Про паруса. Масса корабля ещё как важна - второй закон Ньютона никто не отменял. Ускорение аппарата в любом случае обратно пропорционально его массе. Энергитическая освещённость Е, создаваемая Солнцем на орбите Земли - т.н. солнечная постоянная - составляет 1.35кВт/(м^2 ). Отсюда определяется величина давления солнечного излучения Р:
Р = Е*(1+к)/с
где к - альбедо/коэффициент отражения (равен 1 для абсолютного отражения), с - скорость света.
Вот и получается, что в этом случае давление на квадратный метр составляет всего 9 мкН.
Интересно подсчитать необходимую площадь паруса S для неподвижно висящего аппарата (т.е. не обладающего орбитальной скоростью для удержания на заданном растоянии от Солнца). Для этого нужно приравнять силу притяжения Солнца Fg и силу давления его излучения Fp. Давлением солнечного ветра я пренебрегаю - не обладаю данными его потока, а он внесёт свой вклад в силу давления на парус.
Fg = m*g = m*G*M/(r*r)
где m - масса аппарата, G - гравитационная постоянная (6.672*10^-11 [СИ]), М - масса Солнца (2*10^30 [СИ]), r - расстояние до Солнца.
Fp = k*E*S*r(1 а.е.)*r(1 а.е.)/(c*r*r)
где r(1 а.е.) - радиус земной орбиты.
Отсюда получается, что необходимая площадь S не зависит от расстояния до Солнца (сила гравитации и поток излучения убывают одинакого - обратно пропорционально квадрату расстояния) и равна:
S = m*G*M*c/(2*E*r(1 a.e.)*r(1 a.e.))
здесь и далее к=1
Для удержания одного массы, равной одному килограмму, нужна площадь 662 квадратных метра. Для удержания "висящего" аппарата массой 1 тыс. тонн нужен парус площадью 662 кв.км. Если сделать площадь в 1000 кв.км, то этот аппарат начнёт движение с ускорением:
а=(2*E*S*r(1 а.е.)*r(1 а.е.)-с*m*G*M)/(r*r*c*m)
На расстоянии 1 а.е. ускорение будет равно 0.003 м/с^2. С удалением от Солнца ускорение будет убывать. Найдём, какую скорость будет иметь аппарат при пересечении радиуса орбиты Плутона (r = 40 а.е.), если аппарат начнёт движение с 1 а.е. c нулевой начальной скоростью:
a = (Fp - Fg)/m = dv/dt = (dv/dr)*(dr/dt) = v*dv/dr
после интегрирования получим:
v*v/2 = r*r*(Fg - Fp)*(1/r - 1/r(1 a.e.))/(c*m)
в итоге скорость аппарата составит 30 км/с.
Время полёта определяется из вырыжения: dt = dr / v
Оно составит всего три года. Если увеличить площадь до 5000 кв.км., то у Плутона аппарат наберёт уже 107 км/с за 0,9 лет. А если облегчить аппарат до 100 тонн, то он разгонится аж до 360 км/с за 100 дней!
Отправлять корабль с Земли немного проще - уже есть центростремительное ускорение от орбитального вращения. Тени от планет можно не беспокоиться - при старте с околопланетной орбиты сначала обычные ракетные двигатели отведут корабль подальше. И метеорная пыль тоже не слишком фатальна, если не нарываться на плотные рои с большой разностью скоростей.
Электро-ракетные двигатели, они же плазменные, они же ионные. Обладают огромной скоростью истечения - десятки и сотни километров в секунду (у классических термохимических не больше 4.5 км/с). Но плость истекающего рабочего вещества мала, поэтому их тяга то же невысока. Однако такой двигатель можно включить на весьма продолжительное время. И при межпланетном перелёте он сможет значительно разогнать корабль. Очень перспективное направление К тому же ионные двигатели были испытаны ещё на автоматической межпланетной станции (АМС) "Зонд-2" и используются на некоторых современных АМС.
Есть вариант ядерного двигателя. В нём рабочее тело поступает на раскалённые элементы реактора, расширяется и выбрасывается через сопло, создавая значительную реактивную тягу. Удельный импульс тяги двигателя с самым выгодным топливом - водородом - около 9 км/с.
При пилотируемой экспедиции на Марс длительностью порядка полутора лет искусственная гравитация желательна, но не очень критична. Как показали длительные экспедиции на ОКС "Мир" человеческий организм может выдержать гравитацию планеты даже после годового пребывания в невесомости при проведении постоянных физических упражнений.
Для защиты от солнечной радиации достаточно будет соответствующим образом скомпоновать космический корабль и ориентировать его так, что бы жилые отсеки находились в тени его конструкции. И вообще достаточно экранировать только обитаемую часть - на это уйдёт не так уж много массы.
Очень важна экономическая оправданность освоения космоса. Период лунной гонки 60х-70х гг был гнутием понтов двух сверхдержав. Научные потребности великолепно обеспечиваются автоматами. Но в грунте Луны нашли большое содержание гелия-3, который очень подходит для термоядерной энергетики. Так что в ближайшем будущем ждите промышленного освоения Луны. На Марсе же человеку действительно пока нечего делать - Венера гораздо перспективнее, хотя и сложнее в освоении из-за современных климатических условий. Но уже объявлено, что международная марсианская экспедиция состоится в 2025-2035 году.
К вопросу об астероидной опасности. Спите спокойно. Орбиты всех крупных камней размером порядка нескольких километров уже вычислены. Пока нет никакой опасности. Вероятность падения более мелкого обломка существует, но уж очень она незначительна.
Для массивного астероида обычного термоядерного удара может оказаться совершенно недостаточно. Если импульс от взрыва придётся не в направлении на его центр масс, то камень просто раскрутится, не изменив траектории. И обычный взрыв окажет очень слабое кинетическое воздействие. Более эффективным будет подрыв зарытого заряда. Но если этот камень быстро вращается, то ничего на его поверхность доставить не удастся. А если этот камень будет достаточно маленьким и тёмным, то его заметят за две-три недели до столкновения, когда поздно будет что либо делать, кроме эвакуации населения с территории ожидаемого падения. Так что спите спокойно, пока всё в порядке, да и всё равно от вас ничего не завит А уж никакого смещения орбиты Земли тем более не будет. Что такое камень в сравнении с массой Земли (6*10^24 кг)?!
А разве будет какая-то разница? Ага, посчитай насколько ты изменишь его скорость. Возможно. С ними Земля никогда не пересечётся. Очень редко они сталкиваются.Вроде кому-то надо было - "Вояджер-2" и "Вояджер-1" были запущены в 1977г.
P.S. Прошу прощения, если я со своими кривыми пальцами и косыми глазами нагнал в вычислениях. Вывод формул я оставил - можете перепроверить.
