일정한 가속 상태에서 우주 여행
Space travel under constant acceleration |
일정가속에서의 우주여행은 제안된 우주여행 방식이다.화학로켓에 의해 사용되는 짧은 충격이 아닌 일정한 가속도로 추진 시스템이 지속적으로 작동해야 합니다.여행의 전반부는 우주선을 목적지로 계속 밀어내고, 후반부는 역추력을 계속 사용하여 우주선이 [1]정지한 상태로 목적지에 도착합니다.상대론적 속도에 도달하는 등가속 여행은 인간의 성간 여행에 물리적으로 타당한 메커니즘이다.
정가속 드라이브
일정한 가속은 다음과 같은 몇 가지 이유로 나타납니다.
- 그것은 빠른 형태의 여행이다.인체공학을 고려할 때, 이것은 행성간 및 항성간 이동의 가장 빠른 형태이다.
- 일정한 가속은 그 자체의 인공 중력을 만들어내며, 잠재적으로 승객들이 미중력의 영향을 받지 않게 한다.
일정한 추력 대 일정한 가속도
일정한 추진력과 일정한 가속 궤도는 우주선이 장시간 지속되는 연소 상태에서 엔진을 점화시키는 것과 관련이 있다.국소 중력가속도에 비해 차량가속도가 높은 제한시에는 궤도가 직선에 접근한다.이 우주선은 (목표 움직임을 고려하면서) 목표물을 향해 똑바로 향하며, 목표물에 도달할 때까지 높은 추력 하에서 지속적으로 가속을 계속한다.만약 우주선이 통과를 하지 않고 목표물과 랑데부해야 한다면, 우주선은 여행 도중에 방향을 뒤집고 나머지 과정을 감속해야 한다.
연속 추력 [2]궤도에서는 연료 사용이 차량 질량이 감소함을 의미하므로 추력 기간 동안 차량의 가속도가 증가한다.차량이 일정한 추력 대신 일정한 가속력을 갖는 경우, 엔진 추력은 궤적 중에 감소해야 합니다.
성간 여행
성간 거리에 걸쳐 상당한 일정한 가속도를 사용하는 우주선은 빛의 속도에 근접할 것이기 때문에, 시간 연장과 같은 특수 상대성 효과(선박 시간과 행성 시간 사이의 시간 흐름의 차이)가 [4]중요해진다.
도달 거리 및 경과 시간에 대한 표현
일정한 가속도를 경험하면서 여행자의 시간 함수로서 지구의 관점에서 얼마나 멀리 이동하는지 좌표 거리 x는 일정한 적정 가속도 a에서 적절한 시간 θ의 함수로서 표현된다.다음 항목에 [5]의해 지정됩니다.
여기서 c는 빛의 속도입니다.
같은 상황에서 지구상에서 경과한 시간(좌표 시간)과 여행자 시간의 함수는 다음과 같다.
실현 가능성
일정한 가속 구동의 주요 제한 요인은 충분한 연료를 보유하는 것입니다.일정한 가속은 연료에 대한 특정 충격(연비)이 훨씬 높아지지 않는 한 가능하지 않습니다.
이 문제를 해결하는 방법에는 두 가지 범주가 있습니다. 하나는 고효율 연료(모터 선박 접근)이고 다른 하나는 배가 통과할 때 환경으로부터 추진 에너지를 끌어내는 것입니다(범선 접근).동력선 접근법의 두 가지 가능성은 핵연료와 물질-반물질 기반 연료이다.범선 접근의 한 가지 가능성은 바람과 물 사이의 힘의 평행사변형(paralogamon)에 해당하는 것을 발견하는 것이다.이것에 의해, 돛은 범선을 전진시킬 수 있다.
도중에 연료를 줍는 것(램젯 접근법)은 우주선의 속도가 행성 기준치에 비해 증가함에 따라 효율성을 잃게 됩니다.이것은 연료가 우주선의 속도로 가속되어야만 에너지가 추출될 수 있기 때문에 발생하며, 그것은 연료 효율을 극적으로 떨어뜨릴 것이다.
관련된 문제는 드래그입니다.광속에 가까운 우주선이 태양풍, 자기장, 우주 마이크로파 배경 복사와 같은 행성 기준 프레임에서 느리게 움직이는 물질이나 에너지와 상호작용하는 경우, 이는 엔진 가속의 일부를 방출하는 항력을 유발합니다.
성간 여행을 위해 일정한 가속도를 사용하는 우주선이 직면하고 있는 두 번째 큰 문제는 항해 중에 물질과 방사선과 충돌하는 것이다.항로 도중에는 배가 충돌하는 어떤 물질도 광속에 가까운 속도로 충돌할 것이기 때문에 충격은 극적일 것입니다.
항성간 이동 속도
만약 우주선이 성간 거리에 걸쳐 일정한 가속도를 사용한다면, 그것은 행성의 기준 프레임에서 보았을 때 여행의 중간 부분의 빛의 속도에 근접할 것이다.이것은 상대성 이론의 효과가 중요해질 것이라는 것을 의미한다.가장 중요한 효과는 선박 프레임과 행성 프레임에서 시간이 서로 다른 속도로 흐르는 것처럼 보인다는 것이고, 이는 배의 속도와 이동 시간이 두 프레임에서 다르게 보인다는 것을 의미한다.
행성 기준 프레임
행성의 기준 프레임에서 보면, 배의 속도는 빛의 속도에 의해 제한되는 것처럼 보일 것입니다. 즉, 빛의 속도에 근접할 수는 있지만 도달하지는 못할 것입니다.만약 배가 1g의 일정한 가속력을 사용한다면, 그것은 약 1년 안에 빛의 속도에 가까워질 것이고, 약 반 광년 거리를 여행한 것처럼 보일 것이다.여행 중간중간 배의 속도는 대략 빛의 속도이며, 여행이 끝날 때쯤에는 다시 0으로 느려질 것입니다.
경험에 의하면, 1g(지구 중력)에서 일정한 가속을 하기 위해, 지구에서 측정된 이동 시간은 목적지까지의 광년 거리에 1년을 더한 것입니다.이 경험칙은 계산된 정확한 답변보다 약간 짧지만 상당히 정확한 답변을 제공합니다.
출하 참조 프레임
선박에 있는 사람들의 기준 프레임에서 보면, 가속도는 여정에 따라 변하지 않습니다.대신에 행성 기준 프레임은 점점 더 상대적으로 보일 것이다.이것은 우주선의 항해자들에게는 그 여정이 행성 관측자들이 보는 것보다 훨씬 더 짧아 보일 것이라는 것을 의미한다.
1g의 일정한 가속도로, 로켓은 약 12년의 배 시간과 약 11만3천년의 행성 시간으로 우리 은하의 직경을 이동할 수 있습니다.만약 여행의 후반부가 1g에서의 감속을 수반한다면, 여행은 약 24년이 걸릴 것이다.만약 그 여행이 단지 가장 가까운 별까지 가는 것이라면, 마지막 절반의 감속과 함께, 3.6년이 [7]걸릴 것이다.
픽션에서
폴 앤더슨의 하드 공상 과학 소설인 타우 제로에는 일정한 가속 구동을 사용하는 우주선이 있다.
조지 오의 우주선이야 스미스의 금성 등변 이야기는 모두 일정한 가속선이다.보통 가속도는 1g이지만, "외부 삼각형"에서는 g-하중의 영향을 상쇄하기 위해 승무원에게 그라바놀을[8] 투여할 경우 최대 5g의 가속이 가능하다고 언급하고 있다.
조 홀더먼의 소설 "영원한 전쟁"에 나오는 우주선은 일정한 가속력을 광범위하게 사용한다; 그들은 탑승자를 고속으로 살리기 위해 정교한 안전 장비를 필요로 하며, 심지어 인간에게 편안한 수준의 중력을 제공하기 위해 "정지 중"일 때에도 1그램으로 가속한다.
래리 니븐에 의해 만들어진 알려진 우주 우주에서, 지구는 가장 가까운 행성계를 식민지로 만들기 위해 Bussard ramjet 형태의 일정한 가속 드라이브를 사용합니다.알려지지 않은 우주 소설 A World Out of Time에서 제롬 브랜치 코벨은 램젯을 은하 센터로 가져가고 150년 만에 시간을 실어 나르지만 300만 년은 지구상에서 지나간다.
Mary Doria Russell이 쓴 The Sparrow에서, 성간 여행은 작은 소행성을 일정한 가속 우주선으로 변환함으로써 달성된다.힘은 소행성 자체에서 채굴된 물질로 공급되는 이온 엔진에 의해 작용한다.
알라스테어 레이놀즈의 요한계시록 시리즈에서, 성간 상거래는 1g에서 무한히 가속할 수 있는 "라이트허거" 우주선에 의존하며, 대체된 반물질 동력 상수 가속 구동력을 가지고 있습니다.상대론적 여행의 효과는 몇몇 이야기에서 중요한 줄거리이며, 예를 들어 등대의 "초강력" 승무원의 심리와 정치를 알려준다.
소설 2061에서: 아서 C의 오디세이 3 클라크 우주선은 뮤온 촉매 핵융합 로켓을 사용하여 최대 추진력에서 0.2g으로 일정한 가속을 할 수 있다.클라크의 소설 "임페리얼 어스"는 타이탄에서 지구로 이동하는 유사한 가속을 달성하기 위해 미세한 블랙홀과 수소 추진제를 사용하는 "점근 운동"을 특징으로 한다.
F.M. Busby의 Rissa Kerguelen 전설의 UET 및 Hidden Worlds 우주선은 1g 또는 그 이상의 속도로 가속할 수 있는 일정한 가속 드라이브를 사용합니다.
James S. A. Corey가 제작한 Expande 시리즈의 선박은 일정한 가속 드라이브를 사용하며, 이는 탑승자에게 인공적인 중력을 제공합니다.
앤디 위어가 쓴 마션에서, 우주선 에르메스는 지구와 화성 사이에 우주 비행사들을 수송하기 위해 일정한 추력 이온 엔진을 사용한다.또한 위어가 쓴 Project Hail Mary에서 주인공의 우주선은 태양계, 타우 고래와 40 에리다니 사이를 이동하기 위해 일정한 1.5g 가속 스핀 구동력을 사용합니다.
레퍼런스
- ^ 계산의 예에 대해서는, williamhaloupek.hubpages.com/hub/Calculations-for-science-fiction-writers-Space-travel-with-constant-acceleration-nonrelativistic 를 참조해 주세요.
- ^ W. E. Moeckel, 중앙 중력장의 일정한 접선 추력을 가진 궤도, 기술 보고서 R-63, NASA Lewis Research Center, 1960년 (2014년 3월 26일 접근)
이 문서에는 퍼블릭 도메인에 있는 이 소스로부터의 텍스트가 포함되어 있습니다.. - ^ 에드윈 F.Taylor & John Archibald Wheeler (1966 - 초판만)시공간물리학 (W.H. Freeman, San Francisco) ISBN0-7167-0336-X, 제1장 연습 51, 97-98페이지: "시계 역설 III"(pdf).
- ^ C. 라구트와 E.다부스트(1995) 성간 여행자 Am. J. Phys. 63:221–227
- ^ Koks, Don (2006). Explorations in Mathematical Physics: The Concepts Behind an Elegant Language (illustrated ed.). Springer Science+Business Media. p. 242. ISBN 978-0-387-32793-8. 242페이지의 발췌(여기서 g=a, c=10 및 x=x(0))
- ^ Misner, Charles W.; Kip S. Thorne; John Archibald Wheeler (September 1973). Gravitation. San Francisco: W. H. Freeman. Section 6.2. ISBN 0-7167-0344-0.
- ^ 배즈, UCR "상대론적 로켓"
- ^ Smith, George O. (1942–1945). Venus Equilateral. Astounding Science Fiction. p. 49. 49페이지 발췌
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