Как создают искусственную невесомость на земле для тренировки космонавтов? Искусственная гравитация: как её добиться и зачем она нужна
Поместите человека в космос, подальше от гравитационных пут земной поверхности, и он будет ощущать невесомость. Хотя все массы Вселенной все еще будут воздействовать на него гравитационно, они также будут притягивать и любой космический аппарат, в котором находится человек, поэтому он будет плавать. И все же по телевизору нам показывали, что экипаж некоего космического судна вполне успешно ходит ногами по полу при любых условиях. Для этого используется искусственная гравитация, создаваемая установками на борту фантастического судна. Насколько это близко к реальной науке?
Капитан Габриэль Лорка на мостике «Дискавери» во время имитации битвы с клингонцами. Весь экипаж притягивается искусственной силой тяжести, и это как бы уже канон
Касательно гравитации, большим открытием Эйнштейна стал принцип эквивалентности: при равномерном ускорении система отсчета неотличима от гравитационного поля. Если бы вы были на ракете и не могли видеть Вселенную через иллюминатор, вы бы и понятия не имели о том, что происходит: вас тянет вниз сила гравитации или же ускорение ракеты в определенном направлении? Такой была идея, которая привела к общей теории относительности. Спустя 100 лет это самое правильное описание гравитации и ускорения, которое нам известно.
Идентичное поведение мяча, падающего на пол в летящей ракете (слева) и на Земле (справа), демонстрирует принцип эквивалентности Эйнштейна
Есть и другой трюк, как пишет Итан Зигель, который мы можем использовать, если захотим: мы можем заставить космический корабль вращаться. Вместо линейного ускорения (вроде тяги ракеты) можно заставить работать центростремительное ускорение, чтобы человек на борту чувствовал внешний корпус космического корабля, подталкивающий его к центру. Такой прием был использован в «Космической одиссее 2001 года», и если бы ваш космический корабль был достаточно большим, искусственная сила тяжести была бы неотличима от настоящей.
Только вот одно но. Три этих типа ускорения - гравитационное, линейное и вращательное - единственные, которые мы можем использовать для имитации эффектов гравитации. И это огромная проблема для космического аппарата.
Концепт станции 1969 года, которая должна была собираться на орбите из отработанных этапов программы «Аполлон». Станция должна была вращаться на своей центральной оси для создания искусственной гравитации
Почему? Потому что если вы хотите отправиться в другую звездную систему, вам нужно будет ускорить ваш корабль, чтобы туда добраться, а затем замедлить его по прибытии. Если вы не сможете оградить себя от этих ускорений, вас ждет катастрофа. Например, чтобы ускориться до полного импульса в «Звездном пути», до нескольких процентов световой скорости, придется испытать ускорение в 4000 g. Это в 100 раз больше ускорения, которое начинает препятствовать кровотоку в теле.
Запуск космического шаттла «Колумбия» в 1992 году показал, что ускорение протекает на протяжении длительного периода. Ускорение космического корабля будет во много раз выше, и человеческое тело не сможет с ним справиться
Если вы не хотите быть невесомым во время длительного путешествия - чтобы не подвергать себя ужасному биологическому износу вроде потери мышечной и костной массы - на тело постоянно должна действовать сила. Для любой другой силы это вполне легко сделать. В электромагнетизме, например, можно было бы разместить экипаж в проводящей кабине, и множество внешних электрических полей просто исчезли бы. Можно было бы расположить две параллельные пластины внутри и получить постоянное электрическое поле, выталкивающее заряды в определенном направлении.
Если бы гравитация работала таким же образом.
Такого понятия, как гравитационный проводник, просто не существует, как и возможности оградить себя от гравитационной силы. Невозможно создать однородное гравитационное поле в области пространства, например, между двумя пластинами. Почему? Потому что в отличие от электрической силы, генерируемой положительными и отрицательными зарядами, существует только один тип гравитационного заряда, и это масса-энергия. Гравитационная сила всегда притягивает, и от нее никуда не скрыться. Вы можете лишь использовать три типа ускорения - гравитационное, линейное и вращательное.
Подавляющее большинство кварков и лептонов во Вселенной состоит из материи, но у каждого из них существуют и античастицы из антиматерии, гравитационные массы которых не определены
Единственный способ, с помощью которого можно было бы создать искусственную гравитацию, которая защитит вас от последствий ускорения вашего корабля и обеспечит вам постоянную тягу «вниз» без ускорения, будет доступен, если вы откроете частицы отрицательной гравитационной массы. Все частицы и античастицы, которые мы нашли до сих пор, обладают положительной массой, но эти массы инерциальны, то есть о них можно судить только при создании или ускорении частицы. Инерционная масса и гравитационная масса одинаковы для всех частиц, которые мы знаем, но мы никогда не проверяли свою идею на антиматерии или античастицах.
В настоящее время проводятся эксперименты именно по этой части. Эксперимент ALPHA в ЦЕРН создал антиводород: стабильную форму нейтральной антиматерии, и работает над изолированием ее от всех других частиц. Если эксперимент будет достаточно чувствительным, мы сможем измерить, как античастица попадает в гравитационное поле. Если падает вниз, как и обычное вещество, то у нее положительная гравитационная масса и ее можно использовать для строительства гравитационного проводника. Если падает в гравитационном поле вверх, это все меняет. Один лишь результат, и искусственная гравитация может внезапно стать возможной.
Возможность получения искусственной гравитации невероятно манит нас, но основана на существовании отрицательной гравитационной массы. Антиматерия может быть такой массой, но мы пока этого не доказали
Если антиматерия имеет отрицательную гравитационную массу, то при создании поля из обычного вещества и потолка из антивещества, мы могли бы создать поле искусственной гравитации, которое всегда тянуло бы вас вниз. Создав гравитационно-проводящую оболочку в виде корпуса нашего космического корабля, мы защитили бы экипаж от сил сверхбыстрого ускорения, которые в противном случае стали бы смертельными. И что самое крутое, люди в космосе не испытывали бы больше негативных физиологических эффектов, которые сегодня преследуют астронавтов. Но пока мы не найдем частицу с отрицательной гравитационной массой, искусственная гравитация будет получаться только за счет ускорения.
Окт 31, 2017 Геннадий
Длительные космические полеты, освоение других планет то, о чем ранее писали фантасты Айзек Азимов, Станислав Лем, Александр Беляев и др., станет вполне возможной реальностью благодаря знаниям . Так как при воссоздании земного уровня гравитации мы сможем избежать отрицательных последствий микрогравитации (невесомости) для человека (атрофия мышц, сенсорные, двигательные и вегетативные расстройства). То есть практически любой желающий человек сможет побывать в космосе независимо от физических особенностей тела. При этом пребывание на борту космического корабля станет более комфортным. Люди смогут использовать уже существующие, привычные для них приборы, средства (например, душ, туалет).
На Земле уровень гравитации определяется ускорением силы тяжести в среднем равняется 9,81 м/с 2 («перегрузка» 1 g), в то время как в космосе, в условиях невесомости приблизительно 10 -6 g. К.Э. Циолковский приводил аналогии между ощущением массы тела при погружении в воду или лежа в постели с состоянием невесомости в космосе.
«Земля - это колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели».
«Мир должен быть еще проще».
Константин Циолковский
Интересно, что для гравитационной биологии - умение создавать различные гравитационные условия будет настоящим прорывом. Станет возможным изучить: как изменяется структура, функции на микро-, макроуровнях, закономерности при гравитационных воздействиях разной величины и направленности. Эти открытия, в свою очередь, помогут развить достаточно новое сейчас направление - гравитационную терапию. Рассматривается возможность и эффективность применения для лечения изменения силы тяжести (повышенная по сравнению с Земной). Повышение силы тяжести мы ощущаем, как будто тело чуть-чуть потяжелело. Сегодня ведутся исследования применения гравитационной терапии при гипертонической болезни, а также для восстановления костных тканей при переломах.
(искусственной гравитации) в большинстве случаев основываются на принципе эквивалентности сил инерции и гравитации. Принцип эквивалентности говорит о том, что мы ощущаем приблизительно одинаково ускорение движения не отличая причину, которая его вызвала: гравитация или же силы инерции. В первом варианте ускорение происходит за счет воздействия гравитационного поля, во втором благодаря ускорению движения неинерциальной системы отсчета (система, которая движется с ускорением), в которой находится человек. Например, подобное воздействие сил инерции испытывает человек в лифте (неинерциальная система отсчета) при резком подъёме вверх (с ускорением, появляется на несколько секунд ощущение как будто тело потяжелело) или торможении (ощущение, что пол уходит из-под ног). С точки зрения физики: при подъёме лифта вверх к ускорению свободного падения в неинерциальной системе приплюсовывается ускорение движения кабины. Когда восстанавливается равномерное движение - исчезает «прибавка» в весе, то есть возвращается привычное ощущение массы тела.
Сегодня, как и почти 50 лет назад, для создания искусственной силы тяжести применяются центрифуги (используется центробежное ускорение при вращении космических систем). Проще говоря во время вращения космической станции вокруг своей оси будет возникать центробежное ускорение, которое будет «выталкивать» человека от центра вращения в сторону и в результате космонавт или другие объекты смогут находится на «полу». Для лучшего понимания этого процесса и с какими трудностями сталкивается ученые давайте посмотрим на формулу по которой определяется центробежная сила при вращении центрифуги:
F=m*v 2 *r, где m ‒ масса, v ‒ линейная скорость, r ‒ расстояние от центра вращения.
Линейная скорость равняется: v=2π*rT , где Т - количество оборотов в секунду, π ≈3,14…
То есть чем быстрее будет вращаться космический корабль, и чем дальше от центра будет находится космонавт, тем сильнее будет созданная искусственная сила тяжести.
Внимательно посмотрев на рисунок можем заметить, что при небольшом радиусе сила тяжести для головы и для ног человека будет значительно отличатся, что в свою очередь затруднит передвижение.
При движении космонавта в направлении вращения возникает сила Кориолиса. При этом велика вероятность того, что человека будет постоянно укачивать. Обойти это возможно при частоте вращения корабля 2 оборота в минуту при этом образуется искусственная сила тяжести 1g (как на Земле). Но при этом радиус будет составлять 224 метра (приблизительно ¼ километра, это расстояние подобно высоте 95-этажного здания или в длину как две большие секвои). То есть теоретически построить орбитальную станцию или космический корабль таких размеров можно. Но практически это требует значительных затрат ресурсов, сил и времени, которые в условиях приближающихся глобальных катаклизмов (см. доклад
) человечней направить на реальную помощь нуждающимся.
В следствие невозможности воссоздать необходимое значение уровня гравитации для человека на орбитальной станции или космическом корабле, учёные решили изучить возможность «снижения поставленной планки», то есть создания силы тяжести меньше земной. Что говорит о том, что за полвека исследований не удалось получить удовлетворяющих результатов. Это неудивительно так как в экспериментах стремятся создать условия, при которых сила инерции или же другие оказывали бы влияние, аналогичное воздействию гравитации на Земле. То есть получается, что искусственная гравитация, по сути, гравитацией не является.
На сегодня в науке существуют лишь теории о том что такое гравитация, большинство из которых основываются на теории относительности. При этом не одна из них не является полной (не объясняет протекание, результаты любых экспериментов в любых условиях, да и ко всему порой не согласовывается с другими физическими теориями подтвержденными экспериментально). Нет четкого знания и понимания: что же такое гравитация, как гравитация связана с пространством и временем, из каких частиц состоит и какие их свойства. Ответы на эти и многие другие вопросы можно найти сопоставив информацию изложенную в книге «Эзоосмос» А.Новых и докладе ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА. предлагает совершенно новый подход, который основывается на базовых знаниях первичных основ физики фундаментальных частиц , закономерностей их взаимодействия. То есть на основе глубокого понимания сути процесса гравитации и как следствие возможности точного расчет для воссоздания любых значений гравитационных условий как в космосе, так и на Земле (гравитационная терапия), прогнозирования результатов мыслимых и немыслимых экспериментов, поставленных как человеком, так и природой.
ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА - это намного больше, чем просто физика. Она открывает возможным решения задач любой сложности. Но главное благодаря знанию процессов происходящих на уровне частиц и реальных действий каждый человек может осознать смысл своей жизни, разобраться как работает система и получить практический опыт соприкосновения с духовным миром. Осознать глобальность и первичность Духовного, выйти из рамочных/шаблонных ограничений сознания, за пределы системы, обрести Настоящую Свободу.
«Как говорится, когда имеешь в руках универсальные ключи (знания об основах элементарных частиц), то можешь открыть любую дверь (микро- и макромира)».
«В таких условиях возможен качественно новый переход цивилизации в русло духовного саморазвития, масштабного научного познания мира и себя».
«Всё что угнетает человека в этом мире, начиная от навязчивых мыслей, агрессивных эмоций и заканчивая шаблонными желаниями эгоиста-потребителя ‒ это результат выбора человека в пользу септонного поля ‒ материальной разумной системы, которая шаблонно эксплуатирует человечество. Но если человек следует выбору своего духовного начала, то он приобретает бессмертие. И в этом нет религии, а есть знание физики, её исконных основ».
Елена Федорова
Центрифуга в ЦПК (Звездный городок)
Когда-то в одном из помещений ЦПК была построена специальная центрифуга весом 300 т и диаметром 18 м. Используется она для моделирования перегрузок в земных условиях и, в частности, позволяет испытать физиологическую невесомость. Желающего попробовать силу 300-тонной центрифуги одевают в глухой скафандр, затем сажают в специальное кресло, к которому сначала подключают многочисленные датчики. Полностью снаряженное кресло с усаженным в него добровольцем подвозят к центрифуге и, закатив внутрь, включают двигатель. Вращение на центрифуге длится три минуты, невесомость в данном случае достигается за счет перераспределения жидкости в организме. Все три минуты за показаниями датчиков будут наблюдать врачи и инструктор. Но есть и аварийный способ предупредить о невыносимости перегрузок: внутри центрифуги человек должен крепко держаться за специальный рычаг. Если его отпустить, медики и специалисты получат экстренный сигнал о том, что человек потерял сознание, и сразу отключат центрифугу.
Стоимость услуги: 55 000 рублей с человека
Тел.:
Гидролаборатория (Звездный городок)
В этом году исполняется тридцать лет с тех пор, как в гидролаборатории Звездного городка начали тренировать космонавтов перед полетами. Лаборатория представляет собой огромный бассейн длиной 23 м и 12 м в глубину, на дне которого установлен макет МКС. Именно на нем космонавты тренируются перед тем, как первый раз выйти в открытый космос. Как и в других аттракционах ЦПК, все желающие проходят обязательную медкомиссию, затем прослушивают теоретическую лекцию, а уже после — и это занимает не менее получаса — надевают сложноустроенный, тяжелый и крайне неповоротливый скафандр, оснащенный специальными свинцовыми грузами (все вместе весит около 200 кг). И только затем с помощью крана добровольцев аккуратно погружают на дно. Погружение проходит с инструктором, который попутно дает задание перенести какую-нибудь деталь макета под водой с одного места на другое. Именно на максимальной глубине и появляется ощущение невесомости — сродни тому, которое испытывает космонавт, работающий в открытом космосе. Весь процесс длится четыре часа; под водой человек проводит два. Внимание: до июня заказы не принимаются.
Стоимость услуги: 182 000 рублей с человека
Тел.: 526 38 42, 526 38 79, 526 78 55
Полет на МиГ-29
Еще один способ испытать невесомость — принять участие в полете на МиГ-29 . Во время выполнения фигур высшего пилотажа те, кто находится в кабине, испытывают невесомость, правда, буквально несколько секунд. Подобные полеты для гражданских лиц организовывают в Нижнем Новгороде. Занимает мероприятие весь день и начинается рано утром: приезжать и заселяться в гостиницу рекомендуется накануне. В этом случае в гостиницу приедет инструктор и расскажет о предстоящей программе. Записываться необходимо за полтора месяца, чтобы служба безопасности успела проверить, не шпион ли новоприбывший. Всем желающим, кто был признан честным гражданином, предлагается выбрать одну из трех возможных программ: полет в тропосферена высоте 12 км, на высоте 18 км и полет в стратосферена высоте 21 км. В последнем случае из иллюминатора с одной стороны будет видно звездное небо, а с другой стороны — округлый контур Земли. В зависимости от высоты полеты длятся от 25 до 50 минут. Перед полетом все проходят беглый медосмотр: врачи проверяют давление и пульс.
Стоимость услуги: полет на высоте 12 км — 380 000 руб./чел.; полет на высоте 18 км — 480 000 руб./чел.; полет на высоте 21 км — 595 000 руб./чел.
Тел.: 645 07 02
Полеты на Ил-76
Хотя может показаться, что монополия на настоящую космическую невесомость всецело принадлежит Звездному городку, есть еще один способ приобщиться к будням космонавтов — совершить полет на Ил-76, советском военно-транспортном самолете. Все правила Центра подготовки космонавтов действуют и здесь: тщательный медосмотр, а затем уже предполетная подготовка. Один полет длится до полутора часов, и за это время, как говорят организаторы, «выполняется до десяти режимов невесомости» по 25 с каждая. Невесомость застает 15 смельчаков на борту во время полета по так называемойкривой Кеплера. Как утверждают организаторы, туристы могут заказать видеосъемку на борту, но здесь стоит быть готовым к некоторым казусам — многих с непривычки тошнит. Внимание: полеты временно приостановлены, но в скором времени их обещают возобновить.
Стоимость услуги: 1 800 000 на группу из 15 человек
Аэротруба
Аэротруба позволяет ощутить себя воздухоплавателем: воздушный поток подхватывает человека и подвешивает в воздухе, подбрасывая в разные стороны. Ощущения эти, конечно, не являются невесомостью в строгом смысле слова, однако аэротруба позволяет парить на высоте до 10 м при ширине потока 4 м. Главный плюс аэротрубы по сравнению со всеми приведенными выше способами — это относительная дешевизна и отсутствие медкомиссий. Плюс ко всему это совершенно безопасно. Многие парашютисты, к примеру, тренируются именно в аэротрубах. В зоне полета все стены имеют мягкую обивку, здесь нет твердых предметов, а специальная защитная сетка смягчает падение после выключения двигателя. Вдобавок рядом всегда находится опытный инструктор, который каждую минуту контролирует полет. Рекомендованная продолжительность полета для девушки составляет пять минут; для мужчины — до десяти. В аэротрубе могут летать даже дети (от 5 лет), потому что для этого не требуется быть атлетом с заниженным порогом самосохранения. Согласно распорядку, желающие обязаны внимательно выслушать инструктора, который подробно расскажет, как держаться в воздушном потоке. Далее предстоит одеться в специальный комбинезон, надеть шлем, затем небольшая тренировка и — в полет! Внимание: скорость ветра в аэротрубе достигает 200 км/ч.
Стоимость услуги: 4 минуты — 3500 рублей с человека; 10 минут — 6500 рублей
Камера сенсорной депривации (флоатинг)
Еще одна возможность оказаться в условной невесомости — это полежать час-другой в камере сенсорной депривации (флоат-камере). Клиентам обещают, что «плавучесть, которую тело обретает благодаря раствору соли, сводит к нулю воздействие гравитации, подводя человека вплотную к переживанию полной невесомости». Флоат-камера, глубина которой около 30 см, чуть шире двуспальной кровати; в ней содержится водный раствор, приготовленный из 400 кг соли. С помощью термостата поддерживается постоянная температура — около 35 градусов по Цельсию. Считается, что это оптимальный температурный режим, при котором большинство людей не чувствуют тепла или холода и быстро перестают ощущать соприкосновение воды с телом. Внутри флоат-камеры человек оказывается изолированным от внешних раздражителей: в нее не проникают ни звуки, ни свет, ни запахи.
Стоимость услуги: 2000 рублей за процедуру в 1 час
Даже если вам не особо интересна тема космоса, шансы на то, что вы видели его в фильмах, читали о нем в книгах или играли в игры, где космическая тема занимала бы важное место, весьма высоки. При этом в большинстве из произведений есть один момент, который, как правило, воспринимается как нечто само собой разумеющееся - гравитация на космическом корабле. Но так ли это просто и очевидно, как кажется на первый взгляд?
Для начала немного матчасти. Если не углубляться в физику дальше школьного курса (а его нам сегодня будет вполне достаточно), то гравитация - это фундаментальное взаимодействие тел, благодаря которому все они притягивают друг друга. Более массивные притягивают сильнее, менее массивные - слабее.
Матчасть
В нашем случае важно следующее. Земля является массивным объектом, поэтому люди, животные, здания, деревья, травинки, компьютер, с которого вы это читаете - все это притягивается к Земле. Мы к этому привыкли и фактически никогда не задумываемся о таких, казалось бы, мелочах. Главным следствием притяжения Земли для нас является ускорение свободного падения , также известное как g , и равное 9,8 м/с². Т.е. любое тело при отсутствии опоры будет одинаково ускоряться к центру Земли, набирая 9,8 м/с скорости каждую секунду.
Именно благодаря этому эффекту мы можем ровно стоять на ногах, иметь понятия «верх» и «низ», ронять вещи на пол, etc. В действительности очень многие виды человеческой активности бы сильно видоизменились, если бы забрать притяжение Земли.
Лучше всего это знают космонавты, которые проводят существенную часть своей жизни на МКС. Им приходится заново учиться делать очень много вещей, начиная от того, как они пьют, заканчивая походами по различным физиологическим нуждам. Вот несколько примеров.
При этом во множестве фильмов, сериалов, игр и прочих произведений Sci-Fi искусства гравитация на космических кораблях «просто есть». Ее воспринимают как должное и зачастую даже не удосуживаются объяснять. А если и объясняют, то как-то неубедительно. Чем-то вроде «генераторов гравитации», принцип работы которых мистичен чуть больше, чем полностью, так что фактически такой подход мало отличается от «гравитация на корабле просто есть ». Как мне кажется, не объяснять совсем как-то честнее.
Теоретические модели искусственной гравитации
Но все это вовсе не значит, что искусственную гравитацию никто не пытается объяснить совсем. Если порассуждать, то достичь ее можно несколькими способами.
Много массы
Первый и самый «правильный» вариант - это сделать корабль очень массивным. «Правильным» же такой способ можно считать потому, что именно гравитационное взаимодействие будет обеспечивать необходимый эффект.
При этом нереальность данного способа, думаю, очевидна. Для такого корабля нужно будет очень много материи. Да и с распределением гравитационного поля (а нам оно нужно равномерное) надо будет что-то решать.
Постоянное ускорение
Так как нам нужно достичь постоянного ускорения свободного падения в 9,8 м/с², то почему бы не сделать космический корабль в виде платформы, которая будет ускоряться перпендикулярно своей плоскости с этим самым g ? Таким образом нужный эффект несомненно будет достигнут.
Но есть несколько очевидных проблем. Во-первых, нужно откуда-то брать топливо для обеспечения постоянного ускорения. И даже если кто-то вдруг придумает двигатель, который не требует выброса материи, закон сохранения энергии никто не отменял.
Вторая проблема заключается в самой природе постоянного ускорения. Во-первых, согласно нашим нынешним представлениям о физических законах, ускоряться вечно нельзя. Теория относительности сильно против. Во-вторых, даже если кораблю и менять направление периодически, то для обеспечения искусственной гравитации ему постоянно нужно будет куда-то лететь. Т.е. ни о каких зависаниях вблизи планет не может быть и речи. Корабль будет вынужден вести себя как землеройка, которая если остановится, то умрет. Так что такой вариант нам не подходит.
Карусель-карусель
А вот тут уже начинается самое интересное. Уверен, что каждый из читающих представляет себе, как работает карусель и какие эффекты может испытывать человек, в ней находящийся. Все, что находится на ней, стремится выскочить наружу соразмерно скорости вращения. С точки зрения карусели же получается, что на все действует сила, направленная вдоль радиуса. Вполне себе «гравитация».
Таким образом, нам нужен корабль в форме бочки, который будет вращаться вокруг продольной оси . Такие варианты довольно часто встречаются в научной фантастике, так что мир Sci-Fi не так и безнадежен в плане объяснения искусственной гравитации.
Итак, еще немного физики. При вращении вокруг оси возникает центробежная сила, направленная вдоль радиуса. В результате несложных вычислений (поделив силу на массу) мы получаем искомое ускорение. Считается все это дело по незамысловатой формуле:
a=ω²R,
где a — ускорение, R — радиус вращения, а, ω — угловая скорость, измеряемая в радианах в секунду. Радиан это примерно 57,3 градуса.
Что же нам нужно получить для нормальной жизни на нашем воображаемом космическом крейсере? Нам необходима такая комбинация радиуса корабля и угловой скорости, чтобы их произведение давало в итоге 9,8 м/с².
Нечто подобное мы могли видеть во множестве произведений: «2001 год: Космическая одиссея» Стэнли Кубрика , сериал «Вавилон 5» , нолановский « » , роман «Мир-Кольцо» Ларри Нивена , вселенная и другие. Во всех них ускорение свободного падения примерно равно g , так что все получается вполне логичным. Однако и в этих моделях существуют проблемы.
Проблемы в «карусели»
Самую явную проблему, пожалуй, проще всего объяснить на «Космической одиссее» . Радиус корабля составляет примерно 8 метров. Несложными вычислениями получаем, что для достижения ускорения равного g потребуется угловая скорость в примерно 1,1 рад/с, что равняется примерно 10,5 оборотам в минуту.
При таких параметрах получается, что в силу вступает эффект Кориолиса . Если не углубляться в технические подробности, то проблема в том, что на разной «высоте» от пола на движущиеся тела будет действовать разная сила. И зависит она от угловой скорости. Так что в нашей виртуальной конструкции мы не можем себе позволить вращать корабль слишком быстро, поскольку это чревато проблемами, начиная от внезапных неинтуитивных падений, заканчивая проблемами с вестибулярным аппаратом. А с учетом вышеупомянутой формулы ускорения, не можем мы себе позволить и маленький радиус корабля. Поэтому модель космической одиссеи отпадает. Примерно та же проблема и с кораблями из «Интерстеллара» , хотя там с цифрами все не так очевидно.
Вторая проблема находится, так сказать, с другой стороны спектра. В романе Ларри Нивена «Мир-Кольцо» корабль представляет собой гигантское кольцо с радиусом примерно равным радиусу земной орбиты (1 а.е. ≈ 149 млн км). Таким образом, получается, что вращается он с вполне удовлетворительной скоростью, чтобы эффект Кориолиса был незаметен для человека. Все, казалось бы, сходится, но есть и одно но . Чтобы создать такую конструкцию понадобится невероятно крепкий материал, который должен будет выдержать огромные нагрузки, ведь один оборот должен занимать около 9 дней. Как обеспечить достаточную прочность такой конструкции человечеству неизвестно. Не говоря уже о том, что где-то нужно взять столько материи и все это дело построить.
Мир-Кольцо
В случае с Halo или «Вавилон 5» все предыдущие проблемы вроде как бы отсутствуют. И скорость вращения достаточная для того, чтобы эффект Кориолиса не имел негативного воздействия, и построить такой корабль в принципе реально (хотя бы теоретически). Но и у этих миров есть свой минус. Имя ему - момент импульса.
Станция из Вавилона 5
Раскручивая корабль вокруг оси, мы превращаем его в гигантский гироскоп. А отклонить гироскоп от своей оси, как известно, довольно сложно. Все именно из-за момента импульса, количество которого должно сохраняться в системе. А это значит, что лететь куда-то в определенном направлении будет тяжело. Но и эта проблема решаема.
Как должно быть
Называется это решение «цилиндр О’Нила» . Конструкция его довольно проста. Мы берем два одинаковых корабля-цилиндра, соединенных вдоль оси, каждый из которых вращается в свою сторону. В результате мы имеем нулевой суммарный момент импульса, а, значит, проблем с направлением корабля в нужном направлении быть не должно. При радиусе корабля примерно в 500 м (как в Вавилоне 5) или больше все должно работать как надо.
Итого
Итак, какие же мы можем сделать выводы о том, как должна быть реализована искусственная гравитация в космических кораблях? Из всех реализаций, что предложены в различного рода произведениях, самым реальным выглядит именно вращающаяся конструкция, в которой сила, направленная «вниз», обеспечивается центростремительным ускорением. Создать же искусственную гравитацию на корабле с плоскими параллельными конструкциями вроде палуб (как часто рисуют в различном Sci-Fi), учитывая наши современные понимания законов физики, не представляется возможным
Радиус вращающегося корабля должен быть достаточным, чтобы эффект Кориолиса был достаточно незначительным, чтобы не влиять на человека. Хорошими примерами из придуманных миров могут служить уже упоминавшиеся Halo и Вавилон 5 .
Для управления такими кораблями нужно построить цилиндр О’Нила - две «бочки», вращающиеся в разном направлении, чтобы обеспечить нулевой суммарный момент импульса для системы. Это позволит осуществлять адекватное управление кораблем.
Итого мы имеем вполне реальный рецепт обеспечения космонавтов комфортными гравитационными условиями. И до того момента, как мы сможем реально построить нечто подобное, хотелось бы, чтобы создатели игр, фильмов, книг и других произведений о космосе уделяли бы больше внимания физической реалистичности.
Мы обитаем в Яндекс.Дзене , попробуй. Есть канал в Telegram . Подпишись, нам будет приятно, а тебе удобно 👍 Meow!Для находящихся в космосе объектов вращение - дело привычное. Когда две массы двигаются относительно друг друга, но не навстречу или друг от друга, их гравитационная сила создаёт крутящий момент . В итоге в Солнечной системе все планеты вращаются вокруг Солнца.
Но это то, на что человек не влиял. Зачем же вращаются космические аппараты? Чтобы стабилизировать положение, постоянно направлять приборы в нужную сторону и в будущем - для создания искусственной гравитации. Давайте разберём эти вопросы подробнее.
Стабилизация вращением
Когда мы смотрим на автомобиль, мы знаем, в какую сторону он едет. Управление им происходит благодаря взаимодействию с внешней средой - сцеплению колёс с дорогой. Куда поворачивают колёса - туда и весь автомобиль. Но если мы лишим его этого сцепления, если мы отправим машину на лысой резине кататься по льду, то она закружится в вальсе, что будет крайне опасно для водителя. Такой тип движения возникает редко на Земле, но в космосе это норма.Б. В. Раушенбах, академик и лауреат Ленинской премии, писал в “Управлении движением космических аппаратов” о трёх основных типах задач управления движением космического аппарата:
- Получение нужной траектории (управление движением центра масс),
- Управление ориентацией, то есть получение нужного положения корпуса космического аппарата относительно внешних ориентиров (управление вращательным движением вокруг центра масс);
- Случай, когда эти два типа управления реализуются одновременно (например, при сближении космических аппаратов).
Приспособленный к жизни в условиях земного притяжения организм умудряется выжить и без него. И не только выжить, но и активно работать. Но это маленькое чудо обходится не без последствий. Опыт, накопленный за десятилетия полётов человека в космос, показал: человек испытывает в космосе много нагрузок, которые оставляют след на теле и психике.
На Земле наш организм борется с гравитацией, которая тянет кровь вниз. В космосе этоа борьба продолжается, но сила гравитации отсутствует. Поэтому космонавты одутловаты. Внутричерепное давление растёт, растёт давление на глаза. Это деформирует зрительный нерв и влияет на форму глазных яблок. Снижается содержание плазмы в крови, и из-за уменьшения количества крови, которую нужно качать, атрофируются мышцы сердца. Дефект костной массы значителен, кости становятся хрупкими.
Чтобы побороть эти эффекты, люди на орбите вынуждены ежедневно заниматься физическими тренировками. Поэтому создание искусственной силы тяжести считают желательным для долговременных космических путешествий. Такая технология должна создать физиологически естественные условия для обитания людей на борту аппарата. Еще Константин Циолковский считал, что искусственная гравитация поможет решить многие медицинские проблемы полёта человека в космос.
Сама идея основана на принципе эквивалентности силы гравитации и силы инерции, который гласит: «Силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационной массе тела, силы инерции же пропорциональны инертной массе тела. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить, какая сила действует на данное достаточно малое тело - гравитационная или сила инерции».
У такой технологии есть недостатки. В случае с аппаратом небольшого радиуса разная сила будет воздействовать на ноги и на голову - чем дальше от центра вращения, тем сильнее искусственная гравитация. Вторая проблема - сила Кориолиса , из-за воздействия которой человека будет укачивать при движении относительно направления вращения. Чтобы этого избежать, аппарат должен быть огромным. И третий важный вопрос связан со сложностью разработки и сборки такого аппарата. При создании такого механизма важно продумать, как сделать возможным постоянный доступ экипажа к отсекам с искусственной гравитацией и как заставить этот тор двигаться плавно.
В реальной жизни такую технологию для строительства космических кораблей ещё не использовали. Для МКС предлагали надувной модуль с искусственной гравитацией для демонстрации прототипа корабля Nautilus-X. Но модуль дорог и создавал бы значительные вибрации. Делать всю МКС с искусственной гравитацией с текущими ракетами трудноосуществимо - пришлось бы собирать всё на орбите по частям, что в разы усложнило бы размах операций. А ещё эта искусственная гравитация перечеркнула бы саму суть МКС как летающей микрогравитационной лаборатории.
Концепт надувного модуля с микрогравитацией для МКС.
Зато искусственная гравитация живёт в воображении фантастов. Корабль «Гермес» из фильма «Марсианин» имеет в центре вращающийся тор, который создаёт искусственную гравитацию для улучшения состояния экипажа и снижения воздействия невесомости на организм.
Национальное аэрокосмическое агентство США разработало шкалу уровней готовности технологии TRL из девяти уровней: с первого по шестой - развитие в рамках научно-исследовательских работ, с седьмого и выше - опытно-конструкторские работы и демонстрация работоспособности технологий. Технология из фильма «Марсианин» соответствует пока лишь третьему или четвёртому уровню.
В научно-фантастической литературе и фильмах есть много применений этой идеи. В серии романов Артура Кларка «Космическая Одиссея» описывался «Discovery One» в форме гантели, смысл которой - отделить ядерный реактор с двигателем от жилой зоны. Экватор сферы содержит в себе «карусель» диаметром 11 метров, вращающуюся со скоростью около пяти оборотов в минуту. Эта центрифуга создаёт уровень гравитации, равный лунному, что должно предотвращать физическую атрофию в условиях микрогравитации.
«Discovery One» из «Космической Одиссеи»
В аниме-сериале Planetes космическая станция ISPV-7 имеет огромные помещения с привычной земной гравитацией. Жилая зона и зона для растениеводства размещены в двух торах, вращающихся в разных направлениях.
Даже твёрдая фантастика игнорирует огромную стоимость такого решения. Энтузиасты взяли для примера корабль «Элизиум» из одноимённого фильма. Диаметр колеса – 16 километров. Масса - около миллиона тонн. Отправка грузов на орбиту стоит 2700 долларов за килограмм, SpaceX Falcon позволит сократить эту цифру до 1650 долларов за килограмм. Но придётся осуществить 18382 запуска, чтобы доставить такое количество материалов. Это 1 триллион 650 миллиардов американских долларов - почти сто годовых бюджетов НАСА.
До реальных поселений в космосе, где люди могут наслаждаться привычными 9,8 м/с² ускорения свободного падения, ещё далеко. Возможно, повторное использование частей ракет и космические лифты позволят приблизить такую эпоху.