Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Релятивистік зымыран – релятивистік эффектілердің маңызды бола бастауына жеткілікті жарық жылдамдығына жуық жылдамдықпен қозғалатын кез келген ғарыш кемесі. "Маңызды" ұғымы контекстке байланысты, бірақ көбінесе жарық жылдамдығының 30%-дан 50%-ына дейінгі (0,3c-ден 0,5c-ге дейін) жылдамдық шегі қолданылады. 30% c жылдамдықта релятивистік масса мен тыныштықтағы массаның айырмашылығы шамамен 5%-ты құрайды, ал 50% жылдамдықта – 15% (0,75c-де бұл айырмашылық 50%-дан асып кетеді); сондықтан осы жылдамдықтардан жоғары қозғалысты дәл сипаттау үшін арнайы салыстырмалылық теориясы қажет, ал одан төмен жылдамдықтарда Ньютон физикасы мен Циолковский зымыран теңдеуі көбінесе жеткілікті дәлдік береді. Бұл жағдайда зымыран – өзімен бірге барлық реакциялық массасын, энергиясын және қозғалтқыштарын алып жүретін объекті деп анықталады. Қазіргі танымал технологиялардың ешқайсысы зымыранды релятивистік жылдамдыққа жеткізе алмайды. Релятивистік зымырандарға ғарыш кемесін жылдамдату, энергияны сақтау және қозғалтқыш тиімділігі салаларында үлкен жетістіктер қажет, олардың мүмкін болатыны әлі белгісіз. Ядролық импульстік қозғалтқыш теориялық тұрғыдан қазіргі танымал технологияларды пайдалана отырып 0,1c жылдамдыққа жете алады, бірақ оған қол жеткізу үшін де көптеген инженерлік жетістіктер қажет. Жарық жылдамдығының 10%-ында релятивистік гамма-фактор 1,005-ке тең. Сондықтан 0,1c жылдамдықты зымыран релятивистік емес деп есептеледі, өйткені оның қозғалысын Ньютон физикасымен де өте дәл сипаттауға болады. Релятивистік зымырандар көбінесе жұлдызаралық саяхаттар контекстінде талқыланады, себебі олардың көпшілігі осындай жылдамдыққа жету үшін көп кеңістікке мұқтаж. Олар сондай-ақ кейбір ой-эксперименттерде, мысалы, егіздер парадоксінде кездеседі.
Relativistic rocket means any spacecraft that travels close enough to light speed for relativistic effects to become significant. The meaning of "significant" is a matter of context, but often a threshold velocity of 30% to 50% of the speed of light (0.3c to 0.5c) is used. At 30% c, the difference between relativistic mass and rest mass is only about 5%, while at 50% it is 15%, (at 0.75c the difference is over 50%); so above such speeds special relativity is needed to accurately describe motion, while below this range Newtonian physics and the Tsiolkovsky rocket equation usually give sufficient accuracy. In this context, a rocket is defined as an object carrying all of its reaction mass, energy, and engines with it. No known technology can bring a rocket to relativistic speed. Relativistic rockets require huge advances in spacecraft propulsion, energy storage, and engine efficiency which may or may not ever be possible. Nuclear pulse propulsion could theoretically reach 0.1c using current known technology, but would still require many engineering advances to achieve this. The relativistic gamma factor at 10% of light velocity is 1.005. A 0.1c speed rocket is thus considered non relativistic since its motion is still quite accurately described by Newtonian physics alone. Relativistic rockets are usually seen discussed in the context of interstellar travel, since most would need a lot of space to reach such speed. They are also found in some thought experiments such as the twin paradox.
Материя-антиматерияны жою зымырандары
Жоғарыда келтірілген есептеулерден салыстырмалылық ракетаға антиматериямен жұмыс істеу қажеттігі анық көрінеді. Жұлдызаралық сапар үшін қажетті 0,6c-қа жуық импульс бере алатын (негізгі сутегі-антисутегінің жойылған кезде зерттелген, иондаусыз, сәулеленуді қайта пайдаланбау) фотондық ракетадан өзге, "аға ядролы" пион ракетасы да антиматериялық ракеталардың қатарына жатады. Пион ракетасында мұздатылған антисутегі электромагниттік "бөтелкелерде" сақталады. Антисутегі, қалыпты сутегі сияқты, диамагниттік қасиетке ие, бұл оны салқындатқанда электромагниттік түрде левитациялауға мүмкіндік береді. Сақтау көлемінің температурасын бақылау арқылы мұздатылған антисутегінің булану жылдамдығы секундына бірнеше граммға дейін реттеледі (соның салдарынан, тең мөлшердегі материямен жойылғанда бірнеше петаватт қуат бөлінеді). Содан кейін ол антипротонға иондалып, электромагниттік әдіспен реакциялық камераға үдетіледі. Позитрондар көбінесе кәдесіз болып табылады, себебі олардың жойылған кезде шығаратын гамма сәулелері зиянды және итермелеуге тиімді әсер етпейді. Дегенмен, релятивистік емес ракеталар осы гамма сәулелерін қозғалыс күші ретінде толығымен пайдалана алады. Бұл процесс қажет, өйткені бейтараптандырылмаған антипротондар бір-бірін итеріп, қазіргі технологиямен сақталынатын олардың санын триллионнан кемге дейін шектейді.
It is clear from the above calculations that a relativistic rocket would likely need to be antimatter fired. Other antimatter rockets in addition to the photon rocket that can provide a 0.6c specific impulse (studied for basic hydrogen antihydrogen annihilation, no ionization, no recycling of the radiation) needed for interstellar flight include the "beam core" pion rocket. In a pion rocket, frozen antihydrogen is stored inside electromagnetic bottles. Antihydrogen, like regular hydrogen, is diamagnetic which allows it to be electromagnetically levitated when refrigerated. Temperature control of the storage volume is used to determine the rate of vaporization of the frozen antihydrogen, up to a few grams per second (hence several petawatts when annihilated with equal amounts of matter). It is then ionized into antiprotons which can be electromagnetically accelerated into the reaction chamber. The positrons are usually discarded since their annihilation only produces harmful gamma rays with negligible effect on thrust. However, non relativistic rockets may exclusively rely on these gamma rays for propulsion. This process is necessary because un neutralized antiprotons repel one another, limiting the number that may be stored with current technology to less than a trillion.
Пиондық зымыранның жобалау жазбалары
Пионды зымыранды Роберт Фрисби мен Ульрих Уолтер тәуелсіз түрде зерттеді, нәтижелері ұқсас болды. Пиондар, яғни пи-мезондар, протон-антипротонның жойылған кезде пайда болады. Антиводород немесе одан алынған антипротондар, әдетте сутек атомдарының құрамында, пиондық зымыран қозғалтқышының магниттік шектеу саптамасына (тұмсығына) соққылы протондардың массасымен араластырылады. Нәтижесінде пайда болған зарядталған пиондардың жылдамдығы 0,94c (яғни 0,94-ке тең), ал Лоренц коэффициенті 2,93-ке жетеді, бұл олардың өмір сүру ұзақтығын мюондарға ыдыраудан бұрын 21 метрге дейін созуға мүмкіндік береді. Пиондардың 60%-ы теріс немесе оң электр зарядына ие, ал 40%-ы бейтарап болады. Бейтарап пиондар бірден гамма-сәулелерге ыдырайды. Бұл энергия деңгейінде белгілі бір материалдардан кері шағылыстыру мүмкін емес, бірақ олар Комптон шашырауына ұшырай алады. Гамма-сәулелерінен қорғау үшін пиондық зымыран қозғалтқышының реакциялық аймағы мен экипаж модульдерінің арасына, сондай-ақ түрлі электромагниттерге вольфрамнан жасалған қалқан орнатылып, олар тиімді түрде жұтылады. Қалқанның қызуынан көрінетін жарық шығады, оны зымыранның нақты импульсін арттыру үшін шоғырландыруға болады. Қалған жылуды шығару үшін қалқанды салқындату қажет. Зарядталған пиондар саптаманың ішіндегі осьтік электромагниттік өріс сызықтары бойымен спиральді қозғалыс жасайды, осылайша оларды 0,94c жылдамдықпен қозғалатын шығарынды ағынына шоғырландыруға болады. Нақты материя/антиматерия реакцияларында бұл ағын реакцияның массалық энергиясының тек бір бөлігін ғана құрайды: оның 60%-дан астамы гамма-сәулелері түрінде жоғалады, шоғырландыру толыққанды емес, ал кейбір пиондар саптамадан кері шағылыспайды. Осылайша, бүкіл реакция үшін тиімді шығару жылдамдығы 0,58c-ке дейін төмендейді. Баламады қозғалтқыш схемаларына антипротон мен пионға өткізгіш бериллий реакциялық камерасында сутек атомдарын физикалық түрде шектеу және реакция өнімдерін бір сыртқы электромагнитпен шоғырландыру кіреді; қараңыз, Project Valkyrie.
The pion rocket has been studied independently by Robert Frisbee and Ulrich Walter, with similar results. Pions, short for pi mesons, are produced by proton antiproton annihilation. The antihydrogen or the antiprotons extracted from it will be mixed with a mass of regular protons pumped into the magnetic confinement nozzle of a pion rocket engine, usually as part of hydrogen atoms. The resulting charged pions have a speed of 0.94c (i. e. = 0.94), and a Lorentz factor of 2.93 which extends their lifespan enough to travel 21 meters through the nozzle before decaying into muons. 60% of the pions will have either a negative, or a positive electric charge. 40% of the pions will be neutral. The neutral pions decay immediately into gamma rays. These can't be reflected by any known material at the energies involved, though they can undergo Compton scattering. They can be absorbed efficiently by a shield of tungsten placed between the pion rocket engine reaction volume and the crew modules and various electromagnets to protect them from the gamma rays. The consequent heating of the shield will make it radiate visible light, which could then be collimated to increase the rocket's specific impulse. The remaining heat will also require the shield to be refrigerated. The charged pions would travel in helical spirals around the axial electromagnetic field lines inside the nozzle and in this way the charged pions could be collimated into an exhaust jet moving at 0.94c. In realistic matter/antimatter reactions, this jet only represents a fraction of the reaction's mass energy: over 60% of it is lost as gamma rays, collimation is not perfect, and some pions are not reflected backward by the nozzle. Thus, the effective exhaust speed for the entire reaction drops to just 0.58c. Alternate propulsion schemes include physical confinement of hydrogen atoms in an antiproton and pion transparent beryllium reaction chamber with collimation of the reaction products achieved with a single external electromagnet; see Project Valkyrie.