Wie würde der Tachometer eines interstellaren Raumschiffs funktionieren, wenn sich alles andere bewegt?

Ein Raumschiff könnte die Rot/Blau-Verschiebung von Sternen um sich herum messen.

Dazu wäre eine Datenbank mit "in Ruhe" gemessenen Lichtfrequenzverteilungen von Sternen erforderlich. Der Vergleich der beobachteten Werte von Sternen in verschiedenen Winkeln relativ zum Schiff würde sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung des Schiffes ergeben (die maximale Blauverschiebung ist die Richtung, in die Sie fahren). Durch die Einbeziehung der Relativitätstheorie in die Berechnung sollte dies für Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit funktionieren auch.

Innerhalb eines Planetensystems ist Ihre Geschwindigkeit normalerweise langsam genug, dass die Messung der Position der Sterne und Planeten funktionieren sollte.

Im Weltraumkampf zählt nicht die absolute Geschwindigkeit, sondern nur die relative Geschwindigkeit und vor allem die Beschleunigung. Dafür sollten Gyroskope und Laser funktionieren.

Das Raumschiff bewegt sich (vermutlich) von einem Punkt zum anderen.

Das heißt, die einzige relevante Information ist die Entfernung vom Abfahrtsort und/oder die Entfernung zum Zielort.

Ihr Tachometer gibt Ihnen eine Geschwindigkeit an, die in Entfernung pro Zeit gemessen wird. Nun, vorausgesetzt, Sie können die Entfernung zu Ihrem Ziel messen, können Sie zwei Messungen vergleichen und die Delta-Entfernung in der Zeit zwischen den Messungen erhalten.

Das ist deine Geschwindigkeit. Jetzt brauchen Sie nur noch ein Display, auf dem diese Nummer angezeigt wird.

Für eine nützliche Navigation möchten wir mehrere Geschwindigkeitsvektoren kennen

Angenommen, die Physik der realen Welt verwendet tatsächlich Orbitalbahnen anstelle der "Warp-to-Target" -Navigation:

1. Geschwindigkeitsvektor zur aktuellen Position des Ziels. Dies ist sehr relevant, wenn Sie sich bereits in der Nähe des Ziels befinden und versuchen, die Geschwindigkeiten für ein Rendezvous-Manöver anzupassen. Es ist viel weniger relevant für das Abfangen über große Entfernungen, da sich das Ziel auch entlang einer Umlaufbahn bewegt und daher das ständige Fahren auf das Objekt zu nicht der effizienteste Weg ist, um das Objekt zu erreichen.

2. Ihr Orbitalgeschwindigkeitsvektor relativ zum dominierenden Gravitationsfeld, in dem Sie sich bewegen. Auf diese Weise können Sie Ihre Umlaufbahn mit ziemlich guter Genauigkeit vorhersagen, vorausgesetzt, Sie treffen unterwegs nicht auf andere massive Körper. Beachten Sie, dass Umlaufbahnen hyperbolische Trajektorien enthalten, wie z. B. die Flucht aus der Umlaufbahn eines Planeten.

3. Ihr Geschwindigkeitsvektor relativ zur Oberfläche eines Körpers, den Sie umkreisen. Dies berücksichtigt die Drehung des Körpers um seine eigene Achse und ist sehr relevant für Dinge wie Landungen oder beispielsweise das Zeichnen des Pfades Ihres orbitalen Bombardement-Lasers über die Oberfläche.

Wie würden diese Vektoren gemessen?

1. Erhalten Sie Informationen über unsere Bewegung relativ zu einem Beobachter wie der Erde. Dies wäre die wahrscheinlichste Betriebsweise in einer typischen Raumfahrtgesellschaft, da wir ein Netzwerk von Beobachtungspunkten und Kommunikationsrelais hätten, die ständig alle Objekte im System verfolgen.

2. Für eine isolierte Navigation besteht eine Möglichkeit darin, Übertragungen von bekannten Pulsaren zu verwenden , um die Position zu berechnen.

3. Eine andere Möglichkeit besteht darin, etwas anderes zu finden, das sich entlang einer bekannten Umlaufbahn bewegt, und zu beobachten, wie es sich bewegt. Dazu müssen wir entweder ziemlich nah am Objekt sein oder wirklich gute Sensoren haben.

Ein motivierendes Beispiel dafür, wie diese Geschwindigkeitsvektoren verwendet werden würden

Um ein Gefühl dafür zu vermitteln, wie dies in der Praxis funktionieren würde, ist es hilfreich, die Hohmann-Transferbahn zu betrachten , die eine effiziente Möglichkeit darstellt, ein anderes Objekt abzufangen, das sich in derselben Ebene in einer Umlaufbahn um denselben Körper bewegt. Dies ist die Art von Manöver, die Sie zum Beispiel verwenden würden, um von einem Planeten auf einen anderen zu wechseln. Die Zeit zum tatsächlichen Abfangen wird nicht nur durch die Entfernung zwischen den Zielen bestimmt (die sich ändert, wenn sie sich in ihren Umlaufbahnen bewegen), sondern hängt von mehreren Dingen ab:

1. Es braucht Zeit, um die richtige Orbitalphase für den Transfer zu erreichen. Dies ist eine „Wartezeit“, bevor Sie überhaupt mit dem Manöver beginnen. In dieser Phase kümmern wir uns um unsere Umlaufgeschwindigkeiten (und damit um unsere Umlaufbahnen), da diese den richtigen Punkt für die Durchführung des Transfers bestimmen.

2. Es braucht Zeit, um sich dem Objekt tatsächlich zu nähern. Dies ist die tatsächliche Dauer der Transferumlaufbahn und die engste Analogie zur „Reisegeschwindigkeit“.

3. Sobald Sie sich Ihrem Objekt nähern, können Sie die Geschwindigkeit anpassen. Hier wird die Zielgeschwindigkeit endlich nützlich. Sobald Sie die Geschwindigkeiten größtenteils angepasst haben, folgen Sie wahrscheinlich auch mit einem Manöver direkt auf das Objekt zu. An diesem Punkt sind die Abstände und relativen Geschwindigkeiten im Vergleich zu Umlaufbahnen sehr gering, sodass die Schwerkraft größtenteils vernachlässigbar ist und wir so tun können, als ob die Dinge eher dem intuitiven Bild von frei im Raum schwebenden Dingen entsprechen.

Fairer Haftungsausschluss, alles, was ich über Orbitalmechanik weiß, habe ich durch das Spielen von Kerbal Space Program gelernt. Obligatorisches xkcd .

Nehmen wir an, Sie reisen mit einem nennenswerten Bruchteil von C. Die Chancen stehen gut, dass Sie eine Art Abschirmung haben, damit die Vorderseite Ihres Schiffes (und dann die Vorderseite von Ihnen) nicht vom interstellaren Medium abgerieben wird. Könnten Sie eine Art Messgerät finden, das die Aktivität dieses Schilds nutzt? Könnten Sie das dann mit einer bekannten Dichte des interstellaren Mediums kombinieren?

Es ist ganz einfach: Sie brauchen nur einen genauen Beschleunigungsmesser . Dies ist als Trägheitsnavigationssystem bekannt .

Die Beschleunigung ist ohne externe Referenzpunkte messbar. Stellen Sie einfach sicher, dass Sie Ihre Startgeschwindigkeit messen$v_0$genau, wenn Sie noch aus dem Sonnensystem heraus navigieren, bevor Sie den Warp-Antrieb einschalten. Von da an schauen Sie einfach auf den Beschleunigungsmesser und berechnen Ihre neue Geschwindigkeit aus der gemessenen Beschleunigung: für jede Sekunde Beschleunigung bei$a\;ms^{-2}$, fügst du hinzu$a$zu$v_0$.

Wenn Sie auf komplizierte Weise beschleunigen, benötigen Sie einen Beschleunigungsmesser pro Achse. Wenn Sie sich einem Planeten nähern, müssen Sie die Schwerkraft des Planeten korrigieren, aber dann haben Sie eine externe Referenz, sodass Sie neu kalibrieren können.

Wenn Sie eine ausreichend fortgeschrittene Rasse sind, kann es vorteilhaft sein, eine Reihe von "Beacons" zu platzieren, die mit bekannten Frequenzkombinationen pulsieren.

Die Leuchtfeuer müssten aufgrund der Einschränkungen unserer Signalübertragungstechnologie (wir sind noch nicht so mächtig wie die Sterne) sehr nahe beieinander liegen (in interstellaren Begriffen), aber dieses System könnte verwendet werden, um bekannte Autobahnen durch den Weltraum aneinander zu reihen wobei die Beacons sowohl als „Meilen“-Marker als auch als GPS-Satelliten fungieren.

Die relative Stärke der Signale verschiedener Beacons kann verwendet werden, um den Standort im Weltraum zu berechnen, und wenn Sie diesen Ansatz mit Cyrus 'Antwort auf die Rotverschiebung koppeln, erhalten Sie auch eine etwas genauere Geschwindigkeit. „Geschwindigkeit“ wird dann zu einem relativen Wert zu diesem Netzwerk von Beacons.

Offensichtlich funktioniert dieser Ansatz in einem Sternsystem nicht, es sei denn, Sie haben eine unbegrenzte Menge an Delta-V, mit der Sie die Baken an Ort und Stelle halten können, aber wenn Sie sich im System befinden, können Sie Signale verwenden, die von bekannten Himmelskörpern (wie der Erde) gepumpt werden ) um die Geschwindigkeit zu berechnen. Jedes Netzwerk im interstellaren Raum muss sich gelegentlich aufgrund der relativen Bewegung der Sterne verschieben, aber jedes System, das die Sterne als Referenz für interstellare Reisen verwendet, muss dies sowieso kompensieren. Oh, und es wird teuer sein, es zu bauen und zu warten, aber je nach Ihrem technischen Niveau und dem Bedarf an soliden Navigationsinformationen könnte es sich lohnen.

Noch ein Vorteil: Wenn Sie mindestens 66 verschiedene Beacon-Pfade haben, können Sie einige fantastische Space Diners bauen.

1. Wie würde ein interstellares Raumschiff ohne FTL- ​​oder Wrap-Fähigkeit die momentane Geschwindigkeit genau messen?

Andere Antworten implizierten, aber niemand hat die Antwort offen gesagt: Sie können KEINE absolute Geschwindigkeit messen, was im Weltraum besonders offensichtlich wird. Soweit wir das beurteilen können, gibt es so etwas nicht. Sogar auf der Erde ist Ihre "augenblickliche Geschwindigkeit" tatsächlich relativ zu ... der Erdoberfläche! (Beachten Sie, dass "Geschwindigkeit" definitionsgemäß unabhängig von der Richtung ist und für ein Schiff, das sich in 3 Dimensionen bewegt, der Richtungsvektor seiner Geschwindigkeit von entscheidender Bedeutung ist. Shades of Wrath of Khan! )

Wenn das genaue Timing nicht wichtig ist, wie z. B. das Planen eines komplizierten "Schlachtfeldes" oder das (ziemlich langsame) Wechseln zwischen Planeten innerhalb eines Sternensystems, können Sie normalerweise davon ausgehen, dass sich Ihre Planeten nicht bewegen. Nur die relative Geschwindigkeit zwischen den Sternen könnte überhaupt von Interesse sein , und auch das wäre selten der Fall. Die relative Position im dreidimensionalen Raum könnte von Interesse sein, da zwischen zwei Sternen mit ähnlichen X- und Y-Koordinaten ein beträchtlicher Z-Achsen-Abstand bestehen könnte.

Sie haben nicht gefragt, aber glücklicherweise wurden einige gute Vorschläge zur Messung der Relativgeschwindigkeit gemacht.

In der Praxis würden Sie wahrscheinlich eine Kombination von Dingen verwenden, um Ihre Geschwindigkeit zu beschreiben, abhängig von Ihrer Technologie, Ihrem Standort und Ihrer relativen Geschwindigkeit; (Fortsetzung in der Erklärung für Nr. 2).

2. Wenn die momentane Geschwindigkeit für die Raumfahrt nutzlos ist, welche Art von Messung würde dann stattdessen verwendet werden? (z. B. Lichtjahr statt Meilen oder Kilometer etc.)

Das hängt davon ab, wie "schnell" Sie relativ zu anderen Körpern im Weltraum (die Ihnen wichtig sind) fahren, dh von Ihrem "Delta v (Elocity)". Einige Beispiele könnten sein:

• kleine Geschwindigkeiten/kleine Objekte – Meter/Sekunde bis zu km/h – typischerweise für kleine Boote, Weltraumwanderer und kleine bis mittelgroße Schiffe, die sich Luftschleusen, Raumstationen oder anderen Schiffen nähern, Raketen
• Fahrten innerhalb des Sternsystems - wahrscheinlich in km/h bis km/s, was je nach Schubtechnologie und Reisezeit sehr groß werden kann. Sie würden zwischen /h oder /s wählen, je nachdem, wie lange es unterwegs ist oder wie groß die Zahl sein soll, die es aussehen soll. Zum Beispiel verließ die New Horizon-Sonde zum Pluto (bisher schnellstes Schiff) die Erde mit 58.000 km/h, was etwa 16 km/s entspricht.
• interstellares Kreuzen - könnte das gleiche sein wie innerhalb des Sternensystems, aber wahrscheinlich möchten Sie, dass es in km / s ausgedrückt wird, weil Sie viel schneller fahren möchten als sogar New Horizons. Hoffentlich haben Sie eine Art kontinuierliche Beschleunigung, und in diesem Fall bewegen Sie sich (relativ zu Ihrem Startort) viel schneller als sogar New Horizons.
• Lichtjahre - ohne einen fortschrittlichen, nicht-newtonschen (dh "unmöglichen") Weltraumantrieb müssen Sie niemals die Geschwindigkeit in Lichtjahren messen , es sei denn, Sie versuchen, niedlich zu sein. zB "Lichtjahre/Jahrhundert"
• Rot/Blau-Verschiebung oder C – Auf halbem Weg durch Ihre jahrzehnte-/jahrhundertelangen Reisen finden Sie es vielleicht praktisch, den Rot/Blau-Verschiebungsprozentsatz einer Reihe von „stellaren Leuchtfeuern“ oder sogar Ihres Zielsterns zu verwenden, da Ihr Verwandter Die Geschwindigkeit könnte ein erheblicher Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit sein ... wenn Sie die ganze Zeit über eine erhebliche Beschleunigung haben. Oder verwenden Sie einfach Brüche oder Prozentsätze von C (Lichtgeschwindigkeit), um es zu vereinfachen und für die meisten Menschen verständlicher zu machen. B. 93 % C oder 0,93 C
• Entfernungen können den Gameten von Metern über Kilometer bis hin zu Tausenden oder Millionen von Kilometern bis zu Lichtjahren führen (denken Sie daran, dass Lichtjahr nichts mit der Zeitmessung zu tun hat, es ist nur die Entfernungseinheit, die angibt, wie weit Licht in einem Jahr zurücklegt, dasselbe wie ein Meter ist die Strecke, die Licht in einem Bruchteil einer Millisekunde zurücklegt)

• Sie möchten sicherlich die Entfernung zwischen Sternen in Lichtjahren messen. Früher war es üblich, Parsecs zu verwenden, aber das ist sehr Sol-zentriert.

• Beschleunigung – wahrscheinlich in Quadratmetern pro Sekunde für bekannte Technologien, oder wie allgemein ausgedrückt, vielleicht in „Schwerkraft“, wobei 1 G = 9,8 m/s/s – die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft auf Meereshöhe am Äquator auf der Erde. Dies wäre jedoch nur erforderlich, wenn Ihre Schiffe sehr schnell beschleunigen könnten. Ungeschützte Menschen können nur wenige G, vielleicht bis zu 6 G, ohne Verletzung aushalten.

Die spezielle Relativitätstheorie besagt, dass sich die relativistische Masse eines Objekts abhängig von Ihrer Geschwindigkeit ändert. Wenn Sie die relativistische Masse eines Objekts auf Ihrem Schiff messen würden, könnten Sie Ihre Geschwindigkeit berechnen.

Diese Antwort geht davon aus, dass Newtons Bewegungsgesetze gelten:

Um ein Schiff auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen, einschließlich Geschwindigkeiten, die größer als die Lichtgeschwindigkeit sind, wird Energie benötigt, um das Schiff zu beschleunigen. Wenn die ungefähre Masse des Schiffes bekannt ist, der Energieverbrauch Ihres Antriebssystems bekannt ist und Ihre Effizienz bekannt ist, können Sie Ihre Beschleunigung und damit die aktuelle Geschwindigkeit bestimmen.

Moderne Auto-Motorsteuerungssysteme können die Kraftstoffmenge überwachen, die in den Motor gelangt, und wir können mit bestimmten grundlegenden Tests die ungefähre Kraftstoffeffizienz bestimmen. Auf dieser Grundlage können wir bei bestimmten Fahrzeugen die Beschleunigung und damit die Geschwindigkeit anhand des Kraftstoffverbrauchs ermitteln.

Dies hat keine Grundlage in der relativistischen Physik und basiert hauptsächlich auf der Newtonschen Physik. Dies ist wahrscheinlich eine gute Sache, denn wenn wir davon ausgehen, dass wir die Lichtgeschwindigkeit mit vernünftigen Mitteln brechen können, ist die relativistische Physik fragwürdig.