Межзвёздный полёт

Межзвёздный полёт — путешествие между звёздами космических пилотируемых кораблей или автоматических станций, которые, таким образом, могут именоваться звездолётами.

Расстояние до ближайшей звезды (Проксимы Центавра) составляет около 4,243 световых лет, то есть примерно в 268 тысяч раз больше расстояния от Земли до Солнца.

Четыре автоматические межпланетные станции — Пионер-10, Пионер-11, Вояджер-1, Вояджер-2 — достигли третьей космической скорости и покинули Солнечную систему; теперь с их помощью изучают межзвёздное пространство.

Митио Каку в книге «Физика невозможного» для звездолётов рассматривал следующие способы движения: ионные и плазменные двигатели, солнечные паруса, прямоточный термоядерный двигатель, атомный ракетный двигатель и импульсный ядерный двигатель «Ориона» и «Дедала».

А. В. Багров и М. А. Смирнов выделяют следующие проекты звездолётов: фотонная ракета со скоростью истечения рабочего вещества близким к скорости света, межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда с гигантской воронкой для сбора межзвёздного водорода в качестве топлива, проект «Орион», проект «Дедал», световой парус на давлении солнечного света или направленного луча лазера и авторская идея использования магнитного поля для ускорения и придания нужного направления заряженным частицам из двигателя.

Аппаратов, прямым назначением которых был бы полёт до ближайших звёзд, на начало XXI века не создано. Во второй половине XX века существовали проекты разработки пилотируемых межзвёздных кораблей «Орион» и «Дедал» на ядерной тяге. Их продолжением стали современные проекты ядерных звездолётов Longshot и «Икар». В 2011 году DARPA совместно с НАСА объявили о начале концептуального проекта «Через 100 лет к звёздам», целью которого является осуществление пилотируемого полёта к другим звёздным системам. По словам Поля Ерёменко, координатора проекта в DARPA, целью данного проекта является не постройка космического корабля, а стимулирование нескольких поколений учёных на исследования в различных дисциплинах и создание прорывных технологий. По словам директора Исследовательского центра Эймса (НАСА) Симона П. Уордена, проект двигателя для полётов в дальний космос может быть разработан в течение 15-20 лет. В 2016 году инициирован частный проект Breakthrough Starshot по созданию сверхмалых автоматических межзвёздных аппаратов, использующих световой парус и разгон сверхмощной лазерной установкой, предусматривающий достижение ближайших звёзд за активное время жизни существующего поколения.

Полёты на звездолётах занимают существенное место в научной фантастике.

Проблемы

Межзвездные расстояния

Расстояния между планетами Солнечной системы часто измеряются в астрономических единицах (а. е.), определяемых как среднее расстояние между Солнцем и Землей, примерно 149 597 870 700 метров (93 миллионов миль). Венера, ближайшая к Земле планета, находится (при максимальном приближении) на расстоянии 0,28 а. е. Нептун, самая дальняя планета от Солнца, находится на расстоянии 29,8 а. е. По состоянию на 20 января 2023 года «Вояджер-1», самый дальний от Земли рукотворный объект, находился на расстоянии 159 астрономических единиц.

Ближайшая известная звезда, Проксима Центавра, находится на расстоянии примерно 268 332 астрономических единиц, или более чем в 9 000 раз дальше, чем Нептун.

Объект	Расстояние (а. е.)	Время прохождения света
Луна	0,0026	1,3 с
Солнце	1	8 мин
Венера (ближайшая планета)	0,28	2,41 мин
Нептун (самая дальняя планета)	29,8	4,1 ч
Вояджер 2	133,1	18,45 ч
Вояджер 1	159,4	22,1 ч
Проксима Центавра (ближайшая звезда с экзопланетой)	268,332	4,24 года

Цели полёта

Фримен Дайсон главную цель освоения далёкого космоса видит в возрождении независимых маленьких групп людей, которые по его мнению всегда являлись двигателем прогресса. Однако по мнению его оппонентов (Ари Штернфельд и другие) все научные открытия совершались в крупных странах.

Джерард О’Нил считает, что у человечества есть три пути развития: самоуничтожение, стагнация или космическая экспансия.

Стратегия полёта

Выделяют два определения межзвёздных полётов:

• медленные путешествия в десятки тысяч лет (например, автоматические станции «Пионер 10», «11» и два «Вояджера» или предложенные некоторыми учёными проекты человеческих поселений на межзвёздных кометах) без специальных двигателей
• или быстрые путешествия (например, полёт к ближайшим звёздам за срок меньший человеческой жизни) со специальными двигателями или движителями (космические парусники, термоядерные двигатели и пр.).

Джерард О’Нил помимо освоения человеком пригодных для колонизации землеподобных планет предлагает для изучения межзвёздного пространства использовать систему зондов-репликаторов, — один зонд достигает чужой планетной системы, собирает из местных материалов другой зонд, который отправляется в полёт к следующей звезде (первый зонд остаётся на месте для поддержания связи и изучения звёздной системы).

Кинематика межзвёздных полётов

Пусть полёт туда и полёт обратно состоят из трёх фаз:

1. равноускоренного разгона,
2. полёта с постоянной скоростью
3. и равноускоренного торможения.

Собственное время любых часов имеет вид:

$\int \limits _{0}^{t}{\sqrt {1-\mathbf {u} ^{2}(t)/c^{2}}}\cdot dt,$

где $\textstyle \mathbf {u} (t)$ — скорость этих часов.

Земные часы неподвижны ($\textstyle \mathbf {u} =0$), и их собственное время равно координатному $\textstyle \tau _{0}=t$.

Часы космонавтов имеют переменную скорость $\textstyle \mathbf {u} (t)$. Так как корень под интегралом остаётся всё время меньше единицы, время этих часов, независимо от явного вида функции $\textstyle \mathbf {u} (t)$, всегда оказываются меньше $\textstyle t$. В результате $\textstyle \tau '_{0}<\tau _{0}$.

Если разгон и торможение проходят релятивистски равноускоренно (с параметром собственного ускорения $\textstyle a$) в течение $\tau _{1}$, а равномерное движение — $\tau _{2}$, то по часам корабля пройдёт время:

$\tau _{0}={\frac {2c}{a}}\,\ln \left[{\frac {a\tau _{1}}{c}}+{\sqrt {1+\left({\frac {a\tau _{1}}{c}}\right)^{2}}}\right]+{\frac {\tau _{2}}{\sqrt {1+(a\tau _{1}/c)^{2}}}}={\frac {2c}{a}}\,\operatorname {arcsinh} {\frac {a\tau _{1}}{c}}+{\frac {\tau _{2}}{\sqrt {1+(a\tau _{1}/c)^{2}}}},$

где $\operatorname {arcsinh}$ — гиперболический арксинус.

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

$T_{k}={\frac {2c}{a}}\cosh ^{-1}\left(1+{\frac {aS}{2c^{2}}}\right)$

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

Пусть половину пути космический корабль двигается с единичным ускорением, а вторую половину — с таким же ускорением тормозит $\textstyle (\tau _{2}=0)$. Затем корабль разворачивается и повторяет этапы разгона и торможения. В этой ситуации время полёта в земной системе отсчёта составит примерно 12 лет, тогда как по часам на корабле пройдёт 7,3 года. Максимальная скорость корабля достигнет 0,95 от скорости света.

За 40 лет собственного времени такой космический корабль побывает в центре Галактики, за 59 лет собственного времени космический корабль с единичным ускорением потенциально может совершить путешествие (вернувшись на Землю) к галактике Андромеды, удалённой на 2,5 млн св. лет. На Земле за время такого полёта пройдёт около 5 млн лет. Развивая вдвое большее ускорение (к которому тренированный человек вполне может привыкнуть при соблюдении ряда условий и использования ряда приспособлений, например, анабиоза), можно подумать даже об экспедиции к видимому краю Вселенной (около 14 млрд св. лет), которая займёт у космонавтов порядка 50 лет; правда, возвратившись из такой экспедиции (через 28 млрд лет по земным часам), её участники рискуют не застать в живых не то что Землю и Солнце, но даже нашу Галактику. Исходя из этих расчётов, чтобы космонавты избежали футурошока по возвращении на Землю, разумный радиус доступности для межзвёздных экспедиций с возвратом не должен превышать нескольких десятков световых лет, если, конечно, не будут открыты какие-либо принципиально новые физические принципы перемещения в пространстве-времени. Впрочем, обнаружение многочисленных экзопланет даёт основания полагать, что планетные системы встречаются у достаточно большой доли звёзд, поэтому космонавтам будет что исследовать и в этом радиусе (например, планетные системы ε Эридана и Глизе 581).

Правда есть одно «но»: как все будет на практике и сработает ли релятивистская механика в таком полёте пока не ясно…

Сверхсветовое движение

Основная статья: Сверхсветовое движение

В научно-фантастических произведениях нередко упоминаются методы межзвёздных перелётов, основанные на перемещении быстрее скорости света в вакууме. Хотя специальная теория относительности Эйнштейна говорит о невозможности такого перемещения, существует несколько теорий, предлагающих возможность «обойти» это ограничение. (Существует мнение, что специальная теория относительности в принципе не верна.) Уже Общая теория относительности (ОТО) может разрешать перемещение объекта быстрее света в искривлённом пространстве-времени — существуют решения уравнений Эйнштейна, допускающие такие концепции как Пузырь Алькубьерре и «кротовые норы». Сверхсветовое движение должен позволить теоретический варп-двигатель.

Выгода же сверхсветового движения очевидна, — сверхсветовое движение позволит сократить длительность не только межзвёздных но и межгалактических перелётов до приемлемого.

Константин Феоктистов считал, что абстрактная возможность телепортации человека например в виде электромагнитных волн решила бы все технические проблемы межзвёздного полёта. Однако новейшие исследования говорят о невозможности телепортации человека например именно в виде электромагнитных волн, — считается, что телепортации имеют иную физику.

Проблемы полёта

Константин Феоктистов выделял три главные проблемы межзвёздного полёта:

• время — даже при близких к свету скоростях для полётов в рамках галактики потребуются тысячи и десятки тысяч лет (при этом неизвестно, сможет ли космический корабль функционировать такой продолжительный срок),
• потоки пыли и газа — при близких к свету скоростях они могут испарять защитные экраны звездолётов,
• энергетические проблемы (например, при использовании термоядерной реакции и скоростях, близких к световым, отношение начальной и конечной массы корабля оказывается больше 10³⁰).

Существует попытка объяснения парадокса Ферми с точки зрения проблем межзвёздных путешествий. Джеффри Лэндис выдвигает следующую гипотезу: прямой межзвёздный полёт имеет ограниченную дальность, количество пригодных для колонизации звёздных систем ограничено (например, в радиусе 30 световых лет от Солнечной системы есть только 5 потенциально пригодных для колонизации звёздных систем), тогда как колония в новой звёздной системе будет иметь очень слабые связи с материнской культурой. При этом колонии могут как развиться в колонизирующие цивилизации (целью которой является межзвёздная экспансия), так и в неколонизирующие цивилизации (которым неинтересны межзвёздные полёты). Если колония будет неколонизирующей, то межзвёздная экспансия на этом остановится. Но даже для колонизирующей колонии потребуется много времени, чтобы достичь технологического уровня для межзвёздных полётов. Но всё равно межзвёздный полёт будет делом очень дорогостоящим, — например, Фримен Дайсон оценивал стоимость одного из вариантов межзвёздного полёта в весь ВНД при расстоянии в 4 световых года и времени полёта в 200 лет.

Для пилотируемых межзвёздных экспедиций потребуется поддерживать жизнеобеспечение и здоровье астронавтов на протяжении длительного периода времени, поэтому нужен замкнутый цикл жизнеобеспечения с многократным восстановлением и использованием питательных веществ. Эта система должна будет снабжать астронавтов пищей, воздухом и водой. Для сохранения прочности костей потребуется искусственная гравитация, для защиты от космического излучения — радиационная защита, а от попадания метеоритов — противометеорная защита. Длительное путешествие в один конец в замкнутом пространстве может породить психологические проблемы. Несмотря на все трудности, отправка людей предпочтительней роботов потому, что человеческий ум более гибок и способен быстрее ориентироваться в незнакомой обстановке, чем запрограммированный робот. Однако сам межзвёздный полёт потребует огромных ресурсных средств и немыслим без мощной политической поддержки (подобно выходу человека в космос или высадки на Луну).

По мнению профессора-антрополога Джона Мура на ежегодной конференции Американской ассоциации содействия развитию науки в 2002 году во время длительных космических путешествий длиной в несколько поколений будет предпочтительней традиционная семья как основа социальной жизни космонавтов. По его мнению, каждому мужчине и каждой женщине на борту межзвёздного корабля должен быть предоставлен выбор между 10 потенциальными жёнами и мужьями соответственно. По его модели численность команды должна составлять 80—100 человек, а женщины должны рожать не больше 2 детей.

Во время межзвёздного путешествия большую опасность для космонавтов будет представлять космическая радиация, поэтому потребуются меры защиты от неё. В качестве защиты предлагаются 3 варианта:

1. толстый слой вещества (например, сферическая водяная оболочка толщиной 5 метров),
2. магнитная защита (отталкивает заряженные космические частицы),
3. и электростатическая (выбрасывает в пространство пучок электронов, корабль приобретает положительный заряд, который отталкивает космические высокоэнергичные частицы).

Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки:

• первый вариант при простом и надёжном принципе действия имеет слишком большую массу,
• второй при куда меньшей массе не обеспечивает защиту вдоль оси,
• третий при отсутствии брешей в защите и опасного сильного магнитного поля сам создаёт опасный приток отрицательно заряженных частиц, — требуется электрическое поле гигантского напряжения.

Опасностью для межзвёздного корабля также будут частицы и вещество межзвёздной среды, которые при быстром полёте звездолёта обладают большей проникающей и разрушительной силой. Ещё одна проблема — большой уровень выделения тепла от мощных источников энергии, что потребует эффективных систем охлаждения или снижения тепловыделения. Отвод избыточного тепла — это проблема почти всех проектов межзвёздных кораблей.

Проблему столкновения с межзвёздным веществом подробно рассмотрел Иван Корзников в статье «Реальности межзвёздных полётов». Столкновение с межзвёздной пылью будет происходить на околосветовых скоростях и по физическому воздействию напоминать микровзрывы. (Что будет происходить в условиях сверх светового движения пока неясно.) При скоростях больше 0,1 c защитный экран должен иметь толщину в десятки метров и массу сотни тысяч тонн. Но этот экран будет надёжно защищать только от межзвёздной пыли. Столкновение с макрометеором будет иметь фатальные последствия, сравнимые со воздействием с близким взрывом мощной термоядерной бомбы. Корзников приводит расчёты, что при скорости более 0,1 c космический корабль не успеет изменить траекторию полёта и избежать столкновения. Он считает, что при субсветовой скорости космический корабль разрушится до достижения цели. По его мнению, межзвёздное путешествие возможно только при существенно меньших скоростях (до 0,01cС). А. В. Багров и М. А. Смирнов скептически относятся к идее одеть корабль в толстую броню из-за возрастания массы, однако сами рассматривают вариант создания человеческих поселений для межзвёздного полёта внутри астероида для большей зоны обитания и лучшей защиты от межзвёздного вещества.

Корабли поколений

Основная статья: Корабль поколений

Возможны также межзвёздные путешествия с использованием звездолётов, реализующих концепцию «кораблей поколений» (например, по типу колоний О’Нила). В таких звездолётах создаётся и поддерживается замкнутая биосфера, способная поддерживать и воспроизводить себя в течение нескольких тысяч лет. Полёт происходит с небольшой скоростью и занимает очень долгое время, на протяжении которого успевают смениться многие поколения космонавтов.

Энергия и ресурсы

При движении космического корабля с околосветовой скоростью протоны межзвёздного газа Галактики (плотность один протон на кубический сантиметр) превратятся в пучок, направленный против направления полёта корабля, с энергией $10^{9}$ эВ и плотностью потока $10^{10}$ частиц на квадратный сантиметр в секунду (на поверхности Земли интенсивность космического излучения составляет всего $2$ частицы на квадратный сантиметр в секунду). Как обеспечить защиту экипажа корабля от такого излучения, неизвестно.

Для межзвёздного полёта потребуются большие запасы энергии и ресурсов, которые придётся везти с собой. Это одна из малоизученных проблем в межзвёздной космонавтике.

Например, самый проработанный на сегодняшний день проект «Дедал» с импульсным термоядерным двигателем за полвека достиг бы звезды Барнарда (шесть световых лет), затратив 50 тысяч тонн термоядерного горючего (смесь дейтерия и гелия-3) и доставив к цели полезную массу в 450 тонн.

Существуют проекты новых более мощных источников энергии, которые можно будет использовать в межзвёздном полёте.

Для движения корабля с околосветовыми скоростями, его двигатели должны иметь мощность порядка петаваттов.

Одной из идей снижения мёртвой массы корабля является «автофаг» (autophage), или самопожиратель (self-consuming) — межзвёздный корабль частично построенный из замороженного водорода (или дейтерия и трития), который можно использовать как конструкционный материал, радиационную защиту, хладогент (радиатор) и топливо одновременно.

Одним из недостатков межзвёздных кораблей является необходимость иметь собственные бортовые энергоблоки, что увеличивает массу и, соответственно, снижает скорость. Поэтому появились идеи снабжать межзвёздные корабли энергией из внешнего источника.

Существуют проекты использования межзвёздного водорода, солнечного (светового) или ионного паруса в сочетании с лазерным давлением и т. д.

Пригодность двигателей и движителей для межзвёздных полётов

Для межзвёздного полёта за разумное время пригодны не все типы двигателей. В случае использования реактивной тяги для межзвёздного полёта на высоких скоростях требуются высокие скорости истечения рабочего вещества V₀ и большое значение ускорения (соотношение тяги двигателя и массы летательного аппарата). Химические ракетные двигатели не могут дать скорость истечения свыше 5 км/с, зато ядерные источники энергии дают скорость истечения до 10—30 тыс. км/с, а скорость истечения близкую к скорости света можно достичь при аннигиляции и гравитационном коллапсе. Также химическим ракетам для межзвёздного путешествия потребуется неприемлемо огромное количество топлива, — космический корабль будет иметь слишком огромные размеры и массу. По мнению Митио Каку в книге Физика невозможного хотя химические ракетные двигатели и имеют тягу в несколько тысяч тонн, однако работают только в течение нескольких минут, поэтому по величине конечного ускорения уступают например ионным двигателям хоть и с небольшой тягой, но продолжительностью работы в несколько лет.

Хотя электроракетные двигатели имеют малую тягу по сравнению с жидкотопливными ракетами, они способны работать длительное время и осуществлять медленные полёты на большие расстояния. Самые совершенные на сегодняшний день электрические ракетные двигатели имеют характеристическую скорость ΔV около 100 км/с и при использовании ядерных источников энергии пригодны для полётов к внешним планетам Солнечной системы за «разумное время» по выражению Эдгара Чуэйри, но слишком медленные для путешествий к далёким звёздам, также по мнению Митио Каку ионные и плазменные двигатели слишком маломощные для полёта человека к звёздам.

Ядерная энергия может использоваться для 3 видов тяги:

• наиболее близкая к реализации связка электроракетного двигателя с ядерным энергоблоком,
• ядерный ракетный двигатель
• и самый перспективный термоядерный ракетный двигатель.

Если же говорить о межзвёздном полёте, то электроракетный двигатель с ядерным энергоблоком рассматривался для проекта Дедал, но был отвергнут из-за малой тяги, большого веса ядерного энергоблока и, как следствие, малого ускорения, из-за которого потребовались бы столетия для достижения нужной скорости. Однако Джеффри Лэндис рассматривал использование ионного двигателя для межзвездных полетов при внешнем источнике энергопитания через лазер на солнечные батареи космического аппарата. Пригодность различных типов двигателей для межзвёздных полётов в частности была рассмотрена на заседании Британского межпланетного общества в 1973 году доктором Тони Мартином (Tony Martin), Тони Мартин пришёл к выводу, что для межзвёздного путешествия пригодны только термоядерные звездолёты типа «Дедала».

При непригодности химических ракет (которым для достижения ближайшей звезды потребуется 120 тысяч лет) для быстрых межзвёздных путешествий учёные предлагают следующие варианты:

• ракеты на управляемых ядерных реакциях (деление ядра, антиматерия и ядерный синтез),
• лазерный парус,
• термоядерный прямоточный корабль.

По мнению других специалистов, для межзвёздных полётов подходит только три источника энергии:

• ядерные и термоядерные реакции,
• аннигиляция,
• и гравитационный коллапс, при которых носителями энергии выступают элементарные частицы с энергией не менее нескольких МэВ.

При этом ядерные двигатели можно использовать и для планетолёта, — например, полёт до Плутона на таком двигателе займёт 2 месяца.

Отдельную тему представляют собой разнообразные возможные и гипотетических двигатели сверхсветового движения. Следует признать что, межзвёздный корабль, способный летать на сверхсветовых скоростях предпочтительней корабля с досветовым двигателем. Но также следует учитывать, что любой сверхсветовой корабль по скорости движения получится двухрежимным:

• в режиме сверхсветового движения полет выполняется на скорости, превышающей скорость света, — проблема сверхсветового движения представляет собой самостоятельную проблему космонавтики;
• в режиме досветового движения полет выполняется на скорости, меньшей скорости света, — режим же досветового движения сопряжён с теми же вышеописанными проблемами, что и полет досветового межзвёздного корабля.

Двигатели на управляемых ядерных процессах

Электроракетный двигатель с ядерным реактором имеет малую тягу, большой вес необходимого для преобразования ядерной энергии в электрическую оборудования и как следствие небольшое ускорение, поэтому потребуются столетия для достижения нужной скорости, что позволяет использовать его только в кораблях поколений. Термические ядерные двигатели типа NERVA имеют достаточную величину тяги, но низкую скорость истечения рабочей массы (порядка 10 км/сек), поэтому для разгона до нужной скорости потребуется огромное количество топлива.

По мнению Митио Каку главной проблемой ядерных ракетных двигателей является безопасность: в обычном ядерном реакторе используется низкообогащенный уран, поэтому опасность ядерного взрыва невелика, однако в ядерных ракетных двигателях для получения максимальной тяги используется высокообогащенный уран с большой вероятностью возникновения самопроизвольной цепной реакции.

Проект «Орион»

В 1950—1960 годах в США разрабатывался космический корабль с ядерно-импульсным ракетным двигателем для исследования межпланетного пространства «Орион». В ходе работ были предложены проекты большого и малого звездолётов («кораблей поколений»), способных добраться до звезды Альфа Центавра за 1800 и 130 лет соответственно.

По мнению Митио Каку главная проблема «Ориона» состоит в заражении радиоактивными осадками места старта, а также в коротких замыканиях в близлежащих электрических системах от электромагнитного импульса взрывов.

Проект «Дедал»

С 1973 по 1978 год Британское межпланетное общество разрабатывало проект «Дедал», целью которого было создать наиболее правдоподобный проект автоматического аппарата с термоядерным ракетным двигателем, способного достичь звезды Барнарда за 50 лет.

Ракетный корабль по проекту «Дедал» оказался таким громадным, что строить его пришлось бы в открытом космосе. Он должен был весить 54 000 т (почти весь вес — ракетное топливо) и мог бы разогнаться до 7,1 % скорости света, неся на себе полезную нагрузку весом 450 т. В отличие от проекта «Орион», рассчитанного на использование крохотных атомных бомб, проект «Дедал» предусматривал использование миниатюрных водородных бомб со смесью дейтерия и гелия-3 и системой зажигания при помощи электронных лучей. Но огромные технические проблемы и опасения, связанные с ядерным двигателем, привели к тому, что проект «Дедал» также был отложен на неопределённое время.

В 1982 году в журнале «Юный техник» появился проект межзвёздного зонда на основе технологий «Дедала». В 1987 году появился проект межзвёздного зонда на реактивной термоядерной системе с массой научной аппаратуры не меньше 150 кг и сроком полёта к одной из ближайших звёзд в 40—60 лет.

Прямоточный термоядерный двигатель

См. также: Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда

Принцип прямоточного двигателя предложил в 1960 году физик Роберт Буссард), позднее его популяризировал Карл Саган. По расчетам Буссарда прямоточный термоядерный двигатель весом в 1 тысячу тонн мог бы теоретически поддерживать постоянное ускорение в 1 g (за 1 год такого ускорения корабль достиг бы 77 % от скорости света). По мнению Митио Каку в книге Физика невозможного прямоточный термоядерный двигатель является самым перспективным для межзвездных путешествий, который за счет сбора топлива по пути мог бы теоретически работать бесконечно и за счет постоянного ускорения и релятивистского замедления времени внутри корабля через 11 лет по корабельным часам достичь звездного скопления Плеяды на расстоянии 400 световых лет от Земли, Туманности Андромеды на расстоянии 2 миллионов световых лет за 23 года корабельного времени, а за продолжительность жизни членов экипажа — пределов видимой Вселенной (в то время, как на Земле прошло бы несколько миллиардов лет). Однако такой корабль имеет определенные технические сложности. С учетом плотности водорода в межзвездном пространстве для поддержания постоянного ускорения в 1 g собирающая водород воронка должна иметь диаметр около 160 километров. Также для прямоточного термоядерного двигателя необходима протон-протонная реакция синтеза, которая в настоящее время недостаточно изучена. Также при приближении к скорости света возрастет сопротивление межзвездной среды.

Прямоточный термоядерный звездолёт на фотонном двигателе

В 1960-х годах за десятилетие до проекта «Дедал» в СССР Валерием Бурдаковым разрабатывался проект космического корабля на основе термоядерного двигателя, который посредством магнитной воронки собирает водород из окружающего пространства и запускает в действие фотонный двигатель. По сути это был гибрид трёх идей межзвёздных путешествий: термоядерной реакции, прямоточного корабля на основе магнитной воронки и фотонного двигателя. Эта идея имела преимущество перед термоядерным звездолётом в отсутствии необходимости нести топливо на борту (которое составляло большую часть массы). Проект корабля Бурдакова-Данилова предусматривает разгон на термоядерном двигателе, затем включается прямоточный двигатель, а собранное межзвёздное вещество взаимодействует с запасами антивещества на борту корабля для работы фотонного двигателя (таким образом решался вопрос с низкой плотностью межзвёздного вещества, которого для аннигиляции антивещества в фотонном двигателе нужно меньше, чем для работы термоядерного двигателя).

Современные проекты ядерных звездолётов

В 1992 году Роберт Зубрин опубликовал идею ядерной ракеты на гомогенном растворе солей ядерного топлива, которая двигается на основе управляемого непрерывного ядерного взрыва и тормозит магнитным парусом.

Технологические идеи ранних проектов ядерных звездолётов использованы в современных проектах термоядерных межзвёздных кораблей «Longshot» и «Икар».

В конце 1980-х годов Военно-морской академией США и НАСА разрабатывался проект автоматического зонда-звездолёта «Longshot», основанный на использовании исключительно существующих технологий с настолько ближним сроком реализации, что зонд предполагалось собирать на также проектировавшейся орбитальной станции «Фридом», которая позже была преобразована в МКС. Проект использовал ядерный двигатель и имел время полёта со скоростью около 4,5 % световой до Альфа Центавра (с выходом на её орбиту, вместо просто пролёта как в проекте «Дедал») около 100 лет.

По инициированному в 2009 году фондом Tau Zero и Британским межпланетным обществом проекту «Икар» автоматический межзвёздный зонд может быть создан за несколько лет, будет иметь термоядерную двигательную установку и разгоняться до 10—20 % от скорости света, что дало бы достижение Альфа Центавра в течение активной жизни одного поколения за 20—40 лет.

Современные проекты звездолётов на термоядерном синтезе

В настоящее время специалистами разработано два проекта звездолётов на инерционном термоядерном синтезе: магнитного сопла для ракеты на лазерно-инерционном термоядерном синтезе и ракетный двигатель на инерционном лазерном синтезе, основанном на концепции быстрого воспламенения. Также существует проект термоядерного ракетного двигателя на стационарном магнитном удержании плазмы в открытых линейных ловушках. Для магнитного удержания термоядерной плазмы могут использоваться открытые ловушки (например амбиполярная ловушка).

Межзвёздные корабли с магнитным зеркалом

Для защиты от межзвёздного вещества, а также для ускорения и перенаправления потока заряженных частиц из работающего двигателя в нужную сторону А. В. Багров, М. А. Смирнов и С. А. Смирнов предлагают использовать магнитное поле от кольцевого магнита в виде тора (по их расчётам такой корабль доберётся до Плутона за 2 месяца). Также они разработали проект корабля с импульсным термоядерным двигателем и электромагнитом в виде сверхпроводящего тора: по их подсчётам такой корабль может добраться до Плутона и вернуться обратно за 4 месяца с затратой 75 тонн топлива, до Альфы Центавра за 12 лет, а до Эпсилона Эридана за 24,8 года.

Движители на давлении электромагнитных волн

См. также: Солнечный парус

Разработано несколько вариантов межзвёздных кораблей на основе солнечного и других видов космического паруса.

Выделяют два проекта космических парусников: на давлении солнечного света и от искусственного лазера (идея Роберта Форварда). Недостатком первого типа является слабое световое давление от Солнца, которое при увеличении расстояния будет ослабевать. Недостатком второго типа является сложность наведения лазера на большом расстоянии. Общим недостатком космических парусников всех типов является хрупкость конструкции тонкого и обширного паруса, который может быть легко разрушен при столкновении с межзвёздным веществом.

Преимуществом парусника является отсутствие топлива на борту. Его недостатком является невозможность использования паруса для торможения или путешествия назад к Земле, поэтому он хорош для запуска автоматических зондов, станций и грузовых кораблей, но малопригоден для пилотируемых полётов с возвратом (либо космонавтам нужно будет взять с собой второй лазер с запасом энергии для установки в пункте назначения, что фактически сводит на нет все преимущества парусника).

Идея о использовании давления света для осуществления межпланетных путешествий была выдвинута практически сразу после открытия этого давления физиком П. Н. Лебедевым в работах К. Циолковского и Ф. Цандера. Однако реальная возможность получения электромагнитного луча нужной мощности появилась только после изобретения лазеров.

В 1971 году в докладе Г. Маркса на симпозиуме в Бюракане было предложено использовать для межзвёздных перелётов лазеры рентгеновского диапазона. Позже возможность использования этого типа движителя исследовалась НАСА. В результате был сделан следующий вывод: «Если будет найдена возможность создания лазера, работающего в рентгеновском диапазоне длин волн, то можно говорить о реальной разработке летательного аппарата (разгоняемого лучом такого лазера), который сможет покрывать расстояния до ближайших звёзд значительно быстрее, чем все известные в настоящее время системы с ракетными двигателями. Расчёты показывают, что с помощью космической системы, рассмотренной в данной работе, можно достичь звезды Альфа Центавра… примерно за 10 лет».

В 1985 году Р. Форвардом была предложена конструкция межзвёздного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звёзд за 21 год.

На 36-м Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолёта, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия. По расчётам, путь звездолёта этой конструкции до звезды Эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.

Парус, разгоняемый наземным лазерным источником-движителем, используется в начатом современном проекте малых автоматических межзвёздных зондов Breakthrough Starshot. На реализацию проекта необходимо до 10 миллиардов долларов и до 20 лет. Скорость зондов составит до 20 % скорости света, время полёта до Проксима или Альфа Центавра в 4 световых годах от Земли — около 20 лет.

По оценкам Митио Каку в книге Физика невозможного теоретически возможен разгоняемый лазерами с Луны солнечный парус, который может достичь до половины скорости света и долететь до ближайшей звезды за 8 лет. Однако это потребует строительства солнечного паруса поперечником в несколько сотен километров и тысяч лазеров на Луне с продолжительностью работы в десятилетия, что трудно реализовать по экономическим и техническим причинам.

Аннигиляционные двигатели

Скорость движения обычных ракет существенным образом зависит от скорости истечения рабочего тела. Ни химические, ни ядерные реакции, известные в настоящее время, не позволяют достичь скоростей истечения, достаточных для разгона космического судна до околосветовой скорости. В качестве одного из вариантов решения проблемы предлагается использование в качестве рабочего вещества ракеты элементарные частицы, движущиеся со световой или околосветовой скоростью.

Для получения таких частиц можно использовать аннигиляцию материи и антиматерии. Например, взаимодействие электронов и позитронов порождает гамма-излучение, которое используется для создания реактивной тяги в конструкциях так называемых фотонных ракет. Может быть также использована реакция аннигиляции протонов и антипротонов, в результате которой образуются пионы.

В случае, когда скорость истечения рабочего вещества реактивного двигателя равна скорости света, число Циолковского $z={\frac {m_{0}}{m_{k}}}$ определяется по формуле $z={\sqrt {\frac {1+{\frac {v_{0}}{c}}}{1+{\frac {v_{k}}{c}}}}}$. Отсюда следует, что для достижения скорости в $0,9c$, число Циолковского должно быть равно $4,36$.

Теоретические расчёты американских физиков Ронана Кина и Вей-мин Чжана показывают, что на основе современных технологий возможно создание аннигиляционного двигателя, способного разогнать космический корабль до 70 % от скорости света. Предложенный ими двигатель быстрее других теоретических разработок благодаря особому устройству реактивной дюзы. Однако основными проблемами при создании аннигиляционных ракет с подобными двигателями являются получение нужного количества антивещества, а также его хранение. По состоянию на май 2011 года рекордное время хранения атомов антиводорода составило 1000 секунд (~16,5 минут). По оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов.

Прямоточные двигатели на межзвёздном водороде

Основная статья: Двигатель Бассарда

Основная составляющая массы современных ракет — это масса топлива, требуемого ракете для разгона. Если удастся каким-нибудь образом использовать в качестве рабочего тела и топлива окружающую среду, можно значительно уменьшить массу межзвёздного аппарата и достичь за счёт этого больших скоростей движения даже при использовании топливно-ракетного двигателя. В связи с этим появилась идея прямоточного двигателя, который использует в качестве топлива межзвёздный водород.

Использование прямоточного двигателя снимает ограничения по дальности полёта в связи с конечными запасами топлива и энергии на борту корабля, однако имеет серьёзную проблему в виде малой плотности водорода в межзвёздном пространстве и как следствие низкой скорости.

К преимуществам данного проекта относится очистка космоса впереди движения корабля от межзвёздных частиц, которые могли быть опасны для звездолёта при высоких скоростях встречного движения. Однако для прямоточного двигателя потребуется воронка огромного диаметра и достаточно большая изначальная скорость звездолёта (по некоторым оценка до 20—30 % от скорости света). Столкновение с межзвёздным водородом на таких скоростях может постепенно разрушить материал воронки, поэтому есть проекты собирать межзвёздный водород электромагнитным полем вместо воронки из вещества.

Для предложенного такого водородного прямоточного ракетного двигателя потребуется воронка огромного диаметра для сбора разреженного межзвёздного водорода, имеющего плотность 1 атом на кубический сантиметр. Если для сбора межзвёздного водорода использовать сверхмощное электромагнитное поле, то силовые нагрузки на генерирующую катушку окажутся настолько велики, что их преодоление окажется маловероятным даже для техники будущего.

В 1960-е годы Робертом Бассардом была предложена конструкция межзвёздного прямоточного реактивного двигателя. Она схожа с конструкцией воздушно-реактивных двигателей. Межзвёздная среда состоит в основном из водорода. Этот водород может быть захвачен и использован в качестве рабочего тела. Кроме того, он может быть использован в качестве топлива для управляемой термоядерной реакции, служащей источником энергии для создания ускоряющего ракету реактивного потока.

Поскольку межзвёздная среда является крайне разреженной (порядка одного атома водорода на кубический сантиметр пространства), необходимо использование экранов огромного размера (тысячи километров) для сбора нужного количества топлива. Масса таких экранов крайне велика даже при условии использования наиболее лёгких материалов, поэтому предлагается использовать для сбора вещества магнитные поля.

Ещё одним недостатком термоядерного прямоточного двигателя является ограниченность скорости, которой может достичь оснащённый им корабль (не более 0,119 c = 35,7 тыс. км/с). Это связано с тем, что при улавливании каждого атома водорода (который можно в первом приближении считать неподвижным относительно звёзд) корабль теряет определённый импульс, который удастся компенсировать тягой двигателя только если скорость не превышает некоторый предел. Для преодоления этого ограничения необходима как можно более полная утилизация кинетической энергии улавливаемых атомов, что представляется достаточно трудной задачей.

Вывод

Допустим, экран уловил 4 атома водорода. При работе термоядерного реактора четыре протона превращаются в одну альфа-частицу, два позитрона и два нейтрино. Для простоты пренебрежём нейтрино (учёт нейтрино потребует точного расчёта всех стадий реакции, а потери на нейтрино составляют около процента), а позитроны проаннигилируем с 2 электронами, оставшимися от атомов водорода после изъятия из них протонов. Ещё 2 электрона пойдут на то, чтобы превратить альфа-частицу в нейтральный атом гелия, который благодаря полученной от реакции энергии будет ускорен в сопле двигателя.

Итоговое уравнение реакции без учёта нейтрино:

41
1H → 4
2He + (4m_H − m_He)c² (≈27 МэВ)

Пусть корабль летит со скоростью v. При улавливании четырёх атомов водорода в системе отсчёта корабля теряется импульс:

$P_{1}={\frac {4m_{H}v}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$

Теоретически достижимый импульс, с которым корабль может запустить атом гелия, можно получить из известного релятивистского соотношения между массой, энергией и импульсом:

$E_{He}^{2}/c^{2}-P_{2}^{2}=m_{He}^{2}c^{2}$

Энергия атома гелия (включая энергию покоя) не может превышать сумму масс четырёх атомов водорода, умноженную на квадрат скорости света:

$E_{He\,max}=4m_{H}c^{2}$

Отсюда квадрат максимально достижимого импульса атома гелия:

$P_{2}^{2}=(4m_{H})^{2}c^{2}-m_{He}^{2}c^{2}$

Если корабль в результате улавливания и утилизации четырёх атомов водорода не ускорился и не замедлился, значит, импульс, потерянный при их улавливании, равен импульсу, приобретённому в результате выброса атома гелия из сопла.

$P_{1}=P_{2}$

$P_{1}^{2}=P_{2}^{2}$

${\frac {(4m_{H})^{2}v^{2}}{1-v^{2}/c^{2}}}=(4m_{H})^{2}c^{2}-m_{He}^{2}c^{2}$

${\frac {v^{2}/c^{2}}{1-v^{2}/c^{2}}}=1-\left({\frac {m_{He}}{4m_{H}}}\right)^{2}$

${\frac {v}{c}}={\sqrt {\frac {1-\left({\frac {m_{He}}{4m_{H}}}\right)^{2}}{2-\left({\frac {m_{He}}{4m_{H}}}\right)^{2}}}}\approx 0,119$

Фотонный двигатель на магнитных монополях

По мнению автора журнала Техника — молодёжи А. Владимова только фотонные двигатели пригодны для дальних космических путешествий..

Если справедливы некоторые варианты теорий Великого объединения, такие как модель 'т Хоофта — Полякова, то можно построить фотонный двигатель, не использующий антивещество, так как магнитный монополь гипотетически может катализировать распад протона на позитрон и π⁰-мезон:

$p\rightarrow e^{+}+\pi ^{0}$

π⁰ быстро распадается на 2 фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, в итоге атом водорода превращается в 4 фотона, и нерешённой остаётся только проблема зеркала.

Фотонный двигатель на магнитных монополях мог бы работать и по прямоточной схеме.

В то же время в большинстве современных теорий Великого объединения магнитные монополи отсутствуют, что ставит под сомнение эту привлекательную идею.

У фотонных двигателей на аннигиляции материи есть следующие проблемы: хранение антивещества, защита отражающего фотоны зеркала от выделяемой энергии, время разгона и размеры.

Ионные двигатели

Основная статья: Ионный двигатель

в 1946 году американский физик И. Акерет (Ackeret) предложил использовать для межзвёздного полёта ионные двигатели, которые снабжали бы заряженными частицами в результате термоядерной реакции или реакции аннигиляции.

Ионные двигатели уже используются в некоторых космических аппаратах (например, в КА «Рассвет»). Ионные двигатели используют электрическую энергию для создания в топливе (обычно ксенон) заряженных частиц, которые затем ускоряются. Выхлопная скорость частиц от 15 до 35 километров в секунду.

В 1994 году Джеффри Лэндис предложил проект межзвёздного ионного зонда, который получал бы энергию от лазерного луча на станции. Такой двигатель по сравнению с лазерно-световым парусом потреблял бы на 19 ГВт меньше, будучи при этом в полтора раза сильнее. На данный момент этот проект неосуществим: двигатель должен иметь скорость истечения 0,073 с (удельный импульс 2 миллиона секунд), при этом его тяга должна достигать 1570 Н (то есть 350 фунтов). В данный момент эти показатели недостижимы.

Системы торможения

Не намного меньшую, чем при разгоне, проблему представляет собой торможение межзвёздных кораблей, набравших сверхвысокие скорости. Предложены несколько способов:

• торможение на внутренних источниках — ракетное;
• торможение за счёт лазерного луча, присылаемого из Солнечной системы;
• торможение магнитным полем с использованием магнитного паруса Роберта Зубрина на сверхпроводниках.

В фантастике

Чаще всего писатели ранней фантастики описывали использование обычных химических реактивных двигателей на химическом топливе. Позже многие фантасты понимая несовершенство таких типов двигателей изобретали более совершенные типы ракетного горючего:

• ультралиддит в «Аэлите» А. Толстого или анамезон И. Ефремова из «Туманности Андромеды»;
• в той же «Аэлите» фигурируют корабли магацитлов, использующие ядерную энергию;
• термоядерное топливо;
• антивещество.

Последнее фигурирует не только в качестве топлива фотонных двигателей, но часто и в качестве топлива главных энергоблоков многих фантастических сверхсветовых кораблей.

Изначально корабли для межзвёздных полётов в фантастике выглядели как гибрид ракеты-носителя и подводной лодки с обтекаемыми формами. Таков например корабль «Тантра» из романа И. Ефремова «Туманность Андромеды», впервые изданного в год запуска первого искусственного спутника Земли. Потом пришло понимание, что в космосе отсутствует сопротивление среды и межзвёздные корабли стали приобретать сложные архитектурные формы. На смену ракетным двигателям как недостаточно быстрым пришли «нуль-транспортировки», «варп-двигатели», «подпространственные переходы», «смежные миры», «гипердвигатели», «тоннельные двигатели».

В романе «Люди как боги» Снегова для межзвёздных путешествий используются особые свойства пространства и времени, в частности, открытая людьми будущего двумерность времени, позволяющая совмещать точки начала и конца пути путём сворачивания пространства.

См. также

• Новые горизонты
• Список ближайших звёзд
• Звездолёт
• Варп-двигатель

Литература

• В. П. Бурдаков. Ю. И. Данилов. Ракеты будущего. 1980 г. М., Атомиздат.
• Колесников, Юрий Вениаминович. Вам строить звездолёты. — М., 1990. — 207 с. — ISBN 5-08-000617-X.
• Левантовский В. И. Механика космического полёта в элементарном изложении. — М.: «Наука», 1970. — 492 с.

Ссылки

• Semenov A. Сборник ссылок на статьи о межзвёздных полётах  (рус.). Дата обращения: 20 октября 2021. Архивировано из оригинала 20 октября 2021 года.
• Как защитить космических путешественников (англ.). Дата обращения: 5 мая 2007. Архивировано из оригинала 5 мая 2007 года.
• Цвет растений на других планетах (англ.). Дата обращения: 28 августа 2008. Архивировано из оригинала 28 августа 2008 года.
• Interstellar Ark Mission Architectures and Various Feasibility Issues (англ.). Дата обращения: 4 декабря 2021.
• Галактическая энциклопедия — 2. Помощь со звёзд  (рус.). — Лекция о межзвёздных полётах, об ускорении на 100 км/сек возле звёзд. Дата обращения: 4 декабря 2021.
• 100 Year Starship Study — официальный сайт проекта «Через 100 лет к звёздам».
• Ирина Шлионская, Термоядерные крылья донесут до инопланетян // Правда.ру, 21.03.2011