Межзвездные полеты-от мечты к проектам-часть 2
оригинал взят http://go2starss.narod.ru/pub/E001_FBPPS.html
К звездам на острие луча
Доктор Роберт Л. Форвард
Симпозиум по межзвездным сообщениям и путешествиям.
Филадельфия, Пенсильвания.
20-25 мая 1986 г.
BEAMED POWER PROPULSION TO THE STARS
Dr. Robert L. Forward
Senior Scientist Hughes Research Laboratories
3011 Malibu Canyon Road
Malibu, California 90265 USA
(213)317-5280 (805)983-7652
AAAS Symposium on Interstellar Communication and Travel
AAAS Annual Meeting
Philadelphia, Pennsylvania 25-20 May 1986
Резюме
Хотя и существует возможность использовать термоядерный синтез и антиматерию для медленного путешествия к самым близким звездам, вполне может быть, что ракета - не лучшее транспортное средство для межзвездного полета. Все ракеты состоят из полезной нагрузки, запаса реактивной массы, источник энергии, двигателя, движителя и конструкции все это соединяющей. Но имеется целый класс космических аппаратов, которые не должны нести никаких источников энергии, реактивной массы и даже двигателя на борту и состоят только из полезной нагрузки и движителя. Эти космические аппараты разгоняются энергией излучения внешнего источника. Опубликовано много работ, предлагающих разные идеи, реализующие такой привод. Три из них я хочу здесь обсудить. Первый - зонд, приводимый в движение выстреливаемыми шариками или пылинками материи. Маленькие пылинки вещества разгоняются в Солнечной системе и направляются на межзвездный зонд, где они перехватываются и отдают свой импульс кораблю. Так же мы рассмотрим идею использовать мазер для разгона зонда, который является, по сути, большой сеткой. Это зонд-парус из проволочной сетки с микросхемами в ее узлах. Парус-сетка помещается в поток микроволнового излучения и быстро разгоняется им. Высокое ускорение позволяет такому парусу достигнуть скорости сравнимой со скоростью света до того как линза уже не сможет фокусировать на нем энергию излучения. По прибытию такого корабля в чужую звездную систему передатчик у Земли опять направляет в сторону зонда микроволновую энергию. Используя провода сетки как антенны, микросхемы собирают эту энергию для питания оптических датчиков и своих логических схем, чтобы накопить научную информацию и получить изображение далекой планетной системы. Полученная картинка отправляется назад, на Землю. Третья схема привода - это разгоняемый лазером световой парус. Здесь большой парус из светоотражающего материала разгоняется к звездам давлением света, который генерирует большая батареей лазеров расположенных на орбите возле Солнца. Такой световой парус достиг бы релятивистских скоростей за несколько лет. По прибытию к цели, часть паруса в центре, отделяется от основного и ориентируется так, чтобы находиться перед большим кольцевым парусом который продолжает лететь вперед. Лазерный луч, посланный из Солнечной системы, отражается от большого кольцевого паруса, который теперь выполняет роль отражающего зеркала, и попадает на обратную сторону малого паруса. Отраженный таким образом луч из Солнечной системы тормозит малый парус и обеспечивает выход на орбиту звезды назначения. После того как команда исследует эту звездную систему в течении нескольких лет, еще один кольцевой парус, возвращает экспедицию назад, отделяется от паруса торможения. Лазерный луч из солнечной системы в этот раз опять переотражается от этого кольцевого паруса, разгоняя возвращаемый, еще меньший парус в направлении дома. Поскольку на этот раз парус летит в сторону Солнечной системы, луч, направленный на него при подлете, затормозит возвращающуюся экспедицию.
Межзвездный полет
Полет к звездам - очень сложное мероприятие. Звезды от нас далеко и скорость света ограничивает нас, вынуждая буквально переползать через межзвездное пространство. Десятилетия и столетия пройдут, прежде чем домоседы дождутся результатов экспедиции. Энергия, необходимая чтобы запустить пилотируемую межзвездную экспедицию - огромна. Это связано с тем, что масса, которая должна быть разогнана, велика, а скорость ее путешествия должна быть тоже очень немалой. Но эта энергия все же может быть получена, если мы развернем наши технологии в космическом пространстве, где постоянно льется солнечный свет, который является неограниченным источником энергии - около киловатта на квадратный метр, Гигаватт на квадратный километр. Предложено много идей в литературе по методам совершения межзвездных путешествий (См. библиографию. Mallove, Forward, Paprotny and Lehmann, 1980; Paprotny and Lehmann, 1983 ; Paprotny, Lehmann, and Prytz, 1984 and 1985 ). Возможно однажды один из этих проектов-мечтаний станет реальным межзвездным кораблем.
Непросто представить рассеяния, которые придется преодолеть межзвездным путешественникам. Большая часть из миллиардов людей живущих на Земле сейчас не путешествовали дальше 40 километров от места своего рождения. Из этих миллиардов несколько человек путешествовали к Луне, которая от нас почти в 400 000 км, то есть в 10 000 раз дальше этих 40 километров. Скоро один из наших зондов пересечет орбиту Плутона. Это в 10 000 дальше, чем Луна. То есть 4 000 000 000 км. Но ближайшая звезда в 4.3световых лет отсюда, в 10 000 раз дальше, чем расстояние до Плутона.
Чтобы осуществить даже одностороннюю миссию для робота-зонда к ближайшей звезде за время жизни человека надо запустить зонд минимум со скоростью 0.1С (10% от скорости света). На такой скорости исследователь за 43 года достигнет цели, после чего потребуется еще 4.3 года, чтобы собранная роботом информация достигла нас. Ближайшая звезда называется Проксима Центавра (Proxima Centauri) одна из звезд тройной системы, которая называется Альфа Центавра (Alpha Centauri). Некоторые ближние звезд очень похожи на наше Солнце. Они несколько дальше расположены от нас, но являются куда лучшими кандидатами для обнаружения у них планет, подобных Земле. Это Эписилон Эридан (Epsilon Eridani) в 10.8световых лет отсюда и Тау Кита (Tau Ceti) в 11.8 световых лет. Достижение этих звезд за разумное время потребует скорости в 0.3С. На такой скорости понадобится 40 лет для полета к цели, плюс 11-12 лет, чтобы информация достигла Земли. Мы должны превысить скорость в0.1С, дабы добраться к любой из этих звезд за разумнее время, но если мы можем достигнуть скорости в 0.3С, имеется 17 звездных систем с 25 видимыми звездами и сотнями планет вокруг них. Все это в радиусе 12 световых лет [Forward, 1976 ]. Множество этих звезд и планет, досягаемых на скорости 0.3С должны занять наше внимание, пока инженеры работают над проектами более быстрых звездных кораблей. И хотя имеется возможность использовать термоядерный синтез или ракету на антиматерии для медленного путешествия к ближайшим звездам, может оказаться, что ракета - не лучший способ путешествия туда.
Оценка ракетной технологии
Нет никакой необходимости использовать именно ракетный принцип, чтобы построить межзвездный корабль. Если мы используем концепцию классической ракеты, мы обнаруживаем, что любое подобное устройство состоит из полезной нагрузки, топлива (реактивной массы), источника энергии, двигателя, который сообщает энергию топливу (реактивной массе), движителя, то есть устройства, превращающее импульс реактивной массы в импульс корабля, и конструкции все это соединяющей. Классическая химическая ракета совмещает реактивную массу и источник энергии в химическом топливе. Но так как любая ракета должна нести отбрасываемую реактивную массу наряду со всем остальным, возможности разгона такого корабля существенно ограничены. Для миссий, у которых конечная скорость v больше чем скорость истечения u, необходимый запас топлива (отбрасываемой массы) возрастает как экспонента отношения v/u.
Можно придумать другой тип транспортного средства, которое не использует ракетный принцип (то есть не несет всю реактивную массу на борту) и таким образом избегает экспоненциального роста массы топлива, неизбежного в случае классической ракеты. Некоторые из таких идей превосходные кандидат на роль идеального межзвездного корабля. Например, прямоточная система Бассарда (Bussard interstellar ramjet [Bussard, 1960 ]). Межзвездная прямоточная система не несет на себе никакого запаса реактивной массы и даже энергии, потому что она использует специальный коллектор чтобы собирать атомы водорода, которые имеются в "пустоте" космоса. Собранные атомы водорода используются как термоядерное топливо в двигателе, где энергия синтеза применяется для разгона продуктов реакции (обычно атомов гелия) которые и обеспечивают тягу для путешествия. К сожалению никто пока не знает как построить реактор на синтезе голых протонов и как создать коллектор для сбора водорода (который должен быть очень большой в диаметре и очень легкий по массе).
Тяга на энергии излучения
Имеется целый класс других космических кораблей, которые не должны нести с собой никаких источников энергии, запаса реактивной массы и даже никаких двигателей. Они состоят только из полезной нагрузки, движителя и, разумеется, конструкции все это соединяющей. Это корабли, приводимые в движение энергией излучения из внешнего источника. В такой схеме все тяжелые части (запас реактивной массы, источник энергии и двигатель) остаются дома, в Солнечной системе. Здесь, вокруг Солнца всегда имеется неограниченный запас всегда доступного топлива и мощный источник энергии (избыток обычного солнечного света). Оставленный дома двигатель может обслуживаться, ремонтироваться и даже модернизироваться по ходу миссии. Немало идей таких приводов на излучении были опубликованы в литературе. Три будут здесь рассмотрены. Все эти версии привода могут быть построены при разумной экстраполяции уже существующей на сегодняшний день технологии. Первый - это привод на луче материи (выстреливаемых частичках вещества), второй - микроволновый парус-сетка, третий - лазерный парус.
Зонд, разгоняемый лучом материи
Концепция "разгоняемого лучом материи зонда" [Singer, 1980] состоит в том, что маленькие частички вещества (шарики или пылинки) разгоняются ускорителем в солнечной системе и аккуратно направляются на межзвездный зонд, где те захватываются и передают свой импульс космическому кораблю. При использовании маленьких порций вещества фундаментальные ограничения электромагнитных волн при увеличении расстояния до цели могут быть легко преодолены. Поэтому, кажется куда разумней использовать луч частичек, чем луч фотонов для передачи импульса на большие расстояния. Шарики-частички могут быть запущены очень длиным и мощным линейным ускорителем. Он должен быть установлен в Солнечной системе, и использовать для разгона частичек либо энергию Солнца, либо ядерную энергию.
Поток частичек должен быть очень аккуратно нацелен сразу же после запуска и, возможно, нужна будет повторная переколлимация (поднастройка) еще несколько раз в процесс полета. Луч вещества, в конце концов, должны быть перехвачены и отражены назад межзвездным зондом, который примет от них разгонный импульс.
Кажущаяся важной, на первый взгляд, абсолютная точность прицеливания пусковой установки, не является на самом деле серьезной проблемой. Зонд может детектировать положение летящего на него потока частиц и сам корректировать свое положение, всегда оставаться в его центре. Ряд корректирующих форму и направление луча станций могли бы находиться далеко от ускорителя по направлению движения потока частичек. Например, каждая очередная такая станция могла бы находится в три раза дальше, чем предыдущая и производить одну треть настройки (коллимации) скорости и формы потока.
Грубая настройка луча могла бы быть выполнена электромагнитным или статическим полем, а тонкая коррекция может выполняться световым давлением лазера, потоком плазмы или потоком нейтральных частиц.
Один из методов захвата высокоскоростных частиц на борту разгоняемого корабля состоит в том, чтобы испарять подлетающие твердые нейтральные шарики импульсом фотонов или частиц, превращая те в плазму. После этого заряженную плазму можно отражать магнитным полем наподобие того, что отражает плазму в "магнитном сопле" ("магнитной пробке" или зеркале) на пульсирующих термоядерных ракетных двигателях [Hyde, Wood, and Nuckolls,1972]. Габариты магнитного зеркала должны быть приняты из расчета того, что по крайней мере радиус витка подлетающего иона протона, будет 3 метра при скорости подлетающих частичек 0.1С и магнитном поле напряженностью 10 Тесла.
Развивая дальше эту концепцию, можно предположить такое изменение состава и скорости шариков-частичек, чтобы они представляли из себя термоядерное топливо, подлетающее к зонду с относительно низкой скоростью, поэтому они не отражаются, а улавливаются и используются в термоядерном двигателе для разгона и торможения.
Торможение у цели так же может быть реализовано с применением данной схеме привода. От основного корабля отделяется беспилотный щит, от которого частицы луча материи рикошетят и подлетают к основному кораблю со стороны цели, обеспечивая ему тормозное ускорение.
Возможно, однажды где-нибудь войдет в строй "межзвездный хайвей"? Тогда поток частиц будет запускаться с двух сторон, что обеспечит относительно простое и удобное двусторонне движение по нему.
Starwisp ("Звездная дымка") - разгоняемый мазером зонд-сетка
Starwisp ("Звездная дымка") - это сверхлегкий, высокоскоростной межзвездный флай-бай зонд (зонд-робот исследующий цель без торможения, пролетая мимо нее) разгоняемый потоком микроволнового излучения [Forward, 1985 ]. Основа конструкции: парус в виде тонкой проволочной сетки, в узлах которой расположены микросхемы. Парус-сетка разгоняется с большим ускорением мощным микроволновым лучом, который фокусируется на его поверхность большой сегментной плоской линзой, состоящей из концентрических колец, в которых чередуется кольца, заполненные металлической сеткой с кольцами пустого пространства (см. рис 1). Такая конфигурация колец будет работать как простая, но эффективная линза для микроволнового луча.
Длина микроволн намного больше, чем ячейки в сетке "Starwisp", поэтому ажурный парус для микроволнового излучения столь же непроницаема как толстый лист металла. Когда микроволны налетают на проволочную сетку, они отражаются от нее в обратном направлении. В результате импульс отраженных микроволн передается сетке-парусу. Величина импульса невелика, но если парус легкий, а мощность микроволнового луча достаточна, итоговое ускорение корабля может быть во много раз больше ускорения свободного падения на Земле (g). Большое ускорение зонда в микроволновом луче позволяет "Звездной дымке" достичь околосветовой скорости, все еще находясь недалеко от фокусирующей линзы - в пределах Солнечной системы.
Перед прибытием зонда к цели, передатчик микроволн у Земли снова включается и буквально затапливает звездную систему-цель потоком микроволновой энергии. Используя проволочные ячейки сетки как антенны, микросхемы "Starwisp" собирают достаточное количество энергии для их оптических датчиков и логических схем, чтобы увидеть и сформировать образ планет, находящихся в системе. Направление, с которого поступают микроволны воспринимается буквально в каждой ячейке сетки и эта информация о направлении используется микросхемами корабля для того чтобы использовать ячейки на этот раз как микроволновые антенны, излучающие сигнал обратно к Земле, содержащий данные о открывшейся зонду картине.
Минимальный "Starwisp" должен имеет 1 километровую сетку-парус массой в 16 грамм и нести 4грамма микросхем. (Целый космический корабль весит меньше чем унция. Вы могли бы свернуть его и послать по почте в обычном конверте заплатив за пересылку как за обычное письмо). Этот20 граммовый звездный корабль должен был бы разгоняться с ускорением 115g (земных гравитаций) 10 ГWт (1010 W) микроволновым лучом, до скорости 1/5 от скорости света за несколько дней. По прибытию к Альфе Центавре через 21 год "Starwisp" мог бы впитать в себя достаточно микроволновой энергии для того чтобы транслировать нам сюда цветное изображение высокого качества полученное им в реальном режиме времени в течении всего пролета через эту звездную систему.
Так как у звездолета крайне маленькая масса, то для запуска и управления минимальным "Starwisp" нужен микроволновый луч, мощность которого соответствует мощности луча, по которому должна передаваться с орбитальной солнечной электростанции на поверхность Земли выработанная там энергия. Таким образом, если энергетические спутники-электростанции будут смонтированы в течении следующих нескольких десятилетий, мы сможем использовать их для запуска целой флотилии зондов "Starwisp" ко всем ближайшим звездам, в течении срока службы станций. Если какая-нибудь из "Звездных дымок" обнаружит для нас интересную планету, мы сможем посетить этот новый мир лично, используя другую форму подобного привода, который называется световой парус на лазерном луче. Микроволны можно использовать только для того, чтобы "вытолкнуть" корабль-робот за пределы солнечной системы с огромной скоростью на огромном ускорении. Но если мы перейдем к лазерным длинам волны, тогда появляется возможность спроектировать систему привода на острие энергетического луча, которая может, используя лазеры, не только послать из солнечной системы звездолет к ближайшей звезде, но и вернуть его вместе с командой обратно, домой.
Лазерный световой парус
Один из лучших методов путешествия к звездам, был бы метод, использующий большой парус из светоотражающего материала разгоняемый давлением луча сгенерированного большой батареей лазеров, расположенных на низкой орбите возле Солнца. [Forward, 1984 ]. С такой технологией мы могли бы строить космические корабли, которые могут не только нести большую команду людей с приличной скоростью к ближайшим звездам, но и смогли бы затормозить экспедицию у цели исследования, а потом и вернуть команду назад на Землю. Мы могли бы совершить такой полет в пределах одной человеческой жизни.
В системе с лазерным световым парусом свет от мощного лазера отражается от большого зеркального паруса окружающего полезную нагрузку. Световой парус изготавливается из тончайшей алюминиевой пленки прошитой тонкой и прочной структурой силовых швов (такелажем), на которую в свою очередь подвешена полезная нагрузка. Световое давление лазерного света толкает парус и полезную нагрузку создавая необходимую тягу.
Звездолет на лазерном световом парусе настолько далек от концепции ракеты, насколько это возможно. Такой звездолет состоит только из полезной нагрузи и паруса, который является и движителем и несущей структурой корабля. Двигатель нашего звездолета - лазер (их батарея), источник энергии - Солнце, и топливом (реактивной массой) является лазерный свет сам по себе.
Парус, который будет использовать световой корабль, является развитием версии солнечного паруса, который был спроектирован Лабораторией Реактивного Движения NASA (Jet Propulsion Laboratory) для встречи с кометой Галлея и быстрого полета в пояс астероидов. Необходимые для разгона лазеры были бы более мощной версией высоко-мощных лазерных батарей лихорадочно исследуемых сейчас по программе Стратегической Оборонной Инициативе Департаментом Вооружений (в СССР называемой СОИ, а в США - SDI Space Defense Initiative.прим. пер.). Очень важно понимать, что мы не нуждаемся ни в каких крупных научных открытиях, чтобы построит такой звездолет. Основные физические принципы лазеров, фокусирующая линза, и парус - все это нам уже известно. Все что требуется, дабы построить лазерный парусный звездолет реально и в металле - много конструкторского труда (и много денег).
Лазеры располагались бы в космосе и накачивались бы солнечным светом, который собирался бы большим рефлектором. Разгоняющие межзвездный корабль лазеры, возможно, работали бы лучше, если вращались вокруг планеты Меркурий. На таком расстоянии от Солнца имеется очень много световой энергии и гравитационное притяжение Меркурия удерживало бы лазерные спутники от разбегания в результате накапливающейся реакции от лазерных лучей. Станции-излучатели использовали бы мощный солнечный свет на орбите Меркурия для генерации когерентного лазерного света, который будет соединен в один монохромный лазерный луч и послан через фокусирующую линзу, которая плавает между Сатурном и Ураном на световые годы к кораблю.
Мы хотим спроектировать звездолет, который может доставить команду людей в течении одной человеческой жизни к звезде и обратно, расположенной на дистанции Тау Кита и Эпсилон Эридан. Такой световой парус состоял бы из трех секций (см. Рис. 2).
Имеется внутренний парус полезной нагрузки в 100 километров в диаметре. Он окружен внутренним кольцом-парусом 230 километров в диметре и 100 километровым отверстием посередине. Тот же в свою очередь окружен третьим, тоже кольцеобразным парусом 1000километров в диаметре с внутренним отверстием в 320 километров. Общая масса всей конструкции - 80 000 тонн, которая включает 3000 тонн полезной нагрузки из команды, отсеков для их обитания, запасы и модули для высадки на планеты.
Вся эта конструкция может разгоняться с ускорением в 30% от земной тяжести 43 000 ТW (43 x1015 W) лазерной мощности. Так как вся планета Земля производит около 1 ТW электрической энергии то мы, конечно, хотели бы использовать свободную солнечную энергию в космосе, вместо того, чтобы пытаться получить энергию от Земли. При таком ускорении наш световой парус достиг бы половины от скорости света в течении 1.6 лет. Экспедиция достигла бы Эпсилон Эридан за 20 лет земного времени и 17 лет времени команды (из-за релятивистского эффекта), и тогда настал бы момент начать торможение. На расстоянии 0.4световых года от цели путешествия, внешний кольцевой парус должен быть отделен от двух внутренних частей. Внутренним частям позволили бы, пока большая внешняя часть удаляется, несколько отклонится от курса. Лазерный свет, который придет из Солнечной системы отразится от внешнего кольцевого паруса, который будет работать теперь как переотражающее зеркало. Отраженный свет замедляет две внутренние части и тормозит их до приемлемой скорости для входа в систему Эпсилон Эридан.
После того как команда исследует чужую систему в течении нескольких лет (используя свои световые паруса как солнечный парус) наступит время возвращаться назад. Чтобы это сделать, малый кольцевой парус отделяется от паруса полезной нагрузки и нужным образом ориентируется по отношению к оставшейся внутренней части. Чтобы вернуться назад, нужна поддержка Солнечной системы. Кто-то не должен забыть включить лазерное излучение 12-ю годами раньше. Лазерный луч с орбиты Солнца отражается от кольцевого паруса на орбите чужой звезды и концентрируется на парус полезной нагрузки. Эта световая энергия разгоняет внутренний круглый парус в направлении Солнечной системы. Как только парус с полезной нагрузкой приблизится к Солнечной системе 20-ю астрономическими годами позже, лазерный двигатель экспедиции включится снова, чтобы на этот раз затормозить корабль окончательно в родной системе. Члены экипажа пробудут вдалеке от дома 51 год (включая 5 лет исследований). Для них пройдет 46 лет. И теперь они могут подать в отставку, дабы приступить к написанию мемуаров.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Трудно достичь звезд, но это возможно. Имеется масса разных технологий, которые сейчас интенсивно развиваются для совсем других целей, но соответственно измененные и переориентированные, они могут обеспечить человеческому виду средство для полета к ближайшим звездам. Все что для этого необходимо - желание и несколько десятилетий изоляции себя в космосе, много инженерного труда. И тогда наши первые межзвездные зонды могли бы отправится к звездам еще при нашей жизни.
ACKNOWLEDGEMENTS
This work was partially supported by Air Force Contract 04611-86-C-0039.
REFERENCES
• Bussard, R.W. (1960). Galactic matter and interstellar flight. Astronautica Acta, 6, 179-194.
• Forward, R.L. (1976). Programme for interstellar exploration. J. British Interp1anetary Soc., 29, 611-632
• Forward, R.L. (1984). Round-trip interstellar travel by laser-pushed lightsails. J. Spacecraft & Rockets, 21, 1B7-l95.
• Forward, R.L. (1985) Starwisp: an ultra-light interstellar probe. J. Spacecraft & Rockets, 22, 345-350.
• Hyde, R., Wood, L., and Nuckolls, J. (1972). Prospects for rocket propulsion with laser induced fusion microexplosions. AIAA Paper 72-1063.
• Ma11ove, E.F., Forward, R.L., Paprotny, Z., and Lehmann, J., (1980). Interstellar travel and communication: a bibliography. J. British Interplanetary Soc., 33, 201-248.
• Paprotny, Z. and Lehmann, J. (1983). Interstellar travel and communication bibliography: 1982 update. J. British Interplanetary Soc., 36, 311-329.
• Paprotny, Z., Lehmann, J., and Prytz, J. (1984). Interstellar travel and communication bibliography: 1984 update. J. British Interplanetary Soc., 37, 502-512
• Paprotny, Z., Lehmann, J., and Prytz, J. (1985). Interstellar travel and communication bibliography: 1985 update. J. British Interplanetary Soc., 39, 127-136.
• Singer, C.E. (1980). Interstellar propulsion using a pellet stream for momentum transfer. J. British Interplanetary Soc., 33, 107-115.
Перевод сделан Александром Семеновым [sem123(С)list.ru] в 2007 г. по публикации в сети: HTML Expression only © 1997, W. Paul Blase
______________________________________