Межзвёздные полёты

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Межзвёздные полёты — путешествия между звёздами пилотируемых аппаратов или автоматических станций. Полеты на звездолётах занимают существенное место в научной фантастике. 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. Станций, чьей прямой миссией был бы полёт до ближайших звёзд, на начало XXI века не существует.

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.Содержание

1 Проекты межзвездных экспедиций

1.1 Проект «Орион»

1.2 Проект «Дедал»

1.3 Проекты звездолётов, движителем которых является давление электромагнитных волн

1.4 Аннигиляционные двигатели

1.5 Прямоточные двигатели, работающие на межзвёздном водороде

1.6 Корабли поколений

1.7 Сверхсветовое движение

2 Примечания

3 См. также

4 Источники

Проекты межзвездных экспедиций

Проект «Орион»

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 звездолётов («кораблей поколений»), способных добраться до звезды Альфа Центавра за 1800 и 130 лет соответственно.

Проект «Дедал»

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. [1]

Ракетный корабль по проекту «Дедал» оказался таким громадным, что строить его пришлось бы в открытом космосе. Она должна была весить 54 000 т (почти весь вес — ракетное топливо) и могла 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 движителем, привели к тому, что проект «Дедал» также был отложен на неопределенное время.Звездолеты. Звездные двигатели

Проекты звездолётов, движителем которых является давление электромагнитных волн

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»[2].

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.

Аннигиляционные двигатели

Скорость движения обычных ракет существенным образом зависит от скорости истечения рабочего тела. Обычные химические реакции, известные на текущий момент, не позволяют достичь скоростей истечения, необходимых для разгона ракеты 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.

Основными проблемами, которые выделяются учёными и инженерами, анализировавшими конструкции аннигиляционных ракет (англ.), являются получение нужного количества антивещества, его хранение, а также фокусировка потока частиц в нужном направлении. Указывается, что современное состояние науки и техники даже теоретически не позволяет создавать подобные конструкции.

Прямоточные двигатели, работающие на межзвёздном водороде

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

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.

Корабли поколений

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.

Сверхсветовое движение

Основная статья: Сверхсветовое движение

В научно-фантастических произведениях нередко упоминаются методы межзвёздных перелётов, основанные на перемещении в пространстве быстрее скорости света в вакууме. Хотя специальная теория относительности Эйнштейна говорит о невозможности такого перемещения, существует несколько теорий, говорящих о существовании возможности «обойти» это ограничение (например, за счёт использования так называемых «кротовых нор»).

Звездолёт «Орион»

Автор: А. Хороших

Введение

Полёт к звёздам был для человека всегда мечтой, зачастую – мечтой жизни. Но для конструкторов это ещё был и вызов. Астрономы доказали, что полёт до звезд со скоростями, достижимыми с помощью имеющихся у нас средств, уйдут тысячи и миллионы лет. Именно поэтому большинство учёных и инженеров, зная об этом препятствии на пути межзвёздного полёта, заявляет, что он принципиально невозможен, по крайней мере, в ближайшее время.

Но всегда найдется человек, которому даже миллионы миллиардов кубических километров Солнечной системы покажутся тесной тюремной камерой и который пожелает выйти на просторы Галактики. В результате мысль такого человека ищет способ межзвёздного передвижения, с одной стороны, достаточно быстрый, а с другой – достаточно простой, такой, который можно использовать прямо сейчас.

Как мы знаем, расстояния между ближайшими звёздами измеряются световыми годами, диаметр нашей Галактики – около 100.000 световых лет, а расстояния между галактиками – порядка миллионов световых лет. Конечно же, прежде всего стоит освоить ближайшие звёзды, поэтому все конструкторы, даже самые отчаянные, рассчитывают только на полёт к ним.

Если вспомнить историю космонавтики, то можно прийти к выводу, что человек отдалялся от своего дома – планеты Земля – на расстояние, чуть большее 1 световой секунды, когда астронавты совершали полёт к Луне (а расстояние до неё равно 384.000 км). Но в году примерно 31.536.000 секунд, т. е. во столько раз дальше звёзды, чем то расстояние, которое пролетел человек!!! Настолько трудна эта задача.

Если посчитать необходимую скорость для путешествия до ближайшей звезды (Альфа Центавра) туда и обратно за срок человеческой жизни (скажем, за 40 лет – ведь человек должен полететь вполне взрослым, а вернуться живым!), то получим, что скорость полёта должна составлять 107.000 км/с!!! Т. е. 1/3 от скорости света! А на настоящий момент достигнута лишь скорость 16,2 км/с, т. е. примерно 6,5 тысяч раз меньшая!

А ведь проблема межзвёздного перелёта этим не исчерпывается. Есть ещё проблема защиты корабля от метеоров, а на больших скоростях – и от радиации, появляющейся при столкновении атомов межзвёздной среды с кораблём. Ясно, что в полёте длиной десятки и сотни лет должна применяться замкнутая система жизнеобеспечения, т. е. должна быть создана искусственная биосфера! Естественно, решения этих проблем пока нет, есть лишь идеи.

Столь длинное введение имеет лишь одну цель: показать, насколько сложен и опасен межзвёздный перелёт, насколько он абсурден с позиций современной техники. Но проекты звездолётов есть. И одним из таких проектов, технологии которого известны уже сейчас, является проект «Орион».

Принцип действия звездолёта «Орион»

На этом сайте я уже рассказывал о проекте «Орион». Пожалуй, этот проект можно назвать одной из удивительнейших технических идей на свете, так как для достижения сложнейших целей, таких как планеты Солнечной системы и даже звёзды, предлагается метод, возможность осуществления которого есть уже по крайней мере, с начала 70-х годов.

Итак, в чём же состоит принцип действия «Ориона»? Проект «Орион» заключается в создании принципиально нового транспортного средства, по сути являющегося ядерно-импульсной ракетой. Согласно рис. [1], принцип действия у «Ориона» был следующий: из космического аппарата, в направлении, противоположном полёту, выбрасывался небольшой ядерный заряд и взрывался. Часть продуктов деления, летящая в сторону корабля, попадала на тяговую плиту, ударяя в неё (см. рис. 1). Удар компенсировался амортизаторами. Дополнительная тяга создавалась за счёт абляции (испарения) покрытия тяговой плиты под воздействием гамма- и рентгеновских лучей.

Рис. 1

Согласно рис. [2], впервые идею «Ориона» предложили Станислав Улам и Корнелиус Эверетт в Лос-Аламосе в 1955 году. Их концепция заключалась в следующем: взрывы водородных бомб, выбрасываемых из корабля, вызывали абляцию экрана и как результат – ускорение корабля. Тейлор, создатель американской водородной бомбы развил этот проект далее. Зимой 1957 года Тейлор работал в компании Дженерал Атомикс. Фримен Дайсон, работавший в Принстоне, согласился продолжить вместе с ним разработку этого проекта.

Таким образом, в создании проекта «Орион» участвовали многие учёные, создавшие атомное оружие для США.

Разработки звездолётов по проекту «Орион»

Всего было спроектировано две модификации звездолёта «Орион». Первая из них (см. рис. 2) имела массу 40.000.000 тонн и должна была достичь Альфы Центавра за 1800 лет. Согласно [2], он имел следующие параметры:

— стартовая масса — 40.000.000 тонн

— масса после разгона — 10.000.000 тонн

— количество используемых зарядов — 30.000.000

— диаметр тяговой плиты — 20 км, материал — медь

— экипаж — 20.000 человек

Рис. 2

Перед каждой из этих цифр можно поставить несколько восклицательных знаков, хотя это относится ко всему проекту «Орион». Был и менее радикальный проект звездолёта «Орион» (см. рис. 3). Он был меньше и в то же время быстрее своего собрата. В [2] указаны следующие его характеристики:

— масса на старте — 500.000 тонн

— масса после разгона — 100.000 тонн

— количество используемых зарядов — 300.000

— диаметр тяговой плиты — 400 метров

Согласно [3], корабль должен был стартовать с Земли, с атомного полигона Джекесс Флэтс (Jackass Flats), в Неваде. Корабль планировалось расположить на опорах высотой в 76 метров для защиты от ударной волны, образующейся при ядерном взрыве. Скорость полета корабля — 10000 км/с (для сравнения: самый быстрый аппарат, созданный человеком это New Horizons, разогнанный ракетой «Атлас V» вариант 551 до скорости 16,2 км/с), что позволило бы достичь Альфы Центавра в десять раз быстрее, чем предыдущий проект, всего за 130 лет. Не менее удивительной была и цена запуска 1 килограмма груза, всего 150$. Стоит напомнить, что в настоящий момент цена запуска одного килограмма полезного груза исчисляется десятками тысяч долларов.

Рис. 3

Сравнение звездолётов «Орион» и «Дедал»

По сути своей, звездолёт «Орион» является взрыволётом. Но нам известен и другой звездолёт, двигатель которого работает на взрыве, это «Дедал». Принцип действия его двигателя следующий: в центр полусферической камеры из бака с топливом инжектируется сферический заряд из смеси дейтерий+гелий-3. На него направляются пучки электронов, которые его сжимают и разогревают до такой степени, что начинается термоядерная реакция. В результате в центре камеры происходит термоядерный взрыв. Он сдувает магнитное поле, наведённое электромагнитами, в камеру. Катушки отбора энергии забирают часть энергии взрыва и передают её электромагнитам. В результате магнитное поле усиливается и плазму выбрасывает из двигателя.

Для сравнения выберем вторую модификацию «Ориона», более быструю. Будем сравнивать по следующим критериям: скорость; наличие отработанных технологий; сложность создания; масштабность (т. е. масса на старте, геометрические размеры).

Итак, согласно [3] скорость «Дедала» была равна 12% скорости света, т. е. 36.000 км/с. Скорость же «Ориона» была около 1000 км/с. Т. е. эти две величины существенно различались.

Также «Орион» и «Дедал» сильно разняться по наличию технологий. «Орион» не требователен к технологиям, многие из них уже созданы. Единственная трудность – это отсутствие опыта постройки таких масштабных конструкций (проблемы обеспечения жизнедеятельности мы не рассматриваем). «Дедал» же требует освоения термоядерного синтеза, правда, физики утверждают, что скоро это станет возможным. Также не освоена реакция дейтерий+гелий-3: в настоящий момент в экспериментальных установках «зажигается» смесь дейтерий-тритий, требующая температуры 100.000.000. градусов. Для «зажигания» пары дейтерий+гелий-3 требуется температура в 20 раз больше!

Также, «Дедал» сложно создать потому, что его постройка планируется на орбите Юпитера, так как именно в атмосфере этой планеты планируется добыча гелия-3. Конечно же, построить корабль на Земле, с использованием уже имеющихся технологий легче.

Если же сравнивать масштабность проектов, то «Орион» явно в проигрыше: масса «Дедала» на старте в 10 раз меньше! А это, конечно, удешевляет и упрощает строительство.

Как видим, ни один из кораблей не имеет решающих преимуществ. Но всё же хочется отметить: проект «Орион» позволяет достичь цели с имеющимися средствами, не производя дополнительных работ. Так что, если потребуется срочный полёт в другую звёздную систему, то именно «Орион» может решить эту задачу.

Заключение

Может сложиться впечатление, что первым звездолётом, отправившимся к другой звезде, будет именно «Орион». Но это, конечно, не очевидно. Во-первых, потребуется увеличить производство ядерных зарядов. Естественно, что большинство людей будет против этого, ведь необходимо произвести несколько сотен тысяч бомб (порядка 300.000).

Во-вторых, общественность будет против запуска «Ориона» с земли, что чревато выбросом в атмосферу большого количества ядерных материалов. Сборка же «Ориона» вне Земли, скажем, на Луне, также потребует большого количества запусков, которые могут нанести вред атмосфере Земли.

В-третьих, не известно, как будут развиваться наука и техника, вполне возможно, что в них произойдёт прорыв в области термоядерных технологий. Тогда создание «Дедала» может стать предпочтительным. Также возможно (хотя и маловероятно) открытие нереактивного способа полёта. Это может быть телепортация, полёт в гиперпространстве, а может что-то ещё. В любом случае, будущее при современных темпах развития предугадать будущее, даже ближайшее, сложно, а подчас – невозможно.

Использованная литература:

1. Отчёт Дженерал Динамикс «Nuclear pulse space vehicle study» (в каталоге NASA № 19770085619_1977085619)

2. Сайт www.astronautix.com

3. Сайт www.bisbos.com/rocketscience