Расчёт скорости светового паруса

Хотя в романе «Революционер на паровом ходу» ( http://SteamAge.ru/go/rosd ) не говорится прямо, какова именно конструкция звездолёта инопланетян, но по некоторым побочным оговоркам можно сделать вывод - скорее всего это межзвёздный парусник.

Корабль без двигателя и топлива. Раскинувший свои тончайшие паруса в невесомости на десятки километров. Улавливающий свет и на световом потоке звёзд устремляющийся в путь - до другой звезды. Движение даром - с околосветовой скоростью.

Но ведь скорость света недостижима. Какую разумную скорость смог бы развить такой звёздный парусник? И ещё более важный вопрос - как долго длился бы разгон до нужной скорости? Ибо если нам придётся черепашьими шагами века разгоняться, то идея бесплатного полёта на световом парусе очевидно вылетает в трубу.

Для простоты будем полагать движение равноускоренным. Ускорение постоянное и, разумеется, будет 1g, что для обитателей планеты Земля, как известно, равно 9.81 м/с². А вот скорость нам нужно развить 1000 км/с. Это теоретический предел скорости для реактивного двигателя, какой бы хитрой ни была его конструкция, и каким бы абсолютным топливом он ни питался.

Почему? Да потому, что невозможно лететь быстрее скорости истечения газов из сопла, а у этой скорости, оказывается, есть предел в те самые 1000 км/с. Опять спрашиваете почему? Так ведь каким бы газ ни был, а состоит он из молекул. А у молекул скорость взаимодействия конечна. И чтоб заставить их бурлящий поток разогнаться даже до тех самых 1000 км/с нужен взрыв сверхновой. Вот во время такой звёздной катастрофы внешняя оболочка срывается со звезды именно с такой скоростью. Чтобы проталкивать молекулы ещё быстрее, уже нужна энергия взрыва ядра галактики. Но даже при таких невообразимых затратах энергии зафиксированная астрономами скорость потока вещества всего лишь немногим более 3 тысяч километров в секунду. И это в катастрофе даже не звёздного, а галактического масштаба. Думаю, это вполне наглядно объясняет, почему мы не можем даже надеяться превысить эту скорость в наших реактивных двигателях, какими бы совершенными они не стали в далёком будущем.

Если наш парусник сможет достигать такой же скорости, то его проект вполне обоснован. Ведь скорость та же, что у лучшей ракеты, а вот топлива не нужно. Выгода! Но если не сможет - нет смысла и возиться с этими тихоходными парусами. Так за какое же невообразимо долгое время мы сможем разогнать наш световой парус до требуемой скорости?

Основная формула равноускоренного движения:

где:
v = конечная скорость
a = ускорение
t = время

Ускорение и конечная скорость заданы условиями задачи. Тогда время:

Что лишь немногим больше 1 земного дня. Ибо в земных сутках 86 400 секунд ровным счётом.

Ну а если попытаться разогнать световой парус до... Нет, конечно до полной скорости света мы его разгонять не будем. Ибо при этом, согласно теории относительности, бесконечно возрастёт масса. А время замедлится до полной остановки. Но вот до половины скорости света можно провести приблизительный расчёт, пренебрегая формулами Эйнштейна. Тогда:

То есть разгон до половины скорости света займёт без малого год. Зато потом долетим от Земли до, скажем, Сириуса всего за 19 лет. Можете сравнить этот срок с плаванием Магеллана (3 года) или знаменитым на Руси хождением Афанасия Никитина за три моря (6 лет). То есть срок вполне разумный. Значит, так и летим?

Улететь-то так предлагалось ещё по американскому проекту начала 1980-х годов. Посылать собирались парус из сверхтонкой плёнки, так что общий вес аппарата составил бы всего 20 граммов. С орбиты Земли этот невесомый аппарат разгонял бы сверхмощный лазер. И не прошло бы и двух пятилеток, как ближайшая к нам звезда, а это Проксима Центавра, была бы достигнута. Вот только земной посланец пролетел бы сквозь систему звезды без остановки, уносясь в бескрайний космос. Почему? Да потому что затормозить гигантскую скорость ему нечем.

Даже для исследовательской миссии автоматического аппарата такое признали неприемлемым. Аппарат должен стать спутником звезды, облететь все крупные планеты. Прислать их фотографии на Землю. Вот это расширит наши познания о Вселенной. Вот тогда от этой авантюры будет польза для развития земной науки. А просто запулить уникальную техническую игрушку в бесконечность пространства - нет, извините, но это слишком дорогостоящая, а главное бессмысленная забава.

А теперь представьте себя членом экипажа торгового звёздного парусника. С орбиты родной планеты ваш корабль разгонят лазером за год. Но когда вы достигнете чужой планеты - найдётся ли там лазер, способный затормозить ваш немыслимо быстрый полёт? А даже если найдётся, то захотят ли тамошние обитатели целый год тратить прорву энергии - ради вас? Ради чужаков, которых они может в гости и не звали?

Совсем иначе развивается полёт медленного звёздного парусника. Разгонять его недолго, стало быть затраты энергии планетой разительно меньше. А при совпадении обстоятельств, можно стартовать и вовсе не тратя свою энергию. Правда обстоятельство для этого потребуется исключительное - вспышка новой или сверхновой. В этот катастрофический период своего существования звезда сбрасывает с себя внешнюю оболочку, которая разлетается со скоростью 1000 км/с - той самой скоростью, которую мы заложили в расчёт медленного парусника.

Важный вывод: пожалуй, для торгового корабля ждать вспышки новой не самая лучшая идея. А вот корабль переселенцев, покидающих свою родную планету навсегда, скорее всего как раз и вынужден сделать это из-за вспышки. Вот вам и отличная идея для нового фантастического сюжета.

Но как мы уже знаем, в конце пути придётся как-то тормозить. Как же?

Разворачиваем снова световой парус - но теперь он ловит лучи целевой звезды. И они день за днём тормозят нашу безумную скорость. До такой, когда на наш парусник уже начинают ощутимо воздействовать гравитационные силы местного светила и планет. И дальше нам остаётся проложить курс к одной из них, используя гравиманёвры, как это уже десятки лет делают наши земные космические аппараты в нашей родной солнечной системе.

Недостаток в том, что полёт будет весьма долгим. Достоинство в том, что не зависим от милости принимающей стороны.

Похоже это выбор осторожного торговца. Однако путешествие от Сириуса до Земли заняло бы более двух с половиной тысяч лет. Нереально? Или лучше сказать - нерентабельно?

Вот именно от рентабельности и нужно плясать в торговле. Если приз действительно ценен (а уж всякими полезными ресурсами наша родная Земля богата, и мы сами их уже заботливо складировали на поверхности - прилетайте, загружайте ваши бездонные трюмы), то и срок в 26 веков преодолим. Как именно? Например, автоматическое управление. Анабиоз, который вполне доступен самым обыкновенным земным лягушкам без малейшего вреда их здоровью. Наконец, мы мыслим людскими категориями. А если летят мифические бессмертные эльфы? Не верите в бессмертие сложных организмов даже в фантастике? Хорошо, вот Вам вполне земные морские черепахи, живут по 3 века. Укомплектуйте экипаж парусника рептилоидами, потомками тех черепах. Кстати, такое уже сделал замечательный научный фантаст прошлого Иван Ефремов в своей новелле "Звёздная бестия", весьма рекомендую к обязательному прочтению.

Но 26 веков только в один конец. Загрузка на месте займёт ещё 2 - 3 века, ведь загрузить придётся миллиарды тонн. А ради меньшего и лететь никакого смысла. И путь домой, столь же долгий как дорога сюда. Пять с половиной тысячелетий в полёте. Да на родной планете космического торговца за это время всё может перемениться...

Да неужели? Ну-ка взглянем в собственную историю - неужто со времён Античности, наша цивилизация отказалась от потребления ресурсов? Что-то незаметно. Напротив, ресурсов нужно всё больше. И в Ренессанс мы были ещё безмерно далеко от космических полётов, а что в любом будущем ресурсы для промышленности будут нужны, уже тогда было очевидно всякому.

И чем у нас ресурсов больше - тем лучше!

Потому если технология и промышленность позволяют соорудить космический грузовик и послать его через тысячелетия - то конечно же пошлют. Лети, дорогой, и привези нам ресурсов для нашей промышленности, да побольше.

Наконец, мы использовали ещё не все резервы - срок полёта можно сократить. Например, наш торговый парусник может быть разогнан орбитальным лазером до скорости в 3 000 км/с. Это в 100 раз меньше скорости света, но втрое быстрее самой быстрой ракеты, которую ещё даже не построили. Как нетрудно подсчитать, уйдёт на этот разгон всего 4 дня. Да, придётся предусмотреть тормозные двигатели. Зато полёт от Сириуса до Земли займёт уже всего 9 веков. Или 3 полных черепашьих жизни. Полная дорога с учётом времени загрузки всего около 2 тысяч лет. 7 черепашьих жизней. Долго, но вполне реально, особенно когда груз это ценнейшие редкоземельные руды, без которых промышленность родной планеты остановится - а вот этого допускать ни в коем случае нельзя. А если добавить к этой дикой черепашьей силе природы продвинутую медицину, то...

Неудивительно, что в романе

экипаж грузового звездолёта составляют именно долгоживущие рептилоиды. Жизнь которых, быть может, поддерживается все 2 тысячи лет полёта. А за такое долгожительство немало людей продали бы душу дьяволу, а не только подписали бы контракт на межзвёздный полёт.

Возможно потомкам обезьян не светит рассекать пространство световыми парусами. Не светит из-за слишком короткой продолжительности жизни. Но даже у нас на Земле живут существа-долгожители, для которых путешествие до соседней звезды срок пусть долгий, но вполне реальный.