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pkusiyuan

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[资源] Springer2012Deep Space Propulsion

1 Reaching for the Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 An Overview of Propulsion Schemes for Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Practice Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 The Dream of Flight and the Vision of Tomorrow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Becoming a Spacefaring Civilization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 The Promise of the Future . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Why We Shouldn’t Go Out into Space. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Why We Should Go Out into Space. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6 Practice Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Fundamental Limitations to Achieving Interstellar Flight. . . . . . . . . . . . 27
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 How Much Speed Is Required to Reach the Stars? . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 How Much Energy Is Required to Reach the Stars? . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Practice Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4 Aviation: The Pursuit of Speed, Distance, Altitude, and Height. . . . . . 39
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 The History of Propulsion in Aviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 The Physics of Aviation Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4 Practice Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5 Astronautics: The Development and Science of Rockets . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 The History of Propulsion in Rocketry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
xv
5.3 The Physics of Rocket Propulsion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.4 Rockets for Space. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5 Practice Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6 Exploring the Solar System and Beyond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2 Near Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.3 The Colonization of Mars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.4 Other Planetary Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.5 Mining He-3 from the Gas Giants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.6 The Outer Solar System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.7 Practice Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7 Exploring Other Star Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.2 The Stars and the Worlds Beyond. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.3 The Discovery and Evolution of Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.4 Practice Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8 Solar System Explorers: Historical Spacecraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.2 Precursor Mission Probes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.3 Pioneer Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.4 Voyager Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.5 Galileo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8.6 Ulysses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.7 Cassini-Huygens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.8 Deep Space 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.9 Cosmos I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.10 New Horizons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.11 Dawn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.12 Interstellar Boundary Explorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.13 Summary Discussion on Probe Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.14 Practice Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9 Electric and Nuclear-Based Propulsion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.2 Electric Propulsion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.3 Nuclear Thermal and Nuclear Electric Propulsion. . . . . . . . . . . . . . . 144
9.4 The Interstellar Precursor Probe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.5 The Thousand Astronomical Unit Mission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
xvi Contents
9.6 The Innovative Interstellar Explorer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.7 Project Prometheus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.8 Practice Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
10 Sails & Beams. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.2 Solar Sailing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
10.3 The Interstellar Heliopause Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
10.4 Interstellar Probe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
10.5 Beamed Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
10.6 Beamed Microwaves and Starwisp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
10.7 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
11 Nuclear Fusion Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
11.2 Fusion: The Holy Grail of Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
11.3 Fusion Power for Space Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
11.4 The Enzmann Starship. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11.5 Project Daedalus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
11.6 Project Longshot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
11.7 Project VISTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
11.8 Discovery II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
11.9 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
12 External Nuclear Pulse Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
12.2 Nuclear Pulse Detonation and Project Orion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
12.3 The Medusa Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
12.4 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
13 Towards Relativistic Propulsion: Antimatter
and the Interstellar Ramjet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
13.2 Relativity in Space Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
13.3 The Interstellar Ramjet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
13.4 The Bussard Ramjet Spacecraft Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
13.5 Matter-Antimatter Annihilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
13.6 The AIMStar Spacecraft Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
13.7 The ICAN-II Spacecraft Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
13.8 Practice Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Contents xvii
14 Aerospace Design Principles in Interstellar Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
14.2 Principles of Aerospace Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
14.3 Systems Engineering Approach to Concept Design Studies . . . . . 238
14.4 Technology Readiness Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
14.5 A Concept Design Problem for a Precursor Mission Proposal . . 244
14.5.1 Scoping Concept Design Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
14.5.2 Concept Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
14.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
15 The Scientific, Cultural and Economic Costs
of Interstellar Flight. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
15.2 The Advance of Science. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
15.2.1 Planetary Physics, Including Terrestrial
and Giant Planets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
15.2.2 Stellar Physics, Including Different Spectral Types . . . . 265
15.2.3 The Presence and Evolution of Life. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
15.2.4 The Physics of the Interstellar Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
15.2.5 The Physics of the Kuiper Belt and Oort Cloud
Layers of Different Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
15.2.6 Galactic Structure, Cosmology
and the Global Picture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
15.2.7 Exotic Physics, Including Gravitational Issues . . . . . . . . . 267
15.2.8 Engineering Design Issues Such as Spacecraft
Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
15.3 Cultural Growth and the Rise and Fall of Civilization . . . . . . . . . . 271
15.4 The Economics of Space Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
15.5 Practice Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
16 The Role of Speculative Science in Driving Technology . . . . . . . . . . . . . 287
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
16.2 The Connection between Science and Fiction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
16.3 Breakthrough Propulsion Physics and the Frontiers
of Knowledge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
16.4 NASA Horizon Mission Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
16.5 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
17 Realising the Technological Future and the Roadmap
to the Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
17.2 International Co-operation in the Pursuit of Space . . . . . . . . . . . . . . 306
xviii Contents
17.3 Establishing Precursor Missions and the Technological
Roadmap for Interstellar Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
17.4 Project Icarus, Son of Daedalus, Flying Closer
to another Star . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
17.5 The Alpha Centauri Prize. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
17.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
18 From Imagination to Reality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Epilogue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
Appendix A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Appendix B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
Appendix C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
Appendix D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

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