Достать звезду: миф или реальность

Интернет-конференция «Цифровые горизонты»
Творческая работа на тему:
«Достать звезду: миф или реальность»
Выполнил ученик 11 класса
МОУ «СОШ c. Большая Гусиха»
Базарно-Карабулакского
муниципального района
Саратовской области
Иванов Сергей Игоревич
Научный руководитель:
учитель информатики и ИКТ
Иванов Игорь Анатольевич
Саратовская область
2010 год
2
Оглавление
Введение ........................................................................................................................... 3
Часть I ............................................................................................................................... 5
Обзор различных моделей космических двигателей ............................................... 5
Проблема современных космических перелётов ...................................................... 7
Мой вариант космического корабля .......................................................................... 9
Часть II ............................................................................................................................ 10
Все плюсы и минусы космических двигателей ...................................................... 10
Мнения людей по данной теме ................................................................................. 11
Заключение .................................................................................................................... 12
Литература: .................................................................................................................... 13
Приложение I – «Проекты космических двигателей» ............................................... 14
Приложение II: Интернет опрос на сайтах интернета ............................................... 17
3
Введение
Во многих работах по перспективам развития космонавтики выдвигается
тезис о неограниченности возможностей человека в его усилиях по
исследованию и освоению космоса. Так ли это — вопрос философский. Но
в каждый конкретный момент времени наши возможности ограничены.
Пределы возможностей заданы накопленными научными знаниями,
фундаментальными константами и самое главное — представимым
уровнем развития технологий передвижения в космическом пространстве.
Исходя из этого, можно сформулировать вопрос о способах передвижения
в космическом пространстве, находящихся на границе наших возможностей. Общепризнано, что традиционные ракетно-космические системы позволяют в приемлемые сроки достичь любой точки Солнечной системы. А
вот технологии преодоления огромных пространств между Солнечной и
ближайшими планетными системами находятся на грани возможного. Где
же эта грань находится сегодня?
Цели и задачи, которые я ставлю перед собой при выполнении
работы:
 Найти необходимую информацию в сети Интернет
 Изучить разные виды космических двигателей выяснить все их плюсы и
минусы
 Разобраться в перспективах космического путешествия на дальние
расстояния
 Провести интернет опрос по теме
 Предоставить полученные мной материалы на интернет конференции
4
В ходе работы, я постараюсь достигнуть всех поставленных передо мною задач,
и сделать выводы на основе полученных материалов.
Главной характеристиками космического двигателя является:
Удельный импульс - характеристика реактивного двигателя, равная отношению
создаваемого им импульса (количества движения) к расходу топлива. Чем больше
удельный импульс, тем меньше топлива надо потратить, чтобы получить определённое
количество движения. Единица измерения – м/с)
5
Часть I
Обзор различных моделей космических двигателей
Изучая материалы интернета, я выделил три основные ветви космических двигателей,
приспособленных к полетам на дальние расстояния:
 Двигатели на реактивной тяге использующие жидкое топливо
 Ядерные и аннигиляционные двигатели.
 Двигатели, основанные на гипотетических предположениях
Реактивным движением называется движение тела, возникающее при отделении от
него с какой-либо скоростью некоторой его части.
Двигатели на реактивной тяге с ЖТ
Начнём с жидкостнотопливных двигателей на реактивной тяге, то есть с двигателей,
которые использует человечество в данный момент.
Жидкостные ракетные двигатели имеют более высокие тяговые характеристики, чем
твердотопливные. Поэтому их применяют для вывода космических ракет на орбиту
вокруг Земли и на межпланетные перелёты. Основными жидкими топливами для ракет
являются керосин, гептан (диметилгидразин) и жидкий водород. Удельный импульс
таких двигателей составляет 4500 м/с.
Ядерные и аннигиляционные двигатели.
Ядерный ракетный двигатель — реактивный двигатель,
рабочее тело в котором (например, водород, аммиак и
др.) нагревается за счет энергии, выделяющейся при
ядерных реакциях (распада или термоядерного синтеза).
Различают радиоизотопные, ядерные и термоядерные ракетные двигатели.
Ядерные ракетные двигатели позволяют достичь значительно более высокого (по
сравнению с химическими ракетными двигателями) значения удельного импульса
благодаря большой скорости истечения рабочего тела (от 8 000 м/с до 50 км/с и более).
Но почему ЯРД в несколько раз эффективнее ЖРД? Ведь он гораздо сложнее, имеет во
много раз большую массу, нуждается в специальных системах защиты и безопасности,
громоздок. Дело в том, что в реакторе можно разогревать любой газ, а энергетическая
эффективность ракетного двигателя тем выше, чем это рабочее тело имеет меньшую
молекулярную массу. Вот и получается, что если в ЯРД применить водород, то скорость
6
истечения его из сопла будет в 3 раза выше, чем в лучшем - кислородно-водородном
ЖРД.
Ещё одним видом реактивного двигателя, является аннигиляционный двигатель. Среди
плеяды вариантов межзвёздного привода корабли, использующие аннигиляцию,
являются, пожалуй, самыми фантастическими из реальных и самыми реальными из
фантастических. Этот двигатель устроен подобно ядерному, только наряду с ядерными
реакциями, происходящими там, масса энергии будет поступать от аннигиляции
антивещества. Ведь всем известно, что в 0.1 грамме
антивещества находится столько же энергии, сколько в
топливных баках американского шатла. Осталось только
научиться получать, хранить и использовать антивещество. Что
до получения, то антивещество успешно создают в таких
лабораториях, как Fermilab в Чикаго и CERN в Швейцарии.
Однако годовая наработка антивещества исчисляется в нанограммах (при цене $10
триллионов за грамм), что крайне мало даже для межпланетных путешествий, несмотря
на чудовищную мощность аннигиляции.
Так же существуют проекты таких двигателей, как: Ионный двигатель плазменный
двигатель, прямоточный двигатель, Термоэлектрический двигатель и многие другие
Двигатели, основанные на гипотетических предположениях
К двигателям, основанным на гипотетических предположениях относятся в основном те
двигатели, которые предполагают использование искажения пространства и времени
(гиперпространство), полёты на сверх световых скоростях. Для начала, необходимо
ввести небольшое определение гиперпространства.
Гиперпространство — часто фигурирующая в
фантастической литературе метрика Вселенной, в
которой возможно движение со сверхсветовой
скоростью. По всей видимости, принцип его
«работы» аналогичен «кротовой норе» в
эйнштейновом пространстве-времени, по которой в
некоторых гравитационных теориях возможен тоннельный переход.
7
Представьте, что перед вами долина, а вам нужно попасть в точку за долиной.
Поскольку вы можете перемещаться только по плоской поверхности (в 2-мерном
пространстве), то вам придётся или обходить препятствие или спускаться в долину,
переходить её, а затем подниматься. А вот если в вашем распоряжении самолёт,
который может двигаться в 3-мерном пространстве, то вы доберетесь, куда вам нужно
по прямой.
Еще одним вариантом движения в гиперпространстве является искажение нашего
(Евклидова) пространства. Представим, что
А
F
S
Б
нам нужно попасть из А в Б по прямой, преодолев расстояние S, приложив силу
F к космическому кораблю. Как будет показано позже, на это уйдут многие годы.
А если приложить вектор силы не к кораблю, а к пространству?...
F
Даже для современных двигателей расстояние не покажется таким
большим.
А
Б
Проблема современных космических перелётов
Изучив различные двигатели, вы наверняка хотите спросить, а с какой скоростью они
летают, а какие расстояния они могут преодолеть, а как безопасны они для человека???
Я постараюсь дать исчерпывающие объяснение на все эти вопросы.
Скорость полёта корабля зависит от различных характеристик:
От массы: чем меньше масса корабля, тем больше его ускорения и следовательно
максимальная скорость. Поэтому в наше время космические корабли стараются сделать,
как можно легче. Но несмотря на это скорость кораблей, использующих жидкое
топливо, не превышает 17 км/с, а удельный импульс в среднем составляет 4500 м/с. Что
очень и очень мало для межзвездных путешествий и даже для полётов внутри солнечной
системы. Во время противостояния Марса время полёта до него по прямой составит
0,52*149600000/17=4 576 000 сек = 53 дня. И это не учитывая время разгона,
торможения, форму траектории и т.д.
От используемого топлива: чем сильнее выделение энергии топливом, тем его скорость
будет больше. Для этого учёные многих стран и пытаются, использовать топливо
«богатое» энергией. Конечно первым претендентом стало ядерное топливо. И проект
первого ядерного двигателя. Удельный импульс такого двигателя колеблется от 8 км/с
8
до 50 км/с. Эти показатели намного лучше предыдущих, но всё равно не достаточны для
звёздного путешествия. При таких скоростях путешествие до Марса, по аналогичной
схеме, будет продолжаться чуть больше 4 дней, а путешествие до Альфы Центавра, не
учитывая отклонений, - 6450 лет . Не сказать что это недолго.
У двигателей использующих аннигиляцию удельный импульс больше, чем у простого
ядерного, и составляет 135 км/с. Вся сложность состоит в самом антивеществе. Но даже
при такой скорости полёт до нашей любимой Альфы Центавра займёт 2532 года .
Ну что ж, будем искать подходящий двигатель
дальше. На очереди проект «Орион», космический
корабль проект которого предложили учёные из
NASA. Так, в проекте Orion позади корабля (на
расстоянии от 10 до 100 метров) предлагалось
взрывать по 5 миниатюрных ядерных бомб в
секунду, удары которых амортизировала бы
массивная пластина, установленная на
направляющих. Идея конечно безумная, и наличие
экипажа не предполагала, но была эффективной. Удельный импульс в такой установке
должен был быть огромен, но по понятным причинам работы прекратились.
Ещё один претендент, на лучший космический двигатель, проект "Дедал" (Daedalus) —
двухступенчатый корабль на термоядерном горючем, которое авторы предложили
добыть "всего-навсего" из атмосферы Юпитера, что само по себе является
фантастической, пока, задачей. Предполагалось, что в течение всего полёта корабль
будет разгонять мощный лазер, посылаемый с Земли, точнее, со спутника или с Луны.
По расчётам, лазер определённой мощности мог бы разогнать тысячетонный
пилотируемый корабль с парусом диаметром в тысячу километров до солидной
скорости, позволяющей достичь Альфы Центавра за 10 лет. Всё очень просто. За
исключением самой малости — нужен лазер на 10 миллионов гигаватт, что на много
порядков больше суммарной мощности земных электростанций.
Отличным космическим двигателем считается, разрабатываемый в 70-х годах в СССР,
плазменный (он же электроракетный) двигатель. Простейшие электроракетные
двигатели разогревают газ перед истечением электрической дугой или раскаленной
9
током проволокой (схема работы). Встречаются они и в наше время – их конструкция
проста, дешева и надежна. Что самое замечательное, удельный импульс такого
двигателя составляет 290 000 м/с. С таким двигателем можно достичь очень больших
скоростей. Полет до Альфы Центавра займет 1190 лет, а потребление энергии
составляет около 25 МВт.
Остался ещё один способ перемещения в космосе – гиперпространство, так любимое
фантастами, за счёт коротких перелётов от одной системы к другой. Скорость
путешествия через гиперпространство или со скоростями превышающими скорость
света, не зависит от массы. Используемая там технология либо существует по
релятивистским законам Эйнштейна, либо по неоткрытым в данное время законам.
Если думать о гиперпространстве, как о среде без сопротивления то теоретически
можно за короткое время достигнуть скоростей в десятки раз превышающих скорости
света. Но к сожалению это не так, по определённым причинам: нет топлива способного ,
достичь таких скоростей; в наше время - невозможность войти в гиперпространство; и
ещё одна очень весомая причина – перегрузка.
Проблематическими моментами в таких путешествиях служат, такие человеческие
нужды как:
 Потребность человека в пище, кислороде и запасах воды – в наше время
невозможно создать запасы на такие долгие экспедиции, но это не самая важная
проблема.
 Ограниченность жизни человека – жизнь человека не бесконечна, поэтому
полёты в 60 - 300 лет не очень-то перспективны.
 Перегрузки, вследствие ускорения – дело в том, что человек привык к ускорению
в 1g, и не может долго находиться при превышающем этот лимит ускорении. А
значит корабли в космосе, должны будут ускоряться именно с таким ускорением,
а повороты будут занимать несколько часов.
Мой вариант космического корабля
Если бы мне предложили создать двигатель для космических перелётов, я взял бы
лучшее от каждого двигателя и соединил в одно. Но большее предпочтение я отдал бы
10
изучению гиперпространства, так как принцип действия остальных двигателей хоть и
понятен, но скорость их мала, по сравнению с мега размерами космических расстояний.
Но, по моему мнению, при создании космического корабля нужно немало уделить
способам гашения перегрузок, или гасителям инерции, так как без них корабль с
экипажем придётся разгонять только с ускорением 1g, и скорость 10с (10 световых)
достигается только за 9.5 лет.
Также я думаю, для начала нужно найти источник энергии, который занимал бы
немного место, но давал бы очень много энергии и был очень долговечным.
Часть II
Все плюсы и минусы космических двигателей
Подробно изучив различные проекты космических двигателей, можно составить
таблицу с основными параметрами и особенностями каждого из них.
Название
двигателя
Реактивный
двигатель, на
жидком топливе
Топливо
Керосин,
жидкий
водород
Удельный
импульс
4 500 м/с
Ядерный ракетный Уран - 235
двигатель
8 км/с – 50 км/с
Двигатель проекта Ядерные
«Орион»
бомбы до 8
мегатонн
Огромен, не
подсчитан
Термоэлектрическ
ий двигатель
(лазерный парус)
Способен
достигать
скоростей, в
десятки раз
превышающих
Лазер
мощностью
10 млн.
гигаватт.
Безопасность
для человека
Самый
безопасный,
относительно.
Особенности
конструкции
Используется в
наше время,
обладает
небольшой
тягой.
Потенциально Обладает
опасен,
повышенной
требует
эффективность
больших
ю, а также
систем
ускорением.
безопасности Громоздкий,
небезопасен.
Не
Безумен, опасен,
предполагают но эффективен.
наличие
Максимальная
человека на
скорость таково
борту
двигателя очень
велика.
Опасен,
Способен
требует
достигать
установок
больших
безопасности. скоростей, но
требует
11
скорость света.
Плазменный
двигатель
Газ, который
в
последствии
ионизируется
250 км/с
Относительно
безопасный
больших затрат
на эл. энергию.
Является самым
быстрым из всех
проектов
космических
реактивных
двигателей.
Возможно
именно за ни
наше будущее.
Мнения людей по данной теме
В ходе исследования мной были проведены опросы, по теме Космические двигатели на
двух интернет сайтах.
1) Я разместил опрос на сайте «Всё о космосе и НЛО», он выглядел так:
Вопрос: Какой двигатель, по вашему мнению, самый перспективный для межзвёздных
путешествий?
Ответами послужили различные виды космических двигателей, представленных в
проекте.
2) Так же мной был размещён опрос на сайте «Вся правда о космосе», но вопрос был
поставлен другой:
Вопрос: Через сколько лет, по вашему мнению, человечество совершит путешествие к
ближайшей звезде Альфе Центавра?
В ответах были представлены различные временные мерки от 10 до бесконечности
лет, но выбрать можно было только одно.
Результаты и лучшие кометарии можно посмотреть в Приложении II
Изучив результаты интернет опроса можно сделать вывод о том, как другие люди
относятся к данной теме, каким двигателям они доверяют, а какие считают просто
абсурдными. В любом случае интернет опрос оправдал свои ожидания.
12
Заключение
Современные космические двигатели на жидком топливе не дают и надежды на
межзвёздные путешествия, даже полёты в Солнечной системе занимают большое
количество времени. Но изучив характеристики таких двигателей, как ионный,
плазменный, ядерный и аннигиляционный, появляется надежда на то, что в
скором времени путешествия по космосу сократятся в десятки раз. В наше время
существует множество проектов перспективных космических двигателей, но они
лежат на пыльных полках разработчиков и требуют огромного финансирования.
Проведённый интернет опрос показал, что большинство людей верят в
космические полёты и в скорое освоения космоса, и отдают предпочтение такому
неизученному явлению, как гиперпространство. Возможно, для наших потомков
путешествия между звёздами будут не сложнее, чем полёт на самолёте через
долину. В любом случае давайте будем оптимистами и будем надеяться на то, что
человек научится создавать двигатели для межзвёздных перелётов и преодолеет
ту самую грань возможного.
13
Литература:
1. ru.wikipedia.org
2. wmpt.narod.ru
3. www.membrana.ru
4. galspace.spb.ru
5. engr.psu.edu
14
Приложение I – «Проекты космических двигателей»
Ионный двигатель SMART-1 в работе
Корабль с прямоточным двигателем Буссарда
15
Проект NASA «Прометей» с ионным двигателем
Плазменный двигатель в работе
16
Схема работы простейшего плазменного двигателя
Импульсный звездолёт «Орион»
17
Приложение II: Интернет опрос на сайтах интернета
Результаты интернет опроса на сайте «Всё о космосе и НЛО»
Результаты интернет опроса на сайте «Вся правда о космосе»
Через какое время человечество достигнет
ближайшей звезды Альфы Центавра
Менее 10 лет.
14%
4%
До 50 лет
42%
40%
от 100 до 300 лет
Никогда, тоесть
бесконечность.