Насколько быстрым и безопасным может быть космический полет для людей?

12 Августа 2015, Илья Хель 36

SLS

Мы, люди, одержимы скоростью. Не так давно появились новости о том, что студенты в Германии побили рекорд самого быстрого электромобиля и ВВС США планирует разработку гиперзвукового самолета, который сможет двигаться в пять раз быстрее скорости звука — быстрее 6100 км/ч. Эти самолеты будут перевозить не людей — но не потому, что люди не могут путешествовать с такой высокой скоростью. На самом деле люди уже двигались со скоростью, превышающей 5 махов. Существует ли какой-нибудь предел, за которым наше тело уже не сможет выдержать нагрузку скорости? Текущий рекорд скорости держится уже 46 лет. Когда он будет побит?

Нынешний рекорд скорости, с которой двигался человек, принадлежит тройке космонавтов миссии «Аполлон-10». Возвращаясь на Землю после облета Луны в 1969 году, капсула астронавтов разогналась до 24 790 км/ч относительно планеты Земля. «Думаю, сто лет назад мы и представить себе не могли, что человек может двигаться в космосе со скоростью почти в 40 000 км/ч», — говорит Джим Брей из аэрокосмической компании Lockheed Martin.

Но этот рекорд мы можем побить относительно скоро. Брей является директором экипажа проекта модуля «Орион» для американского космического агентства NASA. Космический аппарат «Орион» предназначен для перевозки астронавтов на низкую орбиту Земли и имеет хорошие шансы побить 46-летний рекорд самого быстрого путешествия.

Space Launch System (SLS), новая ракета, которая будет перевозить аппарат «Орион», совершит первые миссии с экипажем в 2012 году — облет астероида, захваченного на лунной орбите — с прицелом на многомесячную миссию на Марс в ближайшем будущем. В настоящее время дизайнеры представляют типичную максимальную скорость для «Ориона» в 32 000 км/ч. Но рекорд скорости «Аполлона-10» может быть превзойден, даже если придерживаться базовой конфигурации «Ориона».

«Орион» предназначен для самых разных целей, его скорость может быть намного выше, чем мы планируем сейчас».

И все же даже «Орион» не сможет представить наш полный скоростной потенциал. «Нет никакого практического предела скорости нашего путешествия, разве только скорости света», — говорит Брей. Свет движется со скоростью в миллиард километров в час. Сможем ли мы безопасно преодолеть разрыв от 40 000 км/ч до такой скорости?

Формула

К нашему удивлению, скорость — то есть быстрота перемещения — сама по себе не является для нас физической проблемой, пока остается относительно постоянной в одном направлении. В теории люди могут — только могут и только в теории — путешествовать со скоростью чуть ниже вселенского ограничения скорости: скорости света.

Если допустить, что мы сможем преодолеть известные технологическе ограничения и построить быстрые космические аппараты, нашим хрупким водянистым телам придется иметь дело с новыми опасностями, которые вытекают из таких высокоскоростных путешествий. Возможные опасности могут появиться, если люди освоят путешествия быстрее скорости света, совершив потрясающую парадигму открытия или найдя лазейки в текущем физическом стане.

Борьба с перегрузками

Если мы разгоняемся до 40 000 км/ч, ускорение должно происходить постепенно. Быстрое ускорение и торможение могут быть смертельными для человеческого организма: телесные травмы во время дорожных катастроф появляются в процессе мгновенного падения скорости с десятков километров в час до нуля за доли секунды. Какова причина? Свойство Вселенной, известное как инерция, в результате которой объект с массой сопротивляется изменению состояния движения. Эта идея была выражена еще в первом законе движения Ньютона так: объект в состоянии покоя остается в состоянии покоя, и объект в движении пребывает в движении с той же скоростью и в том же направлении, пока на него не воздействуют внешние силы.

«Для человеческого тела постоянство — это хорошо, — объясняет Брей. — Переживать стоит только об ускорении».

Примерно век назад изобретение самолета, который может маневрировать на скорости, привело к тому, что пилоты стали сообщать о странных симптомах, сопровождающих изменения скорости и направления. Они включали временную потерю зрени и ощущения невесомости или дезориентации. Причиной были G-силы, гравитационные силы, G. Одна G равна притяжению земной гравитации к центру планеты, примерно 9,8 метра в секунду в квадрате (на уровне моря).


G-силы оказывают влияние вертикально, с головы до пят, или наоборот, и это может быть очень неудобно для пилотов и пассажиров. Кровь в ногах, которая испытывает влияние гравитационной силы, приливает к голове, когда мы делам вертикальную стойку. Глаза и веки наливаются кровью и пытаются вывалиться из орбит. И наоборот, когда ускорение свободного падения отрицательное, глаза и мозг испытывают нехватку кислорода, поскольку кровь собирается в нижних конечностях. Зрение затуманивается, становится серым, после чего может наступить полная потеря зрения, «затемнение». Высокая перегрузка может привести к обмороку, потере сознания, вызванной перегрузкой. Очень много пилотов погибло из-за невозможности видеть и последующего падения.

Центрифуга

В такой центрифуге готовят пилотов к полетам

Среднестатистический человек может выдержать высокую перегрузку в 5 G с головы до пят, после чего отрубится. Пилоты, носящие специальные костюмы и натренированные напрягать мышцы торса так, чтобы кровь не утекала из головы слишком быстро, могут управлять самолетом при 9 G. «В течение коротких периодов тело человека может переносить нагрузки выше 9 G, — говорит Джефф Свентек, исполнительный директор Аэрокосмической медицинской ассоциации в Александрии, Вирджиния. — Но выдерживать их в течение долгого времени могут далеко не все».

Если на совсем уж короткие моменты, мы, люди, можем перетерпеть перегрузку намного выше, особо не пострадав. Рекорд мгновенной перегрузки принадлежит Элаю Бидингу-младшему, капитану американских ВВС. Он ехал задом наперед на санях с ракетных двигателем в 1958 году и принял на грудь (буквально) нагрузку в 82,6 G, когда сани разогнались до 55 км/ч за одну десятую секунды. Бидинг вырубился, но отделался лишь синяками на спине, продемонстрировав невероятные возможности организма.

Прямо в космос

В зависимости от транспорта, астронавты также переживали довольно высокие перегрузки — от 3 до 8 во время взлета и входа в атмосферу соответственно. Эти перегрузки, как правило, представлены давлением силы тяжести спереди назад, благодаря разумной практике привязывания космических путешественников к сиденьям, лицом ориентированным в направлении движения. Как только аппарат набирает скорость в 26 000 км/ч на орбите, астронавты ощущают свою скорость не больше, чем пассажиры коммерческого авиалайнера.

Orion

И если G-силы не будут особой проблемой для длительных миссий «Ориона», небольшие космические камешки — микрометеориты — вполне могут быть. Эти камешки размером с зерно движутся с невероятной разрушительной скоростью в 300 000 км/ч. Чтобы защитить судно и экипаж, «Орион» обладает защитным внешним слоем толщиной в 18-30 сантиметров в зависимости от места, а также другим экранированием и умным оборудованием. «Нам лишь нужно иметь в виду, под каким углом могут попасть микрометеориты», — говорит Брей.

Микрометеориты будут не единственной помехой для будущих космических миссий, когда люди разгонятся до высоких скоростей. В процессе марсианской миссии придется решать другие практические вопросы, включая вопрос питания экипажа и увеличения продолжительности жизней его членов вследствие радиационного воздействия. Сокращение времени путешествия, впрочем, может смягчить эти проблемы, чем быстрее, тем лучше.

Космические путешествия нового поколения

Жажда скорости приведет нас к новым препятствиям. Новейшие судна NASA, которые могут побить рекорд скорости «Аполлона-10», по-прежнему будут полагаться на проверенные временем двигательные системы химических ракет, используемые со времен первых космических миссий. Но у таких систем есть существенные ограничения скорости из-за низкого количества энергии, которую они выпускают на единицу топлива.

Итак, чтобы достичь более высоких скоростей для отправки людей на Марс и за его пределы, ученые ищут новые подходы. «Системы, которые у нас сейчас имеются, достаточно хороши, чтобы доставить нас туда, — говорит Брей. — Но хотелось бы увидеть революцию в сфере реактивного движения».

Эрик Дэвис, старший научный сотрудник Института перспективных исследований в Остине, описывает три наиболее перспективных способа — с применением традиционной физики — которые помогут человечеству достичь приличных межпланетных скоростей. Если коротко, это три явления с выходом энергии: распад, синтез и аннигиляция антивещества.

Первый метод заключается в расщеплении атомов, как это делается в коммерческих ядерных реакторах. Второй, синтез, соединяет атомы в более тяжелые атомы — эта реакция питает Солнце и наши надежды на появление устройств термоядерного синтеза, которые «всегда в 50 годах от нас».

«Это продвинутые технологии, — говорит Дэвис, — но используют традиционную физику и хорошо зарекомендовали себя с рассвета атомного века». Разнообразные двигательные системы на базе синтеза и распада атомов могут в теории разогнать аппарат до 10% скорости света — а это, извините, 100 000 000 км/ч.

Лучшим способом разогнать космический аппарат будет антиматерия, доппельгангер обычной материи. Когда два этих вида вещества вступают в контакт, они уничтожают друг друга с выходом чистой энергии. Сегодня уже существуют технологии для производства и хранения (хотя и в мизерных объемах) антиматерии. Но производство антиматерии в разумных объемах потребуют дорогостоящих заводов следующего поколения, а проектирование двигателя на антивеществе будет еще дороже. Впрочем, ученые не сидят без дела, и, как говорит Дэвис, на чертежной доске есть немало хороших проектов.

mach5

С двигателями на топливе из антивещества космический аппарат можно разгонять за месяцы или годы до очень высоких процентов скорости света, сохраняя G на приемлемом уровне для пассажиров. Но эти фантастические скорости рождают новые опасности для человеческого организма.

Энергичный град

При скорости в несколько сотен миллионов километров в час каждая пылинка в космосе, от атомов водорода до микрометеоритов, становится мощной пулей, которая устремляется в корпус аппарата. «Когда вы движетесь с высокой скоростью, с такой же высокой скоростью движется и частица по отношению к вам», — говорит Артур Эдельштейн, занимающийся эффектами влияния атомов космического водорода на сверхбыстрые космические путешествия.

Хотя на один кубический сантиметр в космосе присутствует примерно один атом, космический водород превратится в бомбардировку интенсивной радиации. Этот водород вольется в субатомные частицы, которые будут проходить сквозь корабль, облучая экипаж и оборудование. При скорости в 95% световой, облучение почти мгновенно станет смертельным. Корабль раскалится до температуры плавления любого мыслимого материала, а вода в телах членов экипажа моментально вскипит. «Это довольно неприятные проблемы», — едко замечает Эдельштейн.

Вместе с отцом он подсчитал, что в отсутствие гипотетического магнитного экрана, который будет отражать весь смертельный водород, звездный корабль сможет двигаться лишь в половину скорости света, не подвергая опасности членов экипажа.

apollo 10

Марк Миллис, физик двигательных систем и бывший глава программы прорывной физики реактивного движения NASA, предупреждает, что такой потенциальный предел скорости движения человека остается весьма отдаленной проблемой. «Если основываться на уже проверенной физике, скорости выше 10% световой будет очень сложно достичь, — говорит он. — Пока мы в безопасности. С таким успехом мы должны переживать о возможности утонуть, когда даже до воды еще не добрались».

Быстрее света

Допустим, мы научились плавать, продолжая аналогию, сможем ли мы когда-нибудь покорить волны пространства-времени и начать путешествовать со сверхсветовой скоростью?

Устойчивая популярность сверхсветового движения, которая хотя и остается сугубо спекулятивной, не обходится без вспышек в темноте. Один из любопытных сценариев сверхсветового движения включает «варп-двигатель» вроде того, что был в сериале «Звездный путь». Так называемый двигатель Алькубьерре сжимает обычное пространства-времени, описанное эйнштейновской физикой, перед космическим кораблем, расширяя его позади. В результате судно остается в куске пространства-времени — варп-пузыре, пузыре деформации — который движется быстрее скорости света. При этом судно пребывает в состоянии покоя в обычном пространстве-времени, никак не нарушая фундаментальный предел световой скорости.

В чем подвох? Этот концепт требует экзотической формы материи, обладающей отрицательной массой, чтобы сжимать и расширять пространство-время. «Физика не запрещает отрицательную массу, — говорит Дэвис. — Но не знает таковых примеров и никогда не встречала ее в природе». Еще один подвох: работа ученых Сиднейского университета за 2012 год показала, что варп-пузырь будет собирать высокоэнергетические космические частицы, неизбежно взаимодействуя с содержимым Вселенной. Некоторые частицы могут проникнуть в сам пузырь, облучив корабль радиацией.

Обреченные бежать за светом

Неужели мы навсегда застряли на субсветовой скорости из-за нашей хрупкой биологии? От этого ответа зависит не только возможность установления нового человеческого (или галактического) рекорда скорости, но и перспективы нашего становления межзвездным сообществом. При скорости в половину световой, которой нас ограничил Эдельштейн, путешествие к ближайшей звезде займет 16 лет.

Но Миллис дает надежду. Глядя на то, как люди изобрели костюмы для того, чтобы справиться с высокой нагрузкой гравитации, и микрометеоритное экранирование для безопасного путешествия на потрясающей скорости, можно предположить, что мы разработаем способы преодоления скоростных барьеров одного за другим.

«Если уж технологии позволят развить доселе невиданные скорости, если будущая физика обнаружит такую технологию возможной, — говорит Миллис, — все это даст нам новые, невероятные возможности защиты экипажей».

Насколько быстрым и безопасным может быть космический полет для людей?

36 комментариев Оставить свой

  1. SKP

    Почему бы не защищать людей от радиации скафандрами? Как мы уже защищаем водолазов скафандрами от давления глубоко под водой.

    • SKP

      SKP, Тут же сам себя дополню.
      Если мы вспомним про имплантанты, биоиженерию и экзоскелеты, то и в скафандрах скоро необходимости не будет.

      • tabasko

        SKP, Тогда это уже будет на человек а киборг, разница в том что биологическую основу сознания не разогнать в постоянном потоке атомов, и как не крути мы привязанные к Земле всем телом.

        • SKP

          tabasko, "Мы привязаны к Земле всем телом" пока что, да. Думаю толстый намёк понят.

          А вот про поток атомов и прочие я что-то не понял, разве что-то нам мешает "прокачать" свой организм?

          • tabasko

            SKP, Нет со временем всё будет возможно, только мозг не заменить так как твоё сознание в твоём мозгу и останется только в

            • tabasko

              tabasko, ...Твоём мозге а поток атомов в космосе бомбордируя и проходя насквозь тело и корабль разогревает его посредством сталкивания.

              • SKP

                tabasko, Ну это уж точно не проблема. Теплоизоляция спешит на помощь. И прежде чем писать что не существует таких тепла изоляторов, вспомните, что нет никаких преград для инженерной мысли и материаловедение не стоит на месте.

            • SKP

              tabasko, Поживем увидим. Я бы не был так уверен. Когда-то люди были искренне уверены в невозможности летать, а еще раньше в том, что Земля центр всего сущего.

              • tabasko

                SKP, Я про образ мышления сформировавшийся в твоём мозге за всё время твоей жизни...
                Но, загадывать не будем поживём увидем к чему приведёт нейронная копия мозга...

                • SKP

                  tabasko, Я сторонник того, что мы ещё очень многого о себе не знаем. И, кроме того, не имеем понятия, когда ЭТО узнаем.

    • mr Vanya

      SKP, Можно. Например "скафандр" планеты Земля это её мощнейшая магнитосфера и 100 км воздуха. :-)

      • SKP

        mr, Это можно только на словах. Элементарная физика. Нужна гравитация для удержания атмосферы(которой, кстати, не 100 км).

        • mr Vanya

          SKP, Я написал "Например" для сопоставления масштабов средств и следовательно затрачиваемой энергии на защиту людей. Этих хрупких биологических задохликов.
          Куда эффективнее посылать в далёкий космос могутных роботов.

    • Mr. Clever

      SKP, Может быть потому, что существует солнечная и косм. радиация?

  2. SKP

    Про антивещество.
    Глупо полагать, что если мы уже сегодня можем получать и хранить антивещество, то мы не улучшим эти технологии и не увеличим их КПД. А учитывая закон ускоряющейся отдачи (или как-то так, суть в том, что прогресс ускоряется со временем) мы сможем создавать антивещество в количестве, достаточном для использования в сфере космических путешествий, уже в этом столетии. Так-то.

    • tabasko

      SKP, Цена одного грамма антиводорода (его создание и хранение в холодной плазме) достигает космических размеров плюс это самое опасное вещество на планете это требует дополнительных законов мер безопасности и права на использования. По мне так первым что пойдёт в ход в качестве топлива так это гелий3. Это самое энергоёмкое вещ- во на планете без радиоактивного распада.

  3. SKP

    На Земле Гелий-3 достаточно редко встретишь. Если хотите достаточно Гелия-3 придётся лететь на Луну.

    Про антивещество вы правы, но я для ясности повторюсь, что это сейчас такие условия(дорого, опасно и тп), а я сказал про обозримое будущее. Технологии не топчутся на месте.

    • tabasko

      SKP, Прекрасное далёко!...

      • SKP

        tabasko, ...не так уж и далеко! По космическим меркам.

        Кстати о радиации -
        http://hi-news.ru/science/naskolko-irracionalen-nash-strax-pered-radiaciej.html

        • tabasko

          SKP, Причём тут радиация? Я о скорости ракеты и столкновением атомов с ней на скорости хотя бы 1\10 световой.

          • SKP

            tabasko, Что мешает создать защиту от бомбардировки атомами на субсветовых скоростях?
            Например магнитную. А может и простой физический "щит" или более хитрые способы защиты от подобных нехороших вещей, о которых мы, может, и не можем помыслить в силу неразвитости.

  4. botancik

    врап двигатель может работать как защитный механизм. при разгоне с врап двишателем возможно увеличить промежуток между атомами и достич скорости света причем сам врап двигатель сможет защитить от радиации и частиц водорода.
    нащет гравиьации то еще чуть чуть и можно будет делать грави материял принцеп прост с одной стороны материи атомы с плюсом в обилии и это потолок и с другой минусовая пол (как на земле). при напряжении атомы начнут тянутся друг к другу и между ними образуется грави поле чем сильнее поток энергии тем сильнее гравиьация.
    но это только мысли .....

    • SKP

      botancik, Во-первых, варп-двигатель не может работать как защитный механизм (от радиации или от ударов частиц в вакууме), у него нет такой функциональности. Однако стоит заметить, что можно генерировать магнитное поле, покрывающее летательный аппарат, для этих целей.
      Во-вторых, с чего бы это при разгоне варп-двигателем увеличился прими жуток между атомами?
      В-третьих, варп-двигатель не достигает скорости света, он изменяет пространство-материю рядом с летательным аппаратом.
      А заключительная часть про "атомы с плюсом" и "чем сильнее поток энергии(,) тем сильнее гравиьация(гравитация)" просто ни о чём. Простыми словами, бредятина.

      • mr Vanya

        SKP, Генерация защитного магнитного поля эффективной мощности на таких скоростях приведёт к существенному эм сопротивлению и замедлению всей ракеты.

        • SKP

          mr, Будущее прекрасно тем, что мы не знаем, что нас ждет. Уверен, если мы будем двигаться в направлении варп-перемещений, найдется способ генерировать ЭМ-щит без ущерба скорости и летательному аппарату.

          • mr Vanya

            SKP, НЕ знаю, не знаю
            С точки зрения физики. ЭМ щит на световых скоростях всё равно если машина во время дождя будет стрелять вперёд из крупнокалиберного пулемёта, снося капли воды на своём пути. Отдача будет такая, что средний седан с движком 2 литра не сможет разогнаться выше 50 км час

  5. Alexx

    Автор, внимательно перечитай то, что напереводил в начале статьи. В половине мест, я уверен, напутаны мили в час и километры в час. Для справки - первая космическая скорость - 28440 км/ч. До чего там капсула разгонялась? А к Луне летали на второй космической = 40320 км/ч.

    • tabasko

      Alexx, Да не вникайте в суть написанного, читайте между строк главное основные проблемы перегрузок и методы разгона описаны, есть что обсудить.

  6. Brightside

    На что я не стилист, но, Илья, статья выглядит очень сырой.
    Орфографические и стилистические ошибки. Коллеги по цеху подсказывают, что и фактические имеются. Не ожидал подобного от вашего портала.
    В остальном, спасибо за статью. Если дайджест основан на приличных первоисточниках, то было весьма интересно.

  7. SuperStarSieve

    Короче, киборгам все легче будет, чем обычным людям.

  8. ben596

    У меня вопрос: ракеты используют топливо- используют нефть, правильно? Если да- когда закончится нефть, что НАСА будет делать?

    • amd212

      ben596, перекись азота, водород, несимметричный диметилгидрозин и т.п.

    • Deus ex machina

      ben596, Отвечу на первый вопрос. Нет, неправильно. На второй отвечать уже нету смысла.

  9. GASCII

    ну мы и так перемещаемся во вселенной с огромной скоростью .... вращение земли вокруг своей оси+ вращение земли вокруг солнца + вращение солнца вокруг центра галлактики + движение самой галлактики .... да скорость далеко не световая, но очень внушительная по земным меркам.
    И собственно скорости мы как-раз таки не ощущаем - только ускорение или замедление.

    • mr Vanya

      GASCII, И на ша вселенная в свою очередь перемещается в надвселенной со скоростью пять скоростей света.
      Проблема учёных в том, что они для своих измерений оперируют фотоном и ничего быстрее фотона пока не обнаружили.

  10. SharpEgg

    Я не увидел, но никого не смутила фраза "разогнать аппарат до 10% скорости света — а это, извините, 100 000 000 км/ч."? На секундочку, официальные документы твердят что скорость света равна 299 792 458 м / с. МЕТРОВ В СЕКУНДУ!!!! а не км/ч

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.