Wie schnell kann ein Schiff mit rotierenden Habitaten beschleunigt werden?

Kann ein Schiff mit einem rotierenden Lebensraum stabil sein, wenn es jahrelang so schnell durch den Weltraum reist?

Die Geschwindigkeit, mit der es fährt, ist irrelevant. Die Stabilität ist wichtig, aber völlig unabhängig davon ... die interessanten gyroskopischen Effekte rotierender Teile von Raumfahrzeugen gelten genauso für Raumschiffe wie für "stationäre" Lebensräume. Es liegt in der Natur von Raumschiffen, dass Sie enorme Triebwerke (oder andere Geräte zur Bereitstellung von Schub, wie ein Photonensegel) und enorme Schilde und riesige Reaktionsmassentanks (für Raketen) und Vorräte und alles andere benötigen ... das funktioniert Ihr Vorteil, denn der rotierende Teil des Schiffes kann im Vergleich zum Rest relativ leicht und klein sein, was der Stabilität zugute kommt. In Kombination mit Reaktionsrädern und Reaktionssteuerungstriebwerken sollte Ihr Schiff stabil genug sein.

Wenn wir ein Schiff mit diesen enormen Geschwindigkeiten beschleunigen, die den Fähigkeiten von Venture Stars ähneln

Pedanterie-Alarm: Sie "beschleunigen nicht mit enormer Geschwindigkeit". Beschleunigung ist die Änderungsrate der Geschwindigkeit. Wenn man der Relativitätstheorie glauben darf (und Beweise deuten darauf hin, dass wir wahrscheinlich daran glauben sollten), ist ein Trägheitsbezugssystem dem anderen ziemlich ähnlich. Von hier an ignoriere ich die Geschwindigkeit (fast) vollständig und konzentriere mich auf die Beschleunigung, denn nur darauf kommt es an.

Ich glaube, dass der Venture Star so konzipiert wurde, dass er mit 1,5 g beschleunigt werden kann, was eine beeindruckende Zahl ist. Bei dieser Rate brauchen Sie Ihre gesponnene Schwerkraft nicht ... Sie würden sie einfach ausschalten. Angesichts der Tatsache, dass die moderne Technik in der Lage ist, Strukturen herzustellen, die einer Beschleunigung von 1 G über längere Zeit standhalten können, sollte es kein Problem sein, dass Ihre gewirbelten Abschnitte mit 1,5 G fertig werden, insbesondere wenn Sie sie im Voraus geparkt haben. Das ist natürlich genau das, was der Venture Star getan hat.

Können Schiffe mit großen rotierenden Toruslebensräumen sicher auf enorme Geschwindigkeiten beschleunigt werden?

Sie haben drei ganz unterschiedliche Probleme.

1. Sind die Stützstrukturen in der Lage, dem Schub des Haupttriebwerks standzuhalten, selbst wenn die rotierenden Sektionen geparkt sind? Ich nehme "Ja" an, weil es ein bisschen peinlich ist, ein Schiff zu haben, das in Stücke zerfällt, wenn Sie die Go-Taste drücken.

2. Sind die Lager in Ordnung?

   Das ist schwerer zu sagen. Bei abgeschalteten Motoren wirken die Kräfte auf Ihre Lager weitgehend radial. Schalten Sie sie aber ein, und jetzt wird die Nabe nach vorne geschoben und die Außenseite wird natürlich ein wenig zurückbleiben wollen. Anstelle von einfachen Lagern müssen Sie jetzt Axiallager verwenden , was die Komplexität der Konstruktion etwas erhöht.

3. Was passiert mit der Richtung der künstlichen Schwerkraft, wenn die Motoren anlaufen?

   Es wird anfangen, nach hinten zu zeigen, was damit passieren wird, weil der Inhalt der gedrehten Abschnitte sowohl aufgrund der Zentrifugal- als auch der Triebwerksschubkräfte eine Beschleunigung erfährt, und diese Vektoren addieren sich und zeigen irgendwo anders als direkt zum Heck oder direkt von der Achse.

Hier sind ein paar hilfreiche Diagramme, die schamlos von der informativen Seite von Project Rho über gesponnene künstliche Schwerkraft gestohlen wurden, die Sie anscheinend schon einmal besucht haben, die Sie aber vielleicht noch einmal besuchen sollten:

Wenn Sie bereit sind, Ihre rotierenden Sektionen zu parken, bevor Sie Ihre Motoren anzünden (was für ein toroidales Gravity-Deck einfach bedeutet, die Rotation auf Null zu reduzieren, anstatt es auch zusammenzuklappen), können Sie diese Probleme vermeiden, aber wenn Sie beide Kräfte kombinieren möchten (z. B. weil Sie wenig Schub haben und Ihre Motoren lange laufen lassen) sollten Sie abgewinkelte Zwischenpositionen haben, so dass Ihr künstlicher Schwerkraftvektor immer nach unten zu zeigen scheint.

Hier ist ein schönes Beispiel für Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft (nicht von Schub aufgrund Ihrer Motoren zu unterscheiden) in Kombination mit Zentrifugalkräften:

(Dies zeigt auch, dass wir in der Lage sind, geeignete Lager herzustellen, die Kräften von bis zu 1 G Schub standhalten können, obwohl es dem Leser als Übung überlassen bleibt, sie jahrelang im Vakuum zu betreiben). Beachten Sie die Auswärtsbewegung mit den Scharnierpunkten am oberen Ende jedes Haltegurts. Youtube-Link für eine etwas aufregendere Fahrt .

Take-Home-Message: Ein Torus ist großartig, wenn Sie nicht beschleunigen, deshalb erscheinen sie auf vielen Habitat-Designs. Ein Raumschiff wird zwangsläufig lange Beschleunigungsphasen haben, was seine Verwendung während dieser Zeiten unbequem macht. Das Verhältnis von Schub zu Auslauf beeinflusst Ihr Design. Ein Torus könnte am besten für sehr lange Ausrollflüge sein.

Oder gibt es tatsächlich eine Grenze dafür, wie schnell diese Schiffe reisen sollten, um sicher und stabil im interstellaren Raum zu navigieren?

Ihre Geschwindigkeitsbegrenzungen im Weltraum haben wenig mit Ihrer künstlichen Schwerkraft zu tun.

Zum einen sind Sie durch Ihre Antriebstechnik sehr stark eingeschränkt. Bei einer Rakete, selbst bei einer Super-Hightech-Strahlkern-Antimaterie-Rakete wie der Venture Star , sind Sie durch Ihre Austrittsgeschwindigkeit begrenzt. Für eine Strahlkern-Antimaterie-Rakete beträgt diese Abgasgeschwindigkeit etwa 30% der Lichtgeschwindigkeit (aus Gründen, über die ich mir nicht ganz sicher bin; die Pionen, die aus einer Vernichtungsreaktion kommen, bewegen sich mit 0,94 ° C, aber der angegebenen praktischen Abgasgeschwindigkeit Zahlen für Strahlkern-Raketendesigns sind niedriger als das, werfen Sie zB einen Blick auf den ausgezeichneten Artikel von Robert Frisbee How to build and antimatere rocket for interstallar missions , der einige Details zu den Problemen und der Leistung von Antimaterie-getriebenen Raketen enthält).

Das Delta-V Ihres Schiffes,$\Delta V$, ist die maximale Geschwindigkeitsänderung, die es durchführen kann. Wenn Sie Ihren gesamten Treibstoff und Ihre Reaktionsmasse mit sich führen und mit mäßiger Geschwindigkeit reisen, wird dies durch eingeschränkt$\Delta V = V_e \log_e(R)$Wo$V_e$ist deine Abgasgeschwindigkeit,$\log_e$ist die natürliche Logarithmusfunktion und$R$ist das Verhältnis der voll betankten Masse Ihres Schiffes zur unbetankten Masse.

Wichtiger Hinweis Mit "bescheiden" meine ich "nicht zu nah an Lichtgeschwindigkeit". Wenn Ihr Lorentz-Faktor ansteigt (und bei 0,6 c ist er eine nicht zu ignorierende 1,25), desto weniger können Sie einfache Gleichungen verwenden (wie Hypnosifl hilfreich darauf hingewiesen hat). Wenn Sie eine Rakete verwenden, bei der eine beträchtliche Menge des Materials, das nach hinten hinausgeht, sich einfach in Photonen verwandelt und nicht hilfreich abfliegt, können Sie nicht einfach die reguläre Gleichung verwenden. Die hochkomplexe und hässliche relativistische Antimaterie-Raketengleichung ist in Frisbees Artikel verfügbar, wenn Sie sich mutig fühlen. Der Einfachheit halber und um Ihnen eine ungefähre Vorstellung davon zu geben, womit Sie es zu tun haben, ignoriere ich es. Denken Sie nur daran, dass die Zahlen, die ich unten nenne, enorm zu optimistisch sind und die realen Zahlen viel sein werden,

Nun, das sagte: Wenn Sie Ihre wollen$\Delta V$um Ihrem gleichzukommen$V_e$, benötigen Sie ein Massenverhältnis von$e$(oder etwa 2,72). Um noch eins hinzuzufügen$V_e$Meter pro Sekunde zu Ihrem$\Delta V$, müssen Sie Ihr Massenverhältnis mit multiplizieren$e$. Wenn Sie 60 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen möchten und Ihre$V_e$30% der Lichtgeschwindigkeit beträgt, benötigen Sie ein Massenverhältnis von ca$e^2$oder 7.4. Um wieder von 0,6c auf 0 herunterzukommen , benötigen Sie eine Gesamtzahl$\Delta V$von 1,2c und damit ein Massenverhältnis von$e^4$oder 55. Für ein 10000-Tonnen-Raumschiff bedeutet das, dass Sie mehr als eine Viertelmillion Tonnen Antimaterie an Bord benötigen, und viel Glück damit.

Take-Home-Message: Raketen sind für interstellare Reisen furchtbar . Es gibt einen guten Grund, warum der Venture Star ein Lasersegel zum Boosten verwendet hat (obwohl ich Segelbalkendesigns bevorzuge ). Sie sollten wahrscheinlich auch ein magnetisches Bremssegel verwenden .

Das zweite Problem ist die Abschirmung. Sie werden feststellen, dass das von Ihnen geteilte Venture Star- Diagramm einen riesigen Plattenstapel mit der Aufschrift „Schuttabschirmung“ aufweist. Ich werde nicht auf die Einzelheiten der Abschirmung eines Schiffes eingehen, das mit einem anständigen Prozentsatz der Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist, aber es ist schwierig und der Schaden, den es erleiden wird, wird eine Strafe sein . Verliere diese Abschirmung und du bist tot. Ihre Geschwindigkeit wird daher dadurch begrenzt, wie viel Abschirmung Sie Ihren Motoren zum Schub bringen können. Zentrifugen kommen da nicht rein.

Oh, und ein drittes mögliches Problem:

sicher navigieren

Das Navigieren in Raumschiffen ist knifflig, weil es nicht ganz trivial ist, herauszufinden, in welche Richtung man gehen muss. Sobald Sie dieses Problem gelöst haben, zünden Sie Ihre große Rakete (oder einen anderen Boost-Mechanismus) an und los geht's ... Sie müssen unterwegs nicht viel lenken.

Bei gesponnenen Abschnitten ist das sehr wichtig. Außeraxiale Beschleunigungen, wie sie beispielsweise durch das Drehen des Schiffs verursacht werden, haben alle möglichen sehr unangenehmen Auswirkungen und belasten Ihre Lager definitiv stark und ungleichmäßig. Schalten Sie die Rotation vor dem Wenden aus!

(Außerdem sind Teilkurven bei hohen Geschwindigkeiten eine schreckliche Idee, da Hochgeschwindigkeitsschrot an Ihrem Schild vorbeirutscht und Ihr Schiff zerstört. Wenden Sie sich nicht bei hohen Geschwindigkeiten. Interstellares Fliegen sollte in geraden Linien erfolgen.)

Wenn ja, wie kann es den Coriolis-Effekt an Bord beeinflussen, wenn es so schnell reisen würde, und die physischen Probleme, die es für das Schiff verursachen würde.

Wichtiger Hinweis: Die künstliche Schwerkraft wird durch die Zentrifugalkraft bereitgestellt, nicht durch die Corioliskraft. Ersteres wirkt sich auf alle Objekte in einem rotierenden Frame aus, letzteres nur auf Objekte, die einen Geschwindigkeitsvektor relativ zu diesem Frame haben (z. B. eine Person, die in Ihrem Habitatbereich herumläuft, oder ein fallen gelassenes Objekt usw.).

Solange Sie entlang der Rotationsachse Ihrer Schwerkraftdecks schieben und solange Ihre Lager stark genug sind, um der Kraft des Motorschubs und den Belastungen Ihrer rotierenden Abschnitte standzuhalten, wird es Ihnen gut gehen.

Wenn Sie Schiffe haben, die 0,6 °C erreichen können, sind rotierende Habitate nicht nur unnötig, sie sind auch kontraproduktiv. Ihr Hauptanliegen ist nicht, 1 g Beschleunigung zu bekommen, um zu verhindern, dass die Besatzung von der Schwerelosigkeit krank wird, sondern nur 1 g, um zu verhindern, dass sie sich in die neue Lackierung verwandeln. Bei einer Beschleunigung von etwa 1 g würde es etwa 200 Tage dauern, um 60 % c zu erreichen, und es würde die gleiche Zeit dauern, um für ein Rendezvous mit dem Ziel zu verlangsamen. Was Sie tun möchten, ist eine konstante Beschleunigung von 1 g für die Hälfte der Fahrt und eine konstante Verzögerung von 1 g für den Rest des Weges. Das ist sowieso so schnell wie möglich und es löst zufällig auch das Mikrogravitationsproblem vollständig.

Bearbeiten: Um die Frage direkt zu beantworten, wären etwa 3 g eine harte Obergrenze, wenn man bedenkt, dass der einzige Zweck eines rotierenden Lebensraums darin besteht, die menschlichen Passagiere gesund zu halten. Es könnte möglich sein, diese Art von Kräften über einen Zeitraum von Tagen oder länger aufrechtzuerhalten. Noch mehr, und die Herzen der Passagiere können auf keinen Fall Blut aus ihren Beinen pumpen. Es gibt derzeit die Technologie, um Lager zu bauen, die diese Art von Schlägen aushalten könnten, so dass die Lebensräume überleben können, was auch immer die Passagiere überleben können.

^{Die grundlegende Antwort ist "natürlich", aber diese Antwort kommt mit einer Einschränkung, die lautet: "Wenn Sie bereit sind, sich die Zeit dafür zu nehmen", dh wenn Sie nur mit 1/1000 g} beschleunigen, können Sie Ihre mit ziemlicher Sicherheit verlassen Rotationsabschnitte laufen, während Sie dies tun. Ihr Schiff wird sehr lange brauchen, um einen merklichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, aber Sie werden es schließlich schaffen.

Wenn Sie innerhalb von Minuten oder Stunden bis zu 0,1 c steigern möchten, ist dies eine andere Geschichte. Diese Art von Beschleunigung wird die Struktur Ihres Schiffes schon brutal belasten, ohne dass Dinge wie schwimmende Lager in seinem Design vorhanden sind, geschweige denn funktionieren.

Jede Beschleunigung, die einen merklichen Bruchteil der durch die Rotation erzeugten Pseudogravitation ausmacht, wird ein entschiedenes "Mageres" in der Nettogravitation verursachen, die von jedem Bewohner gefühlt wird.

Die Präzession ist ein Problem, das in der Entwurfsphase angegangen werden muss, um sicherzustellen, dass Schiffe auf ihrem Kurs nicht „wackeln“.

Für die Drehung benötigen Sie ein Lager. Für einen Abschnitt dieser Größe und Betriebsdauer sehe ich außer einer aktiven magnetischen / elektrischen Lagerung keine realistische Alternative. Die Vorteile dieses Typs gegenüber engsten Alternativen sind:

1- geringe bis vernachlässigbare Reibung - weniger Verschleiß / verringerte Wartung und Ausfallrisiko

2- Lücken vorne und hinten zwischen Rotor und Außenring des Lagers werden durch induktive Sensoren überwacht und durch die Steuerung kompensiert. Dies wird Vibrationen entgegenwirken, bevor sie destruktiv ansteigen. Bei einem Lager dieser Größe könnte dies eine nicht unerhebliche Menge an Kraft bedeuten, die zur Stabilisierung des Rotors benötigt wird.

Das heißt - ich denke, es wäre keine gute Idee, diese Baugruppe während der Beschleunigung / Verzögerung in Rotation zu halten. Wenn die Beschleunigung den Raumrahmen belastet, wird der Rotor des Lagers (und alles, was er stützt) in Richtung der Motoren zurückgeschoben, die wahrscheinlich seinen Kompensator überwältigen. Es würde gegen die Rückseite des Rennens schleifen und angesichts dieser Größe würde es wahrscheinlich einfach zerbrechen. Ich konnte sehen, dass es eine "verriegelte" Position hat, in der eine Art Bremssattel den Rotor immobilisiert und die strukturelle Last aufnimmt. Das bedeutet, dass der Torus vor einer harten Verbrennung heruntergedreht wird – und nach Abschluss der Verbrennung wieder auf die gewünschte Drehzahl hochgedreht wird.

Wenn es sich um eine leichtere Beschleunigung wie von einem leichten Segel oder einem Ionenantrieb handelt, ist alles in Ordnung, solange Sie sich im Kompensationsbereich des Lagers befinden.