Самая большая скорость развитая в космосе. Космическая скорость в лаборатории. Продолжение
Корзников приводит расчеты, что при скорости более 0,1 С космический корабль не успеет изменить траекторию полёта и избежать столкновения. Он считает, что при субсветовой скорости космический корабль разрушится до достижения цели. По его мнению межзвёздное путешествие возможно только при существенно меньших скоростях (до 0,01 С). С 1950-60 гг. в США разрабатывался космический корабль с ядерно-импульсным ракетным двигателем для исследования межпланетного пространства «Орион».
Межзвёздный полёт - путешествие между звёздами пилотируемых аппаратов или автоматических станций. 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.
Пусть полёт туда и полёт обратно состоят из трёх фаз: равноускоренного разгона, полёта с постоянной скоростью и равноускоренного торможения. Пусть половину пути космический корабль двигается с единичным ускорением, а вторую половину - с таким же ускорением тормозит (). Затем корабль разворачивается и повторяет этапы разгона и торможения.
Для межзвездного полета пригодны не все типы двигателей. Расчёты показывают, что с помощью космической системы, рассмотренной в данной работе, можно достичь звезды Альфа Центавра… примерно за 10 лет». В качестве одного из вариантов решения проблемы предлагается использование в качестве рабочего вещества ракеты элементарные частицы, движущиеся со световой или околосветовой скоростью.
Какова скорость современных космических кораблей?
Выхлопная скорость частиц от 15 до 35 километров в секунду. Поэтому появились идеи снабжать межзвездные корабли энергией из внешнего источника. На данный момент этот проект неосуществим: двигатель обязан иметь скорость истечения 0.073 с (удельный импульс 2 миллиона секунд), при этом его тяга должна достигать 1570 Н (то-есть 350 фунтов).
Столкновение с межзвёздной пылью будет происходить на околосветовых скоростях и по физическому воздействию напоминать микровзрывы. В научно-фантастических произведениях нередко упоминаются методы межзвёздных перелётов, основанные на перемещении быстрее скорости света в вакууме. Самый большой экипаж состоял из 8 космонавтов (в его составе была 1 женщина), стартовавших 30 октября 1985 г. на корабле многоразового использования «Челленджер».
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. Полёты на звездолётах занимают существенное место в научной фантастике.
В этой ситуации время полёта в земной системе отсчёта составит примерно 12 лет, тогда как по часам на корабле пройдёт 7,3 года. Пригодность различных типов двигателей для межзвёздных полётов в частности была рассмотрена на заседании Британского межпланетного общества в 1973 г. доктором Тони Мартином (Tony Martin).
В ходе работ были предложены проекты большого и малого звездолётов («кораблей поколений»), способных добраться до звезды Альфа Центавра за 1800 и 130 лет соответственно. В 1971 году в докладе Г. Маркса на симпозиуме в Бюракане было предложено использовать для межзвёздных перелётов лазеры рентгеновского диапазона. В 1985 году Р. Форвардом была предложена конструкция межзвёздного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения.
Космический предел скорости
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 ракету среду, можно значительно уменьшить массу ракеты и достичь за счёт этого больших скоростей движения.
В 1960-е годы Бюссаром (англ.) была предложена конструкция межзвёздного прямоточного реактивного двигателя (МПРД). Межзвёздная среда состоит в основном из водорода. В 1994 году Джеффри Лэндис (англ.) предложил проект межзвёздного ионного зонда, которых получал-бы энергию от лазерного луча на станции.
Ракетный корабль по проекту «Дедал» оказался таким громадным, что строить его пришлось бы в открытом космосе. Одним из недостатков межзвездных кораблей является необходимость нести с собой энергосистему, что увеличивает массу и соответственно снижает скорость. Так электрический ракетный двигатель имеет характеристическую скорость в размере 100 км/с, что слишком медленно для полета к далеким звездам за приемлемый срок.
Продолжительность непрерывного пребывания человека в условиях космического полёта:
В ходе эксплуатации станции «Мир» установлены абсолютные мировые рекорды продолжительности непрерывного пребывания человека в условиях космического полёта:
1987 год — Юрий Романенко (326 сут 11 час 38 мин);
1988 год — Владимир Титов, Муса Манаров (365 сут 22 час 39 мин);
1995 год — Валерий Поляков (437 сут 17 час 58 мин).
Суммарное время пребывания человека в условиях космического полёта:
Установлены абсолютные мировые рекорды продолжительности суммарному времени пребывания человека в условиях космического полёта на станции «Мир»:
1995 год — Валерий Поляков - 678 сут 16 час 33 мин (за 2 полёта);
1999 год — Сергей Авдеев - 747 сут 14 час 12 мин (за 3 полёта).
Выходы в открытый космос:
На ОС «Мир» совершено 78 выходов в открытый космос (включая три выхода в разгерметизированый модуль «Спектр») общей продолжительностью 359 час 12 мин. В выходах участвовали: 29 российских космонавтов, 3 астронавта США, 2 астронавта Франции, 1 астронавт ЕКА (гражданин Германии). Сунита Уильямс — астронавтка NASA, стала рекордсменкой мира среди женщин по продожительности работы в открытом космосе. Американка отработала на МКС более полугода (9 ноября 2007 г.) вместе с двумя экипажами и совершила четыре выхода в открытый космос.
Космический долгожитель:
По сведениям авторитетного научного дайджеста New Scientist, Сергей Константинович Крикалев по состоянию на среду 17 августа 2005 г. пробыл на орбите 748 дней, тем самым побив прежний рекорд, установленый Сергеем Авдеевым — во время его трех полетов на станцию Мир (747 сут 14 час 12 мин). Перенесенные Крикалевым разнообразные физические и психические нагрузки характеризуют его, как одного из самых выносливых и успешно адаптирующихся астронавтов в истории космонавтики. Кандидатура Крикалева неоднократно избиралась для выполнения довольно сложных миссий. Врач и психолог Университета штата Техас Дэвид Массон характеризует космонавта как самого лучшего, кого только можно найти.
Длительность космического полёта среди женщин:
Среди женщин мировые рекорды длительности космического полёта по программе «Мир» установили:
1995 год — Елена Кондакова (169 сут 05 час 1 мин); 1996 год - Шеннон Люсид, США (188 сут 04 час 00 мин, в том числе на станции «Мир» - 183 сут 23 час 00 мин).
Наиболее длительные космические полёты иностранных граждан:
Из иностранных граждан наиболее длительные полёты по программе «Мир» совершили:
Жан-Пьер Эньере (Франция) — 188 сут 20 час 16 мин;
Шеннон Люсид (США) — 188 сут 04 час 00 мин;
Томас Райтер (ЕКА, Германия) — 179 сут 01 час 42 мин.
Космонавты, совершившие шесть и более выходов в открытый космос на станции «Мир»:
Анатолий Соловьёв — 16 (77 час 46 мин),
Сергей Авдеев — 10 (41 час 59 мин),
Александр Серебров — 10 (31 час 48 мин),
Николай Бударин — 8 (44 час 00 мин),
Талгат Мусабаев — 7 (41 час 18 мин),
Виктор Афанасьев — 7 (38 час 33 мин),
Сергей Крикалёв — 7 (36 час 29 мин),
Муса Манаров — 7 (34 час 32 мин),
Анатолий Арцебарский — 6 (32 час 17 мин),
Юрий Онуфриенко — 6 (30 час 30 мин),
Юрий Усачёв — 6 (30 час 30 мин),
Геннадий Стрекалов — 6 (21 час 54 мин),
Александр Викторенко — 6 (19 час 39 мин),
Василий Циблиев — 6 (19 час 11 мин).
Первый пилотируемый космический корабль:
Первый пилотируемый космический полет зарегистрированный Международной федерацией аэронавтики (МФА основана в 1905 г.) совершил на корабле «Восток» 12 апреля 1961 г. летчик космонавт СССР майор ВВС СССР Юрий Алексеевич Гагарин (1934...1968). Из официальных документов МФА следует, что корабль стартовал с космодрома Байконур в 6 ч 07 мин по Гринвичу и приземлился вблизи деревни Смеловки Терновского района Саратовской обл. СССР через 108 мин. Максималъная высота полета корабля «Восток» протяженностью 40868,6 км составляла 327 км с максимальной скоростью 28260 км/ч.
Первая женщина в космосе:
Первой женщиной облетевшей Землю по космической орбите была младший лейтенант ВВС СССР (ныне подполковник инженер летчик космонавт СССР) Валентина Владимировна Терешкова (род. 6 марта 1937 г.), стартовавшая на корабле «Восток 6» с космодрома Байконур Казахстан СССР, в 9 ч 30 мин по Гринвичу 16 июня 1963 г. и приземлившаяся в 8 ч 16 мин 19 июня после по лета, который продолжался 70 ч 50 мин. За это время она совершила более 48 полных оборотов вокруг Земли (1971000 км).
Самый старый и самый молодой астронавты:
Старейшим среди 228 космонавтов Земли был Карл Гордон Хенице (США), который в возрасте 58 лет принял участие в 19-м полете корабля многоразового использования «Челленджер» 29 июля 1985 г. Самым молодым был майор ВВС СССР (в настоящее время генерал-лейтенант летчик космонавт СССР) Герман Степанович Титов (род. 11 сентября 1935 г.) который был запущен на корабле «Восток 2» 6 августа 1961 г. в возрасте 25 лет 329 дней.
Первый выход в открытый космос:
Первым в открытое космическое пространство 18 марта 1965 г. из космического корабля «Восход 2» вышел подполковник ВВС СССР (ныне генерал майор, летчик космонавт СССР) Алексей Архипович Леонов (род. 20 мая 1934 г.) Он удалился от корабля на расстояние до 5 м и провел в открытом космосе вне шлюзовой камеры 12 мин 9 с.
Первый выход в открытый космос женщины:
В 1984-м году Светлана Савицкая первой из женщин вышла в открытый космос, проработав за пределами станции «Салют-7» 3 часа 35 минут. До того как стать космонавткой, Светлана установила три мировых рекорда по парашютному спорту в групповых прыжках из стратосферы и 18 авиационных рекордов на реактивных самолетах.
Рекорд продолжительности выходов в открытый космос среди женщин:
Астронавт NASA Санита Лин Уильямс (Sunita Lyn Williams) установила рекорд продолжительности выходов в открытый космос для женщин. Она провела за бортом станции 22 часа 27 минут, превысив предыдущее достижение более чем на 21 час. Рекорд был поставлен в ходе работы на внешней части МКС 31 января и 4 февраля 2007 года. Уильямс осуществляла подготовку станции к продолжению строительства вместе с Майклом Лопесом-Алегрией.
Первый автономный выход в открытый космос:
Капитан ВМС США Брюс Маккандлес второй (род. 8 июня 1937 г.) был первым человеком, работавшим в открытом космосе без фала 7 февраля 1984 г. он покинул космический челнок «Челленджер», находившийся на высоте 264 км над Гавайями в скафандре с автономной ранцевой двигательной установкой. Разработка этого космического костюма обошлась в 15 млн. долл.
Самый длительный пилотируемый полет:
Полковник ВВС СССР Владимир Георгиевич Титов (род. 1 января 1951 г.) и бортинженер Муса Хираманович Манаров (род. 22 марта 1951 г.) стартовали на космическом корабле «Союз-М4» 21 декабря 1987 г. к космической станции «Мир» и приземлились на корабле «Союз-ТМ6» (вместе с французским космонавтом Жан Лу Кретьеном) на запасной посадочной площадке близ Джезказгана, Казахстан, СССР, 21 декабря 1988 г., пробыв в космосе 365 суток 22 ч 39мин 47с.
Самое далекое путешествие в космосе :
Советский космонавт Валерий Рюмин провел почти целый год в космическом корабле, который за эти 362 дня совершил 5750 оборотов вокруг Земли. При этом Рюмин проделал путь в 241 миллион километров. Это равно расстоянию от Земли до Марса и обратно на Землю.
Самый опытный космический путешественник:
Самым опытным космическим путешественником является полковник ВВС СССР, летчик-космонавт СССР Юрий Викторович Романенко (род. в 1944 г.), который за 3 полета провел в космосе 430 суток 18 ч 20 мин в 1977...1978, в 1980 и в 1987 гг.
Самый большой экипаж:
Самый большой экипаж состоял из 8 космонавтов (в его составе была 1 женщина), стартовавших 30 октября 1985 г. на корабле многоразового использования «Челленджер».
Наибольшее число людей в космосе:
Наибольшее число космонавтов, когда либо находившихся одновременно в космосе, равно 11: 5 американцев на борту «Челленджера», 5 русских и 1 индиец на борту орбитальной станции «Салют 7» в апреле 1984 г., 8 американцев на борту «Челленджера» и 3 русских на борту орбитальной станции «Салют 7» в октябре 1985 г., 5 американцев на борту космического челнока, 5 русских и 1 француз на борту орбитальной станции «Мир» в декабре 1988 г.
Самая высокая скорость:
Самая высокая скорость, с которой когда либо передвигался человек (39897 км/ч), была развита основным модулем «Аполлона 10» на высоте 121,9 км от поверхности Земли при возвращении экспедиции 26 мая 1969 г. На борту космического корабля были командир экипажа полковник ВВС США (ныне бригадный генерал) Томас Паттен Стаффорд (род. в Уэтерфорде, штат Оклахома, США, 17 сентября 1930 г.), капитан 3-го ранга ВМФ США Юджин Эндрю Сернан (род. в Чикаго, штат Иллинойс, США, 14 марта 1934 г.) и капитан 3-го ранга ВМС США (ныне капитан 1-го ранга в отставке) Джон Уотте Янг (род. в Сан Франциско, штат Калифорния, США, 24 сентября 1930 г.).
Из женщин наивысшей скорости (28115 км/ч) достигла младший лейтенант ВВС СССР (ныне подполковник-инженер, летчик-космонавт СССР) Валентина Владимировна Терешкова (род. 6 марта 1937г.) на советском космическом корабле «Восток 6» 16 июня 1963 г.
Самая молодая космонавтка:
Самая молодая на сегодня космонавтка — Стефани Уилсон. Она родилась 27 сентября 1966 года и на 15 дней моложе Аньюше Ансари.
Первое живое существо, побывавшего в космосе:
Собака Лайка, которую 3 ноября 1957 года вывели на орбиту вокруг Земли на втором советском спутнике, была первым живым существом в космосе. Лайка умерла в мучениях от удушья, когда кончился кислород.
Рекордное время пребывания на Луне:
Экипаж «Аполлона 17» собрал рекордный вес (114,8 кг) образцов горных пород и фунта во время работы вне космического корабля продолжительностью 22 ч 5 мин. В состав экипажа входили капитан 3-го ранга ВМФ США Юджин Эндрю Сернан (род. в Чикаго, штат Иллинойс, США, 14 марта 1934 г.) и доктор Харрисон Шмитт (род. в Сайта Розе, штат Нью Мексико, США, 3 июля 1935 г.), ставший 12-м человеком, побывавшим на Луне. Астронавты находились на лунной поверхности в течение 74 ч 59 мин в ходе самой длительной лунной экспедиции, продолжавшейся 12 суток 13 ч 51 мин с 7 по 19 декабря 1972 г.
Первый человек, побывавший на Луне:
Нил Олден Армстронг (род. в Уопаконета, штат Огайо, США, 5 августа 1930 г., предки шотландского и немецкого происхождения), командир космического корабля «Аполлон 11», стал первым человеком, ступившим на поверхность Луны в районе Моря Спокойствия в 2 ч 56 мин 15 с по Гринвичу 21 июля 1969 г. За ним из лунного модуля «Игл» вышел полковник ВВС США Эдвин Юджин Олдрин младший (род. в Монтклэре, штат Нью Джерси, США, 20 января 1930 г.
Самая большая высота космического полета:
Самой большой высоты достиг экипаж «Аполлона 13», находясь в апоселении (т. е. в самой дальней точке своей траектории) в 254 км от лунной поверхности на расстоянии 400187 км от поверхности Земли в 1 ч 21 мин но Гринвичу 15 апреля 1970 г. В составе экипажа были капитан ВМФ США Джеймс Артур Ловелл младший (род. в Кливленде, штат Огайо, США, 25 марта 1928 г.), Фред Уоллес Хейс-младший (род. в Билокси, штат Миссури, США, 14 ноября 1933 г.) и Джон Л. Суиджерт (1931...1982). Рекорд высоты для женщин (531 км) установила американский астронавт Кэтрин Салливан (род. в Патерсоне, штат Нью Джерси, США, 3 октября 1951 г.) во время полета на корабле многоразового использования 24 апреля 1990 г.
Самая высокая скорость космического аппарата:
Первым космическим аппаратом, достигшим 3-й космической скорости, позволяющей выйти за пределы Солнечной системы, стал «Пионер-10». Ракета-носитель «Атлас-СЛВ ЗС» с модифицированной 2-й ступенью «Центавр-Д» и 3-й ступенью «Тиокол-Те-364-4» 2 марта 1972 г. покинула Землю с небывалой для того времени скоростью 51682 км/ч. Рекорд скорости космического аппарата (240 км/ч) был установлен американо-германским солнечным зондом «Гелиос-Б», запущенным 15 января 1976 г.
Максимальное сближение космического аппарата с Солнцем:
16 апреля 1976 г. научно-исследовательская автоматическая станция «Гелиос-Б» (США — ФРГ) приблизилась к Солнцу на расстояние 43,4 млн. км.
Первый искусственный спутник Земли:
Первый искусственный спутник Земли был успешно запущен ночью 4 октября 1957 г. на орбиту высотой 228,5/946 км и со скоростью более 28565 км/ч с космодрома Байконур, к северу от Тюратама, Казахстан, СССР (275 км восточнее Аральского моря). Спутник сферической формы был официально зарегистрирован как объект «1957 альфа 2», весил 83,6 кг имел диаметр 58 см и, просуществовав предположительно 92 дня сгорел 4 января 1958 г. Ракета носитель, модифицированная Р 7 длиной 29,5 м была разработана под руководством Главного конструктора С. П. Королева (1907...1966) который также руководил всем проектом запуска ИС3.
Самый удаленный искусственный объект:
«Пионер-10», запущенный с мыса Канаверал, Космический центр им. Кеннеди, штат Флорида, США, пересек 17 октября 1986 г. орбиту Плутона, удаленную от Земли на 5,9 млрд км. К апрелю 1989г. он находился за самой дальней точкой орбиты Плутона и продолжает удаляться в космос со скоростью 49 км/ч. В 1934 г. н. э. он приблизится на минимальное расстояние к звезде «Росс-248», удаленной от нас на 10,3 световых года. Еще до наступления 1991 г. космический аппарат «Вояджер-1», двигающийся с большей скоростью, будет находиться дальше, чем «Пионер-10».
Один из двух космических «Путешественников» Voyager, запущенный с Земли в 1977 году, за 28 лет полета удалился от Солнца на 97 а. е. (14,5 млрд. км) и является сегодня самым удаленным искусственным объектом. Voyager-1 преодолел границу гелиосферы, то есть области, где солнечный ветер встречается с межзвездной средой, в 2005 году. Теперь путь аппарата, летящего со скоростью 17 км/с, лежит в зону ударной волны. Voyager-1 будет работоспособен вплоть до 2020 года. Однако весьма вероятно, что сведения с Voyager-1 перестанут поступать на Землю уже в конце 2006 года. Дело в том, что в NASA намечено сокращение на 30% бюджета в части исследований Земли и Солнечной системы.
Самый тяжелый и самый большой космический объект:
Самым тяжелым выведенным на околоземную орбиту объектом была 3-я ступень американской ракеты «Сатурн 5» с космическим кораблем «Аполлон-15», весившая до выхода на промежуточную селеноцентрическую орбиту 140512 кг. Американский радиоастрономический спутник «Эксплорер-49», запущенный 10 июня 1973 г., весил всего 200 кг, но размах его антенн был равен 415 м.
Самая мощная ракета:
Советская космическая транспортная система «Энергия», впервые запущенная 15 мая 1987 г. с космодрома Байконур, имеет вес при полной нагрузке 2400 т и развивает тягу более 4 тыс. т. Ракета способна вывести на околоземную орбиту полезный груз массой до 140 м, максимальный диаметр — 16 м. В основном модуленая установка, используемая в СССР. К основному модулю прикреплены 4 ускорителя, каждый из которых имеет 1 двигатель РД 170, работающий на жидком кислороде и керосине. Модификация ракеты с 6 ускорителями и верхней ступенью способна вывести на околоземную орбиту полезный груз массой до 180 т, доставить на Луну груз массой 32 т и 27 т - на Венеру или Марс.
Рекорд дальности полета среди исследовательских аппаратов на солнечной энергии:
Космический зонд Stardust поставил своеобразный рекорд дальности полета среди всех исследовательских аппаратов на солнечной энергии — в настоящее время он удален от Солнца на расстояние в 407 миллионов километров. Основная цель автоматического аппарата - сближение с кометой, сбор пыли.
Первый амоходный аппарат на внеземных космических объектах:
Первый самоходный аппарат, предназначенный для работы на других планетах и их спутниках в автоматическом режиме, — советский «Луноход 1» (масса - 756 кг, длина с открытой крышкой - 4,42 м, ширина - 2,15 м, высота - 1,92 м), доставленный на Луну космическим аппаратом «Луна 17» и начавший движение в Море Дождей по команде с Земли 17 ноября 1970 г. Всего он проехал 10 км 540 м, преодолевая подъемы до 30°, пока не остановился 4 октября 1971 г., проработав 301 сутки 6 ч 37 мин. Прекращение работы было вызвано выработкой ресурсов его изотопного источника теплоты «Луноход-1» детально обследовал лунную поверхность площадью 80 тыс. м2, передал на Землю более 20 тыс. ее снимков и 200 телепанорам.
Рекорд скорости и дальности передвижения по Луне:
Рекорд скорости и дальности передвижения по Луне установил американский колесный луноход «Ровер», доставленный туда кораблем «Аполлон 16». Он развил скорость 18 км/ч вниз по склону и проехал расстояние 33,8 км.
Самый дорогой космический проект:
Общая стоимость американской программы полетов человека в космос, включая последнюю экспедицию на Луну «Аполлона 17», составила около 25.541.400.000 долларов. Первые 15 лет космической программы СССР, с 1958 по сентябрь 1973 г., по западным оценкам, стоили 45 млрд долл. Стоимость программы НАСА «Шаттл» (запуск кораблей многоразового использования) до старта «Колумбии» 12 апреля 1981 г. составила 9,9 млрд долл.
Солнечная система уже давно не представляет особого интереса для фантастов. Но, что удивительно, и у некоторых ученых наши «родные» планеты не вызывают особого вдохновения, хотя они еще практически не исследованы.
Едва прорубив окно в космос, человечество рвется в неведомые дали, причем уже не только в мечтах, как раньше.
Еще Сергей Королев обещал в скором времени полеты в космос «по профсоюзной путевке», но этой фразе уже полвека, а космическая одиссея по-прежнему удел избранных - слишком дорогое удовольствие. Однако же два года назад HACA запустило грандиозный проект 100 Year Starship,
который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технического фундамента для космических полетов.
Эта беспрецедентная программа должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов со всего мира. Если все увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться, как на трамваях.
Так какие же проблемы нужно решить, чтобы звездные полеты стали реальностью?
ВРЕМЯ И СКОРОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНЫ
Звездоплавание автоматических аппаратов кажется некоторым ученым почти решенной задачей, как это ни странно. И это при том, что совершенно нет никакого смысла запускать автоматы к звездам с нынешними черепашьими скоростями (примерно 17 км/с) и прочим примитивным (для таких неведомых дорог) оснащением.
Сейчас за пределы Солнечной системы ушли американские космические аппараты «Пионер-10» и «Вояджер-1», связи с ними уже нет. «Пионер-10» движется в сторону звезды Альдебаран. Если с ним ничего не случится, он достигнет окрестностей этой звезды... через 2 миллиона лет. Точно так же ползут по просторам Вселенной и другие аппараты.
Итак, независимо от того, обитаем корабль или нет, для полета к звездам ему нужна высокая скорость, близкая к скорости света. Впрочем, это поможет решить проблему полета только к самым близким звездам.
«Даже если бы мы умудрились построить звездный корабль, который сможет летать со скоростью, близкой к скорости света, - писал К. Феоктистов, - время путешествий только по нашей Галактике будет исчисляться тысячелетиями и десятками тысячелетий, так как диаметр ее составляет около 100 000 световых лет. Но на Земле-то за это время пройдет намного больше».
Согласно теории относительности, ход времени в двух движущихся одна относительно другой системах различен. Так как на больших расстояниях корабль успеет развить скорость очень близкую к скорости света, разница во времени на Земле и на корабле будет особенно велика.
Предполагается, что первой целью межзвездных полетов станет альфа Центавра (система из трех звезд) - наиболее близкая к нам. Со скоростью света туда можно долететь за 4,5 года, на Земле за это время пройдет лет десять. Но чем больше расстояние, тем сильней разница во времени.
Помните знаменитую «Туманность Андромеды» Ивана Ефремова? Там полет измеряется годами, причем земными. Красивая сказка, ничего не скажешь. Однако эта вожделенная туманность (точнее, галактика Андромеды) находится от нас на расстоянии 2,5 миллиона световых лет.
По некоторым расчетам, путешествие займет у космонавтов более 60 лет (по звездолетным часам), но на Земле-то пройдет целая эра. Как встретят космических «неадертальцев» их далекие потомки? Да и будет ли жива Земля вообще? То есть возвращение в принципе бессмысленно. Впрочем, как и сам полет: надо помнить, что мы видим галактику туманность Андромеды такой, какой она была 2,5 млн лет назад - столько идет до нас ее свет. Какой смысл лететь к неизвестной цели, которой, может, уже давно и не существует, во всяком случае, в прежнем виде и на старом месте?
Значит, даже полеты со скоростью света обоснованны только до относительно близких звезд. Однако аппараты, летящие со скоростью света, живут пока лишь в теории, которая напоминает фантастику, правда, научную.
КОРАБЛЬ РАЗМЕРОМ С ПЛАНЕТУ
Естественно, в первую очередь ученым пришла мысль использовать в двигателе корабля наиболее эффективную термоядерную реакцию - как уже частично освоенную (в военных целях). Однако для путешествия в оба конца со скоростью, близкой к световой, даже при идеальной конструкции системы, требуется отношение начальной массы к конечной не менее чем 10 в тридцатой степени. То есть звездолет будет походить на огромный состав с топливом величиной с маленькую планету. Запустить такую махину в космос с Земли невозможно. Да и собрать на орбите - тоже, недаром ученые не обсуждают этот вариант.
Весьма популярна идея фотонного двигателя, использующего принцип аннигиляции материи.
Аннигиляция - это превращение частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. Наиболее изучена аннигиляция электрона и позитрона, порождающая фотоны, энергия которых и будет двигать звездолет. Расчеты 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.
Однако дальше начинаются сплошные проблемы. К сожалению, применить антивещество в качестве ракетного топлива очень непросто. Во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, губительного для космонавтов. Кроме того, контакт позитронного топлива с кораблем чреват фатальным взрывом. Наконец, пока еще нет технологий для получения достаточного количества антивещества и его длительного хранения: например, атом антиводорода «живет» сейчас менее 20 минут, а производство миллиграмма позитронов обходится в 25 миллионов долларов.
Но, предположим, со временем эти проблемы удастся разрешить. Однако топлива все равно понадобится очень-очень много, и стартовая масса фотонного звездолета будет сравнима с массой Луны (по оценке Константина Феоктистова).
ПОРВАЛИ ПАРУС!
Наиболее популярным и реалистичным звездолетом на сегодняшний день считается солнечный парусник, идея которого принадлежит советскому ученому Фридриху Цандеру.
Солнечный (световой, фотонный) парус - это приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.
В 1985 году американским физиком Робертом Форвардом была предложена конструкция межзвездного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звезд за 21 год.
На XXXVI Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолета, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия. По расчетам, путь звездолета этой конструкции до звезды эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.
«Маловероятно, что по данным, полученным в путешествиях по нашей Солнечной системе, мы сможем существенно продвинуться вперед в понимании мира, в котором мы живем. Естественно, мысль обращается к звездам. Ведь раньше подразумевалось, что полеты около Земли, полеты к другим планетам нашей Солнечной системы не являются конечной целью. Проложить дорогу к звездам представлялось главной задачей».Эти слова принадлежат не фантасту, а конструктору космических кораблей и космонавту Константину Феоктистову. По мнению ученого, ничего особо нового в Солнечной системе уже не обнаружится. И это при том, что человек пока долетел только до Луны...
Однако за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существует проект разгона солнечного парусника лазерными установками с какого-нибудь астероида.
Все это пока теория, однако первые шаги уже делаются.
В 1993 году на российском корабле «Прогресс М-15» в рамках роекта «Знамя-2» был впервые развернут солнечный парус 20-метровой ширины. При стыковке «Прогресса» со станцией «Мир» ее экипаж установил на борту «Прогресса» агрегат развертывания отражателя. В итоге отражатель создал яркое пятно 5 км в ширину, которое прошло через Европу в Россию со скоростью 8 км/с. Пятно света имело светимость, примерно эквивалентную полной Луне.
Итак, преимущество солнечного парусника - отсутствие топлива на борту, недостатки - уязвимость конструкции паруса: по сути, это тонкая фольга, натянутая на каркас. Где гарантия, что по дороге парус не получит пробоин от космических частиц?
Парусный вариант может подойти для запуска автоматических зондов, станций и грузовых кораблей, но непригоден для пилотируемых полетов с возвратом. Существуют и другие проекты звездолетов, однако они, так или иначе, напоминают вышеперечисленные (с такими же масштабными проблемами).
СЮРПРИЗЫ В МЕЖЗВЕЗДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Думается, путешественников во Вселенной поджидает множество сюрпризов. К примеру, едва высунувшись за пределы Солнечной системы, американский аппарат «Пионер-10» начал испытывать силу неизвестного происхождения, вызывающую слабое торможение. Высказывалось много предположений, вплоть до о неизвестных пока эффектах инерции или даже времени. Однозначного объяснения этому феномену до сих пор нет, рассматриваются самые различные гипотезы: от простых технических (например, реактивная сила от утечки газа в аппарате) до введения новых физических законов.
Другой аппарат, «Вояд-жер-1», зафиксировал на границе Солнечной системы область с сильным магнитным полем. В нем давление заряженных частиц со стороны межзвездного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Также аппарат зарегистрировал:
- рост количества высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые проникают в Солнечную систему из межзвездного пространства;
- резкий рост уровня галактических космических лучей - высокоэнергетических заряженных частиц межзвездного происхождения.
Пространство между звездами не пустое. Везде есть остатки газа, пыли, частицы. При попытке движения со скоростью, близкой к скорости света, каждый столкнувшийся с кораблем атом будет подобен частице космических лучей большой энергии. Уровень жесткой радиации при такой бомбардировке недопустимо повысится даже при полетах к ближайшим звездам.
А механическое воздействие частиц при таких скоростях уподобится разрывным пулям. По некоторым расчетам, каждый сантиметр защитного экрана звездолета будет непрерывно обстреливаться с частотой 12 выстрелов в минуту. Ясно, что никакой экран не выдержит такого воздействия на протяжении нескольких лет полета. Или должен будет иметь неприемлемую толщину (десятки и сотни метров) и массу (сотни тысяч тонн).
Собственно, тогда звездолет будет состоять в основном из этого экрана и топлива, которого потребуется несколько миллионов тонн. В силу этих обстоятельств полеты на таких скоростях невозможны, тем паче, что по дороге можно нарваться не только на пыль, но и на что-то покрупнее, или попасть в ловушку неизвестного гравитационного поля. И тогда гибель опять-таки неминуема. Таким образом, если и удастся разогнать звездолет до субсветовой скорости, то до конечной цели он не долетит - слишком много препятствий встретится ему на пути. Поэтому межзвездные перелеты могут осуществляться лишь с существенно меньшими скоростями. Но тогда фактор времени делает эти полеты бессмысленными.
Получается, что решить проблему транспортировки материальных тел на галактические расстояния со скоростями, близкими к скорости света, нельзя. Бессмысленно ломиться через пространство и время с помощью механической конструкции.
КРОТОВАЯ НОРА
Фантасты, стараясь побороть неумолимое время, сочинили, как «прогрызать дырки» в пространстве (и времени) и «сворачивать» его. Придумали разнообразные гиперпространственные скачки от одной точки пространства до другой, минуя промежуточные области. Теперь к фантастам присоединились ученые.
Физики принялись искать экстремальные состояния материи и экзотические лазейки во Вселенной, где можно передвигаться со сверхсветовой скоростью вопреки теории относительности Эйнштейна.
Так появилась идея кротовой норы. Эта нора осуществляет смычку двух частей Вселенной подобно прорубленному тоннелю, соединяющему два города, разделенные высокой горой. К сожалению, кротовые норы возможны только в абсолютном вакууме. В нашей Вселенной эти норки крайне неустойчивы: они попросту могут сколлапсировать до того, как туда попадет космический корабль.
Однако для создания стабильных кротовых нор можно использовать эффект, открытый голландцем Хендриком Казимиром. Он заключается во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых колебаний в вакууме. Оказывается, вакуум не совсем пуст, в нем происходят колебания гравитационного поля, в котором спонтанно возникают и исчезают частицы и микроскопические кротовые норы.
Остается только обнаружить одну из нор и растянуть ее, поместив между двумя сверхпроводящими шарами. Одно устье кротовой норы останется на Земле, другое космический корабль с околосветовой скоростью переместит к звезде - конечному объекту. То есть звездолет будет как бы пробивать тоннель. По достижении звездолетом пункта назначения кротовая нора откроется для реальных молниеносных межзвездных путешествий, продолжительность которых будет исчисляться минутами.
ПУЗЫРЬ ИСКРИВЛЕНИЯ
Сродни теории кротовых нор пузырь искривления. В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре выполнил расчеты согласно уравнениям Эйнштейна и нашел теоретическую возможность волновой деформации пространственного континуума. При этом пространство будет сжиматься перед космическим кораблем и одновременно расширяться позади него. Звездолет как бы помещается в пузырь искривления, способный передвигаться с неограниченной скоростью. Гениальность идеи состоит в том, что космический корабль покоится в пузыре искривления, и законы теории относительности не нарушаются. Движется при этом сам пузырь искривления, локально искажающий пространство-время.
Несмотря на невозможность перемещаться быстрее света, ничто не препятствует перемещению пространства или распространению деформации пространства-времени быстрее света, что, как полагают, и происходило сразу после Большого взрыва при образовании Вселенной.
Все эти идей пока не укладываются в рамки современной науки, однако в 2012 году представители НАСА заявили о подготовке экспериментальной проверки теории доктора Алькубьерре. Как знать, может, и теория относительности Эйнштейна когда-нибудь станет частью новой глобальной теории. Ведь процесс познания бесконечен. А значит, однажды мы сможем прорваться чрез тернии к звездам.
Ирина ГРОМОВА
Наш читатель Никита Агеев спрашивает: в чем основная проблема межзвездных перелетов? Ответ, как и , потребует большой статьи, хотя на вопрос можно ответить и единственным символом: c .
Скорость света в вакууме, c, равна примерно тремстам тысячам километров в секунду, и превысить ее невозможно. Следовательно, нельзя и добраться до звезд быстрее, чем за несколько лет (свет идет 4,243 года до Проксимы Центавра, так что космический корабль не сможет прибыть еще быстрее). Если добавить время на разгон и торможение с более-менее приемлемым для человека ускорением, то получится около десяти лет до ближайшей звезды.
В каких условиях лететь?
И этот срок уже существенное препятствие сам по себе, даже если отвлечься от вопроса «как разогнаться до скорости, близкой к скорости света». Сейчас не существует космических кораблей, которые позволяли бы экипажу автономно жить в космосе столько времени — космонавтам постоянно привозят свежие припасы с Земли. Обычно разговор о проблемах межзвездных перелетов начинают с более фундаментальных вопросов, но мы начнем с сугубо прикладных проблем.
Даже спустя полвека после полета Гагарина инженеры не смогли создать для космических кораблей стиральную машину и достаточно практичный душ, а рассчитанные на условия невесомости туалеты ломаются на МКС с завидной регулярностью . Перелет хотя бы к Марсу (22 световые минуты вместо 4 световых лет) уже ставит перед конструкторами сантехники нетривиальную задачу: так что для путешествия к звездам потребуется как минимум изобрести космический унитаз с двадцатилетней гарантией и такую же стиральную машину.
Воду для стирки, мытья и питья тоже придется либо брать с собой, либо использовать повторно. Равно как и воздух, да и еду тоже необходимо либо запасать, либо выращивать на борту. Эксперименты по созданию замкнутой экосистемы на Земле уже проводились, однако их условия все же сильно отличались от космических хотя бы наличием гравитации. Человечество умеет превращать содержимое ночного горшка в чистую питьевую воду, но в данном случае требуется суметь сделать это в невесомости, с абсолютной надежностью и без грузовика расходных материалов: брать к звездам грузовик картриджей для фильтров слишком накладно.
Стирка носков и защита от кишечных инфекций могут показаться слишком банальными, «нефизическими» ограничениями на межзвездные полеты - однако любой опытный путешественник подтвердит, что «мелочи» вроде неудобной обуви или расстройства желудка от незнакомой пищи в автономной экспедиции могут обернуться угрозой для жизни.
Решение даже элементарных бытовых проблем требует столь же серьезной технологической базы, как и разработка принципиально новых космических двигателей. Если на Земле изношенную прокладку в бачке унитаза можно купить в ближайшем магазине за два рубля, то уже на марсианском корабле нужно предусмотреть либо запас всех подобных деталей, либо трехмерный принтер для производства запчастей из универсального пластикового сырья.
В ВМС США в 2013 году всерьез занялись трехмерной печатью после того, как оценили затраты времени и средств на ремонт боевой техники традиционными методами в полевых условиях. Военные рассудили, что напечатать какую-нибудь редкую прокладку для снятого с производства десять лет назад узла вертолета проще, чем заказать деталь со склада на другом материке.
Один из ближайших соратников Королева, Борис Черток, писал в своих мемуарах «Ракеты и люди» о том, что в определенный момент советская космическая программа столкнулась с нехваткой штепсельных контактов. Надежные соединители для многожильных кабелей пришлось разрабатывать отдельно.
Кроме запчастей для техники, еды, воды и воздуха космонавтам потребуется энергия. Энергия будет нужна двигателю и бортовому оборудованию, так что отдельно придется решить проблему с мощным и надежным ее источником. Солнечные батареи не годятся хотя бы по причине удаленности от светил в полете, радиоизотопные генераторы (они питают «Вояджеры» и «Новые горизонты») не дают требуемой для большого пилотируемого корабля мощности, а полноценные ядерные реакторы для космоса до сих пор делать не научились.
Советская программа по созданию спутников с ядерной энергоустановкой была омрачена международным скандалом после падения аппарата «Космос-954» в Канаде, а также рядом отказов с менее драматичными последствиями; аналогичные работы в США свернули еще раньше. Сейчас созданием космической ядерной энергоустановки намерены заняться в Росатоме и Роскосмосе, но это все-таки установки для ближних перелетов, а не многолетнего пути к другой звездной системе.
Возможно, вместо ядерного реактора в будущих межзвездных кораблях найдут применение токамаки. О том, насколько сложно хотя бы правильно определить параметры термоядерной плазмы, в МФТИ этим летом . Кстати, проект ITER на Земле успешно продвигается: даже те, кто поступил на первый курс, сегодня имеют все шансы приобщиться к работе над первым экспериментальным термоядерным реактором с положительным энергетическим балансом.
На чем лететь?
Для разгона и торможения межзвездного корабля обычные ракетные двигатели не годятся. Знакомые с курсом механики, который читают в МФТИ в первом семестре, могут самостоятельно рассчитать то, сколько топлива потребуется ракете для набора хотя бы ста тысяч километров в секунду. Для тех, кто еще не знаком с уравнением Циолковского, сразу озвучим результат - масса топливных баков получается существенно выше массы Солнечной системы.
Уменьшить запас топлива можно за счет повышения скорости, с которой двигатель выбрасывает рабочее тело, газ, плазму или что-то еще, вплоть до пучка элементарных частиц. В настоящее время для перелетов автоматических межпланетных станций в пределах Солнечной системы или для коррекции орбиты геостационарных спутников активно используют плазменные и ионные двигатели, но у них есть ряд других недостатков. В частности, все такие двигатели дают слишком малую тягу, ими пока нельзя придать кораблю ускорение в несколько метров на секунду в квадрате.
Проректор МФТИ Олег Горшков - один из признанных экспертов в области плазменных двигателей. Двигатели серии СПД - производят в ОКБ «Факел», это серийные изделия для коррекции орбиты спутников связи.
В 1950-е годы разрабатывался проект двигателя, который бы использовал импульс ядерного взрыва (проект Orion), но и он далек от того, чтобы стать готовым решением для межзвездных полетов. Еще менее проработан проект двигателя, который использует магнитогидродинамический эффект, то есть разгоняется за счет взаимодействия с межзвездной плазмой. Теоретически, космический корабль мог бы «засасывать» плазму внутрь и выбрасывать ее назад с созданием реактивной тяги, но тут возникает еще одна проблема.
Как выжить?
Межзвездная плазма - это прежде всего протоны и ядра гелия, если рассматривать тяжелые частицы. При движении со скоростями порядка сотни тысяч километров в секунду все эти частицы приобретают энергию в мегаэлектронвольты или даже десятки мегаэлектронвольт - столько же, сколько имеют продукты ядерных реакций. Плотность межзвездной среды составляет порядка ста тысяч ионов на кубический метр, а это значит, что за секунду квадратный метр обшивки корабля получит порядка 10 13 протонов с энергиями в десятки МэВ.
Один электронвольт, эВ , ― это та энергия, которую приобретает электрон при пролете от одного электрода до другого с разностью потенциалов в один вольт. Такую энергию имеют кванты света, а кванты ультрафиолета с большей энергией уже способны повредить молекулы ДНК. Излучение или частицы с энергиями в мегаэлектронвольты сопровождает ядерные реакции и, кроме того, само способно их вызывать.
Подобное облучение соответствует поглощенной энергии (в предположении, что вся энергия поглощается обшивкой) в десятки джоулей. Причем эта энергия придет не просто в виде тепла, а может частично уйти на инициацию в материале корабля ядерных реакций с образованием короткоживущих изотопов: проще говоря, обшивка станет радиоактивной.
Часть налетающих протонов и ядер гелия можно отклонять в сторону магнитным полем, от наведенной радиации и вторичного излучения можно защищаться сложной оболочкой из многих слоев, однако эти проблемы тоже пока не имеют решения. Кроме того, принципиальные сложности вида «какой материал в наименьшей степени будет разрушаться при облучении» на стадии обслуживания корабля в полете перейдут в частные проблемы - «как открутить четыре болта на 25 в отсеке с фоном в пятьдесят миллизиверт в час».
Напомним, что при последнем ремонте телескопа «Хаббл» у астронавтов поначалу не получилось открутить четыре болта, которые крепили одну из фотокамер. Посовещавшись с Землей, они заменили ключ с ограничением крутящего момента на обычный и приложили грубую физическую силу. Болты стронулись с места, камеру успешно заменили. Если бы прикипевший болт при этом сорвали, вторая экспедиция обошлась бы в полмиллиарда долларов США. Или вовсе бы не состоялась.
Нет ли обходных путей?
В научной фантастике (часто более фантастической, чем научной) межзвездные перелеты совершаются через «подпространственные туннели». Формально, уравнения Эйнштейна, описывающие геометрию пространства-времени в зависимости от распределенных в этом пространстве-времени массы и энергии, действительно допускают нечто подобное - вот только предполагаемые затраты энергии удручают еще больше, чем оценки количества ракетного топлива для полета к Проксиме Центавра. Мало того, что энергии нужно очень много, так еще и плотность энергии должна быть отрицательной.
Вопрос о том, нельзя ли создать стабильную, большую и энергетически возможную «кротовую нору» - привязан к фундаментальным вопросам об устройстве Вселенной в целом. Одной из нерешенных физических проблем является отсутствие гравитации в так называемой Стандартной модели - теории, описывающей поведение элементарных частиц и три из четырех фундаментальных физических взаимодействий. Абсолютное большинство физиков довольно скептически относится к тому, что в квантовой теории гравитации найдется место для межзвездных «прыжков через гиперпространство», но, строго говоря, попробовать поискать обходной путь для полетов к звездам никто не запрещает.
11.06.2010 00:10
Американский космический корабль Dawn недавно установил новый рекорд набора скорости — 25,5 тысячи км/час, опередив своего главного конкурента — зонд Deep Space 1. Такое достижение стало возможным благодаря установленному на аппарате сверхмощному ионному двигателю. Однако, по мнению специалистов NASA, это еще далеко не предел его возможностей.
Скорость американского космического аппарата Dawn достигла 5 июня рекордной величины — 25,5 тысячи км/час. Однако, по мнению ученых, в ближайшее время скорость корабля доберется и до отметки в 100 тысяч км/час.
Таким образом, благодаря уникальному двигателю, Dawn обошел своего предшественника — зонд Deep Space 1, экспериментальный автоматический космический аппарат, запущенный 24 октября 1998 года ракетой-носителем. Правда, Deep Space 1 пока сохраняет за собой звание станции, двигатели которой работали дольше всего. Но опередить "конкурента" в этой категории Dawn может уже в августе.
Основной задачей космического корабля, запущенного три года назад, является изучение астероида 4 Веста, к которому аппарат приблизится в 2011 году, и карликовой планеты Церера. Ученые надеются получить максимально точные данные о форме, размерах, массе, минеральном и элементном составе этих объектов, расположенных между орбитами Юпитера и Марса. Общий путь, который предстоит преодолеть аппарату Dawn, составляет 4 миллиарда 800 миллионов километров.
Так как в космическом пространстве нет воздуха, разогнавшись, корабль продолжает двигаться с набранной скоростью. На Земле это невозможно из-за замедления при трении. Использование в условиях безвоздушного пространства ионных двигателей позволило ученым сделать процесс постепенного приращения скорости космического аппарата Dawn максимально эффективным.
Принцип работы инновационного 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. Таким образом, в двигателе можно достичь очень большого удельного импульса, что позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа (по сравнению с химической реакцией), но требует больших затрат энергии.
Три двигателя аппарата Dawn работают не постоянно, а включаются ненадолго в определенные моменты полета. К настоящему моменту они проработали в общей сложности 620 дней и израсходовали свыше 165 килограммов ксенона. Несложные расчеты показывают, что скорость зонда увеличивалась примерно на 100 км/ч каждые четыре дня. К концу восьмилетней миссии Dawn (хотя специалисты не исключают ее продления) суммарное время работы двигателей составит 2000 дней — почти 5,5 года. Такие показатели сулят, что скорость космического корабля достигнет 38,6 тысячи км/час.
Это может показаться небольшой величиной на фоне хотя бы первой космической скорости, с которой запускаются искусственные спутники Земли, но для межпланетного аппарата без каких-либо внешних ускорителей, не совершающего специальные маневры в гравитационном поле планет, такой результат и в самом деле примечателен.
