- •Физическая механика межзвездного полета Казань
- •Издание осуществлено по решению Экспертного совета ан рт при финансовой поддержке фонда ниокр рт (грант № 05-5.2-212/2003 (ф))
- • У.Н.Закиров, 2003
- •Предисловие
- •Посвящаю
- •Введение
- •Глава 1. Астрономические целевые объекты
- •1.1. Зона Оорта
- •1.2. Координаты –Центавра
- •1.3. Внесолнечные системы с экзопланетами
- •Класс звезды ее планеты
- •1.4. Состав вновь открытых внесолнечных систем
- •Глава 2. Дифференциальные уравнения релятивистской баллистики
- •2.1. Уравнения Эйнштейна
- •2.2. Решение Шварцшильда как базовая метрика
- •2.3. Уравнения релятивистской баллистики
- •2.4. Кинематика движения с постоянным реактивным ускорением
- •2.5. Кинематика движения с постоянной реактивной тягой
- •2.6. Кинематика движения с постоянной мощностью
- •Глава 3. Расчеты траекторий к целевым объектам
- •3.1. Комбинированный метод разгона (торможения) ракеты
- •3.2. Полет к экзопланетам
- •3.3. Полеты к ближайшим звездам
- •Глава 4. Равновесное движение ракеты при компенсировании внешнего сопротивления реактивной тягой
- •4.1. Основное дифференциальное уравнение с эффективной массой
- •4.2. Кинематика движения
- •Глава 5. Движение ракеты в сильном гравитационном поле
- •5.1. Особенности движения в поле Шварцшильда
- •5.2. Переходные режимы от сильного поля к слабому
- •5.3. Особенности оптимального выведения ракеты в поле Шварцшильда
- •5.4. Вопросы устойчивости ракеты (зонда) вблизи “черной дыры”
- •Глава 6. Оптимальный подбор ступеней
- •6.1. Номограмма подбора ступеней
- •6.2. Оптимальный подбор ступеней
- •Глава 7. Энергетические оценки межзвездных полетов
- •7.1. Сравнение эффективности различных видов топлива и соответствующих им траекторий
- •Глава 8. Межзвездная космонавтика как альтернатива исследования строения вселенной учеными на земле
- •Заключение
- •Основные обозначения
- •Литература
- •420044, Г. Казань, ул. Волгоградская, 49
- •420005, Г. Казань, ул. Б.Красная, 34/16
Посвящаю
пионерам теоретического звездоплавания
Эно-Пельтри, Е.Зенгеру, А.Штернфельду и
астрофизику, исследователю внеземных
цивилизаций К.Сагану
“Кто, устремляя в ясную осеннюю ночь свои взоры к небу, при виде сверкающих на нем звезд, не думал о том, что там, на далеких планетах, может быть, живут подобные нам разумные существа, опередившие нас в культуре на многие тысячи лет. Какие несметные культурные ценности могли бы быть доставлены на Земной шар, Земной науке, если бы удалось туда перелететь человеку, и какую минимальную затрату надо произвести на такое великое дело в сравнении с тем, что бесполезно тратится человеком”.
Ф.А.Цандер
Введение
В основе физической механики межзвездного полета лежит общая теория относительности (ОТО), созданная А.Эйнштейном. Многочисленные наблюдения (отклонение луча света в поле гравитационного тела, и, как следствие, линзоподобные действия звезды, черные дыры, гравитационные волны) подтвердили и подтверждают правильность этой теории. В пределе малых скоростей и малых гравитационных потенциалов мы имеем ньютоновскую механику, на которой была основана теория искусственного спутника Земли и межпланетных траекторий. Однако, когда требуется получение полезной информации с борта корабля с далеких окраин Солнечной системы в течение жизни одного-двух поколений землян, скорость ракеты должна быть равна не первой (8км/сек) или второй (12км/сек) скорости, а в сотни раз бόльшей (800-1200км/сек). Точные оценки таких траекторий (“жестких”, по выражению известного баллистика П.Е.Эльяс-берга) требуют также привлечения общей теории относительности.
Данная работа не есть изложение ОТО, а использование ее основ в оценке траекторий. Поэтому читателя мы будем отсылать к соответствующей литературе, посвященной этой проблеме.
Что касается самой ракеты – тяжелой ускоряемой (тормозимой) массы, то речь может идти только о движении ее центра масс, т.к. в ОТО не существует понятия твердого тела; мы обобщаем эту точку как сосредоточенную переменную массу, поскольку ракета – это тело переменной массы; что касается самой динамики ракеты относительно центра масс, то здесь скорости – нерелятивистские и возможно применение классической механики в эвклидовом пространстве. Эта часть механики в книге не изучается.
Говоря об особенностях изложения, хотелось бы отметить, что речь в нашей работе не пойдет об околосветовых движениях; последние хорошо проиллюстрировал Е.К.Зенгер в своей книге “К механике фотонной ракеты” [11]. Мы основываемся лишь на ближайших возможностях технологии ускорения частиц – 300–1000км/сек; в качестве иллюстрации будут использованы скорости порядка 30000км/сек–0.1с для термояда и 0.6с – для антивещества, с– скорость света. .
Характерной особенностью исследуемой темы является возможность встречи ракеты с телами с сильными гравитационными полями типа “черной дыры” – будут рассмотрены траектории, “засасываемые” “дырой”, и траектории, могущие оторваться от “дыры” и продолжить движение; в случае возвратных траекторий, особенно касающиеся пилотируемых, исследуется вопрос о дополнительном погашении скорости возврата за счет торможения во внешней среде.
Автор выражает благодарность члену-корреспонденту РАН, академику АН РТ И.Б.Хайбуллину, вице-президенту АН РТ, академику АН РТ Ш.М.Чабдарову – участникам космических исследований на заре отечественной космонавтики, члену Поволжского отделения Академии космонавтики, научному сотруднику Казанского артиллерийского университета В.А.Алтунину и Л.Б.Газеевой за помощь в издании данной книги.