Механика межзвездного полета

Даже при создании фантастического фильма не зазорно принять во внимание ограничения, накладываемые законами природы на межзвездные путешествия. Прогресс в технологии позволит со временем приблизиться к этим пределам, но нельзя их превзойти.

Лет шесть назад мне довелось переводить статью
Bernard M. Oliver. A Review of Interstellar Rocketry Fundamentals // Journal of The British Interplanetary Society Vol.43. pp.259-264, 1990.

Порывшись в архиве, я нашел ее, проверил выкладки и сделал расчеты применительно к описанному в ТА путешествию.

Исходные данные и предпосылки

Тантра – классическая ракета. Запас топлива и энергии хранится на борту. Скорость полета равна `\frac{5}{6}c`. Только при таком громадном значении скорости возможно достижение описанных в ТА объектов за разумное время. Иначе ткань повествования порвется сразу во многих местах.

В романе подразумевается шесть циклов разгона (торможения): от Земли к Зирде, у Зирды, к месту рандеву с Альграбом, к Земле и окончательное торможение. Два цикла разгона представляются мне излишними. Лучше уж сразу лететь к Земле, чем тратить уйму топлива на полет к системе Б-7336-С+87-А. Вдобавок, наматывая там круги инферно, Тантра для поддержания обращения должна прирастить свою скорость еще как минимум на половину `c`. Гораздо рациональней ожидать Альграб где-нибудь на окраине системы Зирды.

Этот эпизод в романе всегда казался мне непродуманным. Если планета К-2-2Н-88 хорошо известна как удобное место рандеву звездолетов и если встреча там была запланирована, то расчет пути оттуда к Земле должен быть тоже заранее подготовлен. Если же принять, что Тантра ждет Альграб в системе Зирды, то, тем более, возвращаться следовало по своему следу. Непонятно, почему обратный курс проложен через некую неисследованную область.

Итак, наиболее подробно остановлюсь на варианте четырех циклов разгона-торможения. Предполагается, что кпд двигателя 100%, т.е. отсутствуют тепловые и иные потери; вся энергия топлива преобразуется в упорядоченную кинетическую энергию продуктов истечения.

Искомые величины

Массовое число `\mu` – отношение массы ракеты перед стартом к массе после финиша. Следовательно, отношение массы топлива к массе полезной нагрузки `m` равно `\mu-1`.

Кинетическая энергия ракеты `T`.

Кинетическая энергия топлива `E`. Не превосходит `T`.

Кинематическая эффективность `\eta=\frac{E}{T}`. Кинематическая эффективность ракеты была бы равна единице (100%), если бы все продукты истечения покоились относительно пункта назначения. Для этого скорость продуктов истечения должна изменяться таким образом, чтобы в каждый момент оставаться равной скорости полета ракеты. Но такая идеально экономичная ракета нереализуема, поскольку самостоятельно стартовать не может.

Энергия ракеты

За один разгон (без торможения): `T_1=`0,809

Два разгона (путешествие в один конец): `T_2=`4,545

Четыре разгона (путешествие туда и обратно): `T_4=`59,5

Шесть разгонов: `T_6=`664,5

Здесь и далее единицей измерения энергетических величин является энергия покоя полезной нагрузки `mc^2`.

Остальные искомые параметры зависят от скорости истечения. Рассмотрим несколько вариантов.

Фотонная ракета

Если скорость истечения в точности равна скорости света, то продуктом истечения являются фотоны (фотонная ракета). Массовое число получается минимальным среди всех возможных вариантов.

Один разгон:

`\mu_1`=3,317, `E_1=`2,317, `\eta_1=`0,349

Два разгона:

`\mu_2=`11, `E_2=`10, `\eta_2=`0,455

Четыре разгона:

`\mu_4=`121, `E_4=`120, `\eta_4=`0,496

Шесть разгонов:

`\mu_6=`1331, `E_6=`1330, `\eta_6=`0,5

Однако минимум топлива не означает минимум энергии. Фотонная ракета имеет низкую кинематическую эффективность. Она может быть повышена только путем уменьшения скорости истечения, т.е. ценой увеличения массового числа.

Ракета с оптимальной постоянной скоростью истечения

Пусть скорость истечения ракеты постоянна, но не обязательно равна `c`. Тогда существует оптимальное ее значение (для четырех разгонов равное 0,968`c`), при котором кинематическая эффективность максимальна:

`\eta_4=`0,564, `\mu_4=`142, `E_4=`105,5.

Энергия, содержащаяся в единичной массе топлива, должна быть в 1,335 раз меньше ее энергии покоя. Таким образом, экономия энергии получается совсем небольшая, но важно, что продуктами истечения могут быть частицы с ненулевой массой.

Ракета с оптимальной переменной скоростью истечения

Доказано, что оптимальной в плане повышения `\eta` является ракета с постоянной скоростью продуктов истечения относительно пункта назначения. Чем меньше данная скорость, тем выше `\eta`, но больше и `\mu`.

В свою очередь, данная скорость связана с удельной энергоемкостью топлива, если считать, что вся энергия сосредоточена в топливе. На графике энергоемкость топлива отложена вдоль оси абсцисс в долях энергии аннигиляции. Единичное значение соответствует фотонной ракете.

Видно, как быстро возрастает `\mu` с уменьшением энергоемкости.

Можно решить задачу о нахождении оптимальной энергоемкости, при которой как `\mu`, так и `E` имеют одинаковое относительное отклонение от своих минимальных значений. Последнее получается равным 33,7% при энергоемкости топлива 0,495. Это для четырех разгонов. Для двух соответственно 37,5% и 0,442. Итак, оптимальная (в указанном смысле) удельная энергоемкость чуть менее половины аннигиляционной.

01 июня 2006, 22:35


назад | вперёд