Инженерные вопросы межзвездных перелетов

[lll]

[где...стартовая масса, мощность в импульсе и проч.?

где, где... - в википедии
Overall length: 190 metres; Propellant mass first stage: 46,000 tonnes; Propellant mass second stage: 4,000 tonnes; First stage empty mass: 1,690 tonnes; Second stage empty mass: 980 tonnes; Engine burn time first stage: 2.05 years; Engine burn time second stage: 1.76 years; Thrust first stage: 7,540,000 newtons; Thrust second stage: 663,000 newtons; Engine exhaust velocity: 10,000,000 m/s; Payload mass: 450 tonnes

[Alex_Semenov]

Разница между фазированной антенной решеткой, линзой, зонной пластинкой, параболическим зеркалом в ФИЗИКЕ процесса формирования изображения,  "луча" или фокуса нет. НЕТ!!!
Это все с необходимой нам точностью описывается даже не поминавшимся здесь Максвеллом! "Житие мое!" (с) Максвелл – это уже детали. Но в целом любой излучающий и принимающий электромагнитные волны прибор описывается принципом Гюйгенса. Древнее, чем промышленная революция!



Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.

Ссылка с красивыми движущимися рисунками:
http://phys.bsu.edu.ru/projects/physics/optica/woln_opt.htm

То есть не важно является  у вас источником "вторичных вол" зеркало (тело линзы) которое пропускает или отражает уже идущий через них волновой фронт или это действительно активный излучатель в данной точке и данном месте порождающий этот фронт. Работа любой линзы,  зеркала, антенны -  складывать в трехмерном пространстве фазы волновых фронтов. И нечего больше! Поэтому ничто не мешает нам эти фронты в нужной точке пространства породить "активно", создав мнимое изображение множеством "точечных" (сравнимых по величине с длиной волны) излучателей. Если фаза и положение излучателей в пространстве подобраны, верно, то мы можем синтезировать результат, поучаемый в  любом привычный нам оптический (радио) приборе.
Нет разницы из отдельных точек состоит излучатель или это сплошная поверхность. Все знают, что проводящая решетка  в 1/10 длины волны для нее "сплошная". Если излучатели расположены на 1/2 длины волны друг от друга они стоят плотно. Без просветов.
Далее.
Нет существенной разницы диполь (1/2 волны) вы ставите в "точку" или уже готовую параболическую антенну, которая накрывает миллион точек-диполей. Если апертура антенны в миллионы раз больше длины волны – такая мозаика вполне приемлем. Скромно: 100 000 м/0.001м = 100 миллионов.
Таким образом нужную интерференционную картину в пространстве вы  можете собрать в два приема и двумя "разными" технологиями. Сначала классически (привычным нам способом) с помощью "линейной оптики" собрать направленный луч от небольшого участка "точек". То есть  собирать массив не из отдельных маленьких излучателей а укрупненную мозаику. В фокусе каждой параболической антенны мы  помещаем точечный излучатель с управляемой фазой. Если вы управляете фазой  вы можете синтезировать из этих мелких антенн очень крупную антенну, которую кстати построить классическим способом просто невозможно.
Мозаичное заполнение имеет свои пределы. Чем больше отношение отдельной тарелки к общей апертуре, тем крупнее поучается  "мозаика" и синтезируемая такими крупными тарелками апертура получается достаточно грубой. Скажется тот факт что на краях каждой тарелки фазы вол совпадают а они уже должны чуть отличатся (хотя опять де если это важно – можно и компенсировать)
Но в случае излучателя для разнога парусников (в отличии от радарных антенн) мы как раз и имеем ту ситуацию, что даже очень крупные отдельные тарелки (или телескопы)-излучатели будут очень мелкими по сравнению со всей синтезируемой апертурой в сотни и тысячи км. То есть погрешность будет несущественной. "Мозаика" будет очень мелкой просто из технологических ограничений (вы не можете строить слишком большую линейную оптику).

[Alex_Semenov]

Нашел еще одну статью
http://www.gelezo.com/antennas/antennas_types/110500/110505/diagrammi_napravlennosti_sinfaznih_reshetok.html
и там красивую картинку.



К – это отношение расстояния между излучателями к дине волны. Чем больше К тем более разряжена антенная решетка.
Хорошо видно что при K= 0.5 лепесток "жирный". По мере роста К (мы раздвигаем излучатели) он СУЖАЕТСЯ (эффект интерферометра или влияние той самой формулы 1.22*S*L/D) но вырастают боковые лепестки.
Именно боковые лепестки и съедают нашу мощность.
Сплошное зеркало (линза) боковые лепестки глушит. При гигантском D/L их практически нет. У сплошного оптического прибора один фокус. А у разряженной решетки из отдельных приборов фокусов  будет много.
С крестом надо разбираться.
Это промежуточная версия.
Конечно же он наверняка будет хуже сплошного зеркала. Но вопрос – насколько?
Надо действительно считать сумму объемов боковых лепестков и делить ее на объем основного лепестка. Это и будет процент потерь в кресте.
Толщина главног лепестка нас не волнует. Чем больше D/L - тем уже он. Это считать мы уже умеем.

[lll]

Семёнов, дык что там с теоремой про проклятие
Кстати, фазированную решётку первоначально изобрели как передающую антенну  

[Alex_Semenov]

Не "у нас" а у них: http://lurkmore.ru/Grammar_nazi = http://lurkmore.ru/%D0%A3%D0%BD%D1%8B%D0%BB%D0%BE%D0%B5_%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D0%BD%D0%BE

Спасибо. Получил истинное удовольствие.  Лукоморье – истинный при духа! И опять нашлась неизвестная мне фраза Фейнмана, под которой я бы подписался всей душей.
Но я все равно благодарен за замечание. 21 ошибка (!!!) в тексте перевода не делает переводчику чести ну никак! Как бы он не косил под великого Фейнмана.

[Wyvern]

Семёнов, дык что там с теоремой про проклятие
Кстати, фазированную решётку первоначально изобрели как передающую антенну  

И, кстати, если кто не знает - первой практически действующей ФАР была....радиостанция Коминтерна. Не было тогда в СССР ламп для генерации таких мощностей - и  сделали, как тогда писали "эфирное сложение сигнала" которое до этого считалось математическим казусом, не применимым на практике. А дальше, больше - за счет ввода в фидеры антенных элементов линий задержек стало возможным менять диаграмму направленности: передавать на китайском - на Китай, а на французом - на Францию

[Alex_Semenov]

Семёнов, дык что там с теоремой про проклятие
Кстати, фазированную решётку первоначально изобрели как передающую антенну  

Мне аналитически сил ее доказать не хватит. Сформулирован вопрос правильно.
2N-1 - простой крест. 3N-2 - восьмиконечный крест.
N*N - сплошная апертура.
Согласно теореме, передаваемая мощность в главном лепестке будет пропорциональна отношению площадей отдельных излучателей 2N-1 к площади синтезируемой апертуры N*N. У сплошной апертуры такое отношение 1.
И есть сильное подозрение, что теорема истина только для РЕГУЛЯРНЫХ решеток. Слишком  красиво-простое отношение получается. А учитывая то какое разнообразие лепестков порождают всякие нерегулярные решетки, кажется что прийти к такому простому и красивому выводу (что делает проклятье)  невозможно.
Хотя... Есть много друг Горацио такого...
Вообще, вопрос решался бы если знать как это все доказывалось. Форвард же приводит в статье только выводы. Ссылка на вики тоже, как мне показалась, неоднозначной в этом смысле. (надо причитать)
Вопрос открытый.
Хотя Wyvern ведь прав. Даже на глаз видно, что для креста проклятье вроде как отменяется.
Надо попробовать сделать расчет. Действительно, для отмени обобщающего принципа  достаточно здесь привести один контрпример.

Кстати. Только сейчас сообразил. В использованном мною уравнении я не видел параметра задающего ШИРИНУ полосы в кресте. Без него я просто не могу посчитать площадь креста! То есть плечо в принципе может быть сколь угодно тонким? Не тоньше L/2 (элементарного излучателя)?
Если так, то скорей всего мы победили!
В общем надо на досуге проиграться с расчетами.
Между прочим, это может сделать каждый! Все данные для этого здесь есть. Excel тоже, думаю, найдется у каждого.

[lll]

кстати, а где это Форвард про радиоволны говорил?  Он, вроде, про 250 километров лазеров трактовал в своей "Программе Межзвёздных Путешествий"

[КотКот]

:evil: Помнится особо горячие головы планировали нанести энергоудар на 2000 световых лет.... :twisted:

[Dulevo]

James Bickford describes an orbital plasma magnet system for concentrating and trapping antiprotons.

Некто James Bickford предложил проект установки для сбора антивещества накапливаемого в магнитных полях Земли.
Магнитные ловушки будут улавливать антипротоны и накапливать.
Расчитываемая производительность - 8.6 микрограмм в год.

http://nextbigfuture.com/search/label/nuclear

Если бы удалось собирать все антивещество в пределах солнечной
системы - это было бы около килограмма в день.

[Wyvern]

James Bickford describes an orbital plasma magnet system for concentrating and trapping antiprotons.
......
Если бы удалось собирать все антивещество в пределах солнечной
системы - это было бы около килограмма в день.

И чо с ним делать? Антивещество - далеко не сахар  :lol: В нем всего в 255 раза больше энергии, чем, например. в DHe3. Причем "всего" - это не ирония. Нужно помнить, что в химических реакциях энергии в 10 МИЛЛИОНОВ РАЗ меньше, чем в ядерных. А тут всего - максимум в 255 раза.... Стоит ли игра свеч, при всех трудностях с хранением и использованием?

На Юпитере к примеру - 10Е+16 ТОНН He3 - лети да бери даром, скока унесешь.

[Иван Моисеев]

Ух ты! Моисеев нашел ЧД ближе 50 пк?

Ну, может, нашел способ производства из подручных материалов?  По-моему чернодырчатые звездолеты еще нереальнее, чем антиматерчатые.

Это я предлагал чернодырчатые, а Моисеев просто спросил где попопулярнее почитать.
А насчет нереальности тут практически все, что обсуждалось на данный момент технически нереально. Начиная от термояда, т.к. реально ни один проект не просчитывался досконально на реальность воплощения. Даже по ядерным движкам с газофазной зоной (на что примитив по сравнению со здешними замахами) и то реализация под вопросом в силу больших технических сложностей.
Так что чернодырчатые имеют такое же право на существование, как и аннигиляционные и пр. здесь заявлямые.

По моей классификации
http://path-2.narod.ru/02/01/urov.htm

полеты через черную дыру - это "1".

[Wyvern]

.....
А насчет нереальности тут практически все, что обсуждалось на данный момент технически нереально. Начиная от термояда, т.к. реально ни один проект не просчитывался досконально на реальность воплощения. Даже по ядерным движкам с газофазной зоной (на что примитив по сравнению со здешними замахами) и то реализация под вопросом в силу больших технических сложностей.....

ГфЯРД, как ни странно, гораздо МЕНЕЕ реалистичная конструкция, чем ТЯРД Задача удержания плазмы - ключевая и там там и там. Только ГфЯРД должен удерживать много килограммов плазмы под давлением в 1000атм в мощном нейтронном потоке, да еще и обеспечивать теплообмен между этой плазмой и рабочим телом. По сравнению с ТЯРД, в котором плазма больше похожа на вакуум в электролампочке - это просто не сравнимые задачи....а выигрыш - намного меньше. Посему ГфЯРД - мертворожденный монстр времен "ХВ"

По моей классификации
http://path-2.narod.ru/02/01/urov.htm
полеты через черную дыру - это "1".

Отличная классификация! Давно хотел спасибо сказать.
Кстати, труба Красникова, как вариант "пузыря" Алькубьерре, относится скорее к 2, чем к 1  :wink:

[zyxman]

Кстати, труба Красникова, как вариант "пузыря" Алькубьерре, относится скорее к 2, чем к 1  :wink:

А что требуется для создания трубы Красникова?

[AlexV]

А что требуется для создания трубы Красникова?

Как минимум найти соответствующее ему точное самосогласованное решение уравнений Вайнберга-Глэшоу-Салама и Эйнштейна-Гильберта.

По отдельности второе вроде допускает в принципе существование требуемой метрики, а первое требуемого тензора энергии-импульса. А вот можно ли этого добиться одновременно -  пока вопрос, во многом связанный с чудовищной математической сложностью этой задачи.

[Wyvern]

А что требуется для создания трубы Красникова?

Как минимум найти соответствующее ему точное самосогласованное решение уравнений Вайнберга-Глэшоу-Салама и Эйнштейна-Гильберта.

По отдельности второе вроде допускает в принципе существование требуемой метрики, а первое требуемого тензора энергии-импульса. А вот можно ли этого добиться одновременно -  пока вопрос, во многом связанный с чудовищной математической сложностью этой задачи.

Ну, там и энергетика должна быть мама не балуй, на уровне аннигиляции массы Юпитера  :lol: Радует только, что экзотическая материя в виде эффекта Казимира уже наблюдаема в эксперименте....

Самое полное описание проблемы, которое нашел: http://www.inauka.ru/space/article87931/print.html

[AlexV]

Ну, там и энергетика должна быть мама не балуй, на уровне аннигиляции массы Юпитера  Радует только, что экзотическая материя в виде эффекта Казимира уже наблюдаема в эксперименте....

Вопрос с энергетикой этой конструкции очень мутный. Общая энергия всей трубы (сумма отрицательной и положительной), просто за счёт гранусловий равна нулю. По отдельности той и другой может быть на Юпитер, а то и ни на один, вот только что это значит с практической точки зрения не ясно совершенно. Т.е. формально энергия требуемая для создания лаза с точки зрения законов сохранения  равна нулю, но при этом у нас наличиствует огромное колличество отрицательной и положительной энергии. Очевидно что "бесплатно" лаз не получится, второе начало не даст, но вот сколько на самом деле на это потребуется энергии - вопрос, считать эту энергию равной колличеству положительной (или отрицательной) массы в лазе это даже не нулевое приближение.

 Да и эти "Юпитеры" – результат весьма грубых оценок, но никак не точный расчёт.  Кроме того, есть классы "экономных лазов", где аномалии представляет собой линию, а не поверхность, для которых и юпитеры (опять же в грубых планковских оценках, точных решений пока никто не видел) не нужны.

Проще говоря, пока не будут получены более-менее точные самосогласованные совместные решения лазов для квантовой  теории поля и ОТО, или показано что их нет, ясности не наступит.

Да, большинство современных оценок для лазов делаются в основном для скалярных полей.  Векторные поля могут быть источниками странного вещества (опять тот же эффект Казимира), но для них задача пока слишком сложна даже для оценок.

[Иван Моисеев]

По моей классификации
http://path-2.narod.ru/02/01/urov.htm
полеты через черную дыру - это "1".

Отличная классификация! Давно хотел спасибо сказать.
Кстати, труба Красникова, как вариант "пузыря" Алькубьерре, относится скорее к 2, чем к 1  :wink:

Не стоит благодарности, работа такая.
Кстати эта классификация достаточно универсальна, удобна для начальной оценки любых проектов.
Что касается того, к какой именно категории конкретный проект отнести - это вопрос оценивающего.

[AlexV]

То есть. Межзвездный полет быстрого парусника покупается либо за счет циклопических ажурных конструкций (линзы в 10 000 км) и относительно скромных энергозатратах. Либо мы можем обойтись относительно малым по размеру излучателем (скажем в 100 км на поверхности Ганимеда или Луны) но при этом нам понадобятся циклопические затраты энергии. Потому что наш огромный парусник будет иметь массу в десятки тысяч тонн.

На Луне или Ганимеде по всей видимости в любом случае не получится. При передаче луча на сверхбольшие расстояния возникнет еще одна проблема, доплеровские аберрации.

Рассмотрим, для примера зеркало. Если зеркало покоится, то оно фокусирует свет в фокусе на расстоянии F которое велико по сравнению с его размером. Теперь пусть зеркало вращается вокруг оси, нормальной к оптической, в этом случае каждая точа зеркала будет иметь различную скорость, в результате чего свет отраженный от каждой точки будет иметь слега разную длину волны, отличающуюся как dl/l = 2 r w/c, где r – расстояние от точки до оптической оси, w – угловая скорость, с – скорость света.  Естественно на  расстоянии порядка lc/2rw, это флуктуация частоты приведёт к развалу той интерференционной картины, которая должна быть для неподвижного зеркала. Т.е. чтобы сфокусировать свет вращающимся зеркалом на расстояние F его скорость вращения не должна превышать величины w = lc/2rF.

Если требуется сфокусировать свет на расстояние 1а.е. зеркалом размером 100 км излучение с длинной волны 1см, то ограничение получится очень жёстким, т.е. угловая скорость зеркала (или антенного поля, в данном случае не принципиально) должна не превышать 5*10^-4 оборотов в год. Очевидно, что луна вокруг оси вращается быстрее.

Кстати эта же проблема будет накладывать ограничение на допустимую величину относительной скорости и вибрации излучающих элементов передатчика. Поскольку относительная скорость различных элементов передатчика не должна будет превосходить величины около v = lc/F, что в выше обозначенном случае соответствует скорости 20 мкм/c, то для какой-нибудь вибрации с частотой около килогерца, амплитуда не должна будет превышать 20 нм.

Опять же для разгона парусника 1 а.е. очень мало, по-видимому, потребуется сотни астрономических единиц, а в этом случае требования на относительную скорость элементов и вибрации станут совсем тяжёлыми.

[Alex_Semenov]

AlexV, вы как всегда с дельными замечаниями!
Да, влияние доплеровского сдвига известно. Не знаю, анализировал ли Форвард его когда-нибудь? Но то, что он упоминал в романе "Мир Роша" и эту проблему-  это точно. Станция "комбинатор", огромная (несколько километров) конструкция в L2 над Меркурием не только собирала лазерные лучи 1.5 мкм от 1000 лазерных станций и "монтировал" их в один луч подправляя фазы каждого (насколько я понял посредством применения тонких пленок) но и корректировал доплеровский сдвиг связанный с колебаниями орбит каждого из лазерных спутников. Как ЭТО делалось – осталось загадкой. Процесс должен быть очень эффективный. 99% как минимум (потеря даже 1% энергии луча – огромная проблема). Каждый солнечный лазер излучает фиксированную частоту, которая определяется квантовыми свойствами атомов рабочего тела и "зашита" в конструкцию лазера четко. Как можно чуть изменять длину волны лазерного излучения?
Ну разве что пропускать луч через движущуюся же среду?
Очень интересная проблема.
Но движение концов апертуры относительно центра – это только часть проблемы УДЕРЖАНИЯ луча на цели.
Вы знаете, я знал про проблему доплеровского сдвига, но некогда не брался за ее количественную оценку. А ваш анализ показывает что это очень серьезный вопрос. Вообще это часть проблемы, которую можно назвать "охотой за солнечным зайчиком".  
Солнечный зайчик прыгает, мечется при малейшем колебании зеркала. Верно? Наша же задача зафиксировать луч и фокус очень жестко на небесном куполе. "Поймать зайчик".
Движение самих планет-спутников, оснований, баз - это не самая большая тут проблема. Хотя бы потому что это движения очень точно предсказуемо.
Куда сложней с отклонениями и колебаниями самой конструкции.
Подобная гигантская конструкция не может быть монолитно-неподвижной. Она в любом случае будет "играть". Даже если ее расположить далеко от Солнца в поясе Койпера вдали от влияния сильных гравитационных полей и тепловых потоков. Она все равно будет изгибаться, удлинятся, колебаться и нужная нам точность, статичность конструкции недостижима никак. Конечно 1 кГц – вы это загнули. Но имея разницу в ~ 1000 км получить скорость движения концов креста по отношении к центру (оси линзы) в 1 м/с (миллионная длинны) ничего не стоит. А это будет, согласно вашим оценкам уже заметно на гигантском фокусном расстоянии.
ПОЭТОМУ.
Если подобная конструкция когда-либо и будет кем-либо создана,  то она нуждается в "динамической стабилизации". То есть, на самой конструкции и вокруг нее должна существовать система прецизионных лазерных датчиков, которые постоянно замеряют и определяют положение узлов конструкции с необходимой (!!!) точностью. Все отклонения от идеала (прогибы, например)  вычисляются и  компенсируются на задающих генераторах  каждого излучателя. Это что касается фаз.
Что делать с доплеровским сдвигом?
В принципе, если мы используем радиоволны, то можно  ухитрится управлять и длинной волны, подстраивая ее. Я не знаю в мазерах (или лазерах на свободных электронах) возможно на ходу чуть менять частоту?
В конце концов, если движение вызваны колебаниями (длительное время конструкция не движется в одном направлении она движется туда-сюда) то такое смещение можно компенсировать противо-колебаниями, скажем излучаюшего, устройства.
Скажем, если луч перед тем как попасть на большое зеркало, N раз отражается от зеркальных поверхностей, которые прицезионно  двигаются друг относительно друга, то  двигая те со скоростью v/N вы можете тем самым компенсировать доплеровский сдвиг вызванный пиковой скоростью v. Кстати и ход такого компенсирующего движения будет в N раз меньше. То есть колебание с амплитудой в 10 м 10 зеркал  смогут компернисровать сдвигаясь на 1 м друг относительно друга.
Не знаю насколько это все реально физически. Но если это так, то задача получается инженерно очень сложная. Но никто и не говорит, что все это будет просто.
Реальный межзвездный полет – это триумф технологии цивилизации. Технология, круче которой ничего в области полетов быть не может (ну разве что ваша супер-труба, о которой может мечтать только цивлилизация 3-го типа по Кардышеву а нам бы до 1-го типа дорасти...).
Вполне возможно, что именно эти проблемы (помимо главной – потеря энергии в боковых лепестках) и прикончит идею использовать для концентрации одну гигантскую синтезированную апертуру.
Мои потуги сравнить крест со сплошной апертурой пока не увенчались успехом. Я заблудился в зонах Эйри и никак не могу откалибровать свою расчетную модель по ним. Глуп, необразован... Но есть подозрения что много больше 50% даже восьмиконечный крест в главный лепесток не выдаст...

Тогда схема Форварда (длиннофокусная паралинза в 100-1000 км за 10 а.е. от "точечного источника" собранного с "небольшой" апертуры в 1-10 км) оказывается единственно возможной.
В работе (с которой эта темя здесь опять поднялась) Форвард исследовал требования к точности положения колец линзы и пришел к выводу, что требования приемлемые. Но это статическая оценка. То есть, Форвард оценивал насколько искривление формы линзы повлияет на ее точность. Эффект Доплера (влияние колебаний краев линзы) он, вроде, не оценивал. Интересно,  Ведь если пленка крайнего кольца движется в сторону (или от) точки фокуса со скоростью v, то dL/L ~ v/c .Так?
То есть в этом месте линзы пленка не только сдвинет фазу (как ей положено) волны, но еще и укоротит (или удлинит) ее частоту, что приведет на расстоянии F к погрешности.
...
AlexV, вы просто адвокат дьявола какой-то!
Спасибо за ценное замечание!