السفر إلى الفضاء تحت تسارع ثابت

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

يُعدّ السفر الفضائي بتسارع ثابت طريقةً افتراضيةً للسفر الفضائي ، تعتمد على استخدام نظام دفع يُولّد تسارعًا ثابتًا بدلًا من الدفعات القصيرة والاندفاعية التي تُنتجها الصواريخ الكيميائية التقليدية . في النصف الأول من الرحلة، يُسرّع نظام الدفع المركبة الفضائية باستمرار نحو وجهتها، بينما يُبطئها باستمرار في النصف الثاني. [ 1 ] يُمكن استخدام التسارع الثابت للوصول إلى سرعات نسبية ، [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] مما يجعله وسيلةً محتملةً لتحقيق السفر البشري بين النجوم . لم يُستخدم هذا النمط من السفر عمليًا حتى الآن.

محركات التسارع الثابت

للتسارع الثابت ميزتان رئيسيتان:

الدفع الثابت مقابل التسارع الثابت

تتضمن مسارات الدفع الثابت والتسارع الثابت تشغيل المركبة الفضائية لمحركها بشكل مستمر. في مسار الدفع الثابت، [ 5 ] يزداد تسارع المركبة خلال فترة الدفع، نظرًا لأن استهلاك الوقود يقلل من كتلة المركبة. أما إذا كان تسارع المركبة ثابتًا بدلًا من الدفع الثابت، فإن دفع المحرك يتناقص خلال الرحلة.

يجب على المركبة الفضائية أن تغير اتجاهها في منتصف الرحلة وأن تتباطأ في بقية الطريق، إذا كان مطلوبًا منها الالتقاء بوجهتها (بدلاً من التحليق).

السفر بين النجوم

يوضح هذا الرسم البياني أن السفينة القادرة على تسارع 1- g (10 م/ث 2 أو حوالي 1.0 سنة ضوئية/سنة 2 ) "محسوس" أو تسارع مناسب [ 6 ] يمكنها السفر لمسافات شاسعة، على الرغم من أنها محدودة بكتلة أي وقود تحمله.

ستقترب المركبة الفضائية التي تستخدم تسارعًا ثابتًا كبيرًا من سرعة الضوء على مسافات بين النجوم ، لذا تصبح تأثيرات النسبية الخاصة، بما في ذلك تمدد الزمن، مهمة. [ 7 ]

تعبيرات عن المسافة المقطوعة والوقت المنقضي

تُعبّر المسافة المقطوعة، تحت تسارع ذاتي ثابت ، من وجهة نظر الأرض كدالة لزمن المسافر، عن طريق المسافة الإحداثية x كدالة للزمن الذاتي τ عند تسارع ذاتي ثابت a . وهي معطاة بالصيغة التالية: [ 8 ] [ 9 ]

x(τ)=ج2أ(ضرب بالعصا⁡أ τج-1)،{\displaystyle x(\tau )={\frac {c^{2}}{a}}\left(\cosh {\frac {a\ \tau }{c}}-1\right),}

حيث c هي سرعة الضوء.

في ظل نفس الظروف، يُعطى الوقت المنقضي على الأرض ( الوقت الإحداثي ) كدالة لوقت المسافر بالصيغة التالية:

ت(τ)=جأسينه⁡أ τج.{\displaystyle t(\tau )={\frac {c}{a}}\sinh {\frac {a\ \tau }{c}}.}

دراسة الجدوى

من بين قيود التسارع الثابت توفر الوقود الكافي. ولا يمكن تحقيق التسارع الثابت إلا بتطوير أنواع من الوقود ذات دافع نوعي أعلى بكثير من الأنواع المتوفرة حالياً.

هناك نهجان رئيسيان لتحقيق دفع ذي دافع نوعي أعلى:

  1. وقود ذو كفاءة أعلى (نهج السفن الآلية). من بين الاحتمالات المتاحة لنهج السفن الآلية الوقود النووي والوقود القائم على المادة والمادة المضادة.
  2. يستمدّ هذا الأسلوب طاقة الدفع من البيئة المحيطة أثناء مرور السفينة بها (وهو ما يُعرف بنهج السفينة الشراعية). ويتمثل أحد الأساليب الافتراضية للسفينة الشراعية في اكتشاف ما يُعادل متوازي الأضلاع لقوة الرياح والماء، مما يسمح للأشرعة بدفع السفينة.

إن عملية جمع الوقود أثناء الرحلة - وهي طريقة المحرك النفاث - ستفقد كفاءتها مع ازدياد سرعة المركبة الفضائية مقارنةً بالسرعة المرجعية للكوكب. ويعود ذلك إلى ضرورة تسريع الوقود إلى سرعة المركبة الفضائية قبل استخلاص طاقته، مما سيؤدي إلى انخفاض كفاءة استهلاك الوقود بشكل كبير.

ومن المشاكل ذات الصلة مشكلة السحب . فإذا كانت المركبة الفضائية التي تسير بسرعة قريبة من سرعة الضوء تتفاعل مع مادة تتحرك ببطء في الإطار المرجعي للكوكب، فإن ذلك سيؤدي إلى حدوث سحب يقلل من تسارع المحرك.

ثمة مشكلة كبيرة أخرى تواجه السفن التي تستخدم التسارع الثابت للسفر بين النجوم، وهي الاصطدام بالمادة والإشعاع أثناء الرحلة. في منتصف الرحلة، سيكون أي اصطدام من هذا القبيل بسرعة تقارب سرعة الضوء، لذا ستكون النتيجة كارثية.

سرعات السفر بين النجوم

إذا كانت مركبة فضائية تستخدم تسارعًا ثابتًا عبر المسافات بين النجوم، فإنها ستقترب من سرعة الضوء في منتصف رحلتها عند النظر إليها من الإطار المرجعي الكوكبي . وهذا يعني أن تأثيرات النسبية ستصبح مهمة. وأهم هذه التأثيرات هو أن الزمن سيبدو وكأنه يمر بمعدلات مختلفة في إطار المركبة وإطار الكوكب، مما يعني أن سرعة المركبة وزمن رحلتها سيبدوان مختلفين في الإطارين.

الإطار المرجعي الكوكبي

من منظور كوكبي، ستبدو سرعة السفينة محدودة بسرعة الضوء - إذ يمكنها الاقتراب منها، لكنها لن تبلغها أبدًا. إذا كانت السفينة تستخدم تسارعًا ثابتًا مقداره 1g ، فستبدو وكأنها تقترب من سرعة الضوء في غضون عام تقريبًا، وستكون قد قطعت مسافة تعادل نصف سنة ضوئية تقريبًا. في منتصف الرحلة، ستكون سرعة السفينة مساوية تقريبًا لسرعة الضوء، ثم ستتباطأ مجددًا حتى تصل إلى الصفر خلال عام في نهاية الرحلة.

كقاعدة عامة، عند تسارع ثابت مقداره 1g ( جاذبية الأرض )، فإن زمن الرحلة، كما يُقاس على الأرض ، يساوي المسافة بالسنوات الضوئية إلى الوجهة، مضافًا إليها سنة واحدة. ستعطي هذه القاعدة العامة نتائج أقصر قليلًا من الإجابة المحسوبة بدقة، ولكنها ستكون دقيقة إلى حد معقول.

إطار مرجعي للسفينة

رسم بياني لمعلمات السرعة والأزمنة على المحور الأفقي، مقابل الموضع على المحور الرأسي، لرحلة ذهاب وإياب متسارعة إلى وجهة تبعد حوالي 10 سنوات ضوئية عن Δ x AB = 10c 2 / α إذا كانت α ~ 9.8 م/ث 2 .

من منظور ركاب السفينة، لن يتغير التسارع مع استمرار الرحلة. بل سيبدو الإطار المرجعي الكوكبي أكثر نسبية. وهذا يعني أن الرحلة ستبدو أقصر بكثير بالنسبة لركاب السفينة مقارنةً بما يراه المراقبون الكوكبيون.

بتسارع ثابت مقداره 1g ، يمكن لصاروخ أن يقطع قطر مجرتنا في حوالي 12 عامًا من زمن المركبة، وحوالي 113,000 عامًا من زمن الكوكب. إذا تضمن النصف الأخير من الرحلة تباطؤًا بمقدار 1g ، فستستغرق الرحلة حوالي 24 عامًا. أما إذا كانت الرحلة إلى أقرب نجم فقط، مع تباطؤ في النصف الأخير من الطريق، فستستغرق 3.6 أعوام. [ 10 ]

في الخيال

جميع المركبات الفضائية في قصص جورج أو. سميث " فينوس متساوية الأضلاع" هي مركبات ذات تسارع ثابت. التسارع الطبيعي هو 1 جي ، ولكن في قصة "المثلث الخارجي" يُذكر أن التسارعات التي تصل إلى 5 جي ممكنة إذا تم تخدير الطاقم بمادة الجرافانول [ 11 ] لموازنة آثار حمل التسارع .

" سكاي ليفت " هي قصة خيال علمي قصيرة من تأليف روبرت أ. هاينلاين، نُشرت لأول مرة عام 1953. في القصة، ينطلق طيار سفينة شعلة من مدار الأرض إلى بلوتو في مهمة لإيصال علاج لوباء يجتاح محطة أبحاث. [ 12 ]

رواية "تاو زيرو" ، وهي رواية خيال علمي واقعية من تأليف بول أندرسون ، تحتوي على مركبة فضائية تستخدم محرك تسارع ثابت.

تستخدم المركبات الفضائية في رواية جو هالديمان " الحرب الأبدية" التي صدرت عام 1974 على نطاق واسع التسارع الثابت؛ فهي تتطلب معدات أمان متطورة للحفاظ على حياة ركابها عند التسارع العالي (حتى 25 جم )، وتتسارع بمعدل 1 جم حتى عندما تكون "في حالة سكون" لتزويد البشر بمستوى مريح من الجاذبية.

في عالم "الفضاء المعروف" الذي ابتكره لاري نيفن ، تستخدم الأرض محركات تسارع ثابتة على شكل محركات بوسارد النفاثة للمساعدة في استعمار أقرب الأنظمة الكوكبية . في رواية " عالم خارج الزمن" غير المنتمية إلى السلسلة ، يسافر جيروم برانش كوربيل بواسطة محرك نفاث إلى مركز المجرة ويعود في غضون 150 عامًا من زمن السفينة (معظمها في سبات عميق)، بينما تمر 3 ملايين سنة على الأرض.

في رواية "العصفور" لماري دوريا راسل ، يتم تحقيق السفر بين النجوم عن طريق تحويل كويكب صغير إلى مركبة فضائية ذات تسارع ثابت. وتُطبَّق القوة بواسطة محركات أيونية تُغذَّى بمادة مُستخرجة من الكويكب نفسه.

في سلسلة "فضاء الوحي" لألاستير رينولدز ، تعتمد التجارة بين النجوم على سفن فضائية تُعرف باسم "مُعانِقة الضوء"، قادرة على التسارع إلى ما لا نهاية بمعدل 1g ، وذلك بفضل محركات التسارع الثابت التي تعمل بالمادة المضادة. تُشكّل آثار السفر النسبي نقطة محورية في العديد من القصص، إذ تُؤثر على نفسية وسياسة طواقم "رواد الفضاء الخارقين" على سبيل المثال.

في رواية "2061: أوديسي 3" لآرثر سي كلارك ، تستطيع المركبة الفضائية " يونيفرس" ، باستخدام صاروخ اندماجي محفز بالميونات ، تحقيق تسارع ثابت بمقدار 0.2 جي تحت أقصى قوة دفع. أما رواية كلارك " إمبريال إيرث " فتتضمن "محركًا تقاربيًا" يستخدم ثقبًا أسود مجهريًا ووقود الهيدروجين لتحقيق تسارع مماثل عند الانتقال من تيتان إلى الأرض.

تستخدم سفن الفضاء UET و Hidden Worlds في ملحمة ريسا كيرغولين لـ FM Busby محرك تسارع ثابت يمكنه التسارع بمقدار 1 g أو حتى أكثر قليلاً.

تستخدم السفن في سلسلة Expanse للكاتب جيمس إس إيه كوري محركات التسارع الثابت، والتي توفر أيضًا جاذبية اصطناعية للركاب.

في رواية "المريخي " لأندي وير، تستخدم المركبة الفضائية "هيرميس" محركًا أيونيًا ذو دفع ثابت لنقل رواد الفضاء بين الأرض والمريخ . وفي رواية " مشروع هيل ماري " ، وهي أيضًا من تأليف وير ، تستخدم المركبة الفضائية للبطل محركًا دورانيًا بتسارع ثابت يبلغ 1.5 جي للتنقل بين المجموعة الشمسية ، ونجم تاو سيتي، ونجم 40 إريداني .

يُقدّم كتاب "مستكشفون على سطح القمر" ، وهو أحد ألبومات سلسلة "مغامرات تان تان" المصورة لهيرجيه ، صاروخًا قمريًا مأهولًا مزودًا بـ"محرك صاروخي ذري" غير محدد. تتسارع المركبة باستمرار منذ لحظة الإقلاع لتوفير جاذبية ثابتة للركاب، حتى تصل إلى نقطة منتصف الطريق حيث تُدار المركبة لتبدأ بالتباطؤ تدريجيًا نحو القمر.

سلسلة "الأسطول المفقود" ، من تأليف جون جي. هيمري تحت اسم جاك كامبل المستعار، هي سلسلة خيال علمي عسكري، تستخدم فيها سفن فضائية متنوعة الأحجام تقنية الدفع بتسارع ثابت لقطع مسافات شاسعة داخل الأنظمة النجمية. مع مراعاة تأثيرات النسبية على القتال الفضائي والاتصالات والتوقيت، تعمل السفن بتشكيلات مختلفة لتعظيم القوة النارية وتقليل الأضرار. كما تتميز السلسلة باستخدام محركات القفز للسفر بين النجوم عبر نقاط القفز الجاذبية، بالإضافة إلى استخدام الشبكات الفائقة، التي تستغل مبادئ التشابك الكمي وموجات الاحتمالية للسفر لمسافات طويلة بين بوابات ضخمة.

مراجع

  1. ↑ هالوبيك، ويليام (2013). حسابات لكتاب الخيال العلمي/السفر الفضائي بتسارع ثابت - الحالة غير النسبية . طبعة سماش ووردز. ISBN 9781301789078.
  2. ↑ جوزيف غالانت (2012). ممارسة الفيزياء باستخدام دفتر الملاحظات العلمي: منهج لحل المشكلات ( طبعة مصورة). جون وايلي وأولاده. ص 382. ISBN   978-0-470-66598-5.مقتطف من الصفحة 382
  3. ↑ ريتشارد ف. تيندر (2022). ميكانيكا الطيران النسبي والسفر إلى الفضاء . سبرينغر نيتشر. ص 33. ISBN  978-3-031-79297-7.مقتطف من الصفحة 33
  4. ↑ يورغن فرويند (2008). النسبية الخاصة للمبتدئين: كتاب دراسي لطلاب المرحلة الجامعية . وورلد ساينتيفيك. ص 99. ISBN  978-981-277-159-9.مقتطف من الصفحة 99
  5. ↑ WE Moeckel، مسارات ذات دفع مماسي ثابت في حقول الجاذبية المركزية ، التقرير الفني R-63 ، مركز أبحاث ناسا لويس، 1960 (تم الاطلاع عليه في 26 مارس 2014) تتضمن هذه المقالة نصًا من هذا المصدر، وهو في الملكية العامة .المجال العام
  6. ↑ إدوين ف. تايلور وجون أرشيبالد ويلر (1966 - الطبعة الأولى فقط) فيزياء الزمكان (دار دبليو إتش فريمان، سان فرانسيسكو) ISBN 0-7167-0336-X، الفصل 1، التمرين 51، الصفحات 97-98: "مفارقة الساعة الثالثة" ( ملف PDF ).
  7. ↑ سي. لاغوت وإي. دافوست (1995) المسافر بين النجوم، المجلة الأمريكية للفيزياء 63 : 221-227
  8. ↑ كوكس، دون (2006). استكشافات في الفيزياء الرياضية: المفاهيم الكامنة وراء لغة أنيقة ( طبعة مصورة). سبرينغر ساينس + بيزنس ميديا. ص 242. ISBN   978-0-387-32793-8.مقتطف من الصفحة 242 (حيث g = a و c = 1 و x 0 = x(0))
  9. ↑ ميسنر، تشارلز دبليو؛ كيب إس. ثورن؛ جون أرشيبالد ويلر (سبتمبر 1973). الجاذبية . سان فرانسيسكو: دبليو إتش فريمان . القسم 6.2. ISBN 0-7167-0344-0.
  10. ↑ بايز، جامعة كاليفورنيا، ريفرسايد، "الصاروخ النسبي"
  11. ↑ سميث، جورج أو. (1942-1945). فينوس متساوية الأضلاع . مجلة الخيال العلمي المذهلة. ص 49. مقتطف من الصفحة 49
  12. ↑ هاينلاين، روبرت أ. (1953). سكاي ليفت . شركة غرينليف للنشر. ص 164.