Моделирую будущее-4. Двигатели

[a_burlaka]

     
          
            В прошлый раз я получил вот этот график развития

Теперь я могу откладывать на нём уровни знаний, необходимые для той или иной технологии, моделируя их развитие и получая данные о том, когда и с какой скоростью будут летать корабли. Ведь каждый раз, сталкиваясь в фантастике с вопросом: а как быстро корабли будут летать в будущем, задаёшься вопросом: а о каком будущем идёт речь. Ведь не могут же корабли летать с одной и той же скоростью и 200 и 2000 лет спустя. Поэтому для каждой технологии движения я буду рассматривать несколько уровней.
       Начну с непосредственного движения в физическом пространстве, которое является основой всего. Тут, прежде всего нужно понимать, что две главные характеристики среды, в которой движется космический корабль - это отсутствие материи рядом с ним (виртуальные частицы в вакууме и солнечный ветер - отдельная тема и ими можно принебречь) и отсутствие сплошного поля тяготения. Из этого есть два основных следствия: 1. Нет от чего отталкиваться, как машина отталкивается колёсами от земли, а корабль - винтом от воды, поэтому кораблю нелегко придать ускорение. 2. Если уж корабль разогнался, то он и после выключения двигателя будет лететь по прямой, пока не попадё в поле тяготения или не столкнётся с объектом.
       Поэтому для движения в космосе используется закон сохранения импульса m1*v1=m2*v2, а именно реактивное движение. Продукт химической реакции отталкивается от корабля и произведение его массы на скорость равно произведению массы корабля на скорость, которую он получил в процессе этого отталкивания. Величина, на которую увеличивается скорость корабля каждую секунду является, ускорением, которое обеспечивает данный двигатель для данного корабля. Как видно из закона сохранения импульса, чем выше скорость истечения рабочего тела из сопла, тем меньше его нужно для обеспечения определённого ускорения в течении секунды. Химические двигатели - двигатели с низким удельным ипульсом, поскольку скорость истечения рабочего тела определяется скоростью расширения газов в результате химический реакции (4500 м/с для водород/кислород). это значит, что для обеспечения ускорения в 0,1 g нужно ежесекундно выбрасывать массу топлива, равную 1/4500 массы корабля. Даже для обеспечения ускорения в 0,01 g в течении пары часов нужно истратить массу топлива, равную  16% массы корабля. А ведь ему ещё предстоит тормозить... Собственно, такой корабль почти полностью состоит из баков с топливом.Для полётам к другим планетам нам необходимо увеличить удельный импульс.

На этом графике химические ракетные двигатели обозначены жирной жёлтой линией на уровне, который соответствует  середине 20 века. Я предположил, что практическая реализация двигателей с большим удельным импульсом потребует уровня знаний, на порядок большего. До больших скоростей рабочее тело можно разогнать, если оно находится в состоянии плазмы и разгоняется магнитным полем.
      Так работает плазменный ракетный двигатель, а конкретно, ВАСИМР. Первые прототипы этого двигателя проходят испытания уже сейчас. Но я буду рассматривать те васимры, которые будут давать ощутимые ускорения, а не те, сантиметры в секунду за секунду, которые они показывают сейчас. Для этого им прийдётся использовать в качестве источника энергии уже не солнечные батареи и даже не изотопные источники энергии, а небольшие ядерные и термоядерные реакторы. ВАСИМР имеет удельный импульс 290000 м/с. Для обеспечения 0,1 g в течении одной секунды ему нужно только 1/290000 массы корабля и на 2 часа ускорения при 0,01 g нужно будет только 0,25 % массы корабля.  Корабли с этим двигателем уже не будут состоять из одних только баков, хотя они всё ещё будут очень велики.

           Исходя из установленного уровня знаний, я предположил, что ВАСИМР, способный часами и сутками обеспечивать ускорение 0,01 g (9,8 см/с за секунду) появится в 2036 году. В 2040 с ускорением 0,02 g, в 2044 - 0,04 g, в 2048 - 0,08 g, в 2056 -  0,16 g, в  2072 - 0,32 g. Эти двигатели имеют ограничение по мощности, поскольку выталкивание больших масс плазмы требует просто фантастического колличества энергии. Поэтому, обеспечить ускорение, необходимое со старта с Земли невозможно. Такие корабли будут строиться на орбите и никогда не будут с неё сходить. Тем не менее именно они позволят людям к  концу 21 века освоить внутренние части Солнечной Системы и предпринять первые экспедиции к планетам-гигантам. В 2075 году от Земли до Марса можно будет добраться  за 5-10 суток. Конечно, это самые быстрые корабли. Большинство будет добираться в 2-3 раза дольше.
         Но можно создать двигатель с ещё большим удельным импульсом - термоядерный. Его создание потребует более совершенных технологий  контроля за термоядерной реакцией. Но оно будет стоить того. Вдельный импульс этого двигателя будет измеряться миллионами метров в секунду. И для поддержания 0,1  g ему нужно будет  1/10000000 массы корабля.

    Рабочее тело в таком двигателе ускоряется постоянно действующей термоядерной реакцией в магнитном поле. Для него потребуется ещё на порядок больший уровень знаний и для его совершенствования знаний понадобится ещё больше. Термоядерный двигатель с тягой 0,1 g появится в 2080 году, 0,2 - в 2084, 0,4 - в 2088, 0,8 g - в 2100. В 2116 появятся ВАСИМРЫ с ускорением 0,64 g, однако они не смогут соперничать с термоядерными по тяге и ускорению и межпланетные перелёты в основном будут осуществляться при помощи термоядерных двигателей. В 2128 появятся двигатели с ускрением 1,6 g? однако их использование будет ограничено отсутствием контроля за гравитацией, из-за чего во время полёта на таких кораблях экипаж будет испытывать перегрузку в 1,5 раза выше, чем на Земле. На таком корабле можно долететь от Земли до Путона за 14-15 суток. И иенно такие корабли позволят освоить Солнечную Систему вплоть до Пояса Койпера и предпринять первые робкие попытки достичь других звёзд. Для разгона до 0,1 с с ускорением 1,6 g нужно всего 22 с небольшим дня. То есть Альфа Центавра оказывается "всего" в 40 годах полёта.
      Термоядерный двигатель мощнее и экономичнее  плазменного. Однако его конструкция не позволяет  размещать его на кораблях меньше сотни метров длинной. То есть между планетами будут перемещаться огромные 300-400 метровые скоростные дуры. А уже вблизи планет от них будут отстыковываться шаттлы с ВАСИМРами  и двигаться спокойнее. Это будет эпоха скоростных гигантов, в которых летают тренированные люди.
     Однако, наука не ожет остановиться на этом. И можно предположить, что будет создан ещё более "волшебный" двигатель. Контроль за гравитацией позволит создавать искуственные гравитационные поля, в том числе и отрицательные (поля отталкивания). И вот эти самые поля и будут выталкивать рабочее тело с релятивистскими скоростями. Гравитационный реактивный двигатель будет иметь удельный импульс 150 000 000 м/с и позволит тратить при ускорении  1 g только  1/15000000 массы корабля. То есть 1 кг/с для корабля массой 15000 т. Кроме того, этот "магический" двигатель будет гораздо меньше термоядерного.

        Гравитационный двигатель с ускорением 0,2 g появится в 2188 году, 0,4 g - в 2200, 0,8 g - в 2224. Приблизительно до этого вреени термоядерные двигатели будут активно конкурировать с гравитационными.  Главным преимуществом гравитационных двигателей в это время будет их экономичность. В  2256 появится термоядерный двигатель с ускорением 3,2  g, однако дальше развивать их не позволят фундаментальные принципы да и гравитационные двигатели окажутся более перспективными. В 2292 году они  позволят разгоняться при 1,6 g, в 2516 - при 3,2 g, в 2876 - 4 g, в 3312 - при 5 g, в  3876 - 6 g, в 4600 - 6,4 g. Наличие контроля за гравитацией (т.н. гравитационные компенсаторы) позволяют использовать корабли при таких перегрузках.
       Конечно, и эти двигатели не особо помогают быстро добраться до других звёзд. Это позволяют сделать технологии передвижения быстрее света, о которых я расскажу в следущий раз.