Inter star Distances'ın Meydan Okuması

Inter star seyahat, en çok düşünülmüş mühendislik zorluklarından birini temsil ediyor. Yıldızlar arasındaki mesafeler, en yakın yıldız sistemi olan Alpha Centauri, yaklaşık 4.37 ışık yılı uzakta yatıyor.Bu, olağanüstü enerji miktarlarını ortaya çıkarmak için, Tsiolkovsky Rocket Equation'a ulaşmak için, bu enerji koşullarını ve prodüktifleri değerlendirmek için temel bir çerçevede bulunuyor.

roket denklemi, ideal roket denklemi olarak da bilinir, hızdaki değişim arasındaki bir ilişki kurar, bu üstel büyüme, herhangi bir ciddi tasarımın ele alınması gerektiği merkezi engel haline gelir.Bu ilişki üstel olarak, hız gereksinimlerinin artması anlamına gelir, bu da bir alarm oranında artış anlamına gelir.

Rocket Equation

Roket denklemi, momentumun korunmasından doğar. Bir roket belirli bir hızda geri çekilmez, uzay aracının kendisi eşit ve tam tersi bir ivme kazanır. denklem genellikle yazılır:

[0]([0) {0/0/0) {0/0)

Nerede:

  • [FONT:0] {{v[DÜT:1] uzay aracının hızlarındaki toplam değişikliktir.
  • [FONT:0]ve , motorun özel dürtüleri ile ilgili olan pervanantın etkili egzoz hızıdır.
  • [FONT:0]m0 tüm pervanant dahil uzay aracının ilk toplam kütlesidir.
  • [FONT:0] [DÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNİVERSİMİŞİ:0)) [FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=0)))) [FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT
  • [FONT=0]ln doğal logarithm anlamına gelir.

Etkili egzoz hızı ve, tahrik sistemi, yakıtlı kütleyi itmeye nasıl verimli bir şekilde dönüştürdüğü bir ölçüdür. Kimyasal roketler için ve genellikle yaklaşık 3.000 ila 4,500 m /s gibi elektrik tahrik sistemleri için ve 30.000 ila 50.000 m /s'e ulaşabilir.

Mass Oran ve Exponential Cezaty

Kitle oranı m0/mf kritik bir parametredir. roket denklemini düzenleme:

[0]0 / mf = e^ (345v / ve)).

Bu üstel ilişki, gerekli delta-v sadece birkaç kez egzoz hızıysa, kütle oranı yönetilebilir. Ancak, gerekli delta-v, egzoz hızının birçok kez gerekli olduğu anlamına gelir, örneğin 345v / ve = 10, sonra m0/mf = e.10 ⁇ 22,026. Bu, her kilogram için son kitle için gerekli olan anlamına gelir, 22.000 kilogram ilk kütlenin gerekli olması gerekir, büyük çoğunluğun pervanantajı ile.

Delta-v Inter star Destinations için Gereksinimler

Zorluk boyutunu anlamak için, yaklaşık 44 yıl içinde Alfa Centauri'ye ulaşmak için gereken bir araştırmanın izin verecek:

[0] ﴾0 = 0.1 * = 0.1 * 299,792,458 m / ⁇ 29,979,246 m / [Dönemli: 1]

Bu yaklaşık 30 km/s. Bunu, tipik bir Dünya-Mars misyonu için gerekli olan delta-v ile karşılaştırıldığında, 5 ila 10 km /s siparişindedir.

Hedef Yıldızlar ve Onların Uzakları

Yakın yakın birkaç yıldız sistemi, yıldızlararası problar için potansiyel hedeflerdir:

  • [FONT=0)Alpha Centauri System (4.37 ışık yılı): En yakın yıldız sistemi, üç yıldızdan oluşur: Alpha Centauri A, Alpha Centauri B ve Proxima Centauri en az bilinen bir exoplanet, Proxima Centauri b.
  • [FONT:0]Barnard'ın Yıldızı[Dönemli: 5.96 ışık yılı: Bilinen süper Dünya adayıyla düşük kütleli kırmızı cüceler.
  • [FONT:0]Wolf 359[[Dönemli: 1) (7.86 ışık yılı): Başka bir kırmızı cüce, sıklıkla bilim kurgusunda atıfta bulundu.
  • [FONT=0]Sirius[[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜye:0)Sirius[[DÜye Olmayanlar (1.60 ışık yılı)[değiştir | kaynağı değiştir]
  • [0]Luyten'in Yıldızı[Dönemli: 12.36 ışık yılı: Bilinen eski eskilerle kırmızı cüce.

Bu hedeflerin her biri, seyahat süresi bir yüzyıla veya daha azına kısıtlanmışsa, delta-v istenen seyir hızına ve görev profiline, ivme ve decelerasyon aşamalarına bağlı olarak benzer bir şekilde ihtiyaç duyar.

Mass Orantılı Tyranny

Uçaklararası delta-v gereksinimlerine roket denklemini uygulamak, merkezi zorluk ortaya çıkarır. ve = 50.000 m /s ile yüksek oranda verimli bir iyon tahrik sistemi kullanarak, 0.1c elde etmek için gerekli olan kitle oranı:

[0]0 / mf = e^ (29,979,246 / 50.000) = e^ (99.58) ⁇ 10.260[Dönem: 1)

Bu sayı o kadar büyük ki, herhangi bir ziyâmet aracı bağlamında fiziksel olarak anlamsızdır. Son kitle mf sadece tek bir gram olsaydı, ilk kütle m0 tüm gözlemlenebilir evrenin kütlesinden çok daha büyük olurdu.Bu, temel problemin ortaya çıkması: geleneksel tahrik sistemleri, hatta gelişmiş olanlar bile yıldızlararası seyahat pratik yapmak için çok düşük.

Gerekli Delta-vücutu azaltın

Çeşitli stratejiler, uzay aracının kendi tahrik sistemi tarafından sağlanmalıdır:

  • [FONT:0]Gravity yardımcı olur [[Döneticileri veya Güneş'i, hızları kesintiye uğratmadan değiştirmek için kullanmak. Ancak, yerçekimi yardımı, temin ettikleri toplam hız değişikliği ile sınırlıdır ve doğru zamanda doğru pozisyonda olmak için bir gezegen gerektirir.
  • [FONT:0]Oberth etkisi[[Dönetici: Büyük bir vücut için en yakın bir yaklaşım noktasında bir yanan dışarı çıkmak, manevra verimliliğini artırabilir. Bu, gezegen dışı görevler için kullanışlıdır, ancak yıldız ve konumlar için sadece mütevazı avantajlar sağlar.
  • [FONT:0) Solar yelkenler [Dönder: Güneşin baskısını kullanarak, güneş bataklığı olmadan yüksek ve çok düşük olabilir, ve deniz çok daha yüksek olmalıdır.
  • [FONT:0)Dönetici (Dönetici)[Dönetici: Bir lazer serisi veya mikrodalga kirişi gibi dış enerji kaynağı kullanarak, bir denizciden gelen tahrik enerji kaynağını ayırır, çok daha yüksek hızlara ve ve yük devrelerine izin verir.

Bu stratejiler, üst düzeye çıkarma işlemi ile sağlanmalıdır, ancak nihai ivme aşamasında yüksek egzoz hızına ihtiyaç duymazlar.

Stating and Its Limitations

Stating, kitlesel verimliliği artırmak için roketlerde yaygın bir tekniktir. Görev ilerlemeleri olarak boş tanklar ve yapıyı atlayarak, uzay aracı görevleri için, stilize etmek için daha yüksek bir net delta-v elde edebilir.

Çok aşamalı bir roketden toplam delta-v, her aşamaya katkıda bulunan delta-v'in toplam oranı hala bu aşamaya katkıda bulunan delta-v'ye bağlıdır.

Örneğin, her aşamada yaklaşık 10.000 km /s için bir delta-v'in toplam delta-v'in üçte birine katkıda bulunduğu üç aşamalı bir roket düşünün: Her aşama için 1,000 m /s kullanmak için, her aşama yaklaşık 10.000 km /s'a ihtiyaç duyacaktır.

[FONT:0]m0 stage / mf stage = e^(10,000,000 / 50.000) = e^200 ⁇ 10^86).

Üç aşamaya bile, toplam başlangıç kitle, sahne kitle oranının ürünü olacaktı, ancak hala gerçekçi mühendislik kısıtlamalarının ötesinde olan bir sayıyla sonuçlandı. Staging bu nedenle yetersiz hız problemine çözüm değil.

Gelişmiş Propulsion Concepts

Yıldız görevleri mümkün kılmak için, egzoz hızı ve önemli ölçüde artmalıdır. İdeal olarak, ve istenen seyir hızı olarak aynı şekilde olmalıdır. Bu elde etmek için birkaç gelişmiş tahrik konsepti.

Nükleer Füzyon Propulsion

Nükleer füzyon roketleri, ışık atomik nükleminin bir pervanant ısıtılması veya doğrudan itme oluşturabilmesi için serbest bırakılan enerjiyi kullanıyor.Fırakterye reaksiyonları, tasarıma bağlı olarak 5.000 ila 20.000 km /s aralığında egzoz miktarını azaltıyor.

Bir füzyon roketi ve = 10.000 km/s, 0.1c'e ulaşmak için kütle oranı:

[0]0 / mf = e^ (29,979 / 10.000) = e^2.9979 ⁇ 20).

Bu, yönetilebilir bir kütle oranıdır. Her son kitle için, yaklaşık 20 kilogram başlangıç kütleye ihtiyaç vardır. Bu, pratik mühendislik alanında iyi. Ancak, füzyon propulsion henüz uzayda gösterilmeyen bir teknolojidir ve ithal etmek, ateşleme ve enerji ile ilgili önemli zorluklar vardır.

Antimatter Propulsion

Antimatter annihilasyon, kütlenin enerjiye dönüşümü aracılığıyla% 100 verimlilikle enerji serbest bırakır. Teorik olarak, antimatter roketleri ışık hızına yaklaşabilir ve boşlukları da kendi başına arayabilirsiniz.For an antimatter roketi with ve = 0,5 km/s), kütle oranı: 0.1c ulaşmak için.

[0]0 / mf = e^ (0.1c / 0,5c) = e^0.2 ⁇ 1.22).

Bu, aşırı derecede düşük bir kitle oranıdır, yani ilk kütlenin sadece% 18'inin, konteyner duvarlarıyla yok edilmeleri ve antimatter'ı depolamak için gerekli olması gerektiği anlamına gelir.Mevcut üretim yöntemleri sadece küçük miktarlarda verim verir ve antimatter, manyetik tuzaklarda depolanmalıdır.

Işık Yelkenleri ve Kirişleri

Işık, foton başına gelen ivmenin küçük olmasına rağmen, güçlü bir lazer veya mikrodalga kaynağı tarafından aydınlatılamayan yüksek ve küçük bir yelkenliliğe ulaşabilir. Breakthrough Starshot inisiyatifi bir gram-öldürücük lazer serisini 0.2c'ye hızlandırmayı önerirken, Alpha Centauri'ye yaklaşık 20 yıl içinde ulaşmanızı sağlar.

Bu konseptte, uzay aracı hiçbir yere dayanmıyor. delta-v tamamen dış lazer kiriş tarafından sağlanır.Bu, roket denklemi tamamen tamamen, bir yörünge veya arazi yerine uçarak bir görev yapmak için kaçınamaz.

Ram-Augmented Inter star Rockets

Başka bir konsept, Dünya'dan taşınmak yerine uzay aracının aşırı derecede on katı olmasını ve füzyon reaksiyonları için onu etkisiz hale getirmesini sağlayacaktır.

Inter star Probe Design için Pratik Bakışlar

Temel delta-v hesaplamasının ötesinde, diğer birçok faktör bir yıldız probunun tasarımını etkiler:

  • [FONT:0]Deceleration[[Döneticiler)[Dönetici]: Eğer bu hedef sistemi incelemek için tasarlanmıştır, ancak gözlem zamanı sınırlı olmalıdır.
  • [FONT:0)Relativistic etkiler[[Döneticiler 1.): 0.1c'in üzerindeki ve konumlarda relativistik etkiler önemli hale gelir. Zaman Dili, Uzun Anlaşma ve relativistik kitlesel artış, yörünge hesaplamaları ve iletişim için dikkate alınmalıdır.
  • [FONT:0)Power tedariki[Dönetici: Prodüksiyon, aletleri, iletişim ve tahrik sistemleri için bir güç kaynağı gerektirir. Solar paneller Kuiper Kemerin ötesinde etkisiz hale gelir, bu yüzden radyoisotope termoelektrik jeneratörleri veya nükleer reaktörler gereklidir. yüksek seviyeli görevler için, güç kaynağı da hafif ve radyasyona dayanıklı olmalıdır.
  • [FONT:0) İletişim[Döneticiler[Döneticiler)[Döneticiler, yüksek giriş antenleri, güçlü vericiler ve sofistike hata düzeltme kodları gereklidir.
  • [FONT:0]Collision riskleri[[Dönetici: 0.1c'de, toz bir tahıl ile bir çarpışma bile felaket olabilir. Probreoidoidoidoid ve yıldız tozlarına karşı korumalı, bu da kütleyi arttırır ve achievable hızını azaltır.

Örnek Hesaplama: Bir Fürtücü-Powered Probe to Alfa Centauri

50 yıl içinde Alfa Centauri'ye ulaşmak için tasarlanmış bir füzyon-güçlü bir prob düşünün. Gerekli seyir hızı yaklaşık 0.087c (26.000 km/s) Bir füzyon motoru varsayın, 12.000 km/s, kütle oranı:

[0]0 / mf = e^(26.000 / 12) = e^2.1667 ⁇ 8.73).

Son kütle (pay yük, yapı ve motor) 100 metrik ton ise, ilk kütle 873 metrik ton. Bu, 773 metrik tonlar füzyon yakıtıdır. Bu büyük bir uzay aracıdır, ancak büyük bir uluslararası proje için fizibilite alanı içindedir.

Prostat Alfa Centauri'de de yer almalıdırysa, toplam delta-v çiftleri 52,000 km /s. Kitle oranı şöyle olur:

[0]m0 / mf = e^ (2,000 / 12) = e^4.333 ⁇ 76.2).

100 ton son bir kitle için, ilk kütle 7,620 ton, 7.520 ton yakıt ile olur. Bu, araç teknolojisi ve uzay montajında önemli ilerlemeler gerektiren çok daha büyük bir meydan okumadır.

Kimyasal ve Ion Propulsion ile Karşılaştırma

Karşılaştırma için, 0.087c'ye ulaşmak için bir kimyasal roket kullanarak: 4.000 m /s ile bir kitle oranı gerektirecektir:

[0]0 / mf = e^ (26,000,000 / 4.000) = e^6,500 ⁇ 10.2823).

Bir iyon iterini ve 50.000 = m /s ile kullanmak, bir kütle oranı gerektirecektir:

[0]m0 / mf = e^ (26,000,000 / 50.000) = e^520 ⁇ 10.226).

Bu rakamlar pratik bir hususun ötesindedir. Sadece füzyon, antimatter veya kirişli propulsion olasılık içinde olan kitlesel oranlar sunar.

Future Yol ve Araştırma

Yıldız tahrikinde mevcut araştırmalar birkaç umut verici avenues üzerinde yoğunlaşıyor:

  • [FONT=0)Inertial limitment füzyon): Lazerleri veya parçacık kirişlerini sıkıştırmak ve ignite füzyon yakıtı betonlarını üretmek, bir puld modunda itmek. Ulusal Ignition Tesisi füzyon füzyon füzyonu göstermiştir ve ICAN-II projesini kullanarak uygulamasını proaktif hale getirdi.
  • [FONT=0)Magnetic limitment füzyon): Bir füzyon plazması oluşturmak ve bunu bir nozsuzdan dışlamak için manyetik alanlar kullanmak.The Direct Fusion Drive konsepti from Princeton Uydu Systems, Interplanetary and Inter star tasks için kompakt, verimli bir füzyon motoru üretmek.
  • [FONT:0]Antimatter depolama ve üretim): Arkaktron ve antiproton üretimindeki ilerlemeler, depolama ve kullanım sonunda antimatter propulsion mümkün olabilir.Mevcut üretim oranları daha büyük ölçekli üretim sağlayabilir.
  • [0]Laser yelken teknolojisi: Breakthrough Starshot projesi, yüksek güç lazer dizileri geliştiriyor. UC Santa Barbara'daki Starlight programı, aynı zamanda yıldız görevleri için yönetilen enerji tahrikini araştırıyor.
  • [FONT:0]Nuclear pul propulsion[[Dönetici: Project Orion gibi kavramlar dış nükleer patlamaları proksiyon için kullandı.

Bu yaklaşımların her biri kendi zorluk setine sahiptir, ancak hepsi, yıldız seyahatini mümkün kılan bir seviyeye egzoz hızı yükselten ortak hedefi paylaşırlar. roket denklemi bu çabaları yönlendiren nicesel çerçeveyi sunar, açıkça daha yüksek egzoz hızlarının yıldızları kilidini açmak için anahtar olduğunu gösterir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Tsiolkovsky Rocket Equation, yıldız seyahatlerinin koşullarını anlamak için temel bir araçtır. Üstel doğası, insan ömrü içinde diğer yıldızlara ulaşmak için gerekli olan yüksek ve konumlara ulaşmanın derin meydan okumasını ortaya koymaktadır. herhangi bir egzoz hızı için, kitle oranı, geleneksel olarak yetersiz delta-v, yıldız görevleri için geleneksel tahrik sistemleri temel olarak yetersiz hale getirir.

Daha yüksek egzoz ve konumları sunan gelişmiş tahrik kavramları gereklidir, nükleer füzyon, antimatter ve en umut verici adaylar arasında sıkışıklığı azaltmaktadır. roket denklemi, mühendislerin bu farklı yaklaşımları sayısal olarak karşılaştırmasına ve fizibilitelerini değerlendirmelerine olanak sağlar.

Daha fazla okuma için, [[Üyetim:0)NASA web sitesi) gelişmiş tahrik konseptlerine kaynaklar sunmaktadır.TheurFLT:2).Centauri Dreams) blog derinlikte yıldız misyonu tasarımı kapsar.TheurFLT:4Breakthrough Initiatives).