Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Релятивистская ракета – это любой космический аппарат, движущийся со скоростью, достаточно близкой к скорости света, чтобы релятивистские эффекты стали существенными. Понимание того, что считать "существенным", зависит от контекста, но часто в качестве порогового значения используется скорость от 30% до 50% скорости света (0,3c до 0,5c). При 30% скорости света разница между релятивистской и массой покоя составляет всего около 5%, а при 50% – 15% (при 0,75c эта разница превышает 50%); поэтому для точного описания движения на скоростях выше этих значений необходима специальная теория относительности, в то время как ниже этого диапазона ньютоновская физика и уравнение Циолковского обычно обеспечивают достаточную точность. В данном контексте ракета определяется как объект, несущий с собой всю свою реактивную массу, энергию и двигатели. Ни одна из известных технологий не позволяет разогнать ракету до релятивистской скорости. Релятивистские ракеты требуют огромного прогресса в области космической тяги, хранения энергии и эффективности двигателей, который может быть и невозможен. Ядерный импульсный двигатель теоретически может достичь 0,1c, используя современные известные технологии, но для этого потребуется значительный прогресс в инженерной сфере. Релятивистский гамма-фактор при 10% скорости света равен 1,005. Таким образом, ракета, движущаяся со скоростью 0,1c, считается нерелятивистской, поскольку её движение всё ещё достаточно точно описывается только ньютоновской физикой. Релятивистские ракеты обычно рассматриваются в контексте межзвёздных путешествий, поскольку большинству из них потребуется большое пространство для достижения таких скоростей. Они также встречаются в некоторых мысленных экспериментах, таких как парадокс близнецов.
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.
Ракеты уничтожения материи-антивещества
Из вышеприведенных расчетов ясно, что релятивистской ракете, скорее всего, потребуется двигаться на антиматерии. Помимо фотонной ракеты, другие ракеты на антиматерии, способные обеспечить удельный импульс 0,6c (исследовано для базовой аннигиляции водорода и антиводорода, без ионизации и рециркуляции излучения), необходимый для межзвездных полетов, включают в себя пионную ракету с "лучевым ядром". В пионной ракете замороженный антиводород хранится в электромагнитных ловушках. Антиводород, как и обычный водород, является диамагнетиком, что позволяет ему электромагнитно левитировать при охлаждении. Контроль температуры объема хранения используется для регулирования скорости испарения замороженного антиводорода, достигающей нескольких граммов в секунду (что соответствует нескольким петаваттам при аннигиляции с равным количеством вещества). Затем он ионизируется в антипротоны, которые могут быть электромагнитно ускорены и направлены в реакционную камеру. Позитроны обычно отбрасываются, поскольку их аннигиляция производит лишь вредные гамма-лучи с пренебрежимо малым влиянием на тягу. Однако нерелятивистские ракеты могут использовать исключительно эти гамма-лучи для создания тяги. Этот процесс необходим, поскольку не нейтрализованные антипротоны отталкиваются друг от друга, что ограничивает количество антипротонов, которые можно хранить с использованием современных технологий, менее чем триллионом.
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.
Заметки о конструкции пионной ракеты
Ракета на пионах была изучена независимо Робертом Фрисби и Ульрихом Вальтером, с аналогичными результатами. Пионы, сокращенно пи-мезоны, образуются при аннигиляции протонов и антипротонов. Антиводород или антипротоны, извлеченные из него, будут смешаны с массой обычных протонов, подаваемых в магнитное сопло пионного ракетного двигателя, как правило, в составе атомов водорода. Полученные заряженные пионы имеют скорость 0,94c (то есть c = 0,94) и фактор Лоренца 2,93, что увеличивает их время жизни достаточно для прохождения 21 метра по соплу до распада на мюоны. 60% пионов будут иметь либо отрицательный, либо положительный электрический заряд. 40% пионов будут нейтральными. Нейтральные пионы немедленно распадаются на гамма-лучи. Эти лучи невозможно отразить каким-либо известным материалом при данных энергиях, хотя они могут подвергаться комптоновскому рассеянию. Их можно эффективно поглотить экраном из вольфрама, расположенным между реакционной камерой пионного ракетного двигателя и отсеками экипажа и различными электромагнитами для защиты от гамма-излучения. Последующий нагрев экрана приведет к излучению видимого света, который затем можно сфокусировать для увеличения удельного импульса ракеты. Оставшееся тепло также потребует охлаждения экрана. Заряженные пионы будут двигаться по спирали вокруг осевых линий электромагнитного поля внутри сопла, и таким образом их можно сфокусировать в выхлопную струю, движущуюся со скоростью 0,94c. В реалистичных реакциях материи и антиматерии эта струя представляет лишь часть энергии массы реакции: более 60% теряется в виде гамма-лучей, фокусировка не идеальна, и часть пионов не отражается обратно соплом. Таким образом, эффективная скорость выхлопа для всей реакции снижается до 0,58c. Альтернативные схемы движения включают физическое удержание атомов водорода в бериллиевой реакционной камере, прозрачной для антипротонов и пионов, с фокусировкой продуктов реакции с помощью одного внешнего электромагнита; см. Проект «Валькирия».
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.