Как долго лететь к ближайшей звезде?

Первая космическая скорость — 7,9 км/сек

Чтобы вращаться на орбите Земли, спутнику необходимо иметь первую космическую или круговую скорость, которая для нашей планеты равна примерно 7,9 км/сек. В этом случае объект на орбите будет удерживать сила, называемая в народе центробежной, а движение Земли и сила притяжения не позволят спутнику покинуть гравитационное поле планеты.

Отсюда следует довольно интересное и простое умозаключение: что будет если в формуле расчета первой космической скорости (V1 = (GM/R) в степени 1/2, где M — масса объекта, R — радиус, а G — гравитационная постоянная) поиграть с цифрами и подставить данные, которые определят первую космическую скорость для выдуманного нами объекта, как равную скорости света (чуть менее 300 000 км/сек)?

Мы получим объект огромной массы и малого радиуса, на который свет может падать, но покинуть его гравитационное поле фотоны уже не в состоянии, ведь для этого нужна вторая космическая скорость, которая в данном случае будет превышать скорость света, что невозможно в известной нам Вселенной. Это есть объект, о котором слышал каждый и который астрофизики называют «черной дырой».

Самый быстрый космический аппарат в истории человечества

На скорости почти 700 000 км/ч. долететь можно будет хоть до Солнца.

Благодаря нескольким гравитационным маневрам вокруг Венеры космический аппарат в итоге сможет развить скорость в 692 000 километров в час, что быстрее любого другого космического зонда, построенного человеком.

На данный момент времени самым быстрым космическим аппаратом является зонд «Юнона», предназначенный для изучения Юпитера. Его текущая скорость составляет около 266 тысяч километров в час. Скорость космического аппарата «Вояджер-1», запущенного покорять межзвездное пространство в конце 70-х годов и покинувшего Солнечную систему 35 лет спустя, составляет приблизительно 61 000 километров в час. Максимальная скорость Солнечного зонда «Паркер» более чем в два раза превзойдет скорость «Юноны» и в 11 раз скорость «Вояджера-1».

Что такое космическая скорость

Космическими скоростями в космонавтике (речь идет не только о пилотируемых полетах, но для удобства мы будем называть все запуски искусственных космических аппаратов космонавтикой) пользуются для расчета минимально необходимой скорости для:

1. Выхода космических аппаратов на орбиту Земли;
2. Выхода космических аппаратов за пределы гравитационного поля Земли;
3. Выхода космических аппаратов за пределы Солнечной системы;
4. Выхода космических аппаратов за пределы галактики Млечный Путь.

Естественно, формулы расчета космических скоростей применимы не только к нашей планете, но и к любому другому объекту Вселенной, однако мы рассмотрим лишь актуальные для земных космических аппаратов значения.

Какой должна быть скорость корабля для полета на Луну?

Для полета корабля на Луну он должен стартовать до орбитальной скорости в 29. тыс. км в час, а потом нарастать примерно до 40 тыс. км в час.

Космический корабль при такой скорости может удалиться на расстоянии, на котором на него уже будет сильнее притяжение Луны, нежели Земли. Современная техника позволяет разрабатывать корабли, которые соответствуют вышеупомянутой скорости перемещения. Но если двигатели корабля не будут действовать, он разгонится притяжением Луны и просто упадет на нее с большой силой, разрушив корабль. По этой причине, если в самом начале пути реактивные двигатели ускоряли космический корабль в направлении к Луне, то когда лунное притяжение сравнивалось с земным, двигатели начинали действовать в противоположном направлении. Таким образом, обеспечивалась мягкая посадка на Луну, при которой все люди на корабле оставались невредимыми.

На Луне нет воздуха, поэтому находится на ней можно исключительно в специальных скафандрах. Первым человеком, который спустился на поверхность Луны, стал американец Нил Армстронг, и это произошло в 1969 году. Тогда произошло первое знакомство человечества с составом лунного грунта. Его изучение позволило лучше понять историю образования Солнечной системы. Тогда геологи надеялись найти на Луне какие-то ценные вещества, которые можно было бы добывать.

Масса Земли существенно превышает массу Луны. Значит, взлететь с последней будет проще и дорога в дальний космос тоже осуществится легче. Не исключено, что в дальнейшем человечество будет использовать эту возможность. Скорость вылета на орбиту намного меньше и составляет 6120 км в час или 1,7 км в секунду.

Подготовка к полету

В плане изменения ощущения пространства и времени все просто. Если вы полетите в другую галактику, вам может показаться, что полет занял всего лишь несколько дней, хотя на Земле уже пройдут тысячи лет. Этот момент отчасти показан в фильме «Интерстеллар», поэтому тем, кто не смотрел — еще одна рекомендация. Решить эту проблему невозможно, потому что таковы законы Вселенной. Можно лишь психологически подготовиться к тому, что к моменту приезда из «космического отпуска» у путешественника не будет ни работы, ни семьи.

«Один час на этой планете равен семи годам на Земле»

Для защиты от столкновения с космическими частицами необходимо как следует продумать конструкцию космического корабля. Даже в нынешних ракетах и кораблях используются материалы, которые не повреждаются от столкновений и выдерживают нагревание до высоких температур. Между внешней поверхностью конструкций и капсулой, в которой сидят астронавты, есть дополнительные слои, которые охлаждают воздух.

Кадр из фильма «Звездные войны»

А для решения третьей проблемы нужно придумать способ постепенного набора скорости. Хотя, с этим не должно возникнуть особых сложностей, потому что создание технологии мгновенного достижения скорости света кажется еще более тяжелой задачей. А если же скорость будет достигаться мгновенно, можно подумать о методах укрепления конструкции корабля, чтобы он выдерживал даже самые большие нагрузки.

Опасность ядерных ракет

Идея компании Ad Astra звучит и круто, и опасно. Но она уже примерно знает, как обезопасить жителей Земли и космических путешественников от излучения ядерного двигателя. Во-первых, ракета Vasimr будет активирована только после вывода на орбиту при помощи обычной ракеты-носителя. Если во время запуска произойдет взрыв, опасные частицы не смогут достигнуть земной поверхности. А для защиты астронавтов планируется использовать не пропускающие излучение материалы.

Испытание Vasimr VX-200SS в 2017 году на мощности 30 кВт (недавний тест был проведен на мощности 80 кВт)

Недавно в лаборатории компании Ad Astra в Техасе были успешно проведены 88-часовые испытания ракеты Vasimr на выносливость. По словам главы компании Франклина Чанг-Диаса, это большой успех и награда за множество лет испытаний. Сообщается, что упорная команда достигла больших результатов методом проб и ошибок, при этом даже не думая сдаваться. Для справки стоит отметить, что сам Франклин Чанг-Диас является известным американским физиком и астронавтом NASA, который совершил семь космических полетов и в общем числе провел в космосе 1601 час. Компанию Ad Astra он основал после того, как завершил карьеру астронавта.

Франклин Чанг-Диас

Как всегда, в конце статьи про ядерные ракеты для полетов в космос, хочу порекомендовать статью про самые быстрые способы космических путешествий. Перейдите по этой ссылке и вы узнаете об электромагнитном двигателе EM Drive, термоядерном прямоточном воздушно-реактивном двигателе и других технологиях, которые в будущем позволят нам осваивать космос. Приятного чтения!

Тепловой экран

Для защиты от Солнца нужен надежный тепловой экран.

Тепловой экран зонда не менее впечатляет, чем его максимальная скорость. Размер расположенного в фронтальной части аппарата солнечного щита составляет 2,4 метра в диаметре. Он предназначен для отражения экстремального тепла от научного оборудования зонда. Толщина экрана составляет 11,5 сантиметра. Он состоит из углеродной композитной пены, зажатой между двумя углеродными пластинами. Фронтальная пластина, обращенная в сторону Солнца, покрыта специальной белой керамической краской, которая позволяет отражать тепло максимально эффективно. Используемые материалы позволили сделать щит довольно легким. Его вес составляет всего 73 килограмма.

В космосе температура может быть тысячи градусов, но конкретный объект не будет нагреваться, поскольку температура определяется скоростью движения частиц, тогда как тепло измеряется общим количеством энергии, которую они переносят. Частицы могут двигаться быстро (высокая температура), но если их будет немного, то и энергии будет немного (мало тепла). В космосе мало частиц, поэтому немногие из них способны передать энергию аппарату.

Реактивный пистолет HHMU

Реактивный пистолет для перемещения.

Примерно так выглядела картина работы в безвоздушном пространстве для первых людей в космосе. В рамках американской программа «Джемини» первое устройство для свободных маневров в космосе было именно «реактивным пистолетом». HMNU (Hand-Helded Maneuvring Unit, или «ручное устройство маневрирования») работало на основе сжатого кислорода, и всякий раз, когда астронавт корабля «Джемини-4» Эдвард Уайт выходил в космос, он брал его с собой. Разумеется, с таким пистолетом до Луны не долетишь, но он все же давал куда более прочную надежду, чем страховочный фал связи с кораблем. Однако минимум одна рука астронавта была занята, и это было не очень хорошо.

Средние скорости

Скорость света и звука

Согласно теории относительности, скорость света в вакууме — самая большая скорость, с которой может передвигаться энергия и информация. Она обозначается константой c и равна c = 299 792 458 метров в секунду. Материя не может двигаться со скоростью света, потому что для этого понадобится бесконечное количество энергии, что невозможно.

Скорость звука обычно измеряется в упругой среде, и равна 343,2 метра в секунду в сухом воздухе при температуре 20 °C. Скорость звука самая низкая в газах, а самая высокая — в твердых телах. Она зависит от плотности, упругости, и модуля сдвига вещества (который показывает степень деформации вещества при сдвиговой нагрузке). Число Маха M — это отношение скорости тела в среде жидкости или газа к скорости звука в этой среде. Его можно вычислить по формуле:

Боинг 777-236/ER G-VIIN авиакомпании British Airways (Британские Авиалинии), заходящий на посадку в аэропорту Торонто имени Лестера Б. Пирсона (Канада)

M = v/a,

где a — это скорость звука в среде, а v — скорость тела. Число Маха обычно используется в определении скоростей, близких к скорости звука, например скоростей самолетов. Эта величина непостоянна; она зависит от состояния среды, которое, в свою очередь, зависит от давления и температуры. Сверхзвуковая скорость — скорость, превышающая 1 Мах.

Скорость транспортных средств

Ниже приведены некоторые скорости транспортных средств.

• Пассажирские самолеты с турбовентиляторными двигателями: крейсерская скорость пассажирских самолетов — от 244 до 257 метров в секунду, что соответствует 878–926 километрам в час или M = 0,83–0,87.
• Высокоскоростные поезда (как «Синкансэн» в Японии): такие поезда достигают максимальных скоростей от 36 до 122 метров в секунду, то есть от 130 до 440 километров в час.

Скорость животных

Максимальная скорость, с которой может бежать кошка — 13 метров в секунду или 47 километров в час.

Максимальные скорости некоторых животных примерно равны:

• Ястреб: 89 метров в секунду, 320 километров в час (скорость высокоскоростного поезда)
• Гепард: 31 метр в секунду, 112 километров в час (скорость более медленных высокоскоростных поездов)
• Антилопа: 27 метров в секунду, 97 километров в час
• Лев: 22 метра в секунду, 79 километров в час
• Газель: 22 метра в секунду, 79 километров в час
• Гну: 22 метра в секунду, 79 километров в час
• Лошадь: 21 метр в секунду, 75 километров в час
• Охотничья собака: 20 метров в секунду, 72 километра в час
• Лось: 20 метров в секунду, 72 километра в часОздоровительный бег в Лондоне. Человек может достичь скорости до 30 км/ч.
• Койот: 19 метров в секунду, 68 километров в час
• Лиса: 19 метров в секунду, 68 километров в час
• Гиена: 18 метров в секунду, 64 километра в час
• Заяц: 16 метров в секунду, 56 километров в час
• Кошка: 13 метров в секунду, 47 километров в час
• Медведь гризли: 13 метров в секунду, 47 километров в час
• Белка: 5 метров в секунду, 18 километров в час
• Свинья: 5 метров в секунду, 18 километров в час
• Курица: 4 метра в секунду, 14 километров в час
• Мышь: 3,6 метра в секунду, 13 километров в час

Скорость человека

Люди ходят со скоростью примерно 1,4 метра в секунду или 5 километров в час, и бегают со скоростью примерно до 8,3 метра в секунду, или до 30 километров в час.

Первый космический аппарат NASA, названный в честь живого человека

Иногда космические аппараты называют в честь живых людей.

Аэрокосмическое агентство NASA давало своим космическим аппаратам самые разные имена, но ни один из них не назывался в честь еще живого человека. Солнечный зонд «Паркер» назван в честь астрофизика Юджина Паркера, который в 1958 году предсказал существование солнечного ветра.

В 50-х годах Паркер вывел сложную теорию о том, как звезды отдают свою энергию. Он ввел понятие «солнечный ветер» для описания каскадных выбросов энергии Солнца и даже предложил теорию, объясняющую причину более высокой температуры солнечной короны по сравнению с поверхностью звезды. Кроме того, астрофизик рассмотрел модель внешней атмосферы Солнца с постоянным истечением вещества из короны и показал, что скорость солнечного ветра растет с удалением от Солнца, достигая сверхзвуковых значений. Ученый также проанализировал влияние расширяющейся короны на магнитное поле в окрестностях Солнца и нашел, что поле должно быть спиральным вследствие вращения Солнца. Его выводы о скорости солнечного ветра и спиральной структуре солнечного магнитного поля были впоследствии подтверждены с помощью космических аппаратов. Сейчас Паркеру 91 год. Несмотря на возраст, 12 августа, в день запуска зонда астрофизик присутствовал на стартовом комплексе.

Космические зонды

Зонды — это беспилотные космические аппараты, посылаемые на дальние расстояния. Они побывали на всех планетах, кроме Плутона. Зонд может лететь до места на­значения долгие Годы. Когда он подлетает к нужному небесному телу, то выходит на орбиту вокруг него и посылает на Землю добытую информацию. «Миринер-10», единственный зонд, побывавший на Марсе.

Некоторые зонды предназначены для посадки на поверхность другой планеты, либо они оснащены спускаемыми аппаратами, сбрасываемыми на планету. Спускаемый аппарат может собрать образцы грунта и доставить их на Землю для исследований. В 1966 году впервые на поверхность Луны опустился космический аппарат — зонд «Луна-9». После посадки он раскрылся, как цветок, и начал съемки.

Специальные ионные двигатели для космических кораблей

Электроны и ионы в специальных ускорителях могут разгоняться до быстроты, приближенной к скорости света, а именно 300 тыс. км в секунду. Но такие ускорители – это пока ее массивные сооружения, которые не подходят для летательных аппаратов. Однако установки, у которых скорость истечения заряженных частиц примерно 100 км в секунду, могут быть установлены на ракетах. В результате, они могут сообщить соединенному с ними телу большую быстроту перемещения, чем способна достигнуть ракета с химическим топливом. К сожалению, у разработанных к настоящему времени ионных космических двигателях мала сила тяги, и вывести на орбиту многотонную ракету с кораблем они пока не могут.

Но их есть смысл устанавливать на корабле с тем, чтобы они работали, как только корабль летает по орбите. Располагаясь на корпусе корабля, они могут постоянно поддерживать его ориентацию и постепенно незначительным воздействием увеличить скорость корабля выше той, которую ему сообщили посредством химического горючего.

Разработка таких электрореактивных двигателей, действующих на орбите, ведется, применяя разные физические явления. Одна из главных задач, стоящих перед создателями ионных космических двигателей – адаптировать их для полетов на другие планеты.

Возможность достижения значительных скоростей полета ракеты в космосе с такими двигателями, чем с химическим топливом, делает более реальной разработку кораблей для полетов на ближайшие планеты.

Как работает ионный двигатель

Принцип работы ионного двигателя

Такой двигатель является реактивным так же как и знакомый ракетный двигатель, только вместо сжигания топлива используется ионизация газа. А в остальном принцип тот же, принцип реактивного движения основанный на Третьем законе Ньютона. А если по-простому, то аппарат двигает вперед поток ионов выбрасываемых из двигателя.

А теперь подробнее о принципе работы ионного двигателя. В «камеру сгорания» подается инертный газ (обычно аргон или ксенон), при помощи потока электронов этот газ ионизируется. Далее электроны улавливаются специальными устройствами, а положительно заряженные ионы двигаются к решеткам с очень большой разницей потенциалов. Из-за разницы потенциалов ионы разгоняются и выбрасываются из сопла создавая реактивную тягу.

Ранее пойманные электроны (отрицательно заряженные, если вы уже забыли) выбрасываются в вдогонку и под углом к потоку ионов, чтобы нейтрализовать их заряд, иначе часть ионов могут притянутся к корпусу двигателя уменьшив его тягу. Принцип работы ионного двигателя на самом деле прост, но всегда есть какое-то «но»…

Достоинства и недостатки

Все довольно просто, но есть некоторые недостатки.

Ионный двигатель создает очень большой удельный импульс но очень маленькую тягу обусловленную массой выбрасываемых частиц. Это значит, что разогнать космический корабль он может, но ускорение будет небольшим и на его создание уйдет очень много времени.

Поэтому сейчас такие двигатели используются только в космосе, где нет сопротивления воздуха и на небольших объектах вроде спутников, либо для пространственной ориентации более крупных объектов.

Ионный двигатель в работе

Но в марте 2015 года на орбиту был запущен космолет X-37B, который должен испытать ионный двигатель на эффекте Холла. Такой двигатель работает по тому же принципу, что и обычный, за исключением того, что ускорение происходит благодаря эффекту Холла, что позволяет несколько увеличить его тягу и не использовать решетки для притяжения и разгона ионов.

В 2003 двигатель на эффекте Холла был впервые использован в качестве основного на автоматической станции SMART-1 весом в 370 кг европейского космического агенства, но сам двигатель был создан в московском КБ «Факел». Теперь ионный двигатель ждет испытание на намного более массивном X-37.

Главным достоинством ионного двигателя является время его работы. Такой двигатель может работать очень долго благодаря низкому потреблению газа и все время своей работы он будет разгонять космический аппарат. Например, двигатель NEXT (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster) проработал в космосе рекордное время — 5,5 лет или 48 000 часов, использовав всего 870 кг ксенона, в случае стандартного химического двигателя потребовалось бы 10 тонн топлива.

Рекорд по скорости также принадлежит ионному двигателю. Аппарат Dawn запущенный Nasa для исследования карликовой планеты Цереры, разогнался до скорости 11,46 км/с без использования гравитационных маневров.

Судя по всему, именно у ионных двигателей наибольшие перспективы стать в будущем маршевыми двигателями для межпланетных полетов.

Варп-двигатель Алькубьерре

Любители научной фантастики, без сомнения, знакомы с концепцией варп-двигателя (или двигателя Алькубьерре). Предложенная мексиканским физиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году, эта идея была попыткой вообразить мгновенное перемещение в пространстве без нарушения специальной теории относительности Эйнштейна. Если коротко, эта концепция включает растяжение ткани пространства-времени в волну, которая теоретически приведет к тому, что пространство перед объектом будет сжиматься, а позади — расширяться.

Объект внутри этой волны (наш корабль) сможет ехать на этой волне, будучи в «варп-пузыре», со скоростью намного превышающей релятивистскую. Поскольку корабль не движется в самом пузыре, а переносится им, законы относительности и пространства-времени нарушаться не будут. По сути, этот метод не включает движение быстрее скорости света в локальном смысле.

«Быстрее света» он только в том смысле, что корабль может достичь пункта назначения быстрее луча света, путешествующий за пределами варп-пузыря. Если предположить, что космический аппарат будет оснащен системой Алькубьерре, он доберется до Проксимы Центавра меньше чем за 4 года. Поэтому, если говорить о теоретическом межзвездном космическом путешествии, это, безусловно, наиболее перспективная технология в плане скорости.

Разумеется, вся эта концепция чрезвычайно спорная

Среди аргументов против, например, то, что она не принимает во внимание квантовую механику и может быть опровергнута теорией всего (вроде петлевой квантовой гравитации). Расчеты необходимого объема энергии также показали, что варп-двигатель будет непомерно прожорлив

Другие неопределенности включают безопасность такой системы, эффекты пространства-времени в пункте назначения и нарушения причинности.

Тем не менее в 2012 году ученый NASA Гарольд Уайт заявил, что вместе с коллегами начал исследовать возможность создания двигателя Алькубьерре. Уайт заявил, что они построили интерферометр, который будет улавливать пространственные искажения, произведенные расширением и сжатием пространства-времени метрики Алькубьерре.

В 2013 году Лаборатория реактивного движения опубликовала результаты испытаний варп-поля, которые проводились в условиях вакуума. К сожалению, результаты сочли «неубедительными». В долгосрочной перспективе мы можем выяснить, что метрика Алькубьерре нарушает один или несколько фундаментальных законов природы. И даже если его физика окажется верной, нет никаких гарантий, что систему Алькубьерре можно использовать для полетов.

В общем, все как обычно: вы родились слишком рано для путешествия к ближайшей звезде. Тем не менее, если человечество почувствует необходимость построить «межзвездный ковчег», который будет вмещать самоподдерживающееся человеческое общество, добраться до Проксимы Центавра удастся лет за сто. Если мы, конечно, захотим инвестировать в такое мероприятие.

Что касается времени, все доступные методы кажутся крайне ограниченными. И если потратить сотни тысяч лет на путешествие к ближайшей звезде может нас мало интересовать, когда наше собственное выживание стоит на кону, по мере развития космических технологий, методы будут оставаться чрезвычайно непрактичным. К моменту, когда наш ковчег доберется до ближайшей звезды, его технологии станут устаревшими, а самого человечества может уже не существовать.

Так что если мы не осуществим крупный прорыв в сфере синтеза, антиматерии или лазерных технологий, мы будем довольствоваться изучением нашей собственной Солнечной системы.

Ядерное тепловое и ядерное электрическое движение

Еще одна возможность осуществить межзвездный перелет — использовать космический аппарат, оснащенный ядерными двигателями. NASA десятилетиями изучало такие варианты. В ракете на ядерном тепловом движении можно было бы использовать урановые или дейтериевые реакторы, чтобы нагревать водород в реакторе, превращая его в ионизированный газ (плазму водорода), который затем будет направляться в сопло ракеты, генерируя тягу.

Ракета с ядерным электрическим приводом включает тот же реактор, преобразующий тепло и энергию в электроэнергию, которая затем питает электродвигатель. В обоих случаях ракета будет полагаться на ядерный синтез или ядерное деление для создания тяги, а не на химическое топливо, на котором работают все современные космические агентства.

По сравнению с химическими двигателями, у ядерных есть неоспоримые преимущества. Во-первых, это практически неограниченная энергетическая плотность по сравнению с ракетным топливом. Кроме того, ядерный двигатель также будет вырабатывать мощную тягу по сравнению с используемым объемом топлива. Это позволит сократить объемы необходимого топлива, а вместе с тем вес и стоимость конкретного аппарата.

Хотя двигатели на тепловой ядерной энергии пока в космос не выходили, их прототипы создавались и испытывались, а предлагалось их еще больше.

И все же, несмотря на преимущества в экономии топлива и удельном импульсе, самая лучшая из предложенных концепций ядерного теплового двигателя имеет максимальный удельный импульс в 5000 секунд (50 кН·c/кг). Используя ядерные двигатели, работающие на ядерном делении или синтезе, ученые NASA могли бы доставить космический аппарат на Марс всего за 90 дней, если Красная планета будет в 55 000 000 километрах от Земли.

Но если говорить о путешествии к Проксиме Центавра, ядерной ракете потребуются столетия, чтобы разогнаться до существенной доли скорости света. Потом потребуются несколько десятилетий пути, а за ними еще много веков торможения на пути к цели. Мы все еще в 1000 годах от пункта назначения. Что хорошо для межпланетных миссий, не так хорошо для межзвездных.

Читайте дальше: Как долго лететь к ближайшей звезде? Часть вторая: теоретические методы

Можно ли прикоснуться к Солнцу

Может ли космический корабль долететь до солнца?

Перед Солнечным зондом «Паркер» поставлена задача, которую до этого не смог бы выполнить ни один из созданных человеком космических аппаратов. Он займется изучением внешней атмосферы Солнца. Так называемой короны. Для этого он подберется к звезде на расстояние 6,2 миллиона километров, фактически «прикоснувшись» к внешнему слою ее атмосферы. Аппарат будет заниматься не только решением загадок звезды, но еще и пополнит наш багаж знаний о том, каким образом Солнце влияет на магнитосферу нашей планеты

Важность этой миссии сложно переоценить, поскольку все более распространенными становятся технологии, на которые так или иначе влияет активность нашего Светила. Вполне возможно, что данная миссия увеличит наши возможность по изучению Солнечной системы в целом

Третья космическая скорость

Третья космическая скорость — минимальная скорость, которую необходимо придать находящемуся вблизи поверхности Земли телу, чтобы оно могло преодолеть притяжение не только Земли, но и Солнца, и покинуть пределы Солнечной системы.

Чтобы преодолеть притяжение Солнца, находясь на орбите Земли, нужно развить скорость в \(\sqrt{2}\) раз больше, чем скорость Земли. То есть в направлении движения Земли тело нужно запускать со скоростью \( (\sqrt{2} — 1) · 30\:км/с ≈ 12\:км/с\). Чтобы преодолеть притяжение Земли, нужна скорость \(\sqrt{2} · 7{,}9\:км/с ≈ 11\:км/с\). Преодолеть и то, и другое можно со скоростью \( ≈ 16{,}6\:км/с\). В действительности хватит и меньшей скорости, если запустить космический аппарат так, чтобы его ускоряли другие планеты.

Полеты на Марс и другие планеты

Марс находится на большем удалении чем Луна и логично, что для достижения этой планеты понадобится больше времени. Учитывая возможности современных летательный устройств до красной планеты придется добираться более полугода. На сегодняшний день сложность заключается в том, что запустить пилотируемый аппарат будет очень сложно, за счет недостаточного импульса движения. Он иметь большую массу и объемы, а значит не сможет достичь необходимых для стабильного движения показателей. Единственно доступным, при нынешнем развитии отрасли является посещение планеты на легких аппаратах, для сбора образцов. Полеты на другие планеты пока не рассматриваются вовсе. Доступные космические тела находятся в еще большем удалении от Марса. поэтому и посещение их невозможно.

Третья космическая скорость

Третья космическая скорость — минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение Солнца и в результате уйти за пределы Солнечной системы.

Только на космических кораблях, которым доступны такие скорости, принципиально могут быть осуществлены пилотируемые межзвёздные перелёты к планетным системам других звёзд.

Здесь для расчёта предполагается, что космический аппарат приобретает эту скорость сразу на поверхности Земли и после этого не получает негравитационного ускорения (двигатели выключены и сопротивление атмосферы отсутствует).  Если к тому же учесть притяжение других планет, которое может как ускорить, так и притормозить аппарат, то диапазон возможных значений 3-й космической скорости станет еще больше.

При наиболее энергетически выгодном старте скорость объекта должна быть сонаправлена скорости орбитального движения Земли вокруг Солнца. Орбита такого аппарата в Солнечной системе представляет собой параболу.

Самые большие астероиды и их скорость движения

Давайте рассмотрим как движутся некоторые крупные астероиды.Прежде всего, нужно отметить астероид, а вернее карликовую планету, Церера. Она летит по орбите со скоростью 17,882 км/с и обращается вокруг Солнца примерно за 4,6 лет.

Хотя орбитальная скорость крупнейшего астероида Веста 19,346 км/с. При этом период обращения вокруг главной звезды составляет 3,628 лет.

А вот другой крупный астероид Паллада летит в темпе 17,645 км/с. Её полный оборот относительно Солнца практически соответствует Церере: он равен 4,618 годам.

Гигея перемещается со средней скоростью 16,753 км/с, а на один цикл вращения по окружности Солнца ей требуется 5,562 лет.

В то же время, астероид Европа обладает чуть большим показателем: 16,876 км/с. Соответственно, период обращения занимает немного меньше времени — 5,451 год.

Также определили среднюю скорость Гектора 13,012 км/с, который обращается вокруг Солнца за 11,989 лет.Разумеется, здесь указан характер движения лишь самых известных астероидных тел. Вообще, их открыто около 300 тысяч. Но мы не будем перечислять все.

• Церера
• Паллада
• Гектор

Как уже было сказано, скоростные показатели превышают вторую космическую скорость и обладают необходимым темпом для удержания на планетных орбитах. По предположению учёных, могут быть не обнаруженные объекты, которые проворно и быстро проносятся по Вселенной (на огромных скоростях).

В любом случае, астероиды резво путешествуют в космосе. Наверное, поэтому они часто сталкиваются друг с другом, а также с другими небесными телами.

До Солнца очень сложно добраться

Такая картинка выглядит довольно фантастической.

На самом деле для полета к Солнцу требуется в 55 раз больше энергии, чем на полет к Марсу. Во-первых, расстояние от Земли до нашей звезды составляет порядка 150 миллионов километров. Но расстояние не единственный фактор, выступающий здесь проблемой. Основной проблемой здесь выступает так называемая боковая скорость, то есть скорость относительно желаемого вектора движения.

Для понимая принципа боковой скорости необходимо понимать, как тела двигаются на орбитах. На самом деле все объекты на орбите Солнца бесконечно падают на звезду. Однако боковая скорость не даем им упасть, поскольку они фактически обгоняют тело, на которое падают. Земля движется вокруг Солнца со скоростью 108 000 километров в час. В итоге, когда аппарат сойдет с орбиты Земли, он будет двигаться в пространстве «вперед» и начнет падать на Солнце, но будет постоянно промахиваться, поскольку будет сохраняться показатель его боковой скорости. Для того, чтобы попасть к звезде, аппарату необходимо просто падать.

Для решения вопроса боковой скорости NASA планирует использовать гравитационные маневры вокруг Венеры. Они позволят почти полностью погасить этот показатель, но при этом повысят максимальную скорость движения Солнечного зонда «Паркер», которая на пике сможет составить до 200 километров в секунду.

Принцип работы ядерного двигателя

Название ракеты Vasimr связана с аббревиатурой, которую можно перевести как «Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом». Если говорить коротко, используемый в нем двигатель использует ядерные реакторы для нагрева плазмы (получается из газа под воздействием радиоволновых антенн) до двух миллионов градусов. После этого реактивная струя выходит из задней части двигателя, приводя ракету в движение со скоростью до 197 950 километров в час (54 километра в секунду). Подробнее о том, как работают ядерные двигатели, я уже рассказывал в этом материале.

Визуализация работы ракетного двигателя Ad Astra

Похожие записи:

Космические грядки: что и зачем выращивают в космосе? Гороскоп на май 2021 года для женщины водолей Фаза луны 27 мая 2021 года Здоровые зубы Инерция и первый закон ньютона К чему снятся много гробов