Rumfart ved hjælp af konstant acceleration - Space travel using constant acceleration

Konstant acceleration er et foreslået aspekt af de fleste fremtidige former for rumrejser . Det indebærer, at fremdriftssystemet vil fungere kontinuerligt med en konstant acceleration frem for de korte impulsive tryk, som kemiske raketter anvender- i første halvdel af rejsen skubber det konstant rumfartøjet mod dets bestemmelsessted og for den sidste halvdel af rejsen bruger konstant backthrust, så rumskibet ankommer til destinationen med stilstand.

Drev med konstant acceleration

Konstant acceleration er bemærkelsesværdig af flere årsager:

• Det er en hurtig rejseform. Når ergonomi overvejes, er de den hurtigste form for interplanetarisk og interstellar rejse .
• Konstant acceleration skaber sin egen kunstige tyngdekraft til gavn for passagererne, som dermed kan undværes fra at skulle håndtere virkningerne af mikrogravitation .

Konstant tryk mod konstant acceleration

Konstant fremdrift og konstant accelerationsbaner involverer rumfartøjet, der affyrer sin motor i en langvarig konstant forbrænding. I det begrænsende tilfælde, hvor køretøjets acceleration er høj i forhold til den lokale gravitationsacceleration, nærmer banen sig en lige linje. Rumfartøjet peger lige mod målet (tegner sig for målbevægelse) og accelererer konstant under høj tryk, indtil det når sit mål. Hvis det er påkrævet, at rumfartøjet mødes med målet i stedet for at udføre en flyby, skal rumfartøjet vende sin orientering halvvejs gennem rejsen og bremse resten af ​​vejen.

I banen med konstant tryk stiger køretøjets acceleration i løbet af trykperioden, da brændstofforbruget betyder, at køretøjets masse falder. Hvis køretøjet i stedet for konstant fremdrift har konstant acceleration, skal motorkraften falde under banen.

Interstellar rejse

Dette plot viser et skib, der er i stand til 1- g (10 m/s ² eller ca. 1,0 ly/y ² ) "filt" eller korrekt acceleration kan nå langt, bortset fra problemet med at accelerere drivmiddel ombord.

Over interstellare afstande vil et rumskib, der anvender betydelig konstant acceleration, nærme sig lysets hastighed, så særlige relativitetseffekter som tidsudvidelse (forskellen i tidsstrøm mellem skibstid og planettid) bliver vigtige.

Udtryk for tilbagelagt afstand og forløbet tid

Hvor langt man rejser og oplever konstant acceleration fra Jordens synspunkt som funktion af den rejsendes tid udtrykkes ved koordinatafstanden x som en funktion af korrekt tid τ ved konstant korrekt acceleration a . Det er givet af:

${\ displaystyle x (\ tau) = {\ frac {c^{2}} {a}} \ venstre (\ cosh {\ frac {a \ \ tau} {c}}-1 \ højre),}$

hvor c er lysets hastighed .

Under de samme omstændigheder angives den tid, der er gået på Jorden ( koordinattiden ) som en funktion af den rejsendes tid af:

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

Gennemførlighed

En stor begrænsende faktor for konstant acceleration er at have nok brændstof. Konstant acceleration er ikke mulig, medmindre den specifikke impuls til brændstof (brændstofets brændstofeffektivitet ) bliver meget højere.

Der er to brede kategorier for måder at løse dette problem på: den ene er brændstof med højere effektivitet (motorkøretøjets tilgang), og den anden henter fremdrivningsenergi fra miljøet, når skibet passerer gennem det (sejlskibets tilgang). To muligheder for motorskibsmetoden er atom- og stof -antimateriebaserede brændstoffer. En mulighed for sejlskibstilgangen er at opdage noget, der svarer til parallelogrammet af kraft mellem vind og vand, som gør det muligt for sejl at drive et sejlskib.

At hente brændstof undervejs - ramjet -tilgangen - vil miste effektivitet, da rumfartøjets hastighed stiger i forhold til planetreferencen. Dette sker, fordi brændstoffet skal accelereres til rumskibets hastighed, før dets energi kan udvindes, og det vil reducere brændstofeffektiviteten dramatisk.

Et relateret problem er træk. Hvis rumfartøjet i nærheden af ​​lyshastighed interagerer med stof eller energi, der bevæger sig langsomt i planetarisk referenceramme-solvind, magnetfelter, kosmisk mikrobølge baggrundsstråling-vil dette forårsage træk, der vil udbløde en del af motorens acceleration.

Et andet stort problem for skibe, der anvender konstant acceleration til interstellare rejser, kolliderer med stof og stråling undervejs. I midten af ​​rejsen vil enhver sag, skibet rammer, påvirke ved nær lyshastighed, så virkningen vil være dramatisk.

Interstellare rejsehastigheder

Hvis et rumskib anvender konstant acceleration over interstellare afstande, vil det nærme sig lysets hastighed for den midterste del af sin rejse set fra planetarisk referenceramme . Det betyder, at relativitetens virkninger bliver vigtige. Den vigtigste effekt er, at tiden ser ud til at passere med forskellige hastigheder i skibets ramme og planetrammen, og det betyder, at skibets hastighed og rejsetid vil se anderledes ud i de to rammer.

Planetarisk referenceramme

Fra planetarisk referenceramme vil skibets hastighed synes at være begrænset af lysets hastighed - det kan nærme sig lysets hastighed, men aldrig nå det. Hvis et skib anvender 1 g konstant acceleration, ser det ud til at være nær lysets hastighed på cirka et år og har tilbagelagt cirka et halvt lysår i afstand. For midten af ​​rejsen vil skibets hastighed være nogenlunde lysets hastighed, og det vil bremse igen til nul over et år ved afslutningen af ​​rejsen.

Som tommelfingerregel vil rejsetiden, målt på Jorden , være afstanden i lysår til destinationen plus 1 år for en konstant acceleration ved 1 g ( jordens tyngdekraft ) . Denne tommelfingerregel giver svar, der er lidt kortere end det nøjagtigt beregnede svar, men rimelig nøjagtigt.

Skibets referenceramme

Plot af hastighedsparametre og tidspunkter på den vandrette akse, kontra position på den lodrette akse, for en accelereret dobbelt rundtur til en destination med Δx _AB = 10c ² /α ~ 10 lysår væk, hvis α ~ 9,8 m /s ² .

Fra referencerammen for dem på skibet vil accelerationen ikke ændre sig, når rejsen fortsætter. I stedet vil den planetariske referenceramme se mere og mere relativistisk ud. Det betyder, at rejsen for skibsfolk på skibet ser ud til at være meget kortere end hvad planetariske observatører ser.

Ved en konstant acceleration på 1 g kunne en raket rejse diameteren på vores galakse om cirka 12 år skibstid og cirka 113.000 år planetarisk tid. Hvis den sidste halvdel af turen indebærer deceleration ved 1 g , ville turen tage omkring 24 år. Hvis turen blot går til den nærmeste stjerne, med deceleration den sidste halvdel af vejen, ville det tage 3,6 år.

I fiktion

Tau Zero , en hård science fiction -roman af Poul Anderson , har et rumskib, der bruger et konstant accelerationsdrev.

Den rumfartøj af George O. Smith 's Venus ligesidet historier er alle konstant acceleration skibe. Normal acceleration er 1 g , men i "The External Triangle" nævnes det, at accelerationer på op til 5 g er mulige, hvis besætningen er bedøvet med gravanol for at modvirke virkningerne af g -belastningen.

Rumfartøjer i Joe Haldemans roman The Forever War gør omfattende brug af konstant acceleration; de kræver omfattende sikkerhedsudstyr for at holde deres beboere i live ved høj acceleration (op til 25 g ) og accelerere med 1 g, selv når de er "i ro" for at give mennesker et behageligt tyngdekraftsniveau.

I det kendte rumunivers, konstrueret af Larry Niven , bruger Jorden konstante accelerationsdrev i form af Bussard ramjets til at hjælpe med at kolonisere de nærmeste planetsystemer . I den ikke-kendte rumroman A World Out of Time "tager" Jerome Branch Corbell (for sig selv) en ramjet til Galactic Center og sender tilbage i 150 år tid (det meste i kold søvn), men 3 millioner år passerer på Jorden.

I The Sparrow , af Mary Doria Russell , opnås interstellar rejse ved at konvertere en lille asteroide til et konstant accelerations rumfartøj. Kraft påføres af ionmotorer fodret med materiale, der udvindes fra selve asteroiden.

I serien Revelation Space af Alastair Reynolds afhænger interstellar handel af "lighthugger" -skibe, der kan accelerere på ubestemt tid ved 1 g , hvilket afløste antimateriedrevne konstante accelerationsdrev. Virkningerne af relativistiske rejser er et vigtigt plotpunkt i flere historier, der f.eks. Oplyser psykologierne og politikken for lighthuggers '"ultranaut" besætninger.

I den hidtil ukendte 2061: Odyssey Tre af Arthur C. Clarke , rumskibet universet , ved anvendelse af en muon-katalyseret fusion raket , er i stand til konstant acceleration på 0,2 g under fuld drivkraft. Clarkes roman " Imperial Earth " har et "asymptotisk drev", der anvender et mikroskopisk sort hul og brintdrivmiddel, for at opnå en lignende acceleration, der bevæger sig fra Titan til Jorden.

De UET og skjulte verdener rumskibe af FM Busby 's Rissa Kerguelen saga udnytte en konstant acceleration drev, der kan accelerere med 1 g eller endda en smule mere.

Skibe i Expanse -serien af James SA Corey gør brug af konstante accelerationsdrev, som også giver kunstig tyngdekraft for beboerne.

I The Martian , af Andy Weir , bruger rumskibet Hermes et konstant VASIMR -drev til at transportere astronauter mellem Jorden og Mars . I Project Hail Mary , også af Andy Weir , bruger hovedpersonens rumskib et konstant 1,5 g accelerationsspindrev til at rejse mellem solsystemet og 40 Eridani .

Referencer