Существуют ли технологии искусственной гравитации?

Искусственная гравитация

Невесомость! Что может лучше отражать романтику и экзотичность космоса? В реальности это явление доставляет космонавтам и организующим полёт инженерам множество проблем: множество элементарных бытовых действий превращается в требующие особой изобретательности задачи. К счастью, в уютной космоопере есть простое решение — искусственная гравитация.

Содержание

Зачем? [ править ]

Ватсонианский обоснуй [ править ]

  • Во-первых, даже при постоянной нагрузке мышцы космонавта за недели и месяцы в невесомости теряют тонус, и известны случаи, когда космонавтов из спускаемого аппарата выносили на руках (а потом для прессы снимали постановочное видео, как они выходят оттуда твёрдым шагом, улыбаясь и помахивая публике). Тем более это важно, если речь о том, чтобы в космосе не просто передвигаться, а жить.
  • Во-вторых, многое, обычное в мире на дне гравитационного колодца, выглядит в невесомости совершенно иначе. Например, жидкость нельзя хранить в открытых ёмкостях, а отсутствие конвекции делает банальное кипячение воды намного более сложным технически процессом. А уж что там приходится творить с сантехникой… Нет, тренированный человек с этим вполне может справиться, но, если нужно возить изнеженных планетных крыс, создание близких им условий окупится.

Дойлистские обоснуи [ править ]

  • Во многих жанрах космическая экзотика идёт повествованию во вред, если её слишком много. Расписывать, как именно старший лейтенант флота Её Величества фон Берн передвигается между отсеками и чистит зубы? Нет, кому-то это, конечно, интересно. Но для тех, кто жаждет от приключений старшего лейтенанта драмы и экшена, а всякие списки кораблей пропускает, поминая недобрым словом зануду-автора — не слишком. Так что просто вводим искусственную гравитацию, и всё ОК: ходит лейтенант, громко стуча по рифлёному полу каблуками подкованных сапог и пригибаясь в низких проёмах переборок, а зубы чистит тайно и в обход устава протащенной на борт пастой «Новая Саксония» взамен положенного «Индекса 3-2» с его отвратительным металлическим привкусом.
  • В кино и сериалах (не говоря уж о театре, хотя, конечно, спектаклей, действие которых происходит на борту космического аппарата, не слишком много) невесомость — это спецэффект, дополнительные затраты бюджета и угроза получить спецдефект на выходе. Очевидный низкобюджетный флеботинум — искусственная гравитация, которую изобразить не стоит ни копейки.

Как? [ править ]

Хочешь земную силу тяжести — например тащи в космос груз массой с Землю. Даже если удастся сделать его достаточно компактным — это же надо разгонять (и тормозить)! Так что, чтобы создать искусственную гравитацию, нужно с помощью некоего флеботинума научиться получать гравитационную массу отдельно от инерционной [1] — так, чтобы взаимодействовала с массой других тел, притягивая их, но при этом не влияла на импульс корабля. Для этого нужно, чтобы инерционная и гравитационная масса в сеттинге были принципиально разными явлениями (в нашей вселенной учёные до сих пор спорят, это просто два проявления одного и того же, или по счастливой случайности где-то в суперструнах они равны при нормальных условиях, но их можно как-то разделить; автор этой правки слышал об экспериментах, подтверждавших последнюю точку зрения [2] ).

Применение [ править ]

Самый простой вариант, используемый подавляющим большинством всех космоопер — наличие некого магического устройства, генерирующего силу тяжести в ограниченном объеме и позволяющего строить корабли в такой привычной форме морских лодок с крыльями и продольно ориентированными палубами. Принципы действия и даже устройства этого механизма редко когда освещаются, и ещё реже это устройство ломается, создавая ситуации когда на корабле катастрофически отказывает буквально все, от реактора до систем жизнеобеспечения — но не система искуственной гравитации. Если хочется более приблеженный к реализму вариант, подходящий к искусственной гравитации ближе всего — вместо силы тяжести использовать ускорение. Либо разгонять (а во второй половине пути — развернуть корабль хвостом вперёд и тормозить) космический аппарат тягой двигателей так, чтобы создать нужную силу реакции опоры, т. е. вес, либо сделать жилую зону космического аппарата вращающейся: возникнет центробежная сила, которая так же сможет имитировать гравитацию (на практике доказывается попыткой раскрутить ведро с водой над головой). Второе удобно тем, что не требует траты топлива и рабочего тела, но, если аппарат маленький, вращать его придётся быстро — не смотри в иллюминатор, голова закружится (а ещё не ходи близко к оси вращения: заметная разница в силе тяжести на уровне головы и, скажем, сердца на протяжении длительного времени скажется на здоровье весьма неблагоприятно)! Ну и воду наливать придется очень интересным способом (показано в первом сезоне сериала «пространство») Другие заменители силы тяжести касаются частных аспектов: например, можно выдать космонавтам ботинки с электромагнитами, которые будут притягивать стопы к полу (не существовали в реальности), но, понятно, баланс при такой ходьбе будет совсем иной. Либо надеть на них давящий костюм, нагружающий часть мышц (в реальности существует). Пример — та же сама «Космическая одиссея 2001 года» Кубрика: стюардесса, грациозно переступающая с пола на стену и оттуда на потолок (если можно так разбить внутреннюю поверхность цилиндра). Третий вариант — забить на гравитацию и использовать сильнейшее магнитное поле. Правда тут проблема — с его помощью можно левитировать, а вот ходить ещё пока не пробовали, тем не менее, при достаточно значительных затратах энергии этот способ теоретически безопасен для живых организмов, но требует особых конструкционных материалов, иначе в лучшем случае будут крайне неприятные звуки, а в худшем при малейших неполадках — все поджарятся.

Примеры [ править ]

В сериале/книге «Пространство» гравитация как раз достигается согласно заветам дядюшки Эйнштейна — посредством непрерывного ускорения корабля. На середине своего пути корабль разворачивается и начинает ускоряться в противоположную полету сторону, таким образом замедляясь.

Где НЕ встречается [ править ]

  • «Гравитация»: вопреки названию, веса в космических эпизодах этого фильма нет, ни искусственного, ни ещё какого-либо. Гравитация-то есть — корабли же с орбиты не сходят.
  • «Живое» — происходит на международной космической станции.
  • «Игра Эндера» (в кино) — причём режиссёр подошёл к делу на редкость ответственно и учёл, что в невесомости человек даже двигается по-особому.
    • Гравитации там нет только в боевой комнате, а в остальных отсеках станции — есть. Станция при этом не вращается. Да и в книге упоминается искусственная гравитация.
    • В рассказе-обзоре гипердержав Игоря Края «Глазунья и галактика» (т. е. по сути фанфике от «Мира фантастики») у Ийона в ракете также нет искусственной гравитации. Что противоречит каноничному варианту. С другой стороны, часть юмора построена на этом.

    Где нестандартно обыграно [ править ]

    Самый простой вариант — гравитация включается и выключается каким-нибудь рубильником. В более сложном — через компьютер. Но есть варианты и поинтереснее, даже в некотором смысле претендующие на реалистичность.

    Искусственная гравитация для людей в космосе: эволюция идей, технологий, проектов

    Sergey V. KRICHEVSKY, Doctor of Philosophical Sciences, Professor, Chief Researcher, S.I. Vavilov Institute for the History of Science and Technology of the Russian Academy of Sciences (IHST RAS), ex-test-cosmonaut, Moscow, Russia, svkrich@mail.ru

    ABSTRACT. The problem of creation and application of artificial gravity for people in space is considered as a short history of ideas, technologies, projects of the XIX-XXI centuries in the paradigm of space exploration and life outside the Earth. A general definition, the description of ways to create artificial gravity, its modes are given. A brief analysis of history, periodization, classification are made. Important examples of ideas, technologies, projects are proposed. The realities and prospects are described. The main conclusions and recommendations are formulated.

    Keywords: life outside the Earth, idea, artificial gravity, history, space exploration, project, mode, technology, man, evolution

    Сделаны: краткий анализ истории, периодизация, классификация, приведены важные примеры идей, технологий, проектов. Описаны реалии и перспективы. Сформулированы основные выводы и рекомендации.

    Введение

    Рассмотрим проблему создания и применения искусственной гравитации (ИГ) в космосе как краткую историю и эволюцию идей, технологий и проектов XIX–XXI веков в парадигме освоения космоса, экспансии человека за пределы Земли, длительной и постоянной жизни людей в космосе [ 1-24 ]. (*1)

    125 лет назад, в 1895 году, К. Э. Циолковский в книге «Грёзы о Земле и небе» предложил идею создания в невесомости искусственной тяжести центробежной силой, сообщая объекту вращательное движение, затем описал это 100 лет назад, в 1920 году, в повести «Вне Земли» (по: [ 1; 2, с. 84-86; 3, с. 127 ]).

    В XX–XXI веках в России и мире разработаны теоретические основы, множество идей, технологий и проектов создания ИГ в космических полётах.

    Парадоксально, но почти 60 лет люди летают в космос без систем ИГ. Причём первые системы ИГ в виде центрифуг начали применяться в космосе с 70-х годов XX века в США, СССР / РФ и других странах на борту автоматических биоспутников для исследований земных биообъектов (растений, животных и др.), моделирования, изучения эффектов и последствий ИГ, чтобы затем создавать и применять системы ИГ и для людей в космосе [ 3, с. 148-149; 4-6, 14, 24 ].

    Достигнуты пределы безопасного постоянного пребывания человека в космосе в условиях невесомости (микрогравитации): год-полтора в околоземном космическом пространстве (ОКП) на орбитальных станциях (ОС) «Мир» и Международной космической станции (МКС) [ 5, 6, 8 ]. Для выхода за эти пределы необходимо внедрение ИГ, начиная с центрифуг короткого радиуса (ЦКР) [ 3-6 ] в полётах до года, с переходом к полноценным системам ИГ для обеспечения людей в космосе на полном цикле их жизни.

    Проблема ИГ имеет теоретические и практические аспекты, накоплены знания, опыт исследований, экспериментов. Особое значение ИГ имеет для безопасной, достойной жизни, эффективной деятельности людей вне Земли в длительных околоземных и межпланетных полётах, для успешной экспансии человека в космос, репродукции, создания космического человека и человечества. В XXI веке растёт количество публикаций об ИГ, о новых идеях, технологиях и проектах, но есть и критика ИГ, значительное противодействие её внедрению по медико-биологическим, техническим, экономическим и другим причинам [ 3-17, 20, 21, 23, 24 ]. Подробнее – в разделах 1-4.

    1. Основания, свойства и режимы искусственной гравитации

    Искусственная гравитация (тяжесть, сила тяжести) – искусственно создаваемая сила в условиях космического полёта, вне Земли, которая по своему действию близка к гравитационной силе (силе тяжести), с применением знаний, технологий и техники. ИГ необходима для снижения и предотвращения неблагоприятных воздействий невесомости на здоровье, жизнедеятельность, эффективность работы человека в космосе, а также на функционирование, надёжность и безопасность техники.

    Основные способы создания ИГ:

    1. Вращение объекта и создание ИГ за счёт центробежной силы [ 1-3 ]. Возможные схемы реализации ИГ см.: [ 3, с. 128; 13, с. 178 ]) и рис. 1.
    2. Разгон и торможение в течение длительного времени в космическом полёте, «весомая космонавтика» (по В. М. Юровицкому) [ 15, с. 110 ].
    3. При помощи вибраций, колебательных систем и т.п. [ 16, 17 ].

    Возможно, в будущем появятся принципиально новые технологии ИГ на основе новых знаний о природе гравитации.

    Воздействия ИГ на человека в космосе:

    1. Позитивные: ИГ «является наиболее радикальным средством защиты от невесомости» [ 4, c. 9 ]; профилактика и «гравитационная терапия», восстановление, в том числе после травм и т.д.
    2. Негативные: вестибулярные и другие расстройства, психологический дискомфорт из-за длительного вращения; кумулятивные эффекты частого и длительного использования ЦКР; коллизии адаптации и дезадаптации из-за поочерёдного пребывания в зонах невесомости и ИГ, частой и быстрой смены зон; индивидуальные особенности реакций организма и психики на ИГ и т.д. [ 3-6, 13 ].

    Основные режимы ИГ

    Ключевая задача при разработке проблемы ИГ – определение оптимальных режимов действия перегрузок с позиции их переносимости и эффективности (по: [ 5, с. 18 ]). Для определения оптимальных режимов, минимальных эффективных величин ИГ, длительности и так далее предстоит выполнить большой объём исследований в космосе на МКС и иных пилотируемых объектах, с применением ЦКР и других систем ИГ.

    Оптимальные режимы ИГ можно формализовать, например, в виде предлагаемого варианта, включающего четыре основных режима:

    Первый режим. Полная невесомость, то есть отсутствие ИГ (0,0 G) при пребывании людей в космосе допустима на ограниченное время: а) штатно, на срок до одного месяца (30 суток); б) для научных экспериментов и испытаний, а также в аварийных ситуациях (при отказе систем ИГ) – на срок до одного года.

    Второй режим. Пониженные уровни ИГ (от 0,1 до 0,9 G), конкретные значения и длительность (время) действия устанавливать для различных категорий людей и индивидуально с учётом возраста, заболеваний, других факторов и особенностей.

    Третий режим. Постоянная ИГ

    1,0 G (как на Земле) – при репродукции людей в космосе от зачатия до рождения и для дальнейшего развития ребёнка до пяти (?) лет (*2), а также при ряде заболеваний людей и т.д.

    Четвёртый режим. Повышенные уровни ИГ (от 1,1 до 2,0 G), конкретные значения и длительность (время) действия устанавливать для различных категорий людей и индивидуально с учётом возраста, заболеваний, других факторов и особенностей.

    2. Краткая история идей, технологий, проектов

    Существует множество идей, технологий, проектов, патентов ИГ для космических полётов и жизни людей вне Земли, в околоземном космическом пространстве (ОКП), на Луне, для межпланетных кораблей и т.д. Их авторы – писатели, учёные, инженеры, биологи, медики: К. Э. Циолковский, Г. Оберт, Г. Поточник (Г. Ноордунг), А. А. Штернфельд, Р. Бартон, В. фон Браун, В. Вайт, Д. Кардус, А. Кларк, Дж. О’Нил, С. П. Королёв, Б. А. Адамович, И. Ф. Виль-Вильямс, О. Г. Газенко, А. Р. Котовская, В. Ю. Лукьянюк, А. О. Майборода, С. Л. Морозов, О. И. Орлов, А. А. Шипов и др. [ 1-24 ].

    Рис. 3. Обитаемая космическая станция Г. Оберта, Германия (1923)

    Рис. 4. Вращающаяся космическая станция фон Брауна. NASA concept (1952)

    Периодизация истории исследований и перспектив работ по проблеме ИГ

    Эволюцию процесса исследований и работ по проблеме ИГ, развития идей, технологий, проектов представим в виде трёх основных периодов:

    Первый период. Теоретические исследования проблемы ИГ – с конца XIX в.

    Второй период. Разработка, испытания на Земле систем ИГ на людях – с 70-х гг. XX в.

    Третий период. Использование ИГ для жизни людей в космосе: а) локальных, «внутренних» систем – ЦКР на МКС

    с 2021–2024 гг.; б) переход к полноценным «внешним» системам на перспективных вращающихся космических станциях, поселениях в ОКП, межпланетных полётах, на Луне, Марсе, в том числе в сочетании с пунктом а),

    с 2030-2040 гг. (прогноз).

    Классификация идей, технологий, проектов ИГ

    Существуют десятки идей, технологий, проектов, патентов, посвящённых ИГ для людей в космосе (примеры см. в разделе 3), их общую классификацию можно представить в следующем виде:

    Привет от Циолковского: как искусственная гравитация осваивает космос

    Журналист Лайфа Александр Березин объясняет, почему обычно скупой на космические новинки Роскосмос первым в мире организует искусственную гравитацию на орбите и что он рассчитывает от неё получить.

    <p>Фото: &copy; Flickr /<span> <a href="https://www.flickr.com/photos/nasa2explore/" target="_blank">NASA Johnson</a></span></p>

    Сколько гравитации человеку нужно?

    Наш вид на удивление хорошо переносит самый безумный набор условий. Мы выживаем при давлении в 70 атмосфер, после минуты в глубоком вакууме или полугода космической радиации вне магнитосферы Земли и всё это без видимого ущерба для здоровья. Однако у человека в космосе есть противник куда более страшный, чем космическая радиация, — безделье. А точнее, отсутствие приличной физической нагрузки.

    Каждый из нас знает, что посредственный бегун загонит лучшую в мире лошадь. Но из-за того что современная цивилизация не нагружает нас физически, большинство жителей стран типа России не могут загнать не то что лошадь, но и обычную собаку. То же самое, но в гораздо больших масштабах случается с человеком, долго живущим в невесомости. Формально на МКС гравитация всего на 11 процентов слабее земной, однако, поскольку космонавты там постоянно «падают вперёд» со скоростью полёта станции, почувствовать её невозможно.

    Это ведёт к огромному количеству неприятных последствий. Мышцы с неполной загрузки цивилизованного человека переходят на вообще нулевую. Они атрофируются, из-за этого кислорода организмом потребляется куда меньше нормы. Костный мозг, вырабатывающий гемоглобин для переноса кислорода в крови, резко «снижает план». Кальций в невесомости усиленно вымывается из организма, что негативно влияет на прочность костей, способствуют этому и нарушения фосфорного обмена в костях. Ну а результат — космическая остеопения, означающая потерю одного процента массы костей за месяц невесомости.

    Предположительно после потери 20 процентов человеческий скелет станет малопригоден к работе в земных условиях. Наконец, пониженная гравитация со временем ведёт к деградации зрения — его правильная работа ведь тоже зависит от получения регулярных нагрузок, которых в космосе мало. Можно поставить на МКС беговую дорожку для ног, но глазное яблоко на неё не загонишь. Много ли толку будет от потенциального покорителя Марса, если он не будет видеть, его скелет не вынесет нагрузок, а мышцы не позволят вылезти из космического корабля?

    Запугиваете?

    Фото: © Flickr / NASA Goddard Space Flight Center

    Нам скажут: вы нагнетаете. В самом деле, полёт к Марсу даже на химических двигателях продлится всего полгода. Ещё по станции «Мир» хорошо известно, что и после года в космосе космонавт, работающий с тренажером, вполне может сам дойти до автобуса несмотря на 1 g (силы тяжести, действующей на единицу массы). На том же Марсе всего 0,38 g, о чём разговор? Да, путешествие на Кра с н ую планет у — это минимум год при пониженной гравитации на ней , и ещё полгода на возвращение. Н о и при этом «дефицита тяжести» люди испытают ничуть не больше, чем Валерий Поляков, который после своих рекордно долгих полётов успешно работал на Земле, не утратив ни зрения, ни подвижности.

    И всё же повод для беспокойства есть. Марсом Солнечная система не кончается. Чтобы слетать к Церере с её подповерхностным океаном (где не исключено наличие жизни) , топлива надо даже меньше, чем для полета к Луне. Н о вот по времени туда лететь куда дальше, чем к Марсу. Так что, пока Роскосмос не сделает полномасштабный ядерный буксир , освоение действительно далёких от Земли небесных тел под большим вопросом.

    Звезд а КЭЦ

    Константин Циолковский задумался над эти вопросом ещё 113 лет назад и уже тогда пришёл к выводу, что на будущих космических кораблях нужна искусственная гравитация. Самым простым способом её создания он полагал вращающийся космический корабль, в озможно, о круг л ой формы. За счёт вращения люди в нём будут избавлены от невесомости. Известный роман советского фантаста Александра Беляева описывал целый орбитальный городок, созданный по такой схеме («Звезда КЭЦ», по инициалам Циолковского).

    Такой корабль Королёв начал проектировать для Луны и Марса ещё в 1963 году. Чтобы уменьшить его р азмеры, он предложил использовать противовес — систем у связанных между собой тел, вращающихся в космосе. Для орбитального корабля противовесом должна была стать пустая последняя ступень ракеты-носителя, которую сегодня просто выбрасывают. Однако из-за известного отказа советского руководства от полётов за пределы земной орбиты всему этому не суждено было сбыться.

    http://joyreactor.cc/post/1091795

    Позднее в СССР было установлено, что при скорости вращения помещения в шесть оборотов в минут у побочные эффекты вращения (сила Кориолиса) уже не будут чувствоваться . Однако при такой скорости вращения «гравитационный корабль» должен иметь размеры в десятки метров. Понятно, что пока мы летае м на одноразовых ракетах, такой крупный объект всегда будет слишком дорог для Роскосмоса. Есть ли более дешёвое решение?

    Малые гравитационные формы

    Ещё в X VIII веке дед Чарльза Дарвина обнаруж ил , что, посадив человека на аналог круглых качелей и раскручивая их, можно добиться скорости, при которой он почувствует приличное ускорение . В 1933 году Германия — научно-технический лидер тогдашнего мира — создала первую центрифугу для изучения влияния искусственно й гравитации на человека. П ри размере всего в 2,7 метра она могла дать до 15 g. Если нам нужна в пятнадцать раз меньшая сила тяжести, центрифугу можно сделать такой, как у Института медико-биологических проблем, чтобы её вращение не было утомительно быстрым.

    Как ни странно , такие устройства были бы полезны не только космонавтам. Тело человека рассчитано на огромную мобильность: его предки пробегали десятки километров в день, а письменные источники фиксируют и случаи с сотнями километров в сутки. Заставить цивилизованных потомков заниматься спортом нереально, поэтому у нас вечные проблемы с сосудами ног, да и их переломы заживают медленнее, чем могут. Пребывание в условиях повышенной гравитации полезно и при лечении сосудов нижних конечностей, и при ускорении регенерации костных тканей после переломов. Исследуется и эффективность центрифуг при лечении гипертонической болезни. Таким образом, перед нами типичный случай, когда космические технологии вполне могут принести большую пользу и на Земле.

    В компактном варианте, показанном выше, центрифугу малого радиуса можно использовать не только для периодических тренировок в «тренажёрном зале» орбитальной станции, но и для сна. Вам кажется, что на вращающейся платформе вряд ли уснёшь? Вовсе нет: тот же дед Дарвина успешно использовал её, чтобы вызвать сон у лиц с сомнологическими расстройствами. В случае, если космонавты будут проводить там по восемь часов в сутки, о «гравитационных» проблемах на космических кораблях можно забыть как минимум до эпохи меж з вё здных перелётов.

    Конечно, слишком маленькой центрифугу в космосе лучше не делать, иначе сила тяжести на уровне головы будет существенно ниже, чем на уровне ног. Только эксперименты помогут выяснить, правильные ли размеры для неё подобрали в Роскосмосе, а значит, эти эксперименты на орбите просто неизбежны. Пока Россия здесь делает только первые шаги — даже двигатель для центрифуги на видео выше пришлось покупать в Австрии, поскольку в нашей стране таких пока не делают. И тем не менее весь это т проект вполне реален.

    Модуль для центрифуги, спроектированный NASA.

    Более чем десятилетие назад NASA задумало создать на МКС свой спецмодуль для центрифуги, однако из-за использования Агентством для сборки МКС безумно дорогих шаттлов проект «не взлетел» по финансовым ограничениям (хотя модуль для него уже был создан). И вот теперь, как ни странно, Роскосмос может стать первой в мире организацией, которая вытащит аппарат «искусственной гравитации» в космос и опробует его на людях. Для снижения затрат на доставку на орбиту спецмодуля для размещения центрифуги, его сделают надувным (точнее, газоразвертываемым). Тогда на «завоз» всех нужных узлов уйдёт не так уж много рейсов.

    Что это обещает в ближайшем будущем? Пока не так много: первые полёты к Марсу будут слишком ограничены по массе полезной нагрузки. Даже весьма нужная центрифуга на корабль вряд ли поместится. Гораздо лучше с полезной нагрузкой в варианте ядерного буксира. Но тот будет лететь к Марсу так недолго, что смысл создания там «гравиубежища» неясен. И всё же, как мы отмечали выше, четвёртой планетой Солнечная система не заканчивается, так что за центрифугами короткого радиуса, скорее всего, будущее пилотируемой космонавтики.

    Проект «Искусственная гравитация»


    Картинка из книги «Полёт в мировое пространство» (1949)

    Как известно, на каруселях и других вращающихся аттракционах создается весьма продолжительная искусственная тяжесть за счет центробежных сил. Поэтому профессиональная карусель — центрифуга — стала одним из действенных инструментов для отбора и тренировки космонавтов, на ней проверяют способность выдерживать повышенную тяжесть. Большие перегрузки неизбежно действуют во время подъема в космос, на пути к невесомости, в полете на ракете. Создать искусственную карусель на орбите Королев задумал не случайно.
    Уже следующий за Гагариным полет в космос принес большую неожиданность. В течение суток второй космонавт планеты Герман Титов испытывал в невесомости, мягко говоря, большой дискомфорт.

    Надо сказать, что создание искусственной тяжести рассматривалось многими корифеями теоретической космонавтики, начиная с нашего Циолковского и немца Оберта. Уже в средине 50-х фон Браун, работая в Америке над ракетами, спроектировал космическую станцию с вращающимся «колесом», по периферии которого создавалась перегрузка.

    В 1963 году Королев думал о полетах на Луну и даже к Марсу: в ОКБ-1 уже разрабатывались проекты межпланетных кораблей. И уж, конечно, не случайно будущая система искусственной тяжести рассчитывалась на одну шестую земной — такую же, как на Луне.

    Размеры корабля слишком малы, чтобы вращать его для создания центробежной силы; требовался противовес, система связанных между собой тел, вращающихся в космосе. Для орбитального корабля сыскался идеальный противовес — последняя ступень ракеты-носителя. Ступень выходит на орбиту и отделяется, отбрасывается от него как ненужная, уже бесполезная пустая «бочка». Ее-то и «подобрал» Королев для своего эксперимента. Первые оценки показали, что необходимы большие, почти космические размеры карусели. Дело в том, что перегрузка пропорциональна расстоянию от центра вращения и скорости вращения в квадрате. Из «карусельной практики» и из опыта состоявшихся и несостоявшихся космонавтов известны те неприятные ощущения, которые испытывает человек на вращающейся платформе.

    Когда стали разрабатывать систему искусственной тяжести, космическая медицина уже поднялась на высокий научный уровень. Скорость, с которой можно безболезненно вращать космонавта на орбите, определили как раз по ускорению Кориолиса, задавшись относительной скоростью перемещения космонавта в корабле, все — строго по законам классической механики. В итоге нам, инженерам-создателям системы, досталась от специалистов по космической медицине угловая скорость в два оборота в минуту. Чтобы достичь лунной перегрузки, то есть центробежного ускорения в 1,5 м/с2, требовался трос длиной в 300 м. Однако это было еще не все. Сразу раскрутить «карусель» до такой скорости не удавалось, и вообще разведение корабля с последней ступенью оказалось наиболее тонким и опасным этапом образования вращающейся системы. Подготовили следующий космический сценарий.

    Исходная конфигурация системы искусственной тяжести — ИТ (до перецепки):

    После выхода на орбиту «Восход» отделялся от ракеты-носителя, оставаясь связанным с ним тросом. Пустая, без топлива и окислителя последняя ступень РН «Восток» — ракетный блок И, как его называли в ОКБ-1, — весила около 3 т. Через несколько секунд после расхождения метров на пять включались два пороховых реактивных двигателя, которые сообщали дополнительный импульс блоку И, увеличивая скорость расхождения (радиальную скорость) до 10 м/с. Сматывая трос с барабана лебедки, ракетный блок удалялся от корабля, пока расстояние не увеличилось до 1000 м. Ни мало ни много, а для эксперимента требовался 1 км троса. Погасив скорость расхождения, лебедка выдавала сигнал на включение еще одной пары пороховых реактивных двигателей, на этот раз — чтобы закрутить систему, по терминологии классической механики — сообщить блоку И тангенциальную скорость. Система из двух связанных тросом тел начинала вращаться относительно общего центра масс со скоростью в 2 оборота в минуту, а центр масс, в свою очередь, продолжал вращаться по орбите вокруг Земли. Под действием центробежной силы трос натягивался с силой 20 кг, создавая перегрузку в 1/300 земной. Следующим шагом становилась так называемая перецепка.

    Окончательная конфигурация ИТ (после перецепки). Сила искусственной тяжести прижимает космонавтов к креслу:

    Чтобы искусственная сила тяжести действовала на сидящего в кресле космонавта правильно, чтобы она прижимала его к креслу, а не вынуждала висеть на привязных ремнях, требовалось отцепить нижнюю точку крепления на приборно-агрегатном отсеке «Восхода»; корабль перевертывался и после нескольких колебаний оставался висеть вверх ногами, зато это положение вполне устраивало космонавтов.

    Уже из столь краткого описания видно, что система получилась совсем не простой. Анализ показывал, что ракетный блок и корабль начинали колебаться за счет начальных возмущений, а трос, как натянутая струна, мог колебаться по собственному, как известно, совсем уж не простому закону. С этими колебаниями надо было бороться, не давать им выйти из-под контроля. С этой целью на блоке И устанавливалась дополнительная реактивная система управления (РСУ), которая так же, как РСУ на корабле «Восход», демпфировала угловые колебания блока относительно троса. Еще более тонкие явления, которые тоже вытекали из законов классической механики и определялись так называемыми градиентами гравитационных сил, при анализе у нас игнорировались. До них в те годы по-настоящему еще не добрались, а эти чисто космические силы орбитального полета могли существенно повлиять на неземную космическую механику, которая рассчитывалась по земным законам. К тому же, в нашем стальном, а значит электропроводящем, тросе, летящем в магнитном поле Земли, неизбежно возникли бы уникальные электромагнитные явления.

    На следующем этапе развертывания требовалось увеличить перегрузку до лунного значения, то есть до 1/6 земной. Помог еще один закон классической механики, называемый принципом сохранения кинетического момента. Если стягивать два вращающихся тела, то, подчиняясь этому закону, скорость вращения начинает возрастать, как у вращающегося на льду фигуриста, складывающего руки. Лебедка стягивала трос с километрового расстояния до 300 м, увеличивая скорость вращения до требуемой величины — 7 град/с; при этом сила возрастала с 20 кг до 1000 кг. В результате на корабле «Восход» с массой около 6 т действовала перегрузка, равная лунной тяжести.

    После окончания эксперимента трос предполагалось отстрелить от корабля, иначе спуск на Землю в объятия естественной тяжести становился невозможным.

    Вот такая длинная и непростая процедура космической «раскрутки» была задумана к середине 1964 года.

    Также много лет спустя мы стали разрабатывать эксперимент с многокилометровым тросом. Только тогда мне пришлось познакомиться с теми уникальными физическими явлениями, которые возникают в этих сугубо космических системах. Конечно, в середине 60-х мы были молодыми и только познавали космос. И все-таки странно, что тогда никто из нас, даже будущий академик Раушенбах, не обратил должного внимания ни на особенности орбитальной механики троса, ни на 100-вольтовое напряжение, которое генерируется в тросовом проводнике, летящем в магнитном поле Земли со скоростью почти 8 км/с. Странно, потому что как раз в эти годы на Западе начали разрабатывать теорию этого уникального явления. Безусловно, определенную роль сыграла закрытость нашей космической техники, оторванность наших специалистов от мировой космонавтики, ведь в это время на Западе появились первые публикации, посвященные теории электродинамических систем в космосе.

    Тогда нашему отделу досталась практическая механика, наиболее трудоемкая часть системы: лебедка, демпферы продольных и поперечных колебаний, механизм перецепки. Все они не имели прототипов. Наряду со стыковочным механизмом это задание оказалось для нас в те годы, пожалуй, самым сложным и комплексным. Проектировать и испытывать эту систему пришлось параллельно со стыковкой и другими, менее объемными, зато многочисленными заданиями.

    Во второй половине 1964 и в начале 1965 года мы сконструировали все эти и другие компоненты системы искусственной тяжести. Тогда мы действительно очень спешили. Помню, как В.Ф. Кульчак, одна из самых работящих и упорных наших конструкторов, не выдержав очередного раунда изменений, чуть не бросила мне на стол почти готовые чертежи. Завод «Машиноаппарат» приступил к созданию прецизионных магнитных и электромагнитных тормозов. В мае 1965 года небольшая группа конструкторов с нашим материаловедом Л.М. Маленковой выехала в Ленинград, где на сталепрокатном заводе, заложенном еще в петровские времена, для нас изготавливали специальный космический трос. Чтобы сделать его легче, трос выполнили двухступенчатым, в соответствии с законом изменения перегрузки на орбите.

    Вскоре уже в металле стали видны контуры километровой лебедки в виде первых корпусных деталей, размеры которых были необычными для этого цеха, привыкшего к небольшим приводам и механизмам.

    Все компоненты и узлы были изготовлены, и мы приступили к отработке. И все-таки мы опаздывали, не успевая угнаться за планами нашего Главного конструктора.
    Несмотря на всю секретность, за океаном, конечно, прослышали о наших планах создать искусственную тяжесть в космосе. Американцам очень не хотелось в очередной раз уступать нам «впервые в мире», и они сделали реальную попытку воспроизвести нашу схему на орбите на кораблях «Джемини».

    В начале 1966 года Королев лег в больницу, а я уехал в Азов. Из больницы он не вернулся.
    Сначала мы не знали, чем закончится наша искусственная и связанная с ней естественная тяжесть. В начале марта мы еще провожали «Восход-3», предназначенный для длительного полета, на полигон. Я его так и запомнил висящим на кране в нашем, тогда новом «малом» КИСе на 2-м производстве. Тогда мне казалось, что вскоре мы будем провожать «Восход-4» с демпфером, механизмом перецепки и узлом отстрела троса.
    Наверно, это был оптимизм социалистического реализма.

    В течение 1966 года возникали проблемы, связанные с планами длительного полета на «Восходе». Ряд технических и политических соображений также говорили не в пользу старых кораблей. В конце концов наш новый главный конструктор В.П. Мишин приказал прекратить работы над всеми «Восходами». По его указанию проектанты некоторое время рассматривали возможность создать искусственную тяжесть на базе нового корабля «Союз». Вскоре стало ясно, что там реализовать это гораздо труднее, чем на «Восходе», несмотря на то что РСУ (ракетная система управления) нового корабля позволяла более эффективно выполнить многие операции. Мы пытались протестовать и спасти хотя бы один «Восход» с искусственной тяжестью, но нас никто не слушал. Вскоре другие земные, естественные и искусственные тяжести захлестнули нового главного и многих из нас.
    Еще долго космические лебедки и другие узлы никем до сих пор не воспроизведенной системы хранились в приборном производстве, досаждая всем своими большими размерами, пока их не сдали. на металлолом к какому-то очередному празднику.

    Для полноты картины. Март 1966, американцы на «Джемини -11»:

    В 11:29 «Джемини -11» был отстыкован от «Аджены». Началось самое интересное: как поведут себя два объекта, связанные тросом? Сначала Конрад пы тался ввести связку в гравитационную стабилизацию – чтобы ракета висела внизу, корабль вверху и трос был натянут.
    Однако отойти на 30 м, не возбудив силь ных колебаний, не удалось. В 11:55 пере шли ко второй части эксперимента – «ис кусственная тяжесть». Конрад ввел связку во вращение; трос сначала натя нулся по кривой линии, но через 20 мин выпрямился и вращение стало вполне правильным. Конрад довел его ско рость до 38 °/мин, а после ужина до 55 °/мин, создав тяжесть на уровне 0,00078g. «На ощупь» это не чувствова лось, но вещи потихоньку осели на дно капсулы. В 14:42 после трех часов вра щения штырь был отстрелен, и «Джеми ни» ушел от ракеты.

    Существуют ли технологии искусственной гравитации?

    Притяжение Земли настолько естественно, что мы его почти не замечаем. Да и как можно заметить силу, которая действует всегда и практически постоянна по величине? Тем не менее, гравитация «учтена» практически во всех функциональных системах организма, на всех уровнях, от клеток до скелета.

    Чтобы человек наконец-то обратил на гравитацию внимание, потребовался прыжок в космос. Конечно, догадку о невесомости высказал еще Жюль Верн, а идею орбитальной станции предложил Циолковский, но все же только после первых запусков на орбиту животных и человека люди впервые по-настоящему осознали, насколько сильно функционирование живого организма зависит от величины гравитационных сил [9].

    Невесомость — это чуждая для человека среда, адаптация к которой происходит ценой снижения устойчивости организма к привычным условиям земной гравитации. Пребывание в условиях невесомости вызывает изменения двигательного аппарата и мышечной системы; гормонального статуса организма; водно-солевого обмена и систем его регуляции и другие неблагоприятные сдвиги.

    Начиная с К. Э. Циолковского, многие ученые считали, что лучшей защитой космонавта от неблагоприятного действия невесомости может служить искусственная гравитация. Решение вопроса создания искусственной гравитации во время космического перелета позволит реализовать длительные космические путешествия к окраинам нашей Солнечной системы. В этом мы видим актуальность нашего исследования.

    Цель исследования: изучение физических методов создания искусственной гравитации в условиях космического перелета. Объект исследования — состояние гравитации, предмет исследования – физические методы, обеспечивающие восприятие человеком состояния гравитации (ощущение собственного веса).

    Задачи исследования:

    Определить понятие «земное тяготение» или «гравитация», ощущаемые человеком;

    Изучая литературу по теме исследования, выяснить способы создания искусственной гравитации в условиях космического корабля.

    Выполнить математические расчеты для моделирования состояния гравитации в условиях космического корабля;

    Обобщить результаты исследования.

    В процессе исследования нами выдвинута гипотеза: проблемы создания искусственной гравитации являются препятствием для освоения космического пространства.

    При выполнении исследования нами использовались следующие методы: анализ и синтез, сравнение, моделирование, изучение и обобщение.

    Глава 1. Теоретические основы гравитации и невесомости

    Сила тяжести, вес тела, невесомость

    Одна из фундаментальных сил, сила гравитации, проявляется на Земле в виде силы тяжести – силы, с которой все тела притягиваются к Земле. Отсюда вытекает, что в системе отсчета, связанной с Землей, на всякое тело действует сила тяжести F =mg. Она приблизительно равна силе гравитационного притяжения к Земле (различие между силой тяжести и гравитационной силой обусловлено тем, что система отсчета, связанная с Землей, не вполне инерциальная).

    Гравитация – это тяготение, которое испытывают все материальные тела. Термин «гравитация» в переводе с латинского означает «тяжесть». Именно гравитация удерживает всех нас на Земле, именно благодаря ей мы чувствуем свою массу.

    Человек ощущает гравитацию как собственный вес. Вес тела – это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес. При статическом действии веса, его действие на тело уравновешивается силой реакции со стороны других тел (опоры или подвеса), удерживающих тело в неподвижном относительно Земли состоянии (рис.1).

    Физиологическое ощущение веса связано с тем, насколько трудно поднять руку или голову: давление внутренних органов человека на скелет пропорционально весу человека.

    Если упругое тело мысленно разбить на горизонтальные слои (рис.2,а), то вследствие действия гравитационных и упругих сил тело, находящееся на опоре, оказывается деформированным так, что наибольшая деформация возникает у нижнего слоя: деформация сжатия слоев возрастает сверху вниз (рис.2,б). У тела, покоящегося на подвесе, возникает иное распределение деформаций: деформации растяжения убывают сверху вниз (рис.2,в). Таким образом, одновременное действие гравитационных и упругих сил приводит возникновению в телах внутренних сил. Такое состояние называют «состоянием весомости».

    Если на тело действуют лишь гравитационные силы, то оно находится в состоянии невесомости (рис.2,а). В этом случае в теле отсутствуют деформации и внутреннее напряжение. Иногда можно слышать другое название этого эффекта — микрогравитация. Состояние невесомости на космическом корабле возникает за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью, то есть космонавты постоянно «падают вперед» со скоростью 7,9 км/с.

    Один из способов получения «невесомости» в земных условиях – иммерсия, т.е. погружение тела в жидкость с плотностью, равной плотности тела. В этом случае вес тела уравновешивается архимедовой силой, тело становится «невесомым», приобретая способность свободно перемещаться в любом направлении. Именно таким образом тренируются космонавты.

    1.2. Понятие «искусственная гравитация»

    Искусственная гравитация — это изменение (уменьшение или увеличение) ощущаемой гравитации с помощью искусственных способов. Создание искусственной гравитации считается желательным для долгосрочных космических путешествий с целью упрощения передвижения людей, более удобного оперирования жидкостями и для избежания неблагоприятного воздействия невесомости на организм человека.

    Практически иллюзия гравитации может создаваться различными физическими силами. При этом движение космического корабля может быть либо прямолинейным, либо он будет вынужден двигаться по окружности, чтобы возникло центростремительное ускорение, как следствие проявления центростремительной силы.

    Если корабль будет двигаться прямолинейно, то для создания «искусственной гравитации» он должен будет разгоняться с большим ускорением и с таким же ускорением тормозить. При этом космонавты будут испытывать перегрузки до 4000 g . При этом на разгон и торможение потребуется большое количество топлива.

    Е сли искусственную тяжесть невозможно создать при линейном ускорении корабля, следовательно, его нужно заставить вращаться, причем вокруг некоторой точки, расположенной за его пределами (рис.3). Как мы знаем, при вращении тела в инерциальной системе отсчета возникает центростремительное ускорение. Если тело расположено на диске, то центростремительной силой, удерживающей тело, является сила трения.

    Так как в принципе вращающаяся система не является инерциальной, то для выполнения законов Ньютона в неинерциальных системах отсчета вводится искусственная сила – сила инерции, равная по величине центростремительной и направленная против ускорения. Эту силу мы еще называем центробежной. Тогда при вращении корабля человек будет чувствовать, как его «притягивает корпус корабля». Центробежная сила прижмет его к полу, так же как сила тяжести прижимает человека к Земле. Все части человеческого тела обретут вес, так же как и все предметы, находящиеся на космическом корабле. Основанием, на котором стоит человек, будет являться внутренняя стенка космического корабля.

    Глава 2. Методы создания искусственной гравитации

    2.1. Идея искусственной гравитации С.П.Королева

    Первую орбитальную станцию «спроектировал» американский священник Эдвард Хейл в 1869-1870 годах в рассказе «Кирпичная Луна». Это был огромный навигационный спутник, который должен был вращаться вокруг Земли по круговой орбите на высоте 6500 км.

    Типичный представитель чистых «бубликов» — военное космическое поселение с гарнизоном в триста человек, предложил в 1953 году немец Вернер фон Браун, автор первой баллистической ракеты Фау-2. «Бублик» у Брауна имеет шарообразную ступицу и две спицы. На длинной ступице, соединенной тремя спицами с «бубликом», помещались и солнечная электростанция, и обсерватория, и причалы для космических кораблей.

    Но фантазии оставались фантазиями, пока К.Э.Циолковский не создал свою теорию «эфирных поселений». Именно в ней он высказывал идею создания искусственной силы тяжести путем вращения станции.

    В Советском Союзе идеями создания искусственной гравитации занимался инженер-конструктор, основоположник практической космонавтики, главный конструктор ОКБ Сергей Павлович Королев. Он думал о полетах на Луну и даже к Марсу: в ОКБ-1 уже разрабатывались проекты межпланетных кораблей.

    Размеры корабля слишком малы, чтобы вращать его для создания центробежной силы; требовался противовес — система связанных между собой тел, вращающихся в космосе. Для орбитального корабля нашелся идеальный противовес — последняя ступень ракеты-носителя, которая выходит на орбиту и отделяется, отбрасывается от него как ненужная, уже бесполезная пустая «бочка». Первые оценки показали, что необходимы большие, почти космические размеры карусели. Чтобы достичь лунной перегрузки, то есть центробежного ускорения в 1,5 м/с 2 , требовался трос длиной в 300 м. Сразу раскрутить «карусель» до такой скорости не удавалось, и вообще разведение корабля с последней ступенью оказалось наиболее тонким и опасным этапом образования вращающейся системы. Подготовили следующий космический сценарий (рис. 4):

    После выхода на орбиту «Восход» отделялся от ракеты-носителя, оставаясь связанным с ним тросом. Пустая, без топлива и окислителя последняя ступень РН «Восток» весила около 3 тонн. Через несколько секунд после расхождения включались два пороховых реактивных двигателя, которые сообщали дополнительный импульс, увеличивая скорость расхождения до 10 м/с, сматывая трос с барабана лебедки. Ракетный блок удалялся от корабля, пока расстояние не увеличилось до 1000 м. Погасив скорость расхождения, лебедка выдавала сигнал на включение еще одной пары пороховых реактивных двигателей, на этот раз, чтобы закрутить систему. Система из двух связанных тросом тел начинала вращаться относительно общего центра масс со скоростью в 2 оборота в минуту, а центр масс, в свою очередь, продолжал вращаться по орбите вокруг Земли.

    Под действием центробежной силы трос натягивался, создавая перегрузку в 1/300 земной. Следующим шагом становилась так называемая перецепка. Чтобы искусственная сила тяжести действовала на сидящего в кресле космонавта правильно, чтобы она прижимала его к креслу, а не вынуждала висеть на привязных ремнях, требовалось отцепить нижнюю точку крепления на приборно-агрегатном отсеке «Восхода»; корабль перевертывался и после нескольких колебаний оставался висеть вверх ногами, зато это положение вполне устраивало космонавтов.

    На следующем этапе развертывания требовалось увеличить перегрузку до лунного значения, то есть до 1/6 земной. Если стягивать два вращающихся тела, то, подчиняясь этому закону, скорость вращения начинает возрастать, как у вращающегося на льду фигуриста, складывающего руки. Лебедка стягивала трос с километрового расстояния до 300 м, увеличивая скорость вращения до требуемой величины — 7 град/с. В результате на корабле «Восход» с массой около 6 тонн действовала перегрузка, равная лунной тяжести.

    После окончания эксперимента трос предполагалось отстрелить от корабля, иначе спуск на Землю становился невозможным.

    Однако полет на «Восходе» так и не состоялся. В начале 1966 года умер С.П.Королев. «Восход-3», предназначенный для длительного полета, был вывезен в марте 1966 на полигон, а позже новый главный конструктор В.П. Мишин приказал прекратить работы над всеми «Восходами». Еще долго космические лебедки и другие узлы никем до сих пор не воспроизведенной системы хранились в приборном производстве, пока их не сдали на металлолом. От всего проекта остались одни воспоминания.

    2.2. Экспериментальное изучение изменение веса вращающихся тел

    В земных условиях без особого оборудования достаточно сложно изучать искусственную гравитацию. Поэтому в своих экспериментах мы стремились к изучению возникающих при вращении тела перегрузок. Тогда в условиях космоса, при вращении корабля, значение перегрузки, равной 1 g , даст космонавту ощущение земной тяжести.

    Опыт 1. Прикрепим к диску П-образную дугу, к дуге подвесим три маятника (рис.5). При вращении диска мы наблюдали, что чем дальше маятник от оси вращения, тем больше отклонение маятника. Следовательно, сила натяжения нити увеличивается при увеличении радиуса вращения. Сила натяжения нити является центростремительной силой, ей противодействует сила инерции (центробежная сила), которая способна создать у тела ощущение тяжести.

    Опыт 2. Измерим величину центробежной силы. Для этого на диск установили П-образную дугу и желоб с блоком. К центральному крючку дуги подвесили динамометр, к которому короткой нитью, перекинутой через блок, прикрепили гантель, лежащую на желобе. При вращении диска наблюдали изменение показаний динамометра (рис.6). Частоту вращения мы измеряли с помощью оптометрического датчика.

    Так как гантель расположена практически горизонтально, следовательно, показания динамометра соответствуют значению центробежной силы. По ее значению можно рассчитать центробежное ускорение:

вечность сериал онлайн 2 сезон

скачать кино гарри поттер и проклятое дитя

скачать как приручить дракона 4 сезон

Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector