozpoczął, pracowano nad nowymi koncepcjami opartymi na elektrowni jądrowej. Wiele z najnowszych badań koncentruje się na wykorzystaniu syntezy jądrowej w jakiś sposób do tworzenia szybkich spalin. Widzimy coś podobnego w domenie publicznej Pociski termojądrowe Z których częścią są elektrownie jądrowe, co przenosi uwagę z rozszczepienia na syntezę jądrową. Inne, na przykład Silnik Direct Fusion, Można go uznać za ulepszony propelent jonowy.

DFD wraz z kilkoma innymi to tylko niektóre z koncepcji, nad którymi obecnie pracuje NASA Spójrz na mnie Aby skrócić czas podróży na Marsa i do innych miejsc docelowych, w tym na Orion (Statek kosmiczny). DFD wykorzystuje wyniki z formacji odwróconej na polu Princeton (PFRC) Zapewnienie ciągłego napędu na poziomach znacznie wyższych niż obecne silniki z napędem jonowym. Dzięki temu nadaje się do podróży międzyplanetarnych, z przewidywanym czteroletnim czasem podróży do Plutona na skraju naszego Układu Słonecznego.

Oczywiście nic z tego nie ułatwiłoby podróży międzygwiezdnych poza naszym Układem Słonecznym.

Spraw, by rzeczy były lekkie

W tym wszechświecie jest bardzo niewiele rzeczy, które są pewne. Jednym z nich jest to, że przestrzeń jest bardzo duża, nie wspominając o bardzo pustej. Innym jest to, że obiekty mają masę, a inną jest prędkość światła (c). Te dwa ostatnie razem wyznaczają bardzo realny limit przyspieszenia obiektu. Jest to problematyczne w świetle wyzwań, takich jak doprowadzenie ludzi do najbliższego układu gwiezdnego (Alpha Centauri4,37 lat świetlnych) za życia tej osoby.

Jako najbardziej odległy obiekt stworzony przez człowieka, Voyager 1 porusza się z prędkością 1/18 000 światła, co oznacza, że ​​będzie w stanie dotrzeć do Alfy Centauri za około 80 000 lat. Jednak, jak zobaczymy, rozwiązaniem nie jest tylko dalsze przyspieszenie, ponieważ stwarza to dwa nowe problemy. Pierwszą jest absolutna energia kinetyczna, ponieważ energia potrzebna do przyspieszenia do dostrzegalnego ułamka prędkości światła jest większa, niż można by oczekiwać za pomocą jakiejkolwiek obecnej lub przyszłej metody napędu.

Drugi problem definiuje ogólna teoria względności (GR). Mówiąc najprościej, jeśli obiekt doświadcza przyspieszenia, układ odniesienia obiektu i układ dowolnego zewnętrznego obserwatora zaczynają się oddalać. To Grawitacyjne dylatacja czasu Efekt w reprezentacji wizualnej oznacza, że ​​dla obserwatora zewnętrznego zegar trzymany przez przyspieszający obiekt zwalnia, podczas gdy zegar obserwatora zewnętrznego wydaje się poruszać szybciej niż ten, który go trzyma.

Chociaż efekt tego wydłużenia czasu wokół Ziemi jest stosunkowo niewielki (jak astronauci na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w porównaniu z ludźmi na Ziemi), surowa rzeczywistość jest taka, że ​​nie chcemy wcale tak bardzo przyspieszać. To znaczy, chyba że chcemy zajmować się sytuacjami, w których ludzie przechodzą obok statku kosmicznego podróżującego w temperaturze 0,6 ° C przez tygodnie podczas misji, podczas gdy na Ziemi miną dziesięciolecia. To sprawia, że ​​bezzałogowe sondy kosmiczne nawet niewielka część przestrzeni są stosunkowo bezużyteczne.

Potencjalnym rozwiązaniem jest tutaj koncepcja napędu skrętnego, znanego również jako silnik Alcubierre, i jego pochodnych. Ta metoda zasadniczo pozwala osobie podróżować efektywnie szybciej niż światło (FTL), bez zmiany ich efektywnej atrakcyjności, a tym samym ich układu odniesienia. Pozwala to również uniknąć zapotrzebowania na ogromne ilości energii.

Fizyczne dyski zniekształcające

Silniki FTL są podstawą science fiction i przybierają różne formy. kim oni są , Napęd Warp Jest to jeden z niewielu nielicznych, opartych na teorii naukowej, który widział kilka dekad badań i udoskonalania. Zasada jest w istocie dość prosta: „silnik skrętny” tworzy (owija) obwiednię czasoprzestrzeni wokół obiektu („pole torsyjne”), który może następnie poruszać się bez zwiększania swojej energii kinetycznej. Jego efektywna prędkość będzie ograniczona przez to, jak szybko odkształca czasoprzestrzeń.

Niedawnym dodatkiem do literatury na ten temat jest Wprowadzenie fizycznych napędów warp Bobrick i in. , Który pracował nad literaturą przez ostatnie dziesięciolecia, tworząc system klasyfikacji różnych typów napędów osnowy, jakie można sobie wyobrazić.

Co ważne, opisuje, w jaki sposób założenie poczynione w przypadku silnika Alcubierre – wymagające dużej masy ujemnej – opierało się wyłącznie na braku zrozumienia podstawowej teorii. W rzeczywistości oznacza to, że ujemne wymagania dotyczące masy można zmniejszyć lub nawet całkowicie wyeliminować, a w dziedzinie fizyki nadal nic nie stoi na przeszkodzie, aby ludzkość stworzyła fizyczne silniki fizyczne, wyruszając w podróże FTL po galaktyce i poza nią.

Ostateczna przestrzeń graniczna?

Okaże się wtedy, że przynajmniej część fantastyki naukowej może stać się faktem naukowym w najbliższej przyszłości Statki kosmiczne Nakręcony w oryginalnej serii Star Trek (Warunki usługiI TNG I idę) od strony Unia Przedstawiając zagadkowy model tego, jaka może być przyszłość ludzkości. Co ciekawe, w uniwersum Star Trek by to nawet zajęło 2063 do Wynalazca Aby przetestować pierwszy napęd skrętny.

Na szczęście nie ustalono jeszcze, jak będzie wyglądać nasza oś czasu. Czy naprawdę będziemy w stanie zbudować napędy warp za następne czterdzieści lat, a jeśli to zrobimy, nadal będziemy mieć otwarte pytania. Kiedy przypominamy sobie historyczną podróż Jurija Gagarina w kosmos sześćdziesiąt lat temu, ekscytujące jest spojrzenie w przyszłość i to, co mogą przynieść nadchodzące dziesięciolecia.