Почему на мкс нет гравитации. Искусственная гравитация и способы ее создания. Почему в Космосе невесомость
На Международной космической станции (МКС) появится модуль с центрифугой, создающей искусственную гравитацию, сообщили в Институте медико-биологических проблем Российской академии наук (ИМБП РАН).
"Мы воссоздали центрифугу малого радиуса. Была показана перспективность этого метода для моделирования искусственной гравитации… Центрифуга малого радиуса служит для создания искусственной гравитации на трансформируемом модуле, разрабатываемом в настоящее время РКК "Энергия", - сказал директор ИМБП Олег Орлов.
Роскосмос уже дал поручение "Энергии" на реализацию этого проекта, добавил он. "Надеемся на нашей базе сделать макет центрифуги, его отработать, чтобы затем его создать на базе трансформируемого модуля", – заявил Орлов. Такую центрифугу установят на надувном модуле, который сейчас разрабатывается в России по типу американского BEAM (Bigelow Expandable Activity Module) , пристыковавшегося к МКС в апреле.
Видео работы экспериментального образца центрифуги короткого радиуса:
"Еще Циолковский считал, что если будет сделана искусственная гравитация, то многие проблемы медицинского сопровождения космических полетов будут решены. В ИМБП РАН, где на сегодняшний день создана лучшая в мире система профилактики для космонавтов, основанная на физических тренировках, мы давно начали прорабатывать и новое направление – искусственную гравитацию. При коротких орбитальных полетах она была не столь востребована, – космонавтам хватало для тренировок мышц и костного каркаса обычной беговой дорожки, велоэргометра... Теперь же, когда появились планы по освоению дальнего космоса, создание искусственной гравитации стало актуальной задачей. Она может существенно дополнить, а то и вовсе заменить для космонавтов изматывающие физические тренировки на борту в течение годового, а может, еще более длительного полета.Первая серия исследований, в которых принимал участие Олег Орлов, была направлена на то, чтобы выяснить, какая вращающая система более комфортна для человека. Для этого была создана даже специальная крутящаяся комната.
"Вот мы сидим в комнате, она крутится, – вспоминает Орлов. – До какого-то момента нам хорошо, но потом нам не хочется не только выполнять какие-то действия, но даже разговаривать. О приеме пищи и речи идти не может, – такое сильное начинается головокружение. В итоге подобных экспериментов, подбирая разные скорости, мы выработали допустимые требования к таким системам. К примеру, знаем теперь, что самой оптимальной скоростью вращения такой комнаты будет 6 оборотов минуту. К 9-ти оборотам уже не всякий адаптируется, при 12-ти – практически каждый ломается. Эти испытания пока отложены, – у нас нет задачи создания вращающегося космического корабля. Но при необходимости мы можем исследования возобновить.
Наиболее реалистичным, по словам Орлова, для реализации уже на Международной космической станции оказался второй вариант искусственной гравитации, создаваемой центрифугой короткого радиуса. Человек может пользоваться ею периодически, например 2 часа в день или ночью крутиться в ней во время сна. Время вращения будет подбираться индивидуально в зависимости от длительности космического полета, особенностей организма и так далее. Вращаясь в камере, космонавт будет испытывать те же воздействия, что и на Земле, в обычных гравитационных условиях. Этого должно хватить, чтобы компенсировать часть неблагоприятных влияний.
Кстати, искусственная гравитация нужна не только в космосе, но и на Земле. Пребывание в условиях повышенной гравитации, когда создается сила тяжести больше, чем на на нашей планете, оказывает пользу при лечении сосудов нижних конечностей, ускоряет регенерацию костных тканей при переломах, есть эффективность и при вариантах гипертонической болезни".
Впервые идея орбитальной станции, в которой гравитацию имитирует центробежная сила, возникающая за счет вращения станции, была высказана в 1928 году в книге австро-венгерского ракетного инженера Германа Поточника.
Эта идея сохранялась и в проектах орбитальных станций 1950-60-х годов. Например, американский конструктор Вернер фон Браун описал вращающуюся станцию диаметром 76 метров.
Инженеры полагали, что такую станцию можно будет построить к 1967 году. Затем должны были последовать полеты на Луну. Однако американское правительство решило сосредоточиться сразу на Луне, так что проект орбитальной станции фон Брауну пришлось отложить. Впоследствии он послужил прототипом станции в фильме «Космическая одиссея 2001 года».
В 1975 году студенты Стэнфордского университета представили в NASA проект «Стэнфордского тора». По их задумке вращающаяся орбитальная станция должна была иметь диаметр 1,8 километра, а внутри было достаточно места, чтобы создать комфортные условия для жизни.
Кроме перечисленных предлагались и другие проекты, но, когда дело наконец дошло до строительства, оказалось, что детали для станции в форме огромного колеса очень сложно доставлять и собирать на орбите, а кроме того, невесомость оказалась ценна для научных экспериментов.
Конечно, невесомость отрицательно сказывается на здоровье людей на станции, однако опыт таких космонавтов, как Валерий Поляков ( по длительности пребывания в космосе), показывает, что к невесомости можно приспособиться , сохранив работоспособность и здоровье.
«Первые длительные полеты породили довольно серьезные проблемы космонавтов со здоровьем. Однако в настоящее время эта проблема в основном решена. А раз она решена, зачем затруднять себе жизнь созданием станции с искусственной гравитацией? Вращение станции - серьезное неудобство для ее работы: масса экспериментов, которые хотелось бы проводить на орбитальной станции, либо затруднены, либо вообще невозможны», - считает ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт.
В конечном счете проекты вращающихся орбитальных станций так и остались неосуществленными. Последний из них - Nautilus-X. Этот проект предполагал постройку станции с центрифугой, внутри которой должны были располагаться жилые отсеки, надувные отсеки со складскими помещениями, солнечные панели и двигатели. Станция должна была быть по космическим меркам дешевой - 3,7 миллиарда долларов (для сравнения: МКС - 150 миллиардов). В рамках проекта предполагалось отправить на МКС демонстрационный модуль с центрифугой. Однако дальше идеи дело не продвинулось, хотя, возможно, центрифуга на МКС все-таки появится - ее планируют разработать Институт медико-биологических проблем РАН и РКК «Энергия».
Впрочем, недавно частная компания, называющая себя консорциумом «Космические технологии», объявила , что собирается строить собственную орбитальную станцию с искусственной гравитацией, причем в рамках проекта планируется также строительство космодрома на Дальнем Востоке. Работы компания намеревается завершить к 2032 году.
Однако с учетом того, что на такие грандиозные планы нужны миллиарды долларов, проект выглядит чистым вздором. «Реализовать такой проект силами частной компании конечно же невозможно. Для этого нужны просто колоссальные деньги», - пояснил Эйсмонт.
Екатерина Боровикова
Согласно закону всемирного тяготения все тела притягиваются друг к другу, и сила притяжения прямо пропорциональна массам тел и обратна пропорциональна квадрату расстояния между ними. То есть выражение «отсутствие гравитации» вообще не имеет смысла. На высоте нескольких сотен километров над поверхностью Земли — там, где летают пилотируемые корабли и космические станции — сила притяжения Земли очень велика и практически не отличается от силы гравитации вблизи поверхности.
Если бы существовала техническая возможность сбросить некий предмет с башни высотой километров 300, он бы начал падать вертикально и с ускорением свободного падения, точно так же, как он падал бы с высоты небоскреба или с высоты человеческого роста. Таким образом, во время орбитальных полетов сила земного притяжения не отсутствует и не ослабевает в значимых масштабах, а компенсируется. Точно так же, как для водных судов и аэростатов, сила притяжения земли компенсируется архимедовой силой, а для крылатых летательных аппаратов — подъемной силой крыла.
Да, но вот самолет-то летит и не падает, а пассажиру внутри салона не летают как космонавты на МКС. При обычном полете пассажир прекрасно ощущает свой вес, и от падения на землю его удерживает не непосредственно подъемная сила, а сила реакции опоры. Лишь во время аварийного или искусственно вызванного резкого снижения человек вдруг чувствует, что перестает давить на опору. Возникает невесомость. Почему? А потому что если потеря высоты происходит с ускорением, близким к ускорению свободного падения, то опора больше не мешает пассажиру падать — она и сама падает.
spaceref.com Понятно, что когда самолет прекратит резкое снижение, или, к несчастью, упадет на землю, тут-то и станет ясно, что гравитация никуда не девалась. Ибо в земных и околоземных условиях эффект невесомости возможен только во время падения. Собственно продолжительным падением и является орбитальный полет. Космическому кораблю, двигающемуся по орбите с первой космической скоростью, мешает упасть на Землю сила инерции. Взаимодействие гравитации и инерции имеет название «центробежной силы», хотя в реальности такой силы не существует, это в некотором роде фикция. Аппарат стремится двигаться по прямой (по касательной к околоземной орбите), но земная гравитация постоянно «закручивает» траекторию движения. Здесь эквивалентом ускорения свободного падения является так называемое центростремительное ускорение, в результате которого меняется не значение скорости, а ее вектор. И поэтому скорость корабля остается неизменной, а направление движение постоянно меняется. Поскольку и корабль, и космонавт движутся с одной и той же скоростью и с тем же самым центростремительным ускорением, космический аппарат не может выступать в качестве опоры, на которую давит вес человека. Вес — это возникающая в поле сил тяжести сила воздействия тела на опору препятствующую падению, А корабль, как и резко снижающийся самолет, падать не мешает.
Вот поэтому совершенно неправильно говорить об отсутствии земной гравитации или о наличии «микрогравитации» (как принято в англоязычных источниках) на орбите. Напротив, притяжение земли является одним из главных факторов возникающего на борту феномена невесомости.
Об истинной микрогравитации можно говорить лишь в применении к полетам в межпланетном и межзвездном пространстве. Вдали от крупного небесного тела действие сил притяжения отдаленных звезд и планет будет настолько слабым, что возникнет эффект невесомости. О том, как с этим бороться, мы не раз читали в фантастических романах. Космические станции в виде тора (баранки) станут раскручиваться вокруг центральной оси и создавать имитацию гравитации с помощью центробежной силы. Правда, чтобы создать эквивалент земного притяжения, придется задать тору диаметр более 200 м. Есть и другие проблемы, связанные с искусственной гравитацией. Так что все это дело отдаленного будущего.
О том факте, что в Космосе наблюдается невесомость, сегодня знает, пожалуй, даже маленький ребенок. Такому широкому распространению данного факта послужили многочисленные фантастические фильмы про Космос. Однако в действительности, почему в Космосе невесомость, знают немногие, и сегодня мы постараемся дать объяснение данному явлению.
Ошибочные гипотезы
Большинство людей, услышав вопрос о происхождении невесомости, легко дадут на него ответ, сказав, что такое состояние испытывается в Космосе по той причине, что сила притяжения там не действует на тела. И это будет в корне неверный ответ, поскольку в Космосе сила притяжения действует, и именно она удерживает все космические тела на своих местах, включая Землю и Луну, Марс и Венеру, которые неизбежно вращаются вокруг нашего естественного светила – Солнца.
Услышав, что ответ неверный, люди наверняка достанут из рукава другой козырь – отсутствие атмосферы, полный вакуум, наблюдаемый в Космосе. Однако и этот ответ не будет верным.
Почему в Космосе невесомость
Дело в том, что та невесомость, которую испытывают на себе космонавты, находящиеся на МКС, возникает по причине целой совокупности всевозможных факторов.
Причиной тому является то, что МКС вращается вокруг Земли по орбите с огромной скоростью, превышающей 28 тысяч километров в час. Такая скорость влияет на тот факт, что астронавтами на станции перестает ощущаться Земное притяжение, и относительно корабля создается ощущение невесомости. Все это и приводит к тому, что космонавты начинают передвигаться по станции именно так, как мы это видим в фантастических фильмах.
Как симулируют невесомость на Земле
Интересно, что состояние невесомости можно искусственно воссоздать в пределах Земной атмосферы, чем, кстати, успешно занимаются специалисты из НАСА.
На балансе NASA присутствует такое летательное средство, как Vomit Comet. Это вполне обычный аэроплан, который используется для тренировки астронавтов. Именно он способен воссоздавать условия пребывания в состоянии невесомости.
Сам процесс воссоздания подобных условий выглядит следующим образом:
- Аэроплан резко набирает высоту, двигаясь по заранее запланированной параболической траектории.
- Достигая верхней точки условной параболы, аэроплан начинает резкое движение вниз.
- За счет резкого изменения траектории движения, а также устремления летательного аппарата вниз, все пребывающие на борту люди начинают находиться в условиях невесомости.
- Достигая определенной точки снижения, аэроплан выравнивает свою траекторию, и повторяет процедуру полета, либо же садится на поверхность Земли.