По сведениям NASA, проектировавшего космические поселения [11], возможные параметры проекта:

1) P равно 60 секунд.
2) V составит 2000N м³, где N - размер экипажа.
3) А равно 70N м² .

Мы сделаем предположение, что сила тяжести в 0.1g будет удобной для людей, за длительное время приспособившихся к жизни в невесомости. Требуемая масса радиационной защиты тогда определяется уравнением:

        (4)

Где e-поверхностная плотность материала защиты (кг/м²). Так как R много больше, чем W, то H может быть приближенно выражено как:

        (5)

        (6)

        (7)

Следуя Мэтлоффу [10], если приемлемая космическая доза радиации будет 0.5 рем, e должно быть 5000 кг/м² , а M_S в итоге будет 7 x 10⁵ (N + 230) кг. Развивая методы внутренней защиты организма от радиации [12, 13], или принимая более высокие дозы радиации как приемлемые, мы значительно уменьшили бы требуемую массу, но так как здесь анализируется осуществимость идеи, будем рассматривать "самый худший случай". Мы также примем массу биосферы как 5 x 10⁴ N кг.
В итоге, с экипажем в 500 человек, полная масса (за исключением топлива для торможения) будет 5.4 x 10⁸ кг, при:

R = 90 м,
W = 62 м и
H = 28 м.

Топливо для торможения увеличит массу в 4 раза до 2.2 x 10⁹ кг.


5. НЕОБХОДИМАЯ ЭНЕРГИЯ И КОНСТРУКЦИЯ ПАРУСУ

Разгон колонизатора с ускорением 1 м/с2 потребует дистанции разгона (d) 4.5 x 10¹⁴ м или 3000 астрономических единиц. Параллельность луча ограничена дисперсией волн и если передающая антенна и парус имеют сопоставимые размеры (D), то D и d связаны с длиной волны l выражением:

        (8)

Следуя Форварду [2], я буду предполагать, для удобства, что передатчик работает в X-полосе (l =3 см). Для дистанции разгона в 3000 астрономических единиц диаметр паруса будет приблизительно 6000 км. Если провод сетки зеркала (покрытый металлом карбид кремния) имеет толщину в 0.3 микрона и расположены в гексагональную решетку с шагом ячейки 0.3 см, то эффективная поверхностная плотность будет около 1.7 x 10^-5 кг/м², и масса паруса составит приблизительно 4.9 x 10⁸ кг. То есть, грубо, равная массе судна.

Требуемая мощность передатчика (P_Т) определяется уравнением:

        (9) (см. примечание 2 )

Где M - полная масса корабля, паруса, такелажа и топлива для торможения, a - ускорение (1 м/с²), с - скорость света, k - значение около 0.7. Для судна описанного выше приблизительная мощность 1.2 x 10¹⁸ W или 1 200 000 TW. Мы предполагаем, что корабль расстыкуются с парусом по окончанию фазы разгона как с ненужным балластом. Это сильно сэкономит массу топлива необходимого для торможения у цели. Для сравнения, мировое производство энергии составляет около 40 TW (?! вообще то даже сейчас через четверть века - 12-15TW! Прим. перев.)

6. ГЕНЕРАТОР ЭНЕРГИИ

Так как схема паруса Дайсона для разгона колонизатора использует внешний источник энергии, то эта внешняя часть системы может использоваться многократно, сокращая капитальные затраты последующих экспедиций. Это будет особенно справедливо, если источником энергии будет служить Солнце. Артур К. Кларк [14] предложил, что большой коллектор света может быть помещен очень близко к Солнцу, и снабжать энергией нужды расселяющегося по всей Солнечной системе человечества. Если мы представим такое зеркало-коллектор помещенным на расстоянии 0.1 AU (это 20 радиусов Солнца) поток солнечной энергии здесь составит 140 KW/м² . Получение 1.2 x 10⁶ ТW потребует коллектор радиусом 3700 км, если весь падающий на него солнечный свет конвертируется в микроволны с эффективностью 20% [15]. Наиболее массивный элемент станции Кларка (как мы могли бы назвать такое сооружение) скорей всего будет собирающее зеркало. Приняв эффективную поверхностную плотность зеркала в 0.002 кг/м², массу станции Кларка можно было бы оценить приблизительно в 8.8 x 10¹⁰ кг. (90 миллионов тонн).
Одним из возможных источников материалов для строительства станции могла бы служить планета Меркурий. Для доставки сырья в космос можно использовать ускоритель массы (электромагнитную пушку) подобный тому, что О'Нейли предложил разместить на поверхности Луны [16,17]. Так же как и на Луне, ускоритель запускал бы строительные материалы к строительной площадке в космосе, которая, скорей всего, должна находиться в одной из точек Лагранжа системы Солнце-Меркурий. Хотя на поверхности Меркурия сила тяжести в 2.3 раза больше чем на Луне и поэтому потребовались бы более длинные электромагнитные рельсы, но более мощный поток солнечного света на поверхности Меркурия, уменьшит площадь солнечных коллекторов, необходимых для питания этой машины. Если строительство станции Кларка растянется на 10 лет, то производительность ускорителя массы должна быть 200 кг/с. Опыт покажет, справится ли с этим одна машина, или таких устройств потребуется несколько. По окончанию строительства станция могла бы самостоятельно перейти на более низкую, рабочую орбиту, маневрируя коллектором как солнечный парусник.


7. МАТЕРИАЛ ПАРУСА

Разрывающее усилие в теле паруса и на стропы (такелаж) соединяющие его с судном будут огромны. Теоретический предел прочности для усилия на разрыв в проводах ячеек парусов и строп, могло бы достигать для алмазных волосков ("усов") приблизительно 1.9 x 10¹¹ Ньютон/м² . Однако, как теперь стало ясно, методы производства таких "усов" скорей всего не годятся для построения необходимых нам гигантских структур. Поэтому, развивая нашу идею, мы ограничим свое внимание на тончайших нитях из карбида кремния (SiC - карборунда) для которых подходящая технология производства уже существует и их теоретический предел прочности составляет 4 x 10¹⁰ Н/м². Допустимые усилия нужно было бы уменьшить, еще грубо в 2 раза, учитывая необходимость в плетении из нитей сетки и неизбежные дефекты в процессе изготовления волосков для полотнища паруса [18].

Следуя Мэтлоффу и Мэллоу [4] масса такелажа, соединяющего парус, и корабль вычисляется по формуле:

        (10)

Где R_S - проектируемый радиус паруса (3 x 10⁶ м), p_c - плотность материала строп (3.2 x 10³ кг /м³ для SiC), М - полная масса судна включающая и топливо для торможения (2.8 x 10⁹ кг), S - предел прочности материала строп (4 x 10¹⁰ Н/м² для идеального SiC) a - ускорение судна (1 м/с²) . Если мы предположим, что S = 4.0 x 10¹⁰ x S₀, то мы получим в результате:

        (11)

Максимальная прочность для одиночного волокна из карбида кремния будет около 2 x 10¹⁰ Н/м² , что соответствует значению коэффициента S₀ = 0.5, и необходимая масса такелажа будет в два раза больше чем масса самого корабля. Чтобы масса строп была половиной от массы ПН (половина от корабль и строп, проще говоря, равна массе ПН. Прим.перев.), необходима прочность такая, что S₀ равнялась 2/3. Прогресс в производстве высокопрочных нитей позволяет надеяться, что материалы с требуемыми свойствами появятся намного раньше, чем станция Кларка займет свое место на рабочей орбите. (см. примечание 3)

Еще одно ограничение в нашем проекте - прочность провода, формирующего ячейки сетки. Для вращающегося паруса [4], требуемая линейная скорость вращения, чтобы обеспечить надежную стабилизацию:

        (12)

или U_S будет 5 x 10³ м/с . Если принять S₀ равным 2/3 необходимая прочность материала ячеек получается, грубо:

        (13)

где h - шаг сетки (ширина ячейки 0.003 м) и b толщина (диаметр) провода (3 x 10^-6 м). Мы получаем S_M=10¹¹ Н/м², что превышает максимальную прочность SiC, приблизительно в 2.5 раза. Самое простое решение в этом случае - увеличить толщину провода в ячейках. Но это сильно увеличит массу паруса по отношению к массе полезной нагрузки, и на наш взгляд это неразумное решение.

В качестве альтернативы можно предложить другое решение, которое выдвинул Мэтлофф и Мэллоу [4] для своего солнечного паруса: использовать кривизну паруса внутрь, чтобы давление света компенсировало центробежное натяжение паруса (рис 2). Тогда напряженность в нитях ячеек паруса аппроксимируем следующим выражением:

        (14)

Где R_С - радиус кривизны паруса. Для S₀ равного 2/3, ( e_М = 2.1 x 10¹⁰ ) мы получаем требуемую кривизну R_С = 3.2 x 10⁶ м.

Рис 2 Противоцентробежное натяжение микроволнового паруса по схеме Matloff and Mallove [4]. Радиус паруса, согласно проекту- RS. Радиус компенсирующего искривления- RС

8. ПОВРЕЖДЕНИЕ СЕТКИ

Т. Д. Каункл (T. D. Kunkle), чьи критические замечания очень улучшили эту работу, обеспокоился вопросом о повреждении сетки зеркала в результате столкновения с межзвездными микрометеоритами. Это, конечно, беспокоило бы нас только в течении года на трассе разгона корабля. Мы ограничимся оценкой угрозы, принимая, что все тяжелые элементы в нашей межзвездной среде сосредоточены в виде микронного размера частичек. Если мы возьмем в качестве верхнего предела 10 атомов водорода на кубический сантиметр, как среднюю плотность, и долю тяжелых элементов в ней как 0.04, то плотность микрометеоритов (N) будет приблизительно 2 x 10^-13 см^-3. Если мы рассмотрим каждый фрагмент провода (длиной 0.3 см и толщиной 3 x 10^-4 см) независимо, вероятность его разрыва в процессе всей стадии разгона будет Nwd где w - площадь проекции провода (9 x 10^-5 см²), а d - дистанция разгона (4.5 x 10¹⁴ см), мы получим вероятность разрыва меньше 1%, а возможно и много меньше. Потеря 1% от общего числа ячеек сетки-зеркала кажется вполне приемлемой, хотя потребуется более тщательный анализ, если начнется и более детальная инженерная проработка проекта (см. примечание 4).

БЛАГОДАРНОСТИ

Эта идея обязана возникновением Фримену Дайсону. Роберт Форвард привлек мое внимание к красивой идее Дайсона и снабдил меня копией своей книги с детальным анализом этой концепции. Его помощь неоценима. Так же следует отметить, что эта работа получила поддержку Национальной лаборатории в Лос-Аламос, которая выполнялась Калифорнийским университетом по контракту с министерством Энергетики США.
These ideas owe their existence to Freeman Dyson. Robert Forward brought Dyson's beautiful idea to my attention and supplied a copy of his book detailed analysis of Dyson's concept. My debt to both is great. This work has been supported by the Los Alamos National Laboratory which is operated by the University of California under contract to the US Department of Energy.

REFERENCES

1. F. Dyson, unpublished notes (1983).
2. R. L. Forward, "Starwisp," Hughes Research Laboratories Report 555 (1983).
3. J. V. Milewski, F. D. Gac, J. I. Pretrovic, "Production and Characterization of Beta-Silicon Carbide and Alpha-Silicon Nitride Whiskers for Ceramic Matrix Composites," Los Alamos National Laboratory report LA-9650-MS (1983).
4. G. L. Matloff and E. S. Mallove, "Solar Sail Starships: The Clipper Ships of the Galaxy," JBIS, 34, 371-380 (1981).
5. B. R. Finney and E. M. Jones, "From Africa to the Stars: The Evolution of the Explosive Animal," Space Manufacturing 1983, Univelt, San Diego (1983), 85-104.
6. J. B. Birdsell, "Some Population Problems Involving Pleistocene Man." Cold Spring Harbor Symposia Quart. Biol., 22, 47-69 (1957).
7. J. B. Birdsell, "Biological Dimensions in Small, Human Founding Populations," in Interstellar Migration and the Human Experience, (B. R. Finney and E. M. Jones, Eds.), University of California Press (1985).
8. B. R. Finney, "Voyagers into Ocean Space," in Interstellar Migration and the Human Experience, (B. R. Finney and E. M. Jones, Eds.), University of California Press (1985).
9. R. B. Lee, "Models of Human Colonization: San, Greeks and Vikings," in Interstellar Migration and the Human Experience, B. R. Finney and E. M. Jones, Eds.), University of California Press (1985).
10. G. L. Matloff, "Cosmic-Ray Shielding for Manned Inter stellar Arks and Mobile Habitats," JBIS, 30, 96-98 (1977).
11. R. D. Johnson and C. Holbrow (eds.), "Space Settlements: A Design Study," NASA SP-413 (1977).
12. E. C. Hannah, "Meteoroid and Cosmic Ray Protection," in Space Manufacturing Facilities (J. Grey ed.), AIAA, pp. 151-158 (1977).
13. P. Birch, "Radiation Shields for Ships and Settlements," JBIS, 35, 515-519 (1982).
14. A. C. Clarke, "Ages of Plenty," in Profiles of the Future, Fawcett, New York, 158-172 (1973).
15. P. W. Glaser, "Solar Power Satellites," Space Industrialization, CRC Press, Boca Raton, Vol. 1. 39-76 (1982).
16. G. K. O'Neill, "The Colonization of Space," Physics Today, 27, No. 9, 32-40 (1974).
17. L. O. Snively and G. K. O'Neill, "Mass Driver III: Construction, Testing, and Comparison with Computer Simulation," in Space Manufacturing 1983. Univelt, San Diego (1983) 391-402.
18. L. R. McCreight, H. M. Rauch, Sr. and W. H. Sutton, Ceramic and Graphite Fibers and Whiskers, Academic Press, New York (1965), p. 56.

перевод Александра Семенова.

Примечание переводчика:

Примечание 1. Это справедливо, если под площадью считать только внешнюю стенку тора. Но, судя по габаритам жилого отсека, он наверняка будет разделен во многих местах на много палуб и реальная "жилплощадь" окажется куда больше.

вернуться к тексту
Примечание 2. Вообще говоря, формула для мощности , при этом под загадочным коэффициентом k очевидно следовало бы понимать коэффициент отражения сетки-паруса, что для 0.7 очень похоже на правду (а вот 0.35 - нет). Куда делся коэффициент 2 остается непонятным. Но как бы то ни было - это не принципиальное отклонение для расчета "самого худшего случая".

вернуться к тексту

Примечание 3. Даже при указанном значении S₀=2/3 в указанную общую массу корабля в 2.8 x 10⁹ кг Джонс все равно со стропами не "влезает". Очевидно, замечание про прогресс в области материалов должен смягчить ситуацию. Надо отметить, что некоторый прогресс действительно есть и позволяет надеяться.

вернуться к тексту

Примечание 4. К сожалению, рассчитывая в пункте 8 вероятность повреждение сетки микрометеоритами, Джонс допустил ошибку. Расстояние, просеваемое парусом за время разгона не 4.5 x 10¹⁴ сантиметров, а метров, то есть 4.5 x 10¹⁶ см (пересчитайте для 3000 AU).
А это значит, что его "меньше процента" вырастает до 81%. Так как каждый разорванный провод выводит из строя сразу две смежных ячейки сетки, это означает, что, еще не достигнув и половины дистанции, парус прекратит свое существование (для этого достаточно порвать половину проводков). Если оценка плотности микрочастиц принятая Джонсом верна, то лучший выход - сокращать дистанцию разгона в 10-100 раз, а это значит во столько же раз увеличивать ускорение (1-10g) и мощность излучателя (которая и так огромна). Сам по себе микроволновый парус позволяет и больше ускорения, но в данном случае такое решение может оказаться не приемлемым по ряду причин. Спасти "Дайсоншип" может в 10-100 раз меньшая реальная плотность микрометеоритов от той, что "с запасом" взята Джонсом при расчете (2 x 10^-13 см^-3). В противном случае останется только перед стартом (или в процессе его) каким-то образом "подметать" трассу запуска.

вернуться к тексту

---

Бонус от переводчика

Возможный вид "корабля Дайсона" ("Дайсоншип") опираясь на оценочные расчеты Эрика Джонса. Чтобы соотнести его размеры с фигурой человека пришлось показать кабину в шахте лифта, а в ней - фигуру (кабина увеличена и вынесена в сторону). Так как разгон будет осуществляться с ускорением 0.1g, это означает, что "бублик" во время разгона вращаться не будет, а его боковая стенка в течение года будет служить обитателям полом. Подобное неудобство случится опять спустя десятилетия при торможении, но с другой стенкой тора.
Топливный бак имеет такую вытянутую форму (компановка "межзвездный паровоз") из-за необходимости спрятать всю полезную нагрузку за лобовой щит. Размеры же "бака" диктуются предположением, что термоядерным топливом для торможения служит дейтерий. 3/4 массы корабля - айсберг дейтериевого льда, который в процессе полета будет выполнять роль дополнительной радиационной защиты. Гипотетический термоядерный двигатель впереди усилен кольцами тепло-радиационного щита, который даже в процессе инерционного полета на десятой от света будет разогреваться набегающим потоком частиц межзвездного водорода (по некоторым оценкам 500 - 900⁰C). Поэтому для их охлаждения используются дополнительные радиаторы.

По выполняемой судном задаче - это звездолет класса "корабль поколений". Но высокая скорость полета в десятую света, заставляет отнести его к быстрым исследователям, что позволяет выделить проект Эрика Джонса в отдельный класс: "колонизатор". Корабль для быстрой ("агрессивной", с привлечением колоссальных энергетических ресурсов) колонизации ближайших звездных систем. Его задача - быстро, в течение жизни одного поколения, доставить хорошо оснащенную команду колонистов в новый "звездный оазис" и обеспечить основание там новой цивилизации.
Судно впечатляет как массой в миллионы тонн, так и габаритами. Однако и эта колоссальная конструкция - всего лишь последняя ступень всей системы. Махина "Дайсоншипа" просто теряется на фоне гигантского разгонного паруса-сетки в пол диаметра Земли.
Но самая впечатляющая часть проекта - станция Кларка на расстоянии 20 диаметров Солнца от светила. Размер коллектора у этого энергетического гиганта чуть больше чем парус колонизатора, но масса - минимум сто миллионов тонн. Это искусственная мини-планета, которая собирает и преобразовывает плотный поток энергии от естественно термоядерного реактора - нашей звезды - и в состоянии запускать из Солнечной системы по одному такому кораблю-колонизатору в год.

В процессе перевода проводился проверочный расчет. Вы можете ознакомиться с ним здесь (excel-файл).


__________________________________________________ [ вверх ] [ оглавление ]

Оптимизирован под Internet Explorer 1024X768
средний размер шрифта
Дизайн A Semenov