Rymdresor under konstant acceleration

Rymdresor under konstant acceleration är en hypotetisk metod för rymdresor som involverar användningen av ett framdrivningssystem som genererar en konstant acceleration snarare än de korta, impulsiva framstötarna som produceras av traditionella kemiska raketer . Under den första halvan av resan skulle framdrivningssystemet ständigt accelerera rymdfarkosten mot sin destination, och under den andra halvan av resan skulle det ständigt bromsa upp rymdskeppet. Konstant acceleration skulle kunna användas för att uppnå relativistiska hastigheter , vilket gör det till ett potentiellt sätt att uppnå mänskliga interstellära resor . Detta färdsätt har ännu inte använts i praktiken.

Konstant accelererande drivningar

Konstant acceleration har två huvudsakliga fördelar:

• Det är den snabbaste formen av interplanetära och interstellära resor .
• Den skapar sin egen artificiella gravitation , vilket potentiellt besparar passagerare från effekterna av mikrogravitation .

Konstant dragkraft kontra konstant acceleration

Banor med konstant dragkraft och konstant acceleration innebär båda att en rymdfarkost avfyrar sin motor kontinuerligt. I en bana med konstant dragkraft ökar fordonets acceleration under dragningsperioden, eftersom användningen av bränsle minskar fordonets massa. Om fordonet istället för konstant dragkraft har konstant acceleration, minskar motorns dragkraft under färden.

Rymdfarkosten måste vända sin orientering halvvägs genom resan och bromsa in resten av vägen, om det krävs för att träffa sin destination (i motsats till en förbiflygning).

Interstellära resor

Den här plotten visar att ett fartyg som kan 1- g (10 m/s ² eller ca 1,0 ly/y ² ) "filt" eller korrekt acceleration kan resa stora avstånd, även om det är begränsat av massan av alla drivmedel som det bär.

Ett rymdskepp som använder betydande konstant acceleration kommer att närma sig ljusets hastighet över interstellära avstånd, så speciella relativitetseffekter inklusive tidsdilatation (skillnaden i tidsflöde mellan fartygets tid och lokal tid) blir viktiga.

Uttryck för tillryggalagd sträcka och förfluten tid

Huvudartikel: Hyperbolisk rörelse (relativitet)

Den tillryggalagda sträckan, under konstant korrekt acceleration, från jordens synvinkel som en funktion av resenärens tid uttrycks av koordinatavståndet x som en funktion av riktig tid τ vid konstant korrekt acceleration a . Det ges av:

$x(\tau )={\frac {c^{2}}{a}}\left(\cosh {\frac { a\ \tau }{c}}-1\höger),$

där c är ljusets hastighet.

Under samma omständigheter ges den tid som förflutit på jorden (koordinattiden ) som funktion av resenärens tid av:

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

Genomförbarhet

En begränsning av konstant acceleration är tillräckligt bränsle. Konstant acceleration är endast möjlig med utveckling av bränslen med en mycket högre specifik impuls än vad som finns tillgängligt för närvarande.

Det finns två breda tillvägagångssätt för högre specifik impulsframdrivning:

1. Bränsle med högre verkningsgrad (motorfartygsinriktningen). Två möjligheter för tillvägagångssättet för motorfartyg är kärnkraft och materia-antimateriabaserade bränslen.
2. Att hämta framdrivningsenergi från omgivningen när fartyget passerar genom den (segelfartygsinvägningen). En hypotetisk tillvägagångssätt för segelfartyg är att upptäcka något som motsvarar parallellogrammet av kraft mellan vind och vatten som tillåter segel att driva ett segelfartyg.

Att plocka upp bränsle längs vägen – ramjet -metoden – kommer att förlora effektivitet när rymdfarkostens hastighet ökar i förhållande till planetreferensen. Detta beror på att bränslet måste accelereras till rymdskeppets hastighet innan dess energi kan utvinnas, och det kommer att minska bränsleeffektiviteten dramatiskt.

Ett relaterat problem är drag . Om rymdfarkosten med nära ljushastighet interagerar med materia som rör sig långsamt i den planetariska referensramen, kommer detta att orsaka motstånd som kommer att blöda ut en del av motorns acceleration.

Ett andra stort problem för fartyg som använder konstant acceleration för interstellära resor är att kollidera med materia och strålning på väg. I mitten av resan kommer en sådan påverkan att vara nära ljusets hastighet, så resultatet blir dramatiskt.

Interstellära reshastigheter

Om ett rymdskepp använder konstant acceleration över interstellära avstånd, kommer det närma sig ljusets hastighet under mitten av sin resa när det ses från planetens referensram . Det betyder att effekterna av relativitet blir viktiga. Den viktigaste effekten är att tiden ser ut att passera i olika takt i fartygsramen och planetramen, och det betyder att fartygets hastighet och restid kommer att se olika ut i de två ramarna.

Planetarisk referensram

Från den planetariska referensramen kommer fartygets hastighet att tyckas vara begränsad av ljusets hastighet - det kan närma sig ljusets hastighet, men aldrig nå den. Om ett fartyg använder 1 g konstant acceleration, kommer det att tyckas närma sig ljusets hastighet på ungefär ett år och ha färdats ungefär ett halvt ljusår i sträcka. Under mitten av resan kommer fartygets hastighet att vara ungefär ljusets hastighet, och den saktar ner igen till noll under ett år i slutet av resan.

Som en tumregel, för en konstant acceleration vid 1 g ( jordens gravitation ), kommer restiden, mätt på jorden , att vara avståndet i ljusår till destinationen plus 1 år. Den här tumregeln kommer att ge svar som är något kortare än det exakta beräknade svaret, men rimligt korrekta.

Fartygets referensram

Plotta hastighetsparametrar och tider på den horisontella axeln, kontra position på den vertikala axeln, för en accelererad tvillingtur och retur till en destination med Δx _AB =10c ² /α ~10 ljusår bort om α~9,8 m/s ² .

Utifrån referensramen för de på fartyget kommer accelerationen inte att förändras under resan. Istället kommer den planetariska referensramen att se mer och mer relativistisk ut. Det betyder att för resenärer på fartyget kommer resan att verka vara mycket kortare än vad planetobservatörer ser.

Vid en konstant acceleration på 1 g kan en raket färdas i diametern av vår galax på cirka 12 år fartygstid och cirka 113 000 år planetarisk tid. Om den sista halvan av resan innebär en retardation på 1 g skulle resan ta cirka 24 år. Om resan bara går till närmaste stjärna, med inbromsning sista halvan av vägen, skulle det ta 3,6 år.

I fiktion

Tau Zero , en hård science fiction- roman av Poul Anderson , har ett rymdskepp som använder en konstant acceleration.

Rymdfarkosten från George O. Smiths Venus Equilateral -berättelser är alla fartyg med konstant acceleration. Normal acceleration är 1 g , men i "The External Triangle" nämns att accelerationer på upp till 5 g är möjliga om besättningen drogs med gravanol för att motverka effekterna av g -belastningen.

Rymdfarkoster i Joe Haldemans roman The Forever War använder sig i stor utsträckning av konstant acceleration; de kräver utarbetad säkerhetsutrustning för att hålla sina passagerare vid liv vid hög acceleration (upp till 25 g ), och accelererar med 1 g även när de är "vila" för att ge människor en bekväm gravitationsnivå.

I det kända rymduniversumet , konstruerat av Larry Niven , använder jorden konstant accelerationsdrift i form av Bussard-ramjets för att hjälpa till att kolonisera de närmaste planetsystemen . I den okända rymdromanen A World Out of Time , "tar" Jerome Branch Corbell (för sig själv), en ramjet till Galactic Center och tillbaka om 150 år skickas tiden (det mesta i kall sömn), men 3 miljoner år passerar på jorden.

I The Sparrow , av Mary Doria Russell , uppnås interstellär resor genom att omvandla en liten asteroid till en rymdfarkost med konstant acceleration. Kraft appliceras av jonmotorer som matas med material som utvinns från själva asteroiden.

I Revelation Space -serien av Alastair Reynolds beror interstellär handel på "lighthugger" rymdskepp som kan accelerera oändligt med 1 g , med ersatta antimateriadrivna konstanta accelerationsdrifter. Effekterna av relativistiska resor är en viktig handlingspunkt i flera berättelser, och informerar till exempel om psykologierna och politiken för lighthuggers "ultranaut"-besättningar.

I romanen 2061: Odyssey Three av Arthur C. Clarke är rymdskeppet Universe , som använder en muonkatalyserad fusionsraket , kapabel till konstant acceleration vid 0,2 g under full dragkraft. Clarkes roman " Imperial Earth " har en "asymptotisk drift", som använder ett mikroskopiskt svart hål och vätedrivmedel för att uppnå en liknande acceleration från Titan till jorden.

UET- och Hidden Worlds-rymdskeppen i FM Busbys Rissa Kerguelen-saga använder en konstant accelerationsdrift som kan accelerera med 1 g eller till och med lite mer.

Fartyg i Expanse -serien av James SA Corey använder sig av konstanta accelerationsdrifter, som också ger artificiell gravitation för de åkande.

I The Martian , av Andy Weir , använder rymdskeppet Hermes en jonmotor med konstant drivkraft för att transportera astronauter mellan jorden och Mars . I Project Hail Mary , också av Weir , använder huvudpersonens rymdskepp en konstant 1,5 g accelerationsspindrift för att resa mellan solsystemet , Tau Ceti och 40 Eridani .