Введение

Межзвёздное путешествие – одна из тем, которые широко и довольно подробно обсуждаются в научном сообществе, – представлена в научной фантастике и рассматривается футурологами как обязательный элемент эволюции и требование для выживания и развития человеческого рода. Для инженера-физика это сложная техническая задача, которая может опираться на многие современные разработки в разных областях науки и техники.

В последние 300 лет с каждыми витком развития науки и технологий появляются проекты, которые в рамках данного развития могут предложить решение задачи межзвёздных полётов. Создаются такие космические корабли, как аппараты серии «Вояджер», которые преодолели границы нашей Солнечной системы и покинут гелиосферу. Они будут лететь миллионы лет до ближайшей звезды.

Можно ли считать это полётом к звёздам с точки зрения человека и длительности его жизни? Чтобы совершить полёт, продолжающийся соизмеримое с человеческой жизнью время, придётся думать над новыми двигателями для звёздных кораблей, которые смогут обеспечить им скорость, близкую к скорости света. Опишем проблематику, связанную с этим. А также предложим гипотезу для построения двигательной установки, которая может быть перспективна в будущем.

Чтобы совершить полёт, продолжающийся соизмеримое с человеческой жизнью время, придётся думать над новыми двигателями для звёздных кораблей, которые смогут обеспечить им скорость, близкую к скорости света.

Современные учёные выделяют три главные проблемы межзвёздного полёта [ 1 ]. Во-первых, это время полёта: даже при близких к скорости света скоростях для полётов в рамках нашей Галактики потребуются тысячи лет. Проблема номер два – это потоки пыли, газа и единичных частиц, которые могут повреждать защиту корабля и угрожать экипажу. И самая большая проблема – энергетическая (весовая). При использовании термоядерной реакции и скоростях истекающих газов, близких к световым (0,7 с), соотношение конечной и начальной массы космического аппарата при классическом истечении газов по формуле Жуковского оказывается больше 10³⁰, что показывает: возможность построения космического аппарата при классической компоновке отсутствует.

Ситуация и постановка проблемы

Есть только один способ ускорить тело в вакууме. Чтобы наш аппарат приобрёл нужную скорость, его работа должна основываться на действии закона сохранения импульса (если векторная сумма всех внешних сил, действующих на систему, равна нулю, то импульс системы сохраняется, то есть не меняется со временем). Этот закон работает при любых скоростях и в любых условиях.

В пустом пространстве космический аппарат может ускорить себя, только лишившись части своей массы или в общем случае импульса (закон сохранения импульса). Возьмём простейший случай и рассмотрим детали релятивистского реактивного движения. Пусть ракета массой M, летящая со скоростью v, за малый интервал времени dt выбрасывает в противоположном направлении движения нечто, обладающее кинетической энергией E и скоростью u.

Примем этот случай за основу и рассмотрим процесс приобретения скорости у аппаратов. Учтём, что речь идёт о замкнутой системе, то есть тело находится в абсолютном вакууме и не подвергается действию внешних воздействующих сил. Если мы выбираем этот вариант применительно к звёздному кораблю, возникает проблема: чем больше надо ускорить тело, тем больше должно быть само исходное тело. Чтобы решить эту проблему, нужно рассматривать нашу систему как открытую. В такой системе могут использоваться не только внутренние резервы, но и материя, которая находится в межзвёздном пространстве.

Другими словами, будем рассматривать наш космический аппарат как систему, в которой «рабочее тело», или материал для истечения, поступает из внешней среды, а импульс генерируется установкой, которая с помощью внешней энергоустановки обеспечивает генерацию электроэнергии, необходимой для работы. Сформулируем задачу: как получить импульс и с помощью каких инструментов?

Следующая проблема связана со временем полёта: как его сократить? Она может быть решена, только если скорость полёта будет близка к скорости света. Как известно, это предел скорости путешествия между звёздами. При этом из-за релятивистских эффектов возникает эффект замедления времени внутри летящего аппарата. Но существует и другое ограничение: корабль не может мгновенно развить нужную скорость. Чтобы её набрать, потребуется время и ускорение a. Для длительного путешествия человеку будет комфортно ускорение, равное ускорению свободного падения на Земле, то есть равноускоренное движение с ускорением a~g (9,8 м/c²).

Теперь приведём пример расчёта времени полёта при данных граничных условиях. Пусть полёты туда и обратно состоят из трёх фаз: равноускоренного разгона, полёта с постоянной скоростью и равноускоренного торможения. Расчёт времени полёта выглядит так:

Собственное время любых часов будет иметь вид

где u (t) – скорость этих часов.

Земные часы неподвижны u = 0 и их собственное время равно координатному τ₀ = t.

Часы космонавтов имеют переменную скорость u (t). Так как корень под интегралом остаётся всегда меньше единицы, время этих часов, независимо от явного вида функции u (t), всегда оказывается меньше t. В результате τ_{0 <} τ₀.

Если разгон и торможение проходят релятивистски и равноускоренно (с параметром собственного ускорения a) в течение τ₁, а равномерное движение – τ₂, то по часам корабля пройдёт время:

где arcsinh – гиперболический арксинус.

Если космический аппарат разгоняется до середины расстояния S до цели, а затем тормозится, то полное корабельное время полёта до цели в одном направлении равно

Рассмотрим полёт к звёздной системе Альфа Центавра, удалённой от Земли на расстояние в 4,3 световых года. Если время измеряется в годах, а расстояние в световых годах, то скорость света c равна единице, а единичное ускорение a = 1 св. год/год² близко к ускорению свободного падения и примерно равно 9,5 м/c².

Пусть половину пути космический аппарат двигается с единичным ускорением, а вторую половину – с таким же ускорением тормозит . Затем корабль разворачивается и повторяет этапы разгона и торможения. В этой ситуации время полёта в земной системе отсчёта составит примерно 12 лет, а по часам на корабле пройдёт 7,3 года. Максимальная скорость космического аппарата достигнет 0,95 от скорости света.

Такой режим полёта и такое время могут быть вполне приемлемы для человека, они укладываются в рамки его активной жизни.

Перейдём к проблеме потоков пыли и газа. При движении космического аппарата с околосветовой скоростью протоны межзвёздного газа Галактики (плотностью 0,2 атома/см³) превратятся в пучок, направленный против направления полёта космического корабля. Энергия пучка – 10-30 МэВ плотностью 10¹⁰ частиц на квадратный сантиметр в секунду. На поверхности Земли, как известно, интенсивность космического излучения составляет всего 2 частицы на квадратный сантиметр в секунду [ 3 ]. При этом поток приходится в основном в передней полусфере, которая будет сужаться, концентрироваться с возрастанием скорости движения [ 4 ]. Данный поток можно будет собирать или отклонять так, чтобы он не мешал экипажу и общему движению.

Проработанные на текущий момент варианты звёздных двигателей

Чтобы долететь до звёзд, потребуются реактивные аппараты другой конструкции. Необходимо увеличить либо тягу двигателей, либо время их работы. К примеру, ракета с химическими двигателями обладает тягой несколько тысяч тонн, но работать будет всего несколько минут. И наоборот – космический аппарат с двигателем другого вида, например ионным, обладает небольшой тягой, но работать в открытом космосе способен годами. Таким образом, для межзвёздного полёта пригодны не все типы двигателей. Необходимы или высокие скорости истечения рабочего вещества, или большое значение ускорения (соотношение тяги двигателя и массы летательного аппарата).

Современный российский исследователь данной проблематики Иван Михайлович Моисеев (руководитель Института космической политики) в своей работе [ 5 ] даёт такую классификацию двигателей для межзвёздных перелётов (МП) (рис. 1):

Рис. 1. Классификация типов двигательных установок

Согласно данной классификации для рассмотрения предлагается ядерно-электрическая реактивная система с захватом рабочего тела, работающая на внешнем источнике.

Предлагаемая для рассмотрения идея

Согласно принципу сохранения импульса импульс системы остаётся постоянным в отсутствие внешних сил. Мы будем использовать для ускорения внутренние силы и энергию, накопленную в веществе, и, отдав импульс через тело, получим импульс в противоположную сторону [ 6 ].

С другой стороны, согласно специальной теории относительности, объекты набирают массу по мере приближения к скорости света. Ускорив тело до скорости, близкой к скорости света, мы придадим ей сколь угодно большой импульс.

Для оценки параметров габаритов просчитаем зависимость массы космического аппарата при условии, что он движется с постоянным ускорением. Из закона сохранения импульса выходит:

где M_к – масса космического аппарата, a – ускорение, получаемое космическим аппаратом, up – скорость протонов, M_p – общая масса протонного пучка; с другой стороны, импульс потока протонов опишем через его ток и учтём, что мы рассматриваем быстрые протоны, где u_p стремится к скорости света. Исходя из этого, импульс можно записать так:

где I_p – суммарный ток протонов_, m_p0 – масса покоя протонов, q_p – заряд протона, Υ – гамма-фактор с учётом скорости:

При скорости протона значительно релятивисткой 

где E_p – энергия протонов в эВ, E_p0 – вес покоя протона в эВ = 938,272 МэВ, вводим константу

Получаем простое соотношение между массой ускоряемого космического аппарата и токами испускаемых протонов:

Эти эффекты возьмём за принцип построения и работы двигателя, а именно ускорение заряженных частиц до релятивистских скоростей в электромагнитном поле и последующем испускании.

Космический аппарат можно представить в виде большого линейного ускорителя заряженных частиц, которые разгоняются электрическим полем и, достигнув околосветовых скоростей, выбрасываются в виде реактивной струи. При этом масса частиц в процессе ускорения возрастает в тысячи раз. А так как ускоряется малый объём частиц, расход выбрасываемого тела может быть минимальным.

Это вариант длинного линейного ускорителя заряженных элементарных частиц, которыми могут быть и ионизированные атомы водорода, и электроны. Такой принцип устройства близок к описанным выше ионным двигателям.

Также можно решить ещё одну из проблем скоростного звёздного полёта, используя свободные межзвёздные атомы водорода. По современным оценкам, в каждом кубическом сантиметре межзвёздного пространства содержится примерно один такой атом. Одним из возможных решений была бы защита от данных частиц при помощи электромагнитных полей с одновременным захватом для восполнения расходуемого для реактивного движения вещества. То есть в процессе полёта будем производить ионизацию и сбор заряженных частиц с использованием в ускорителе для создания тяги.

Одним из возможных решений проблемы защиты от заряженных элементарных частиц может стать ионизация и сбор этих частиц с использованием в ускорителе для создания тяги.

При дальнейшем развитии технологии энергоустройств можно использовать собираемые атомы для реакции термоядерного синтеза [ 7 ] в целях получения энергии для общей работы космического корабля. И как вариант предельного развития системы – полностью замкнуть энергообеспечение и расходное вещество на получаемое из внешнего пространства.

Пример конструкции

В целях обсуждения мною предлагается такой вариант конструкции прямоточного релятивистского двигателя (рис.2):

Рис. 2. Схема построения космического аппарата

1) линейный ускоритель частиц;

2) ядерная энергоустановка;

3) система вращающихся жилых модулей, систем жизнеобеспечения и производства пищи, размещённая в радиационно-поглощающей оболочке и накопителе водорода (вариант – ледяной щит);

4) предускорители протонов (инжекторы и протонные синхротроны для предускорения протонов до энергии 500 – 900 МэВ);

5) система сбора и ионизации звёздного водорода на базе тонкого заряженного сеточного паруса или сильных магнитных систем, собирающих и сепарирующих полученные ионы для предускорителей.

Оценим параметры конструкции с учётом имеющихся наработок в ускорительной технике.

Расчёт варианта массогабаритных параметров

Для текущих параметров линейных ускорителей возможно использовать сверхпроводящие магниты, которые позволяют выдавать ускорение до 100 МэВ/м при работающих резонаторах на частоте 2,6 ГГц. [ 8-12 ].

Используются сверхпроводящие резонаторы с добротностью 10¹⁰ и выполненные из 3–5-мм ниобиевого контура и сверхпроводник Nb3Sn (18,5 К) с охлаждением жидким водородом H₂ (14,01 K -20,28 K) или гелием в замкнутом контуре [ 13 ].

Ускоритель может состоять из 200 трубок резонаторов диаметром 10-15 см, которые будут рассчитаны на ток до 10 А.

Для описанных выше параметров для получения 300 ГэВ или Y~300 необходима длина ~3 км.

Так как материал сверхпроводящего канала выталкивает электрические поля и они проходят в материал не более чем на 0,5-1 мм, сами каналы могут быть выполнены из тонкого материала 1-2 мм, соединены в пакеты с волноводами и пронизаны капиллярной системой, проводящей жидкий водород. Примерно оценим вес этих каналов. При учёте того, что канал есть полая труба 10 см в диаметре и 5-7 см трубы волноводов, вес ускорительного канала в среднем равен 500 кг/м (данный параметр оценочный, плотность материала Nb3Sn 8,9 г/см³). Итого выходит ~1500 т.

Также из тока 2000 А можно оценить расход водорода (T·I_p·m_p0 /·q_p), и он выходит ~ 600 кг/год, то есть двигатель даёт импульс 1 878 000 кг·м/с.

Исходя из этого, ускоряемая масса космического аппарата может быть ~1900 т при ускорении 0,1 g.

Необходимая мощность реактора при ~90% эффективности резонаторов и клистронов – 11 МВт.

Но данные параметры электрических систем – это параметры систем, существующих на сегодняшний день. По мнению специалистов по физике высоких энергий, они не предельны и могут быть существенно улучшены до сотен ГэВ на метр. И если технологии позволят в ближайшем будущем создавать такие устройства, километровые ускорители смогут ускорять ядра до сотен тераэлектронвольтов (10¹⁵ эВ). Y ~100 000.

Применение ускоряющих систем для генерации энергий и прикладных задач

Оценим возможности использования полученной плазмы, протонного газа с энергией 300 ГэВ и плотностью тока 2000 А для поджога термоядерной реакции. Чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ (1 эВ соответствует 1,16⋅10⁴ кельвин). То есть протон может ионизировать 3⋅10⁵ протонов, достаточных для проведения термоядерной реакции (0,1 МэВ).

При этом если ток – 2000 A, это 6⋅10²¹ событий термоядерного синтеза на стоящих частицах или потенциально до 10 ГВт исходящей энергии, которую можно собирать и использовать для движения и сбора межзвёздной материи. Данные оценки показывают, что на первых этапах проектирования можно разрабатывать оборудование для межзвёздных кораблей как системы, генерирующие энергию на Земле, или как линейные ускорители с высоким током заряженных частиц для исследовательских и медицинских задач.

На первых этапах проектирования целесообразно разрабатывать оборудование для межзвёздных кораблей как системы, генерирующие энергию на Земле, или как линейные ускорители с высоким током заряженных частиц для исследовательских и медицинских задач.

Заключение

В работе была рассмотрена идея построения прямоточного релятивистского двигателя и намечена принципиальная схема релятивистского атомного звездолёта. Идея основана на имеющихся разработках в области ускорительной техники и энергоустановок. Основная цель данной работы – привлечь внимание к проблеме использования имеющихся наработок в физике высоких энергий для прикладного применения в сфере исследований космоса. Принципы построения и работы двигателя космического аппарата ограничены базой хорошо изученных физических законов и явлений СТО. Опираясь на них, можно построить аппарат, способный решить поставленную задачу: долететь до ближайших звёзд и вернуться в сроки 20-30 лет.

Литература

1. Феоктистов К. Полёт к звёздам // Квант. 1990. № 9. С. 50-57.

2. Левантовский В. И. Механика космического полёта в элементарном изложении. М.: Наука, 1970. С. 452.

3. Мирошниченко Л. И. Космические лучи // Физическая энциклопедия. В 5 т. / Гл. ред. А. М. Прохоров. М.: Советская энциклопедия, 1990. Т. 2: Добротность – Магнитооптика. С. 471-474.

4. Багров А. В., Смирнов М. А., Смирнов С. А. Межзвёздные корабли с магнитным зеркалом // Труды XX чтений К. Э. Циолковского. Секция «Проблемы ракетной и космической техники». Калуга, 1985.

5. Моисеев М. И. Межзвёздные перелёты: к вопросу о методологии исследований // К. Э. Циолковский и инновационное развитие космонавтики. Материалы XLVIII Научных чтений памяти К. Э. Циолковского, Калуга, 2013.

6. Бурдаков В. П., Данилов Ю. И. Ракеты будущего. М.: Атомиздат, 1980. 160 с.

7. Лебедев А. Н., Шальнов А. В. Основы физики и техники ускорителей. М.: Энергоатомиздат, 1991. 528 с.

8. Азарян Н. С., Батурицкий М. А. и др. Состояние и перспективы создания резонаторов для нового поколения e+e− линейных ускорителей и коллайдеров. Международное рабочее совещание, Минск, 22-25 апреля 2014 г. Дубна: ОИЯИ, 2015.

9. Диденко А. Н., Севрюкова Л. М., Ятис А. А. Сверхпроводящие ускоряющие СВЧ-структуры. М.: Энергоиздат, 1981. 208 с.

10. Тепляков В. А., Мальцев А. П., Степанов В. Б. Высокочастотная квадрупольная фокусировка (к истории её возникновения и развития). Протвино, 2006. 34 с.

11. Полозов С. М., Фертман А. Д. Ускорители протонного пучка большой мощности для подкритических ядерных установок // Атомная энергия. 2012. Т. 113. Вып. 3. С. 155-162.

12. Патент № 2231235Л РФ. Способ изготовления сверхпроводящего резонатора / Севрюкова М., Суздалев В. И., Филиппов Д. Л. Опубл. 20.06.2004.

13. Борисов Л. М., Гельвич Э. А., Жарый E. B., Закурдаев А. Д. и др. Мощные многолучевые электровакуумные усилители СВЧ // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 1993. № 1. С. 12-20.

14. Григорий Трубников. История ускорителей атомных ядер [Электронный ресурс] // ПостНаука. 2014. 01 сентября. URL: https://postnauka.ru/longreads/50411 (Дата обращения: 12.11.2020).

15. Арцимович Л. А. Управляемые термоядерные реакции. М.: Физматлит, 1961. 467 с.

References

1. Feoktistov K. Polet k zvezdam. Kvant, 1990, no. 9, pp. 50 – 57.

2. Levantovskiy V. I. Mekhanika kosmicheskogo poleta v elementarnom izlozhenii. Moscow, Nauka, 1970, p. 452.

3. Miroshnichenko L. I. Kosmicheskie luchi. Fizicheskaya entsiklopediya. In 5 vol. Ed. A. M. Prokhorov. Moscow, Sovetskaya entsiklopediya, 1990. Vol. 2: Dobrotnost' – Magnitooptika, pp. 471-474.

4. Bagrov A. V., Smirnov M. A., Smirnov S. A. Mezhzvezdnye korabli s magnitnym zerkalom. Trudy XX chteniy K.E.Tsiolkovskogo. Kaluga, 1985.

5. Moiseev M. I. Mezhzvezdnye perelety: k voprosu o metodologii issledovaniy. K.E.Tsiolkovskiy i innovatsionnoe razvitie kosmonavtiki. Materialy XLVIII Nauchnykh chteniy pamyati K.E.Tsiolkovskogo, Kaluga, 2013.

6. Burdakov V. P., Danilov Yu. I. Rakety budushchego. Moscow, Atomizdat, 1980. 160 p.

7. Lebedev A. N., Shal'nov A. V. Osnovy fiziki i tekhniki uskoriteley. Moscow, Energoatomizdat, 1991. 528 p.

8. Azaryan N. S., Baturitskiy M. A. et al. Sostoyanie i perspektivy sozdaniya rezonatorov dlya novogo pokoleniya e+e− lineynykh uskoriteley i kollayderov. Dubna, OIYaI, 2015.

9. Didenko A. N., Sevryukova L. M., Yatis A. A. Sverkhprovodyashchie uskoryayushchie SVCh-struktury. Moscow, Energoizdat, 1981. 208 p.

10. Teplyakov V. A., Mal'tsev A. P., Stepanov V. B. Vysokochastotnaya kvadrupol'naya fokusirovka (k istorii ee vozniknoveniya i razvitiya). Protvino, 2006. 34 p.

11. Polozov S. M., Fertman A. D. Uskoriteli protonnogo puchka bol'shoy moshchnosti dlya podkriticheskikh yadernykh ustanovok. Atomnaya energiya, 2012, vol. 113, iss. 3, pp. 155-162.

12. Sevryukova M., Suzdalev V. I., Filippov D. L. Sposob izgotovleniya sverkhprovodyashchego rezonatora. Pat. RF no. 2231235L (2004).

13. Borisov L. M., Gel'vich E. A., Zharyy E. B., Zakurdaev A. D. et al. Moshchnye mnogoluchevye elektrovakuumnye usiliteli SVCh. Elektronnaya tekhnika. SVCh-tekhnika, 1993, no. 1, pp. 12-20.

14. Grigoriy Trubnikov. Istoriya uskoriteley atomnykh yader. PostNauka. 2014. September 01. Available at: https://postnauka.ru/longreads/50411 (Retrieval date: 12.11.2020).

15. Artsimovich L. A. Upravlyaemye termoyadernye reaktsii. Moscow, Fizmatlit, 1961. 467 p.

© Сенкевич А. П., 2020

История статьи:

Поступила в редакцию: 11.09.2020

Принята к публикации: 04.10.2020

Модератор: Гесс Л. А.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования: Сенкевич А. П. Прямоточный релятивистский двигатель – гипотеза для обсуждения // Воздушно-космическая сфера. 2020. № 4. С. 80-87.

Скачать статью в формате PDF >>