koncepcje Rakietedytuj
wszystkie koncepcje rakiet są ograniczone przez równanie rakiety, które określa charakterystyczną prędkość dostępną w funkcji prędkości spalin i stosunku masy, stosunku początkowej (M0, w tym paliwa) do końcowej (M1, paliwa wyczerpanego) masy.
bardzo wysoka moc właściwa, stosunek ciągu do całkowitej masy pojazdu, jest wymagana do osiągnięcia celów międzygwiezdnych w ramach czasowych sub-wieku. Pewne przenoszenie ciepła jest nieuniknione i ogromne obciążenie grzewcze musi być odpowiednio obsługiwane.,
tak więc, dla międzygwiezdnych koncepcji rakietowych wszystkich technologii, kluczowym problemem inżynieryjnym (rzadko wyraźnie omawianym) jest ograniczenie transferu ciepła ze strumienia spalin z powrotem do pojazdu.
silnik Jonowyedytuj
rodzaj napędu elektrycznego, sondy takie jak Dawn wykorzystują silnik jonowy. W silniku jonowym energia elektryczna jest wykorzystywana do tworzenia naładowanych cząstek paliwa, Zwykle ksenonu gazowego, i przyspieszania ich do bardzo dużych prędkości., Prędkość wylotowa konwencjonalnych rakiet jest ograniczona przez energię chemiczną zmagazynowaną w wiązaniach molekularnych paliwa, co ogranicza ciąg do około 5 km / s. wytwarzają one wysoki ciąg (około 10⁶ N), ale mają niski impuls właściwy, co ogranicza ich prędkość maksymalną. Z kolei silniki jonowe mają małą siłę, ale prędkość maksymalna w zasadzie jest ograniczona tylko przez moc elektryczną dostępną na statku kosmicznym i na jony gazu są przyspieszane. Prędkość wydechu naładowanych cząstek wynosi od 15 km/S do 35 km/s.,
rozszczepienie Jądroweedytuj
rozszczepienie elektryczneedytuj
Silniki jądrowo-elektryczne lub plazmowe, pracujące przez długi czas przy małym ciągu i zasilane reaktorami rozszczepienia, mają potencjał osiągnięcia prędkości znacznie większej niż pojazdy zasilane chemicznie lub rakiety jądrowo-termiczne. Takie pojazdy prawdopodobnie mają potencjał do zasilania eksploracji Układu Słonecznego z rozsądnym czasie podróży w obecnym wieku. Z powodu ich niskiego ciągu napędowego, ograniczyłyby się do operacji poza planetą i w kosmosie., Napędzany elektrycznie napęd statków kosmicznych zasilany przenośnym źródłem energii, powiedzmy reaktorem jądrowym, wytwarzającym tylko małe przyspieszenia, zajęłby wieki, aby osiągnąć na przykład 15% prędkości światła, a zatem nie nadaje się do lotu międzygwiezdnego podczas pojedynczego życia człowieka.
rozszczepienie-fragmentededit
rozszczepienie-fragment rakiety wykorzystują rozszczepienie jądrowe do tworzenia szybkich strumieni fragmentów rozszczepienia, które są wyrzucane z prędkością do 12 000 km/s (7 500 mi / s). Przy rozszczepieniu energia wyjściowa wynosi około 0.,1% całkowitej masy-energii paliwa reaktora i ogranicza efektywną prędkość spalin do około 5% Prędkości Światła. Dla maksymalnej prędkości, masa reakcyjna powinna składać się optymalnie z produktów rozszczepienia, „popiołu” pierwotnego źródła energii, więc nie trzeba księgować dodatkowej masy reakcyjnej w stosunku masy.
Nuclear pulseEdit
nowoczesna koncepcja pulsacyjnego napędu rozszczepienia.,
w oparciu o prace z końca lat 50.do początku lat 60. XX wieku, technicznie możliwe było zbudowanie statków kosmicznych z silnikami impulsowymi jądrowymi, tj. napędzanymi serią wybuchów jądrowych. Ten układ napędowy zawiera perspektywę bardzo wysokiego impulsu WŁAŚCIWEGO (odpowiednik podróży kosmicznych oszczędność paliwa) i wysokiej mocy właściwej.
Freeman Dyson, członek zespołu projektu Orion, zaproponował w 1968 roku międzygwiezdny statek kosmiczny wykorzystujący impuls jądrowy, który wykorzystywał detonacje czystego deuteru z bardzo dużą frakcją spalanego paliwa., Obliczył prędkość wylotową 15 000 km/s i 100 000-tonowy pojazd kosmiczny zdolny do osiągnięcia delta-v 20 000 km / s, pozwalając na przelot do Alfy Centauri 130 lat. Późniejsze badania wskazują, że maksymalna prędkość przelotowa, jaką teoretycznie może osiągnąć Jednostka termojądrowa zasilana przez statek Orion Teller-Ulam, przy założeniu, że nie zostanie zaoszczędzone paliwo do spowolnienia, wynosi około 8-10% prędkości światła (0,08-0,1 c). Atomowy (rozszczepienie) Orion może osiągnąć około 3% -5% prędkości światła., Nuklearny napęd impulsowy zasilany przez katalizowane przez fuzję jednostki napędowe impulsów nuklearnych byłyby podobnie w zakresie 10%, a rakiety anihilacyjne czystej materii-antymaterii byłyby teoretycznie zdolne do uzyskania prędkości od 50% do 80% prędkości światła. W każdym przypadku oszczędność paliwa w celu spowolnienia zmniejsza o połowę maksymalną prędkość. Koncepcja wykorzystania żagla magnetycznego do zwalniania statku kosmicznego w miarę zbliżania się do celu została omówiona jako alternatywa dla użycia paliwa, co pozwoliłoby statkowi podróżować w pobliżu maksymalnej teoretycznej prędkości., Alternatywne projekty wykorzystujące podobne zasady to Project Longshot, Project Daedalus i Mini-Mag Orion. Zasada zewnętrznego napędu impulsowego jądrowego w celu maksymalizacji mocy przetrwania pozostała powszechna wśród poważnych koncepcji lotu międzygwiezdnego bez wiązania zewnętrznego zasilania i bardzo wydajnego lotu międzyplanetarnego.,w latach 70. koncepcja napędu impulsów jądrowych została udoskonalona przez projekt Daedalus poprzez wykorzystanie zewnętrznie wyzwalanej inercyjnej fuzji zamkniętej, w tym przypadku wytwarzając eksplozje termojądrowe poprzez kompresowanie granulek paliwa termojądrowego wiązkami elektronów o dużej mocy. Od tego czasu sugerowano, że lasery, wiązki jonów, wiązki cząstek neutralnych i pociski hiperkinetyczne wytwarzają impulsy jądrowe do celów napędowych.,
obecnie utrudnieniem w rozwoju każdego statku kosmicznego napędzanego eksplozją jądrową jest Traktat o częściowym zakazie prób z 1963 roku, który zawiera zakaz detonacji wszelkich urządzeń jądrowych (nawet nie opartych na broni) w przestrzeni kosmicznej. Traktat ten wymagałby zatem renegocjacji, chociaż projekt na skalę misji międzygwiezdnej wykorzystujący obecnie przewidywalną technologię wymagałby prawdopodobnie współpracy międzynarodowej przynajmniej w skali międzynarodowej stacji kosmicznej.,
Kolejną kwestią, którą należy rozważyć, byłyby siły g przekazane szybko przyspieszonemu statkowi kosmicznemu, ładunkowi i pasażerom wewnątrz (zob. negacja bezwładności).
rakiety do syntezy Jądrowejedytuj
rakiety do syntezy jądrowej, napędzane reakcjami syntezy jądrowej, powinny być w stanie osiągnąć prędkości rzędu 10% prędkości światła, tylko w oparciu o względy energetyczne. W teorii, duża liczba stopni może popchnąć pojazd arbitralnie blisko prędkości światła. Te „spalają” takie lekkie paliwa pierwiastkowe jak Deuter, trytu, 3He, 11b i 7Li. ponieważ fuzja daje około 0.,3-0, 9% masy paliwa jądrowego jako uwolnionej energii, jest bardziej energicznie korzystne niż rozszczepienie, które uwalnia <0,1% masy paliwa-energii. Maksymalne prędkości spalin potencjalnie dostępne energetycznie są odpowiednio wyższe niż w przypadku rozszczepienia, Zwykle 4-10% c. jednak najłatwiej osiągalne reakcje fuzyjne uwalniają dużą część swojej energii w postaci wysokoenergetycznych neutronów, które są znaczącym źródłem strat energii., Chociaż więc koncepcje te wydają się oferować najlepsze (najbliższe) perspektywy podróżowania do najbliższych gwiazd w ciągu (długiego) ludzkiego życia, nadal wiążą się z ogromnymi trudnościami technologicznymi i inżynieryjnymi, które mogą okazać się trudne do rozwiązania przez dziesięciolecia lub stulecia.
wczesne badania obejmują projekt Daedalus, realizowany przez brytyjskie Towarzystwo międzyplanetarne w latach 1973-1978, oraz projekt Longshot, Projekt studencki sponsorowany przez NASA i Amerykańską Akademię Marynarki Wojennej, zakończony w 1988 roku., Inny dość szczegółowy układ pojazdu, „Discovery II”, zaprojektowany i zoptymalizowany do eksploracji Układu Słonecznego z załogą, oparty na reakcji D3He, ale wykorzystujący wodór jako masę reakcyjną, został opisany przez zespół z Glenn Research Center NASA. Osiąga on charakterystyczne prędkości >300 km/s przy przyspieszeniu ~1,7•10-3 g, przy początkowej masie statku ~1700 ton metrycznych i ułamku ładowności powyżej 10%., Chociaż są one wciąż daleko od wymagań dotyczących podróży międzygwiezdnych w ludzkich przedziałach czasowych, badanie wydaje się stanowić rozsądny punkt odniesienia w kierunku tego, co może być przystępne w ciągu kilku dziesięcioleci, co nie jest niemożliwe poza obecnym stanem techniki. W oparciu o frakcję spalania 2,2% można było osiągnąć prędkość wylotową produktu fuzji rzędu ~3000 km/S.
rakiety Antymaterialnedytuj
rakieta antymateryjna miałaby znacznie większą gęstość energii i impuls właściwy niż jakakolwiek inna proponowana Klasa rakiety. Jeśli okaże się, że zasoby energii i efektywne metody produkcji wytwarzają antymaterię w wymaganych ilościach i przechowują ją bezpiecznie, teoretycznie możliwe byłoby osiągnięcie prędkości kilkudziesięciu procent światła., To, czy napęd antymaterii mógłby prowadzić do wyższych prędkości (>90% prędkości światła), przy których relatywistyczne dylatacje czasu stałyby się bardziej zauważalne, co sprawiłoby, że czas upływa wolniej dla podróżujących, postrzeganych przez zewnętrznego obserwatora, jest wątpliwe ze względu na dużą ilość antymaterii, która byłaby wymagana.
, Po pierwsze, podczas anihilacji antymaterii, znaczna część energii jest tracona jako wysokoenergetyczne promieniowanie gamma, a zwłaszcza jako neutrina, tak że tylko około 40% mc2 byłoby rzeczywiście dostępne, gdyby antymateria mogła po prostu anihilować na promieniowanie termiczne. Mimo to, energia dostępna dla napędu byłaby znacznie wyższa niż ~1% wydajności mc2 fuzji jądrowej, następny najlepszy konkurent kandydat.
Po Drugie, wymiana ciepła z wydechu do pojazdu wydaje się prawdopodobnie przenosić ogromną zmarnowaną energię do statku (np. dla przyspieszenia statku o 0,1 g, zbliżającego się do 0.,3 biliony watów na tonę masy statku), biorąc pod uwagę dużą część energii, która przechodzi w przenikające promienie gamma. Nawet zakładając, że zapewniono ekranowanie w celu ochrony ładunku użytecznego (i pasażerów w pojeździe z załogą), część energii nieuchronnie ogrzeje pojazd, a tym samym może okazać się czynnikiem ograniczającym, jeśli konieczne jest osiągnięcie użytecznych przyspieszeń.,
Ostatnio Friedwardt Winterberg zaproponował, że materia-antymateria jest możliwa dzięki relatywistycznemu wyładowaniu proton-antyproton, w którym odrzut wiązki laserowej jest przenoszony przez efekt Mössbauera na statek kosmiczny.
rakiety z zewnętrznym źródłem energiedytuj
rakiety czerpiące swoją moc z zewnętrznych źródeł, takich jak laser, mogłyby zastąpić swoje wewnętrzne źródło energii kolektorem energii, potencjalnie zmniejszając znacznie masę statku i umożliwiając znacznie większe prędkości podróży. Geoffrey A., Landis zaproponował sondę międzygwiezdną, której energia dostarczana jest przez zewnętrzny laser ze stacji bazowej zasilającej ster jonowy.
koncepcje nie-rakietoweedytuj
problem ze wszystkimi tradycyjnymi metodami napędu rakietowego polega na tym, że statek kosmiczny musiałby nosić ze sobą paliwo, co czyniłoby go bardzo masywnym, zgodnie z równaniem rakiety. Kilka koncepcji próbuje uciec od tego problemu:
RF rezonansowy thruster wnękowyedytuj
a radio frequency (RF) rezonansowy thruster wnękowy jest urządzeniem, które uważa się za ster kosmiczny., W 2016 roku Advanced Propulsion Physics Laboratory w NASA zgłosiło obserwację Niewielkiego ciągu pozornego z jednego z takich testów, wyniku nie Powtórzonego. Jeden z projektów nazywa się EMDrive. W grudniu 2002 roku firma Satellite Propulsion Research Ltd opisała działający prototyp o rzekomym ciągu całkowitym wynoszącym około 0,02 Newtonów zasilany magnetronem o mocy 850 W. Urządzenie mogło pracować zaledwie kilkadziesiąt sekund, zanim magnetron nie zadziałał z powodu przegrzania. Ostatni test na EMDrive stwierdził, że nie działa.,w 2019 roku zaproponowany przez dr. Davida Burnsa koncept silnika spiralnego wykorzystywałby akcelerator cząstek do przyspieszania cząstek do prędkości zbliżonej do prędkości światła. Ponieważ cząstki poruszające się z taką prędkością nabywają większej masy, uważa się, że ta zmiana masy może spowodować przyspieszenie. Według Burnsa, statek kosmiczny może teoretycznie osiągnąć 99% prędkości światła.
ramjetsEdit
w 1960 roku Robert W., Bussard zaproponował Ramjet Bussard, rakietę termojądrową, w której ogromna miarka zbierałaby rozproszony wodór w przestrzeni międzygwiezdnej, „spaliła” go w locie za pomocą reakcji łańcuchowej proton-proton i wyrzuciła go z tyłu. Późniejsze obliczenia z dokładniejszymi szacunkami sugerują, że generowany ciąg będzie mniejszy niż opór spowodowany jakimkolwiek możliwym projektem szufelki. Jednak pomysł jest atrakcyjny, ponieważ paliwo byłoby zbierane w drodze (współmiernie do koncepcji pozyskiwania energii), więc statek mógłby teoretycznie przyspieszyć do prędkości zbliżonej do prędkości światła., Ograniczenie wynika z faktu, że reakcja może przyspieszyć tylko materiał pędny do 0,12 c. tak więc opór łapania pyłu międzygwiezdnego i ciąg przyspieszania tego samego pyłu do 0,12 c byłby taki sam, gdy prędkość wynosi 0,12 c, zapobiegając dalszemu przyspieszaniu.
ten diagram ilustruje Plan Roberta L. Forwarda dotyczący spowolnienia międzygwiezdnego żagla świetlnego w miejscu docelowym układu gwiezdnego.,
ten diagram ilustruje Plan Roberta L. Forwarda dotyczący spowolnienia międzygwiezdnego żagla świetlnego w miejscu docelowym układu gwiezdnego.,
lekki żagiel lub magnetyczny żagiel napędzany przez masywny laser lub akcelerator cząstek w macierzystym systemie gwiezdnym może potencjalnie osiągnąć nawet większe prędkości niż metody napędu rakietowego lub impulsowego, ponieważ nie musiałby przenosić własnej masy reakcyjnej, a zatem musiałby tylko przyspieszyć ładunek statku. Robert L. Forward zaproponował metodę spowolnienia międzygwiezdnego żagla świetlnego o długości 30 kilometrów w docelowym układzie gwiezdnym, bez konieczności obecności w tym układzie układu laserowego., W tym systemie dodatkowy żagiel o długości 100 kilometrów jest rozmieszczony z tyłu statku kosmicznego, podczas gdy duży główny żagiel jest oddzielony od jednostki, aby samodzielnie poruszać się do przodu. Światło odbija się od dużego żagla głównego do żagla wtórnego, który służy do zwalniania żagla wtórnego i ładunku użytecznego statku kosmicznego. W 2002 Geoffrey A. Landis Z Glen Research center NASA zaproponował również napędzany laserem statek żaglowy, na którym miał znajdować się diamentowy żagiel (o grubości kilku nanometrów) Zasilany Energią Słoneczną., Dzięki tej propozycji, ten statek międzygwiezdny teoretycznie byłby w stanie osiągnąć 10 procent prędkości światła. Zaproponowano również użycie napędu wiązką laserową do przyspieszania statku kosmicznego, a napęd elektromagnetyczny do jego zwalniania, eliminując w ten sposób problem, jaki ma Ramjet Bussard z hamulcem wytwarzanym podczas przyspieszania.,
żagiel magnetyczny może również zwalniać w miejscu docelowym bez zależności od przewożonego paliwa lub wiązki drogowej w układzie docelowym, poprzez interakcję z plazmą znajdującą się w wietrze słonecznym Gwiazdy docelowej i medium międzygwiezdnym.
poniższa tabela zawiera przykładowe koncepcje wykorzystujące napęd Laserowy, zaproponowany przez fizyka Roberta L. Forwarda:
Interstellar travel catalog to use photogravitational assists for a full stopEdit
poniższa tabela jest oparta na pracach Hellera, Hippke ' a i Kervella.,
- Lightsail ma nominalny stosunek masy do powierzchni (σnom) 8,6×10-4 gram m−2 dla nominalnego żagla klasy grafenu.105 m2 = (316 m)2
- prędkość do 37 300 km s−1 (12,5% c)
pre-accelerated fuelEdit
osiągnięcie czasu start-stop podróży międzygwiazdowej krótszego niż życie człowieka wymaga stosunku masy pomiędzy 1000 a 1000 000, nawet dla bliższych gwiazd. Można to osiągnąć dzięki wielostopniowym pojazdom na szeroką skalę., Alternatywnie Duże Akceleratory liniowe mogły napędzać paliwo do pojazdów kosmicznych napędzanych rozszczepieniem, unikając ograniczeń równania rakiety.
koncepty Teoretyczneedytuj
podróż szybsza niż światłoedytuj
obraz artysty przedstawiający hipotetyczny Statek kosmiczny o napędzie indukcyjnym w tunelu czasoprzestrzennym, luźno oparty na pracy Miguela Alcubierre ' a z 1994 roku.,
naukowcy i autorzy postulowali wiele sposobów, dzięki którym możliwe jest przekroczenie prędkości światła, ale nawet najpoważniejsze z nich są wysoce spekulacyjne.
jest również dyskusyjne, czy podróż szybsza od światła jest fizycznie możliwa, częściowo ze względu na problemy przyczynowości: podróż szybsza od światła może, pod pewnymi warunkami, umożliwić podróż do tyłu w czasie w kontekście szczególnej teorii względności., Proponowane mechanizmy podróżowania szybszego niż światło w ramach ogólnej teorii względności wymagają istnienia materii egzotycznej i nie wiadomo, czy mogłaby ona zostać wyprodukowana w wystarczającej ilości.,
napęd Alcubierreedytuj
w fizyce, Napęd Alcubierre opiera się na argumencie, w ramach ogólnej teorii względności i bez wprowadzania tuneli czasoprzestrzennych, że możliwe jest modyfikowanie czasoprzestrzeni w sposób, który pozwala statkowi kosmicznemu podróżować z arbitralnie dużą prędkością przez lokalne rozszerzenie czasoprzestrzeni za statkiem kosmicznym i przeciwny skurcz przed nim. Niemniej jednak, koncepcja ta wymagałaby, aby statek kosmiczny zawierał obszar egzotycznej materii, lub hipotetyczną koncepcję ujemnej masy.,
Sztuczna czarna dziuraedytuj
teoretyczną ideą umożliwiającą podróż międzygwiezdną jest napędzanie statku kosmicznego poprzez stworzenie sztucznej czarnej dziury i użycie reflektora parabolicznego do odbijania promieniowania Hawkinga. Chociaż poza obecnymi możliwościami technologicznymi, statek kosmiczny czarnej dziury oferuje pewne zalety w porównaniu z innymi możliwymi metodami. Uzyskanie czarnej dziury jako źródła zasilania i silnika wymaga również sposobu na przekształcenie promieniowania Hawkinga w energię i ciąg., Jedna z metod potencjałów polega na umieszczeniu otworu w punkcie ogniskowym reflektora parabolicznego przymocowanego do statku, tworząc ciąg do przodu. Nieco łatwiejsza, ale mniej efektywna metoda polegałaby na absorbowaniu całego promieniowania gamma kierującego się w kierunku dziobu statku, aby popchnąć go dalej, a reszta mogła wystrzelić z tyłu.Wormholesedit
tunele czasoprzestrzenne są domniemanymi zniekształceniami w czasoprzestrzeni, które teoretycy postulują, że mogą połączyć dwa dowolne punkty we wszechświecie, przez most Einsteina–Rosena. Nie wiadomo, czy tunele czasoprzestrzenne są możliwe w praktyce., Chociaż istnieją rozwiązania równania Einsteina ogólnej teorii względności, które pozwalają na istnienie tuneli czasoprzestrzennych, wszystkie obecnie znane rozwiązania wiążą się z pewnym założeniem, na przykład istnienie ujemnej masy, która może być niefizyczna. Jednak Cramer et al. twierdzą, że takie tunele czasoprzestrzenne mogły powstać we wczesnym Wszechświecie, stabilizowane przez kosmiczne struny. Ogólna teoria tuneli czasoprzestrzennych została omówiona przez Vissera w książce Lorentzian Wormholes.