一定の加速下での宇宙旅行

一定加速度による宇宙旅行は、従来の化学ロケットによって生成される短く衝動的な推力ではなく、一定加速度を生成する推進システムを使用する仮想的な宇宙旅行方法です。旅程の前半では、推進システムは宇宙船を目的地に向かって一定に加速し、旅程の後半では宇宙船を一定に減速します。^{[1]一定加速度は}相対論的な速度を達成するために使用でき、^{[2] [3] [4]人間の}恒星間旅行を実現する潜在的な手段となります。この旅行モ​​ードはまだ実際には使用されていません。

一定加速には主に 2 つの利点があります。

• これは惑星間および恒星間旅行の最速の形態です。
• 独自の人工重力を作り出し、乗客を微小重力の影響から守る可能性がある。

定推力軌道と定加速度軌道はどちらも宇宙船がエンジンを連続的に噴射することを伴います。定推力軌道では、^[5]燃料の使用により機体の質量が減少するため、推進期間中に機体の加速度が増加します。定推力ではなく定加速度の機体の場合、エンジン推力は移動中に減少します。

宇宙船は、目的地にランデブーする必要がある場合（フライバイとは異なります）、旅の途中で方向を反転し、残りの行程で減速する必要があります。

一定加速度を使用する宇宙船は、星間距離を超えて光速に近づくため、時間の遅れ（船の時間と現地時間の間の時間の流れの差）を含む特殊相対性理論の効果が重要になります。 ^[7]

地球から見たときの、一定の固有加速度の下での、旅行者の時間の関数としての走行距離は、一定の固有加速度aでの固有時間τの関数としての座標距離 xによって表される。これは次のように与えられる: ^{[8] [9]}

${\displaystyle x(\tau )={\frac {c^{2}}{a}}\left(\cosh {\frac {a\ \tau }{c}}-1\right),}$

ここでc は光の速度です。

同じ状況下で、地球上で経過した時間（座標時間）は旅行者の時間の関数として次のように表されます。

${\displaystyle t(\tau )={\frac {c}{a}}\sinh {\frac {a\ \tau }{c}}.}$

定速加速の限界は適切な燃料です。定速加速は、現在利用可能な燃料よりもはるかに高い比推力を持つ燃料の開発によってのみ実現可能となります。

より高い比推力の推進には、大きく分けて 2 つのアプローチがあります。

1. より効率の高い燃料（モーター船アプローチ）。モーター船アプローチの 2 つの可能性は、核燃料と物質-反物質ベースの燃料です。
2. 船が通過するときに環境から推進エネルギーを引き出す (帆船アプローチ)。仮説上の帆船アプローチの 1 つは、帆で帆船を推進できる風と水の間の平行四辺形の力に相当するものを発見することです。

途中で燃料を補給するラムジェット方式は、宇宙船の速度が惑星基準に対して増加するにつれて効率が悪くなる。これは、燃料を宇宙船の速度まで加速しなければエネルギーを取り出せないためであり、燃料効率が劇的に低下する。

関連する問題として抗力があります。光速に近い速度で飛行する宇宙船が惑星の基準系内でゆっくりと移動する物質と相互作用すると、抗力が発生し、エンジンの加速の一部が失われます。

恒星間航行に一定の加速を使用する宇宙船が直面する 2 番目の大きな問題は、航行中に物質や放射線と衝突することです。航行の途中では、そのような衝突はほぼ光速で起こるため、結果は劇的なものになります。

宇宙船が恒星間距離にわたって一定の加速を使用している場合、惑星の基準系から見ると、旅の途中の部分で光速に近づきます。これは、相対性の効果が重要になることを意味します。最も重要な効果は、船のフレームと惑星のフレームで時間の経過速度が異なるように見えることです。つまり、2 つのフレームで船の速度と移動時間が異なって見えるということです。

惑星の基準座標系から見ると、船の速度は光速によって制限されているように見えます。つまり、光速に近づくことはできますが、到達することはできません。船が 1 g の一定加速度を使用している場合、約 1 年で光速に近づき、約半光年の距離を移動したように見えます。旅の途中では、船の速度はほぼ光速になり、旅の終わりには 1 年かけて再び減速してゼロになります。

経験則として、1 g (地球の重力) の一定加速度の場合、地球上で測定される移動時間は、目的地までの光年単位の距離に 1 年を加えたものになります。この経験則では、計算された正確な答えよりもわずかに短い答えが得られますが、かなり正確です。

船上の人々の基準フレームから見ると、旅が進むにつれて加速度は変化しません。その代わり、惑星の基準フレームはますます相対的に見えるようになります。つまり、船上の航海者にとっては、旅は惑星の観測者が見るよりもずっと短く見えることになります。

1 gの一定加速度で、ロケットは宇宙船時間で約 12 年、惑星時間で約 113,000 年かけて銀河の直径を移動できます。旅の最後の半分が 1 gでの減速を伴う場合、旅には約 24 年かかります。旅が単に最も近い恒星への旅で、最後の半分が減速である場合、3.6 年かかります。^[10]

ジョージ・O・スミスの金星正三角形の物語に登場する宇宙船はすべて定加速度船である。通常の加速度は1Gであるが、「外三角形」では、乗組員がG負荷の影響を打ち消すためにグラバノール^[11]を投与された場合、最大5Gの加速度が可能になると述べられている。

「スカイリフト」は、ロバート・A・ハインラインによる1953年に初版が出版されたSF短編小説である。物語では、トーチシップのパイロットが地球の軌道から冥王星に飛び立ち、研究ステーションを襲った疫病の治療薬を届ける任務に就く。^[12]

ポール・アンダーソンのハード SF小説『タウ・ゼロ』には、定加速度駆動装置を使用した宇宙船が登場します。

ジョー・ハルデマンの 1974 年の小説『永遠の戦争』に登場する宇宙船は、定常加速を多用している。高加速度 (最大 25 g ) でも乗員の生命を維持するために精巧な安全装置が必要であり、人間に快適なレベルの重力を提供するために「静止」状態でも 1 gで加速する。

ラリー・ニーヴンが構築した既知宇宙の世界では、地球はバサード・ラムジェットの形で定加速ドライブを使用して、最も近い惑星系の植民地化を支援しています。未知の宇宙小説「時間を超えた世界」では、ジェローム・ブランチ・コーベル（彼自身）はラムジェットで銀河中心まで「行き」 、宇宙船の時間で150年かけて戻ってきます（そのほとんどはコールドスリープ中）。しかし、地球では300万年が経過します。

メアリー・ドリア・ラッセルの『スパロー』では、小さな小惑星を一定加速の宇宙船に改造することで恒星間旅行が実現します。小惑星自体から採掘された物質を燃料とするイオンエンジンによって力が加えられます。

アラステア・レイノルズによるRevelation Spaceシリーズでは、恒星間貿易は、1 Gで無限に加速できる「ライトハガー」宇宙船と、それに代わる反物質動力の定常加速ドライブに依存しています。相対論的移動の影響は、いくつかの物語の重要なプロット ポイントであり、たとえばライトハガーの「ウルトラノート」乗組員の心理や政治に影響を与えています。

アーサー・C・クラークの小説『2061年宇宙の旅』では、宇宙船ユニバースは、ミューオン触媒核融合ロケットを使用して、最大推力で0.2Gの一定加速が可能です。クラークの小説「インペリアル・アース」では、微小なブラックホールと水素推進剤を使用した「漸近駆動」が取り上げられており、タイタンから地球への移動で同様の加速を実現します。

FM バスビーのリッサ・ケルゲレン・サーガの UET および Hidden Worlds 宇宙船は、 1 Gまたはそれ以上の速度 で加速できる定加速ドライブを利用しています。

ジェームズ SA コーリーのExpanseシリーズの船は定加速ドライブを使用しており、乗員に人工重力も提供します。

アンディ・ウィアーの『オデッセイ』では、宇宙船ヘルメスは定推力イオンエンジンを使用して、地球と火星の間で宇宙飛行士を輸送します。同じくウィアーの『ヘイル・メリー計画』では、主人公の宇宙船は、太陽系、タウ・クジラ座、エリダヌス座40番星の間を移動するために、定1.5G加速スピンドライブを使用します。

エルジェの漫画アルバム「タンタンの冒険」シリーズの1 つである「月面探検」には、詳細不明の「原子力ロケット モーター」を搭載した有人月ロケットが登場します。宇宙船は離陸から常に加速して乗員に一定の重力を与え、中間地点に到達すると方向転換して月に向かって常に減速します。

ジョン・G・ヘムリーがジャック・キャンベルのペンネームで書いた『The Lost Fleet』は、様々なサイズの宇宙船が定加速推進を利用して星系内を長距離移動する軍事SFシリーズです。宇宙戦闘、通信、タイミングに対する相対論的影響を考慮し、宇宙船はさまざまな編隊で活動し、火力を最大化し、受けるダメージを最小限に抑えます。このシリーズでは、重力ジャンプポイントを使用して星間を移動するためのジャンプドライブの使用や、大規模に構築されたゲート間の長距離移動に量子もつれと確率波の原理を使用するハイパーネットの使用も取り上げられています。