Viagem espacial usando aceleração constante - Space travel using constant acceleration
A aceleração constante é um aspecto proposto da maioria das formas futuras de viagem espacial . Isso implica que o sistema de propulsão operaria continuamente com uma aceleração constante, em vez dos breves impulsos impulsivos usados por foguetes químicos - na primeira metade da viagem, empurra constantemente a espaçonave em direção ao seu destino e, na última metade da viagem, usa constantemente o retrocesso, para que a nave chegue ao destino paralisada.
Unidades de aceleração constante
A aceleração constante é notável por vários motivos:
- É uma forma rápida de viajar. Quando a ergonomia é considerada, eles são a forma mais rápida de viagem interplanetária e interestelar .
- A aceleração constante cria sua própria gravidade artificial em benefício dos passageiros, que podem ser poupados de ter que lidar com os efeitos da microgravidade .
Impulso constante versus aceleração constante
As trajetórias de impulso e aceleração constantes envolvem a espaçonave disparando seu motor em uma queima constante prolongada. No caso limite em que a aceleração do veículo é alta em comparação com a aceleração gravitacional local, a órbita se aproxima de uma linha reta. A espaçonave aponta diretamente para o alvo (levando em consideração o movimento do alvo) e continua acelerando constantemente sob alto impulso até atingir seu alvo. Se for necessário que a espaçonave se encontre com o alvo, em vez de realizar um sobrevôo, a espaçonave deve mudar sua orientação no meio da jornada e desacelerar no resto do caminho.
Na trajetória de empuxo constante, a aceleração do veículo aumenta durante o período de empuxo, pois o uso de combustível faz com que a massa do veículo diminua. Se, ao invés de empuxo constante, o veículo tem aceleração constante, o empuxo do motor deve diminuir durante a trajetória.
Viagem interestelar
Em distâncias interestelares, uma espaçonave usando aceleração constante significativa se aproximará da velocidade da luz, então os efeitos da relatividade especial, como a dilatação do tempo (a diferença no fluxo de tempo entre o tempo da nave e o tempo planetário) tornam-se importantes.
Expressões para distância percorrida e tempo decorrido
Como longe um viagens, experimentando uma aceleração constante, do ponto de vista da Terra como uma função do tempo do viajante é expressa pelo coordenar distância x como uma função do tempo próprio τ em constante adequada aceleração um . É dado por:
onde c é a velocidade da luz .
Nas mesmas circunstâncias, o tempo decorrido na Terra (o tempo das coordenadas ) em função do tempo do viajante é dado por:
Viabilidade
Um fator limitante importante para acionamentos de aceleração constante é ter combustível suficiente. A aceleração constante não será viável, a menos que o impulso específico para o combustível (a eficiência do combustível do combustível ) se torne muito maior.
Existem duas categorias amplas para as maneiras de resolver esse problema: uma é o combustível de maior eficiência (a abordagem do navio a motor) e a outra é a extração de energia de propulsão do ambiente conforme o navio passa por ele (a abordagem do navio à vela). Duas possibilidades para a abordagem de navios a motor são os combustíveis nucleares e os baseados em matéria-antimatéria. Uma possibilidade para a abordagem de um veleiro é descobrir algo equivalente ao paralelogramo de força entre o vento e a água que permite que as velas impulsionem um veleiro.
Pegar combustível ao longo do caminho - a abordagem do jato de aríete - perderá eficiência à medida que a velocidade da espaçonave aumenta em relação à referência planetária. Isso acontece porque o combustível deve ser acelerado até a velocidade da nave antes que sua energia possa ser extraída, o que reduzirá drasticamente a eficiência do combustível.
Um problema relacionado é o arrasto. Se a nave espacial próxima à velocidade da luz estiver interagindo com matéria ou energia que está se movendo lentamente no referencial planetário - vento solar, campos magnéticos, radiação cósmica de fundo em micro-ondas - isso causará um arrasto que eliminará uma parte da aceleração do motor.
Um segundo grande problema enfrentado pelos navios que usam aceleração constante para viagens interestelares é a colisão com matéria e radiação durante a rota. No meio da jornada, qualquer assunto que o navio atinja terá um impacto próximo à velocidade da luz, então o impacto será dramático.
Velocidades de viagem interestelar
Se uma nave espacial estiver usando aceleração constante em distâncias interestelares, ela se aproximará da velocidade da luz no meio de sua jornada, quando vista do referencial planetário . Isso significa que os efeitos da relatividade se tornarão importantes. O efeito mais importante é que o tempo parecerá passar em taxas diferentes no quadro da nave e no quadro planetário, e isso significa que a velocidade da nave e o tempo de viagem aparecerão diferentes nos dois quadros.
Quadro de referência planetário
Do quadro de referência planetário, a velocidade da nave parecerá limitada pela velocidade da luz - ela pode se aproximar da velocidade da luz, mas nunca alcançá-la. Se um navio estiver usando aceleração constante de 1 g , parecerá que se aproxima da velocidade da luz em cerca de um ano e terá viajado cerca de meio ano-luz de distância. No meio da viagem, a velocidade do navio será aproximadamente a velocidade da luz, e ele diminuirá novamente para zero ao longo de um ano no final da viagem.
Como regra geral, para uma aceleração constante de 1 g ( gravidade da Terra ), o tempo de viagem, medido na Terra , será a distância em anos-luz até o destino, mais 1 ano. Essa regra fornecerá respostas um pouco mais curtas do que a resposta exata calculada, mas razoavelmente precisas.
Quadro de referência do navio
Do quadro de referência dos que estão no navio, a aceleração não mudará à medida que a viagem avança. Em vez disso, o referencial planetário parecerá cada vez mais relativístico. Isso significa que, para os viajantes na nave, a jornada parecerá ser muito mais curta do que os observadores planetários veem.
A uma aceleração constante de 1 g , um foguete poderia viajar pelo diâmetro de nossa galáxia em cerca de 12 anos no tempo da nave e cerca de 113.000 anos no tempo planetário. Se a última metade da viagem envolver desaceleração em 1 g , a viagem levaria cerca de 24 anos. Se a viagem fosse apenas para a estrela mais próxima, com desaceleração na última metade do caminho, demoraria 3,6 anos.
Em ficção
Tau Zero , umromance de ficção científica de Poul Anderson , tem uma nave espacial usando uma unidade de aceleração constante.
A nave espacial de George O. Smith 's Venus Equilateral histórias são todos os navios aceleração constante. A aceleração normal é de 1 g , mas em "O Triângulo Externo" é mencionado que acelerações de até 5 g são possíveis se a tripulação for drogada com gravanol para neutralizar os efeitos da carga g .
A nave espacial do romance de Joe Haldeman , The Forever War, faz uso extensivo da aceleração constante; eles requerem equipamento de segurança elaborado para manter seus ocupantes vivos em alta aceleração (até 25 g ) e aceleram a 1 g mesmo quando "em repouso" para fornecer aos humanos um nível confortável de gravidade.
No universo do Espaço Conhecido , construído por Larry Niven , a Terra usa impulsos de aceleração constante na forma de ramjets Bussard para ajudar a colonizar os sistemas planetários mais próximos . No romance espacial não conhecido A World Out of Time , Jerome Branch Corbell (para si mesmo), "leva" um ramjet para o Centro Galáctico e volta em 150 anos de naves (a maioria em sono frio), mas 3 milhões de anos passa na Terra.
Em The Sparrow , de Mary Doria Russell , a viagem interestelar é alcançada convertendo um pequeno asteróide em uma espaçonave de aceleração constante. A força é aplicada por motores iônicos alimentados com material extraído do próprio asteróide.
Na série Revelation Space de Alastair Reynolds , o comércio interestelar depende de naves estelares "lightugger" que podem acelerar indefinidamente a 1 g , que substituiu a antimatéria acionada por impulsos de aceleração constante. Os efeitos da viagem relativística são um ponto importante da trama em várias histórias, informando a psicologia e a política das tripulações "ultranautas" dos faróis, por exemplo.
No romance 2061: Odyssey Three de Arthur C. Clarke , a espaçonave Universe , usando um foguete de fusão catalisado por múon , é capaz de aceleração constante a 0,2 g sob impulso total. O romance " Imperial Earth " de Clarke apresenta um "impulso assintótico", que utiliza um buraco negro microscópico e um propelente de hidrogênio, para atingir uma aceleração semelhante ao viajar de Titã para a Terra.
As naves espaciais UET e mundos ocultos de FM Busby 's Rissa Kerguelen saga utilizar uma unidade de aceleração constante que pode acelerar a 1 g ou até mesmo um pouco mais.
Os navios da série Expanse da James SA Corey usam acionamentos de aceleração constante, que também fornecem gravidade artificial para os ocupantes.
Em The Martian , de Andy Weir , a nave Hermes usa um impulso VASIMR de impulso constante para transportar astronautas entre a Terra e Marte . No Projeto Ave Maria , também de Andy Weir , a espaçonave do protagonista usa um spin drive de aceleração constante de 1,5 g para viajar entre o Sistema Solar e 40 Eridani .