Autoservice-mekona.ru

Автомобильный журнал
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Фотонный двигатель для космических кораблей принцип работы

Фотонный двигатель для космических кораблей принцип работы

Эффект эмиссии пыли под воздействием светового излучения позволит создать интересный и перспективный вид космических движителей для полетов к другим планетам Солнечной системы. Под воздействием света и тепла частицы пыли бросают вызов гравитации и устремляются вверх. Данный эффект, сыгравший не последнюю роль в формировании планет и астероидов, может найти также практическое применение в устройствах для удаления пыли, а также в двигателях марсианских зондов и в создании космического паруса нового типа.
При воздействии на слой пыли красным лазерным излучением наблюдается фонтанирующий выброс частиц, напоминающий извержение крошечного вулкана. Всесторонне изучив это явление, ученые Герхард Вурм (Gerhard Wurm) и Оливер Краус (Oliver Krauss) из университета Мюнстера пришли к выводу, что его возникновение связано с фотофорезом и «парниковым эффектом» в твердом теле, сообщает PhysOrg.
Фотофорез — или движение частиц под воздействием света — базируется на давно известном эффекте, называемом термофорезом, то есть движении частиц под воздействием тепла. В средах с температурными градиентами частицы будут перемещаться из более горячей области в менее горячую. Когда источником тепла служит энергия поглощенного света, такой процесс называется фотофорезом.

ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — в субботу 30.09.2003 с космодрома Куру ракетой-носителем «Ариан 5» была успешно выведена в космическое пространство исследовательская станция европейского космического агентства SMART 1. Спутник создан по заказу ESA (European Space Agency, Европейское космическое агентство) Шведской космической корпорацией при участии почти 30 субподрядчиков из 11 европейских стран и США. Общая стоимость проекта составила 110 млн. евро.
SMART 1 — первая автоматическая станция ESA для исследования Луны. В то же время, это уникальная исследовательская станция нового типа, первая в новой программе ESA под названием Small Missions for Advanced Research in Technology. В ходе выполнения программы запланирована апробация целого ряда новых технологий, например, связь в Ка-диапазоне и лазерная связь, автономная навигация и многое другое.
При достаточно большом количестве аппаратуры, SMART 1 отличается малым весом (370 кг, в том числе научная аппаратура — 19 кг) и компактностью. Со сложенными солнечными батареями он представляет собой прямоугольник размером в метр. Стоимость SMART 1 примерно раз в пять меньше, чем типичной межпланетной станции ESA. Но самая главная особенность нового космического аппарата в том, что впервые в истории космонавтики ионный двигатель будет использован в качестве основного. В планах ESA — еще два аппарата, оснащенных ионной двигательной установкой. Это BepiColombo для исследования Меркурия и Solar Orbiter — для изучения Солнца.
Установленный на SMART 1 ионный двигатель потребляет 1350 Ватт электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, и развивает тягу в 0,07 Ньютон, что примерно соответствует весу почтовой открытки. Рабочим веществом служит ксенон (запас топлива 82 кг). При этом для выхода на эллиптическую полярную орбиту вокруг Луны станции потребовалось 16 месяцев. Выведение SMART 1 на расчетную орбиту представло собой сложный многоступенчатый процесс, состоящий из этапов.

Как работает ионный двигатель и где он применяется

Ученые уже придумали или готовятся придумать много новых типов двигателей для космических кораблей. Самые смелые предположения даже говорят про варп-двигатель, который должен разгонять корабль до скоростей, в несколько раз превышающих скорость света за счет искривления пространства в мощном гравитационном поле. Пока это только фантастика, которая скоро может стать перспективой. Зато ионные двигатели уже существуют и даже применяются. Они уже на данном этапе могут развивать скорости в несколько раз выше тех, что предлагают традиционные ракетные двигатели. Правда, они не могут отправить ракету в космос. Вот такие противоречия. Но как же тогда работает ионный двигатель и почему на данном этапе это действительно является технологией будущего?

Такой двигатель может разгоняться до очень больших скоростей.

Как работает ионный двигатель

Принцип работы ионного двигателя простой и сложный одновременно. Он заключается в ионизации газа, который разгоняется электростатическим полем для получения реактивной тяги и разгона космического корабля согласно третьему закону Ньютона.

Топливом или рабочим телом такого двигателя является ионизированный инертный газ (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, оганесон, радон). Впрочем, не все инертные газы стоит использовать в качестве топлива, поэтому, как правило, выбор ученых и исследователей падает на ксенон. Также рассматривается вариант использования ртути в качестве рабочего тела ионного двигателя

Во время работы двигателя в камере образуется смесь из отрицательных электронов и положительных ионов. Так как электроны являются побочным продуктом, их надо отфильтровать. Для этого в камеру вводится трубка с катодными сетками для того, чтобы она притягивала к себе электроны.

Положительные ионы, наоборот, притягиваются к системе извлечения. После чего разгоняются между сетками, разница электростатических потенциалов которых составляет примерно 1 200 Вольт, и выбрасываются в качестве реактивной струи в пространство.

Схематичное изображение работы ионного двигателя.

Электроны, которые попали в катодную ловушку, должны быть удалены с борта корабля, чтобы он сохранял нейтральный заряд, а выброшенные ионы не притягивались обратно, снижая эффективность установки. Выброс электронов осуществляется через отдельное сопло под небольшим углом к струе ионов. Таким образом, что произойдет в их взаимодействии после покидания двигателя, уже не так важно, ведь они не мешают движению корабля.

Преимущества ионного двигателя для космического корабля

Ионы на выходе из двигателя разгоняются до очень высоких скоростей. В своем максимуме они могут достигать 210 км/с. При этом, химические ракетные двигатели не способны достигать и 10 км/с, находясь в диапазоне 3-5 км/с.

В нашем Telegram-чате все говорят про варп-двигатель, но давайте сначала с ионным разберемся.

Возможность достижения большого удельного импульса позволяет очень сильно сократить расход реактивной массы ионизированного газа в сравнении с аналогичным показателем для традиционного химического топлива. А еще, ионный двигатель может непрерывно работать более трех лет. Энергия, которая нужна для ионизации топлива берется от солнечных батарей — в космосе с этим проблем нет.

Если спешить с ускорением некуда, то ионный двигатель станет отличным вариантом.

Недостатки ионных двигателей

Возможность продолжительной работы ионного двигателя очень важна, так как он не способен развивать высокую тягу и моментально разгонять корабль до больших скоростей. В нынешних реализациях тяга ионных двигателей с трудом достигает 100 миллиньютонов.

Из-за такой конструктивной особенности, как минимум пока, такой двигатель не дает возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.

Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе. Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением. Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.

Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.

По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей, но ученые работают в этом направлении и в перспективе повысят его мощность, так как определенного прогресса удалось добиться уже сейчас.

Еще одной, пусть и не такой существенной, проблемой является надежность. В целом ионные двигатели достаточно надежны, но надо понимать, что их задача заключается в том, чтобы унести аппарат очень далеко и очень быстро. То есть работать он должен долго, чтобы не ставить под удар всю миссию. Поэтому, пока идут работы над увеличением мощности, разработчики стараются не забывать и о надежности.

Читать еще:  Горит лампочка давления масла на ауди 80 двигатель

Где используются ионные двигатели

Вам могло показаться, что ионные двигатели существуют только на бумаге и в лабораториях, но это не так. Они уже использовались, как минимум, в семи завершившихся миссиях и используются минимум в четырех действующих.

В том числе такие двигатели используются в рамках миссии BepiColombo, запущенной 20 октября 2018 года. В этой меркурианской миссии используются 4 ионных двигателя суммарной мощностью 290 миллиньютонов. Кроме этого, аппарат оснащен и химическим двигателем. Оба они в сочетании с гравитационными маневрами должны обеспечить выход корабля на орбиту Меркурия в качестве искусственного спутника.

Космический аппарат BepiColombo.

Использованием этих двигателей не брезгует и Илон Маск в своей программе Starlink, за счет этих двигателей корабль должен совершать небольшие маневры и уклоняться от космического мусора.

Сейчас планируется доставка на МКС ионной тяговой установки, которая позволит управлять положением станции в автоматическом режиме. Ее мощность подобрана исходя из доступной электрической мощности станции. Для большей надежности планируется так же доставка батарей, которые обеспечат 15 минут автономной работы двигателя.

Астрономы открыли новый тип взрывов в космосе

Но самым необычным проектом был ”Прометей”. Корабль в рамках этого проекта планировалось отправить к Юпитеру со скорость 90 км/c. Ионный двигатель корабля должен бал работать от ядерного реактора, но из-за технических трудностей в 2005 году проект закрыли.

Когда изобрели ионный двигатель

При всей перспективности ионного двигателя, первый раз его концепцию предложил еще в 1917 году Роберт Годдард. Только спустя почти 40 лет Эрнст Штулингер сопроводил концепцию необходимыми расчетами.

В 1957 году вышла статья Алексея Морозова под названием ”Об ускорении плазмы магнитным полем”, в которой он описал все максимально подробно. Это и дало толчок к развитию технологии и уже в 1964 году на советском аппарате ”Зонд-2” стоял такой двигатель для маневров на орбите.

Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.

По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать. Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе. Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.

Ученые поймали очередной сигнал из космоса, но теперь он регулярно повторяется

В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее. Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя. По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.

Наука и технологии

Наука и технологии формируют будущее. Взгляните на него уже сейчас!

В космос без топлива — 3 двигателя будущего

Самая главная проблема для космонавтики – космическая радиация. Проблема даже не в ней самой, а в корабле, который бы защитил от неё, ведь для его строительства необходимы все экономические ресурсы развитых стран мира. Но не менее большой проблемой является преодоление гравитации. Для этого мы используем сильнейшие в мире двигатели, топливо для которых занимает большую часть космических шатлов и ракет. Если бы получилось решить проблему с топливом, можно было бы освободить много места в ракетах или кораблях.

Давайте поговорим о трёх наиболее известных и перспективных разработках в этой отрасли.

Фотонные двигатели

На данный момент, это гипотетический двигатель для ракет, источником энергии для которого служит некое тело, излучающее мощный свет. Сами по себе фотоны имеют импульс, который теоретически мог бы создавать реактивную тягу. То есть фотонный двигатель может развить максимальную тягу из расчёта на затраченную массу космического аппарата, позволяя достичь скорости близкой к скорости света.

С этим двигателем много вопросов, в том числе, как найти некое вещество, излучающее свет с такой мощностью, как его удержать в необходимом русле, что должно послужить энергией для самого тела, излучающего столь мощный поток света.

Рассмотрим несколько из вариантов такого двигателя.

Аннигиляционный двигатель

Вопрос антивещества очень любим в научной фантастике, много исследований этому посвящено и у физиков.

Энтузиасты этой идеи считают, что взаимодействие вещества и антивещества позволяет перевести практически всю вступающую в реакции массу в излучение.

Следует отметить, что часто встречаемая в популярной литературе фраза о том, что при аннигиляции выделяются гамма-кванты, не совсем верна с точки зрения физики.

Гамма-кванты выделяются только при электрон-позитронной аннигиляции. Если же этот процесс в состоянии покоящийся пары протон-антипротон, тогда происходит сложная реакция – образование адронного мезоатома со временем существования 10 −27 секунды. Затем происходит распад этого атома с образованием пионного комплекса, состоящего из 2-12 нейтральных и заряженных пи-мезонов, затем в период времени, порядка 10 −17 секунд нейтральные пионы распадаются с выделением гамма-квантов с пиком энергии в спектре 70 МэВ, а заряженные пионы удаляются с околосветовыми скоростями из области реакции. Если это происходит в вакууме, то это 20-40 м, в плотном веществе, например, в графите – 0,1-0,2 м. следующий этап – распад с образованием мюонов, которые уже распадаются на нейтрино и электроны.

Другими словами, при аннигиляции антивещества мы увидим в ракетных двигателях некую магнитную ловушку для частиц. При такой невысокой массовой отдаче, около 23% эксплуатация фотонного двигателя становится невыгодной, если мы не используем внешние ресурсы.

Что это за внешние ресурсы?

В первую очередь – водород и гелий в космической среде, но тут возникает новая проблема, возможность получения этих веществ. Количество межзвёздного вещества в космической среде очень мало – около одного атома антиводорода и на 5×10 6 атомов обычного водорода антигелия.

И главная проблема, с которой мы сталкиваемся, говоря об аннигиляции – хранение и управление антивеществом, так как это очень мощный и нестабильный процесс.

Двигатель на магнитных монополях

В физике есть такая модель, которая получила название «модель Хоофта-Полякова». Согласно этой модели можно построить фотонный двигатель, который не использует антивещество, а катализирует распад протона на позитрон и пи-мезон с помощью магнитного монополя.

Какова основная проблема с этим двигателем?

Основная проблема – магнитный монополь частица гипотетичная, в реальности не найденная учёными. Теоритически она могла бы обладать ненулевым магнитным зарядом. Магнитный заряд является источником статистического магнитного поля так же, как электрический заряд является источником статического электрического поля.

Магнитный монополь можно представить как отдельный полюс длинного и тонкого постоянного магнита, но у магнитов два полюса, поэтому все известные элементарные частицы, обладающие электромагнитным полем, являются магнитными диполями.

Другими словами, о вышеуказанном двигателе можно было бы говорить в потенциальном ключе, если бы в мире существовал бы магнит только с одним полюсом.

Читать еще:  Устройство работа и обслуживание двигателя внутреннего сгорания

Двигатели на микроволнах

Главное верить в мечту. Наверное, таким принципом руководствуется британский инженер Роджер Шоуэр, который в начале 2000-х задумал разработать двигатель на микроволнах (EmDrive), создав для этого небольшую компанию.

Но Шоуэр не единственный, кто свято верит в появление подобного двигателя, так как первые упоминания о нём уже встречались в научно-популярной литературе.

По задумке EmDrive должен представлять собой конусообразный резонатор, на узком конце которого установлен мощный магнетрон – электронная лампа, генерирующая микроволны. Когда магнетрон работает, микроволны отражаются от резонатора, усиливаясь от одного конца к другому.

В результате такого процесса, создаётся едва заметный дисбаланс давлений, который и создаёт тягу, не требующую огромного количества топлива и безотходную.

Шоуэр утверждает, что благодаря непосредственному преобразованию электричества в тягу не происходит потери момента импульса. Англичанин утверждает, что это никак не будет нарушать законы Ньютона. Но тут возникает проблема – двигатель подобного принципа работы был уже сконструирован до Шоуэра, но его эффективность была равна нулю.

Почему двигатель оказался не эффективным?

Волны Шоуэра заперты внутри резонатора, то есть энергия не передаётся внешнему устройству. Чтобы стало понятнее, представим себе некое устройство, которое поднимает груз вверх, например, ракету или шатл. А теперь положите эту гипотетическую ракету или шатл внутрь груза. Или представьте, что вы пытаетесь подтолкнуть автомобиль сидя внутри.

Тем не менее, на разработку такого двигателя был выделен грант. И тут возникает вопрос, в связи с этим возник новый интерес к подобному двигателю.

В 2012 году китайские исследователи заинтересовались разработками Шоуэра. Китайцы построили свой аналол двигателя на микроволнах, после чего объявили, что получили с помощью него тягу, равную 72 кг.

Вместе с этим исследованием американец Гвидо Фетта продемонстрировал свой вариант микроволнового двигателя.

После испытаний обоих двигателей специалистами NASA появилась публикация, в которой фигурировало слово – «аномальное создание тяги». Казалось бы, новый двигатель найден, но всё оказалось не столь оптимистично.

Во-первых, испытания проводили пять человек из небольшого отдела, который занимается исследованием нестандартных моделей двигателя, таких как вечный двигатель и т.п. руководитель этого отдела Уайт известен своей скандальной репутацией и многочисленными фальсификациями. Поэтому пока что можно говорить лишь о том, что экспериментальная лаборатория провела предварительное испытание резонансного двигателя.

Кроме того, согласно отчёту Уайта, двигатель работает даже при неправильной установке, однако, согласно словам разработчика, энергия должна излучаться только с зауженной части двигателя.

Смутило физиков и использование таких терминов, как «квантовый ваккум виртуальной плазмы», на деле являющийся набором слов.

На сегодняшний момент исследования в этой области продолжаются, но пока реальных успехов подобный двигатель не добился.

Ионный двигатель

Его принцип заключается в создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, который разгоняется до высоких скоростей в электрическом поле.

Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет. Рабочим телом, как правило, является ионизированный газ, или ртуть.

Его главным недостатком является маленькая тяга, в сравнении с привычным химическим двигателем.

На сегодняшний день ионному двигателю принадлежит рекорд негравитационного ускорения аппарата Deep Space 1, который развил скорость на 4,3 км/с при массе 370 кг, израсходовав 74 кг ксенона. Другой аппарат Dawn набрал скорость уже 11,1 км/с.

Принцип работы такого двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей. На сегодняшний день для источника энергии, необходимой для ионизации используются солнечные батареи, что добавляет дополнительной массы аппарату.

Нейтральное топливо подаётся в двигатель, где бомбардируется высокоэнергетическими электронами и ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Электроны отфильтровываются в камере с помощью катодных сеток, притягивающих к себе частицы.

Ионы попадают между сетками, где разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль.

Главный недостаток подобных двигателей, на сегодняшний день – слабая тяга, то есть его не получиться использовать при долгой работе. Но, с другой стороны, есть возможность при достаточно долгой работе разогнать аппарат до скоростей, недоступных многим используемым двигателям.

Наука не стоит на месте, а технологии стремительно развиваются, поэтому, можно говорить о потенциальной возможности создания новых типов двигателей в ближайшем будущем.

Фотонный двигатель для космических кораблей принцип работы

Фотонная ракета работает за счет реакции аннигиляции вещество-антивещество. Продуктом ее является жесткое электромагнитное излучение (γ-кванты), поэтому скорость истечения рабочего тела равна с. Схематическое устройство фотонного корабля показано на рис. 1.15.1. При этом мы отвлекаемся от трудностей получения и хранения огромного количества антивещества: это проблемы конструкторов далекого будущего, с которыми, мы надеемся, они справятся (если сочтут необходимым создавать подобный корабль).

Рис. 1.15.1. Схема устройства фотонного корабля

Рассмотрим кинематические характеристики фотонного корабля. Пусть ракета в течение некоторого времени t движется с ускорением a , после чего двигатель выключается. Если в момент остановки двигателя отношение начальной массы к конечной равно μ, то путь, пройденный ракетой в ускоренном полете, будет равен

В конце этого пути ракета разовьет скорость V, определяемую выражением

При этом длительность полета на активном участке траектории (пока работает двигатель) по часам земного наблюдателя будет равна

Оговорка насчет часов земного наблюдателя неслучайна. Дело в том, что для космонавтов, движущихся с околосветовой скоростью, темп течения времени замедляется. Поэтому время ускоренного полета или длительность активного участка траектории в системе отсчета, связанной с движущимся кораблем, будет меньше, чем для земного наблюдателя. Оно выражается формулой

Релятивистское сокращение времени к моменту остановки двигателя составит

Для проведения численных расчетов удобно выражать время в годах, а расстояние в световых годах. Если при этом ускорение а выражено в м/с 2 , то приведенные формулы принимают вид

Параметры межзвездного полета с постоянным ускорением (замедлением) а = 10 см/с2

Дальность полета, св. годы

Полное время полета туда и обратно, годы

Полное массовое число μ 4

в системе неподвижного наблюдателя

в системе корабля

Пользуясь этими формулами, читатель сможет самостоятельно проверить результаты приводимых ниже расчетов.

Чем дольше работает двигатель фотонного корабля, тем выше скорость, развиваемая им в конце активного участка траектории. Поэтому при заданной дальности полета минимальное время достигается тогда, когда корабль ускоряется до половины пути, а затем начинает тормозиться с тем же ускорением (замедлением), так что в конце пути его скорость равна нулю. На обратном пути все повторяется в том же порядке. Параметры такого полета приведены в таблице 1.15.1.

Последняя строка в этой таблице соответствует границам наблюдаемой Вселенной. Как видно, фотонный корабль может за время жизни одного поколения космонавтов (τ t , затем двигатель выключается и дальнейшее движение корабля происходит по инерции со скоростью V, которая была достигнута в конце участка ускорения. Перед прибытием в пункт назначения включается тормозная установка, работающая с тем же ускорением (замедлением), которая гасит скорость корабля до нуля. Пусть ускорение на активном участке траектории а = 10 м/с 2 (ускорение свободного падения на Земле). И пусть массовое число μ в конце участка ускорения равно 10. Тогда скорость после выключения двигателей будет составлять V = 0,98 с; путь, пройденный кораблем в ускоренном полете, X = = 4 св. года; такой же путь будет пройден при замедлении. Следовательно, длина пути, который корабль пройдет в свободном полете, составит 1000 -2×4 = 992 св. года. Подсчитаем теперь время полета. По часам земного наблюдателя длительность ускоренного полета t = 5 лет, такова же длительность на участке торможения. Время свободного полета будет равно 992/0,98 = 1012 лет. Полное время полета туда составит 5 + 1012 + 5 = 1022 года, а время полета туда и обратно 2044 года. По часам космонавтов длительность ускоренного полета составит τ = 2,2 года. При скорости 0,98 с релятивистское сокращение времени Δτ/Δt = 0,2. Следовательно, длительность свободного полета по часам космонавтов составит 0,2 χ 1012 лет = 202 года. Полное время полета туда будет равно 2,2 + 202 + 2,2 = 206,4 года, а полет туда и обратно займет 413 лет. То есть в этом случае не удается завершить полет за время жизни одного поколения звездоплавателей. Заметим, что если массовое число на участке ускорения равно μ, то и на участке торможения оно тоже равно μ. Значит, полное массовое число при полете туда будет равно μ 2 , а при полете туда и обратно μ 4 ; в нашем примере μ 4 = 10 4 , таково отношение начальной массы корабля к конечной после выгорания всего топлива.

Читать еще:  Что может быть с двигателем когда согнет клапана

Пусть теперь дальность полета R по-прежнему равна 1000 св. лет, и пусть корабль ускоряется до половины пути, а затем тормозится до прибытия в точку назначения. Ускорение а = 10 м/с 2 . Длина пути на участке ускорения X = R/2 = 500 св. лет. Следовательно, μ = 10 3 , 1-V/c = 2 · 10 — 6 (!). Длительность ускоренного полета по часам земного наблюдателя 500 лет, полная длительность полета туда 1000 лет, а туда и обратно 2000 лет. По часам космонавтов время ускоренного полета 2,2 χ 3 = 6,6 лет, время замедленного полета тоже 6,6 лет, полное время полета туда 13 лет, а туда и обратно 26 лет. Значит, полет можно завершить при жизни одного поколения космонавтов. При этом в конце путешествия отношение начальной массы к конечной будет составлять μ 4 = 10 12 (!)

Рис. 1.15.2. Кинематическая схема полета космического корабля. Масштаб по осям не выдержан

Итак, при дальности полета 1000 св. лет полное массовое число равно 10 12 . Если полезная масса корабля составляет 100 тонн (что совсем немного для такого дальнего путешествия), то начальная масса должна равняться 10 14 тонн, это намного превышает общее количество массы, которое перерабатывает современная человеческая цивилизация. При дальности полета, сравнимой с размерами Галактик (100 тыс. св. лет) начальная масса становится равной 10 22 тонн, что превышает массу Земли. Если расстояние порядка 10 7 св. лет, что равно расстоянию до соседних галактик, то начальная масса будет превышать массу Солнца. Наконец, если мы хотим лететь к границам Вселенной, то потребуется начальная масса корабля, превышающая массу Галактики! При этом не следует забывать, что надо еще произвести соответствующее количество антивещества!! Цена оказывается непомерно велика. Вероятно, дальние межзвездные путешествия на расстояние, превышающее 1000 св. лет, с помощью фотонного корабля все-таки невозможны.

Об этом свидетельствуют и энергетические характеристики полета с околосветовыми скоростями. Для фотонной ракеты удельная мощность двигателя, т. е. мощность, приходящаяся на единицу начальной массы, равна

При ускорении g (ускорение свободного падения на Земле) удельная мощность составляет 3 ∙ 10 6 Вт/г. Это фантастически большая величина! Такую удельную мощность имела бы крупная электростанция (типа Днепрогэса), если бы она весила 200-300 г. Постараемся представить, что это означает применительно к межзвездным путешествиям.

Пример 2. С. Хорнер приводит следующий поучительный пример. Пусть межзвездный корабль, полезная масса которого составляет Ют, движется с ускорением g, вплоть до достижения скорости 0,98 с. Масса аннигиляционных установок и излучателей тоже равна 10 т. Как мы видели, для достижения скорости 0,98 с необходимо массовое число μ= 10. Следовательно, начальная масса ракеты должна составлять 200 т. При этом полная мощность двигателей будет равна 6-10 14 Вт. Это приблизительно в 100 раз превышает современное энергопотребление по всему земному шару. Предположим, как это делает фон Хорнер, что каждая аннигиля-ционная установка имеет мощность 15 МВт (приблизительно такова мощность судового реактора), а каждый излучатель имеет мощность 100 кВт. Тогда потребуется 40 млн таких аннигиляционных установок и 6 млрд излучателей. И все эти 40 млн аннигиляционных установок и 6 млрд излучателей должны весить всего 10 тонн! Только при этих условиях ракета может двигаться с ускорением g и спустя 2,2 года достичь скорости 0,98 с. Если же мы хотим на такой ракете совершить путешествие туда и обратно, то полное массовое число μ 4 = 10 4 . Начальная масса ракеты будет составлять 2 · 10 5 т, полная мощность 6 · 10 17 Вт, что в несколько раз превышает энергию, получаемую Землей от Солнца. В этом случае уже потребуется 40 млрд аннигиляционных установок мощностью 15 МВт каждая и 600 млрд излучателей мощностью 1 МВт. И все это по-прежнему должно весить 10 т.
При полете к удаленным областям Галактики, на расстояние порядка 10 5 св. лет, как можно видеть из табл. 1.15.1, полное массовое число должно равняться 10 20 , при этом мощность двигателей весом 10 τ должна превысить энергетический выход десяти миллионов Солнц!

Можно было бы сказать, что это трудности количественного порядка. Но они столь велики, что, как справедливо подчеркивает Шкловский, явно перерастают в качественные.

Помимо энергетических проблем существуют и другие трудности, с которыми сопряжен полет фотонного корабля. Одна из них связана со столкновением корабля с частицами межзвездной пыли. Несмотря на микроскопические размеры пылинок, столкновение даже с одной из них при околосветовой скорости корабля может иметь катастрофические последствия. А ведь корабль при полете к ближайшим звездам должен испытать 10 10 столкновений на 1 кв. м поверхности лобового сечения. И здесь вряд ли поможет ионизация пылинок и отклонение их мощным магнитным полем, как предлагалось в некоторых проектах.

Наконец, существует еще одно важное обстоятельство, на которое обратил внимание Э. Парселл. Выше мы видели, какая гигантская мощность выделяется при полете фотонной ракеты. Но ведь это не «безобидный» поток энергии — это жесткое γ-излучение, губительное для жизни. И поток его направлен в сторону Солнечной системы. Так что возникает проблема защиты и не только экипажа, а Земли и даже всей Солнечной системы!

Все это указывает на то, что полеты с околосветовыми скоростями, которые требуются, чтобы космонавты могли за время своей жизни достигнуть любых самых удаленных уголков Вселенной и вернуться обратно, по-видимому, вряд ли возможны. «Вопреки мнению писателей фантастов, — пишет И. С. Шкловский, — межзвездные фотонные ракеты, движущиеся с релятивистской скоростью, вероятнее всего, никогда не будут построены». Означает ли это что межзвездные путешествия невозможны?

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector