Технологии проектирования кораблей: Экранирование > Применение > Транспортировка > Технологии межзвездных перевозок > Применение > Транспортировка > Корабли > Технологии > Применение > Транспортировка > Корабли | Защита от радиации и столкновений с частицами во время межзвездного перелета | Изображение: Стив Бауэрс | Межзвездный корабль с конверсионным двигателем и монопольным щитом из плотной материи, защищающим от межзвездной пыли и радиации. Монопольно-усиленная материя может быть более чем в сто раз плотнее обычной, поэтому требует значительной структурной поддержки. Многие межзвездные корабли такого типа используют щиты Уиппла из усиленной материи, состоящие из множества тонких, похожих на паруса слоев, расположенных перед кораблем.
Как показывает формула релятивистской кинетической энергии K=mc²(гамма – 1), где гамма = 1/sqrt(1-(v/c)²), при скорости 0,3 c удар частицы массой в один миллиграмм высвобождает 4,3456e+09 Дж энергии, что эквивалентно одной тонне химической взрывчатки. При 0,9 c эта цифра возрастает до 1,1647e+11 Дж, а для корабля, движущегося на скорости 0,99 c, — до 5,4799e+11 Дж.
Облучение корабля в зависимости от процента скорости света (при средней плотности межзвездной среды 1 атом/см³)
10 | 23 Вт/м²
15 | 78 Вт/м²
20 | 190 Вт/м²
30 | 684 Вт/м²
40 | 1 792 Вт/м²
50 | 4 027 Вт/м²
60 | 8 454 Вт/м²
70 | 17 691 Вт/м²
80 | 40 080 Вт/м²
90 | 120 485 Вт/м²
99 | 1 926 733 Вт/м²
99,9 | 21 526 235 Вт/м²
99,99 | 222 250 621 Вт/м²
99,999 | 2 244 406 372 Вт/м²
В результате межзвездные корабли, движущиеся со скоростью выше 40% от скорости света, обязаны использовать серьезную защиту. Конструкция щитов варьируется, но большинство из них представляют собой диски или купола, превышающие по площади поперечное сечение основной надстройки, что создает «теневую защиту» для остальной части корабля. Радиационная защита обычно считается отдельной от основной, которая служит для защиты корабля от теплового потока межзвездной среды.
Изображение: Стив Бауэрс | «Catch-Me-Who-Can», корабль Первой Федерации с антиматериевым лучевым двигателем и (несколько изношенным) щитом из агрегированных углеродных наностержней в носовой части.
В ранних межзвездных миссиях (от Межпланетной эры до Технокалипсиса) использовались щиты из вольфрамовой стали или прочных аллотропов углерода, хотя в некоторых ранних проектах применялись нанотрубки, вплетенные в армированный лед. Однако сам по себе водяной лед не обладает достаточным пределом текучести для защиты от пыли в межзвездном пространстве, особенно в окрестностях Солнца, где пыли особенно много. При скоростях выше 97,8% от скорости света углеродные щиты выходят из употребления, хотя их нередко можно встретить в коротких рейсах на высоких скоростях. Щиты из монопольно-усиленной материи (MAM) тяжелее других методов защиты, основанных на массе, за исключением «магматерии». Это делает их непригодными для задач, требующих малого веса. По этой причине магнитные щиты и лазеры-разведчики остаются более распространенным вариантом, чем MAM в чистом виде. Однако эти системы требуют энергии для работы, в то время как щиты MAM — нет. Щиты MAM эффективны при любых скоростях, хотя, как и магнитные щиты или лазеры, чаще всего встречаются в диапазоне от 0,25 c до 0,8 c. Щиты Уиппла совершенствуют этот подход, разделяя защиту на несколько слоев с зазорами (так называемыми дистанционными прослойками). Первый слой не должен останавливать частицу или поглощать всю ее энергию, его задача — раздробить ее и рассеять энергию по большей площади. Таким образом, последующим слоям легче остановить частицу. В некоторых случаях первый слой действительно может поглотить значительную часть энергии снаряда. Модули щита Уиппла активно перенастраиваются для оптимальной работы при изменении скорости корабля, регулируя такие параметры, как расстояние между слоями. Большинство систем также включают магнитные поля в каждый слой, чтобы отводить ионизированные остатки любого ударного элемента в сторону от корабля.
Изображение: Стив Бауэрс | Корабль, оснащенный капельным щитом во время ускорения. Щит создает облако частиц перед кораблем, перехватывающее пыль и межзвездный водород. Капли возвращаются к кораблю и собираются для повторного использования. Капельная система также может применяться для активного охлаждения.
Для скоростей от 35% до 55% от скорости света капельные щиты являются наиболее эффективным типом защиты на основе материи. Они состоят из капель жидкого металла, нагретых выше точки Кюри (температура, выше которой материалы теряют свои постоянные магнитные свойства, которые в большинстве случаев могут быть заменены наведенным магнетизмом). Капли выбрасываются из ряда сопел в носовой части корабля, а магнитные поля удерживают их на заданной траектории. Поскольку капельным щитом можно управлять магнитно, он может находиться на любом расстоянии от корпуса корабля. После того как капли остывают ниже точки Кюри, они притягиваются обратно магнитным полем и перерабатываются. Неизбежно часть капель теряется со временем из-за столкновений с частицами, но при скоростях ниже 55% от скорости света это не критично. Капельные щиты также могут служить радиаторами и являются одним из самых распространенных методов защиты. Однако их необходимо сочетать с какой-либо формой массового экранирования, так как эта технология не защищает от высокоэнергетической радиации. Кроме того, капельные щиты относительно сложны. Иногда используются пылевые варианты капельных щитов, хотя они менее эффективны. Лазеры-разведчики также могут применяться для уничтожения крупного мусора, угрожающего кораблю. Однако, если частицы попадают в оптику, она деградирует и разрушается (хотя это происходит только в том случае, если магнитный щит не справляется с отклонением заряженных частиц). Как и в случае с капельными щитами, эта система не обеспечивает защиты от высокоэнергетической радиации, хотя требуемая масса радиационного экрана очень мала. Эти щиты эффективны практически при любом скоростном режиме. Все конструкции для удержания магнитных монополей должны учитывать их взаимное отталкивание, иначе они разлетятся. Если удержание монополей нарушится, высвободившаяся энергия уничтожит большую часть корабля, если не весь целиком. Генераторы магнитных полей на основе монополей менее энергоэффективны и более рискованны в плане процесса удержания, чем магнитные щиты и ионизирующие лазеры, поэтому последние гораздо более распространены. Кроме того, магнитные щиты и лазерные системы легко регулируют мощность, в отличие от монопольных щитов. Однако монопольная система желательна именно по той же причине — она будет работать даже без подачи электричества. Поскольку пустотные пузыри внутри больше, чем снаружи, можно использовать массивные генераторы магнитных полей, в то время как внешние размеры пустотного пузыря остаются в диапазоне от пикометров до десятков нанометров. Заметьте, что пустотные пузыри Пятой Сингулярности могут работать в конфигурации «матрешки», что еще больше увеличивает напряженность поля, если общая масса не становится настолько большой по сравнению с внешними размерами пузыря, что образуется горизонт событий. Предел массы для пузыря радиусом 1 пикометр составляет 1,49e15 кг, поэтому можно использовать генераторы магнитных полей массой до миллиардов тонн.
Изображение: Стив Бауэрс | Этот снимок корабля с «Гало-двигателем» был сделан после прохождения области метрического искажения, предположительно, гравитационного щита того или иного типа.
Системы экранирования пустотными пузырями могут использоваться как по отдельности, так и в комбинации, в зависимости от конструкции корабля. Пустотные корабли: то немногое, что удалось наблюдать, позволяет предположить, что самый внешний пустотный пузырь таких судов действует как встроенный щит, отклоняя частицы до того, как они коснутся самого корабля. Малое поперечное сечение пустотных кораблей (диаметром около 1000 нм) также делает вероятность взаимодействия с межзвездной средой или случайным макроскопическим препятствием крайне низкой.
Связанные статьи: Появляется в темах. Заметки о разработке. Текст (оригинальная статья М. Алана Казлева, Маука Макамука, Криса Шеффера, предложения Андерса Сандберга и Xaonon). Обновлено Everything4404 — 31 октября 2020 г. Первоначально опубликовано 2 февраля 2001 г. Особая благодарность: ToughSF и сообществу ToughSF. См. также: Галактическая библиотека, вики «Межзвездная среда», Экранирование.
Межзвездное пространство — Экранирование
Встроенные файлы: На баннере показан прозрачный противоударный щит «Светлячка». Нагреваясь от постоянного воздействия межзвездного газа, он медленно разрушается от ударов частиц пыли. Межзвездное пространство по большей части пусто; за время своего существования щит столкнется с 0,13 кг газа и менее чем 0,01 кг пыли. Келвин А. Лонг, Мишель Ламонтань. Оригинальный проект щита «Дедала», разработанный Мартином (1), представлял собой бериллиевую пластину толщиной 9 мм. Пластина защищала полезную нагрузку от ударов межзвездного газа и пыли. Их совокупное воздействие нагревало пластину до 200 К (-73 °C), а удары пыли медленно испаряли бериллий, выбранный из-за высокой теплоты сублимации и низкой плотности. Ожидалось, что чуть меньше половины массы бериллия испарится за время полета к звезде Барнарда. При создании щита для межзвездного аппарата необходимо учитывать, что он может быть рассчитан на меньшую скорость, чем «Дедал»: например, 7–8% от скорости света для «Светлячка» вместо 14% для «Дедала». Следовательно, воздействие пыли будет меньше. Фактически, поскольку эффект пропорционален квадрату скорости, снижение скорости в два раза дает снижение износа в четыре раза. Поэтому пылевой щит для «Светлячка» может быть легче, чем для «Дедала». Обзор статьи Хоанга (2) о защите аппаратов проекта Starshot показывает, что с момента оригинального исследования «Дедала» оценка рисков для межзвездных аппаратов существенно не изменилась. Однако, хотя показатели плотности газа и средней концентрации пыли остались прежними, количество крупных пылевых зерен может быть выше, чем ожидала команда «Дедала». Поэтому могут потребоваться некоторые изменения в конструкции щита. Новая статья Лонга (3) объединяет все последние данные в полную оценку требований к экранированию для различных проектов «Икара». В этой главе обобщена информация из данной статьи.
Таблица 1: Свойства материалов щита. Материал, Плотность (кг/м³), Удельная теплоемкость, Скрытая теплота плавления, Скрытая теплота сублимации. Алюминий, Бериллий (1850), Бор, Углерод, Литий.
Таблица 2: Хотя расстояние, пройденное звездолетом, огромно, сам корабль относительно мал. Объем пространства, пересекаемый звездолетом, будет похож на невероятно длинную спагетти; но в масштабе этот объем значительно меньше, например, объема Земли. Объем, пересекаемый звездолетом со щитом радиусом 25 м, летящим к Альфе Центавра, представляет собой очень длинный цилиндр, где: V = объем = A L (м³), A = площадь фронта = радиус² пи = 25 м² пи, L = расстояние = 4,3 световых года = 4,068e16 м. V = 8e19 м³, или около 7% объема Земли (1,1e21 м³). Плотность межзвездного газа d = 1,67e-21, следовательно, корабль столкнется с 8e19 1,67e-21 = 0,13 кг газа. Плотность межзвездной пыли намного ниже, d = 6,2e-24, и корабль встретит около 8e19 * 6,2e-24 = 0,0005 кг пыли, или около половины грамма. Общее количество пыли, попадающей в звездолет, будет небольшим, порядка половины грамма за столетие полета. Тем не менее, удар частиц пыли не является чем-то тривиальным. В частности, более крупные пылевые зерна в межзвездном пространстве могут иметь массу до 10e-8 кг и кинетическую энергию при 0,1 c около 4,5×10⁶ Дж. Это примерно энергия удара 10-тонного грузовика на скорости 100 км/ч. Это вполне может пробить простой однослойный щит, предложенный для «Дедала», и привести к повреждению самого корабля. Вместо этого предлагается многослойная структура, подобная щиту Уиппла, используемому на космических станциях вблизи Земли. Несмотря на более сложную структуру, удельная масса щита может быть меньше, так как общий износ будет ниже из-за меньшей скорости корабля. Замена бериллия углеродным волокном также обеспечит некоторое снижение массы. Углеродное волокно широко используется во всех областях промышленности со времен отчета по «Дедалу» и является хорошо известной технологией. Оно обладает такой же теплотой сублимации, как бериллий, а также более высокой прочностью. Для «Светлячка» предлагается многослойная сборка из листов углеродного волокна общей толщиной 5 мм. Объем для щита диаметром 50 м составит 12 м³, а масса — около 25 тонн, то есть половина массы 50-тонного щита, запланированного для «Дедала». Возможны и другие схемы защиты, они будут подробно рассмотрены в главах, посвященных отдельным кораблям.
Вид в разрезе углеволоконного щита Уиппла. Уравнения щита Уиппла? Экранирование фазы сближения. Команда «Дедала» также занималась фазой сближения, оснастив корабль системой защиты, состоящей из пылевого облака, создаваемого перед кораблем и периодически обновляемого во время сближения. Облако должно было распылять любой объект перед кораблем, превращая его в безвредную плазму. Однако исследовательская миссия входит в целевую систему на гораздо меньшей скорости и в конечном итоге полностью останавливается. Риски и последствия столкновений в период сближения значительно снижены, и система защиты, разработанная для «Дедала», не требуется. Однако зонд для пролета Проксимы Центавра столкнулся бы с теми же рисками, что и «Дедал», и могло потребоваться аналогичное решение. Пример экранирования.
Ссылки: 1. Проект «Дедал», итоговый отчет, бомбардировка межзвездным материалом и ее влияние на аппарат, Мартин. 2. Проект «Дедал», итоговый отчет, защита при сближении с целевой системой, Бонд. 3. Хоанг Т., Лазарян А., Буркхарт Б. и Леб А. (2016). Взаимодействие релятивистских космических аппаратов с межзвездной средой. Препринт arXiv:1608.05284. 4. Повреждение межзвездных аппаратов пылевыми зернами, Ранние. 5. Новая статья Келвина А. Лонга. Страница обновлена Google Sites. Сообщить о нарушении.