Межзвёздный полёт

Межзвёздный полёт — путешествие между звёздами космических пилотируемых кораблей или автоматических станций, которые, таким образом, могут именоваться звездолётами.

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 межпланетные 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 создано. Во второй поповине XX века существовали проекты разработки пилотируемых межзвёздных кораблей «Орион» и «Дедал» на ядерной тяге. Их продолжением стали современные проекты ядерных звездолётов Longshot и «Икар». В 2011 году DARPA совместно с НАСА объявили о начале концепутального проекта «Через 100 лет к звёздам», целью которого является осуществление пилотируемого полёта к другим звёздным системам. По словам Поля Ерёменко, координатора проекта в DARPA, целью данного проекта является не постройка космического корабля, а стимулирование нескольких поколений учёных на исследования 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. В 2016 году инициирован частный проект Breakthrough Starshot по созданию сверхмалых автоматических межзвёздных аппаратов, использующих световой парус и разгон сверхмощной лазерной установкой, для посылки к звездной системе Альфа Центавра, удаленной на 4,37 световых лет от Земли, со скоростью до 20% скорости света и временем полёте около 20 лет.

Полёты на звездолётах занимают существенное место в научной фантастике.

Кинематика межзвёздных полётов

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:

$\int \limits _{0}^{t}{\sqrt {1-\mathbf {u} ^{2}(t)/c^{2}}}\cdot dt,$

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:

$\tau _{0}={\frac {2c}{a}}\,\ln \left[{\frac {a\tau _{1}}{c}}+{\sqrt {1+\left({\frac {a\tau _{1}}{c}}\right)^{2}}}\right]+{\frac {\tau _{2}}{\sqrt {1+(a\tau _{1}/c)^{2}}}}={\frac {2c}{a}}\,\operatorname {arcsinh} {\frac {a\tau _{1}}{c}}+{\frac {\tau _{2}}{\sqrt {1+(a\tau _{1}/c)^{2}}}},$

где $\operatorname {arcsinh}$ — гиперболический арксинус.

Если корабль разгоняется до середины расстояния $S$ до цели, а затем тормозится, то полное корабельное время полета до цели в одном направлении равно:

$T_{k}={\frac {2c}{a}}\cosh ^{-1}(1+{\frac {aS}{2c^{2}}})$

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 40 лет собственного времени такой космический корабль побывает в центре Галактики, за 52 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).

Сверхсветовое движение

Основная статья: Сверхсветовое движение

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». Сверхсветовое движение должен позволить теоретический варп-двигатель.

Корабли поколений

Основная статья: Корабль 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.

Энергия и ресурсы

При движении космического корабля с околосветовой скоростью протоны межзвёздного газа Галактики (плотность один протон на кубический сантиметр) превратятся в пучок, направленный против направления полета корабля, с энергией $10^{9}$ Эв и плотностью потока $10^{10}$ частиц на квадратный сантиметр в секунду (на поверхности Земли интенсивность космического излучения составляет всего $2$ частицы на квадратный сантиметр в секунду). Как обеспечить защиту экипажа корабля от такого излучения, неизвестно.

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.

Для движения корабля с околосветовыми скоростями, его двигатели должны иметь мощность порядка мощности светового излучения Солнца $3*10^{26}$ Вт.

Внешний источник энергопитания

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. Существуют проекты использования межзвёздного водорода, солнечного (светого) или ионного паруса в сочетании с лазерным давлением и т.д.

Двигатели и движители для межзвёздных полётов

Для межзвездного полета пригодны не все типы двигателей. Так электрический ракетный двигатель имеет характеристическую скорость в размере 100 км/с, что слишком медленно для полета к далеким звездам за приемлемый срок. Пригодность различных типов двигателей для межзвёздных полётов в частности была рассмотрена на заседании Британского межпланетного общества в 1973 г. доктором Тони Мартином (Tony Martin).

Двигатели на управляемых ядерных процессах

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, 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.

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.

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.

Cовременные проекты ядерных звездолётов

Технологические идеи ранних проектов ядерных звездолётов использованы в современных проектах термоядерных межзвёздных кораблей «Икар (Icarus)» и Longshot.

Движители на давлении электромагнитных волн

См. также: Солнечный парус

Солнечный (световой) парус считается самым перспективным и реалистичным на сегодняшний день вариантом межзвёздного аппарата, который может быть реализован на имеющихся сегодняшних технологиях.

Преимуществом парусника является отсутствие топлива на борту. Его недостатком является невозможность использования паруса для торможения или 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 энергии для установки в пункте назначения, что фактически сводит на нет все преимущества парусника).

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».

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.

Парус, разгоняемый лазерным двигателем используется в современном проекте автоматических межзвёздных зондов Breakthrough Starshot.

Аннигиляционные двигатели

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.

В случае, когда скорость истечения рабочего вещества реактивного двигателя равна скорости света, число Циолковского $z={\frac {m_{0}}{m_{k}}}$ определяется по формуле $z={\sqrt {\frac {1+{\frac {v_{0}}{c}}}{1+{\frac {v_{k}}{c}}}}}$. Отсюда следует, что для достижения скорости в $0,9c$, число Циолковского должно быть равно $4,36$.

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 с подобными двигателями являются получение нужного количества антивещества, а также его хранение. По состоянию на май 2011 года рекордное время хранения атомов антиводорода составило 1000 секунд (~16,5 минут). По оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов.

Прямоточные двигатели на межзвёздном водороде

Основная статья: Двигатель Бассарда

Основная составляющая массы современных ракет — это масса топлива, требуемого ракете для разгона. Если удастся каким-нибудь образом использовать в качестве рабочего тела и топлива окружающую среду, можно значительно уменьшить массу межзвёздного аппарата и достичь за счёт этого больших скоростей движения даже при использовании топливно-ракетного двигателя.

Для предложенного такого водородного прямоточного ракетного 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.

В 1960-е годы 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.

Вывод

Допустим, экран уловил 4 атома водорода. При работе термоядерного реактора четыре протона превращаются в одну альфа-частицу, два позитрона и два нейтрино. Для простоты пренебрежём нейтрино (учёт нейтрино потребует точного расчёта всех стадий реакции, а потери на нейтрино составляют около процента), а позитроны проаннигилируем с 2 электронами, оставшимися от атомов водорода после изъятия из них протонов. Ещё 2 электрона пойдут на то, чтобы превратить альфа-частицу в нейтральный атом гелия, который благодаря полученной от реакции энергии будет ускорен в сопле двигателя.

Итоговое уравнение реакции без учёта нейтрино:

41
1H → 4
2He + (4m_H − m_He)c² (≈27 МэВ)

Пусть корабль летит со скоростью v. При улавливании четырёх атомов водорода в системе отсчёта корабля теряется импульс:

$P_{1}={\frac {4m_{H}v}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$

Теоретически достижимый импульс, с которым корабль может запустить атом гелия, можно получить из известного релятивистского соотношения между массой, энергией и импульсом:

$E_{He}^{2}/c^{2}-P_{2}^{2}=m_{He}^{2}c^{2}$

Энергия атома гелия (включая энергию покоя) не может превышать сумму масс четырёх атомов водорода, умноженную на квадрат скорости света:

$E_{He\,max}=4m_{H}c^{2}$

Отсюда квадрат максимально достижимого импульса атома гелия:

$P_{2}^{2}=(4m_{H})^{2}c^{2}-m_{He}^{2}c^{2}$

Если корабль в результате улавливания и утилизации четырёх атомов водорода не ускорился и не замедлился, значит, импульс, потерянный при их улавливании, равен импульсу, приобретённому в результате выброса атома гелия из сопла.

$P_{1}=P_{2}$

$P_{1}^{2}=P_{2}^{2}$

${\frac {(4m_{H})^{2}v^{2}}{1-v^{2}/c^{2}}}=(4m_{H})^{2}c^{2}-m_{He}^{2}c^{2}$

${\frac {v^{2}/c^{2}}{1-v^{2}/c^{2}}}=1-\left({\frac {m_{He}}{4m_{H}}}\right)^{2}$

${\frac {v}{c}}={\sqrt {\frac {1-\left({\frac {m_{He}}{4m_{H}}}\right)^{2}}{2-\left({\frac {m_{He}}{4m_{H}}}\right)^{2}}}}\approx 0,119$

Фотонный двигатель на магнитных монополях

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 на позитрон и π⁰-мезон:

$p\rightarrow e^{+}+\pi ^{0}$

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.

Ионные двигатели

Основная статья: Ионный двигатель

Ионные двигатели уже используются в некоторых космических аппаратах (например, в КА «Рассвет»). Ионные двигатели используют электрическую энергию для создания в топливе (обычно ксенон) заряженных частиц, которые затем ускоряются. Выхлопная скорость частиц от 15 до 35 километров в секунду.

В 1994 году предложил проект межзвёздного ионного зонда, который получал бы энергию от лазерного луча на станции. Такой двигатель по сравнению с лазерно-световым парусом потреблял бы на 19 ГВт меньше, будучи при этом в полтора раза сильнее. На данный момент этот проект неосуществим: двигатель должен иметь скорость истечения 0.073 с (удельный импульс 2 миллиона секунд), при этом его тяга должна достигать 1570 Н (то есть 350 фунтов). В данный момент эти показатели недостижимы.

Системы торможения

Не намного меньшую, чем при разгоне, проблему представляет собой торможение межзвёздных кораблей, набравших сверхвысокие сокрости. Предложены несколько способов:

1. Торможение на внутренних источниках — ракетное

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

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

См. также

• Новые горизонты
• Список ближайших звёзд
• Звездолёт
• Варп-двигатель
• Межпланетные полеты

Литература

• Колесников, Юрий Вениаминович. Вам строить звездолёты. — М., 1990. — 207 с. — ISBN 5-08-000617-X.
• Левантовский В. И. Механика космического полета в элементарном изложении. — М.: Наука, 1970. — 492 с.

Ссылки

• Сборник ссылок на статьи о межзвездных полетах
• Как защитить космических путешественников
• Цвет растений на других планетах
• Interstellar Ark Mission Architectures and Various Feasibility Issues
• Галактическая энциклопедия — 2. Помощь со звёзд Лекция о межзвёздных полётах, об ускорении на 100 км/сек возле звезд
• 100 Year Starship Study Официальный сайт проекта «Через 100 лет к звёздам»
• Ирина Шлионская, Термоядерные крылья донесут до инопланетян // Правда.ру, 21.03.2011