Гравитация на космическа станция. Защо възниква състояние на безтегловност в космоса?
В Международния космическа станция(ISS) ще има модул с центрофуга, създаваща изкуствена гравитация, съобщиха от Института по медико-биологични проблеми Руска академиянауки (IMBP RAS).
"Пресъздадохме центрофуга с малък радиус. Обещанието на този метод за симулиране на изкуствена гравитация беше показано... Центрофуга с малък радиус се използва за създаване на изкуствена гравитация върху трансформируем модул, който в момента се разработва от RSC Energia", каза Олег Орлов, директор на Института по биохимични проблеми.
„Роскосмос“ вече е възложил на „Енергия“ да реализира този проект, добави той. „Надяваме се да направим прототип на центрофуга в нашата база, да го тестваме и след това да го създадем на базата на трансформируем модул“, каза Орлов. Такава центрофуга ще бъде инсталирана на надуваем модул, който в момента се разработва в Русия, по подобие на американския BEAM (Bigelow Expandable Activity Module), скачен към МКС през април.
Видео от работата на експериментална проба на центрофуга с къс радиус:
"Циолковски също вярваше, че ако се създаде изкуствена гравитация, много проблеми с медицинската поддръжка на космическите полети ще бъдат решени. В Института по биомедицински проблеми на Руската академия на науките, където днес е най-добрата в света превантивна система за космонавти, базирана на физически обучение, отдавна започнахме да работим по нова посока - изкуствена гравитация.По време на кратки орбитални полети не беше толкова търсено - космонавтите имаха достатъчно, за да тренират мускулите и костната си рамка с обикновена бягаща пътека, велосипед велоергометър... Сега, когато се появиха планове за изследване на дълбокия космос, създаването на изкуствена гравитация се превърна в спешна задача, която може значително да допълни или дори напълно да замени изтощителната физическа подготовка на астронавтите на борда в продължение на една година или може би още по-дълъг полет.Първата поредица от изследвания, в които участва Олег Орлов, имаше за цел да установи коя въртяща се система е по-удобна за хората. За тази цел дори беше създадена специална ротационна стая.
"Ето ние седим в стаята, тя се върти - спомня си Орлов. - До определен момент се чувстваме добре, но след това не искаме не само да извършваме никакви действия, но дори и да говорим. Няма и дума за ядене, ” световъртежът започва толкова силно. подобни експерименти, вдигане различни скорости, разработихме приемливи изисквания за такива системи. Например, сега знаем, че най-оптималната скорост на въртене за такава стая ще бъде 6 оборота в минута. Не всеки се адаптира към 9 оборота, при 12 почти всеки се разваля. Тези изпитания засега са отложени – нямаме задачата да създадем въртящ се космически кораб. Но ако е необходимо, можем да възобновим изследването.
Според Орлов вторият вариант на изкуствена гравитация, създадена от центрофуга с малък радиус, се оказа най-реалистичен за прилагане на Международната космическа станция. Човек може да го използва периодично, например 2 часа на ден или да се върти в него през нощта, докато спи. Времето за въртене ще бъде избрано индивидуално в зависимост от продължителността на космическия полет, характеристиките на тялото и т.н. Въртейки се в камерата, астронавтът ще изпита същите ефекти като на Земята, при нормални гравитационни условия. Това трябва да е достатъчно, за да компенсира някои от неблагоприятните влияния.
Между другото, изкуствената гравитация е необходима не само в космоса, но и на Земята. Престоят в условия на повишена гравитация, когато силата на гравитацията е по-голяма, отколкото на нашата планета, е полезен при лечението на кръвоносните съдове на долните крайници, ускорява регенерацията на костната тъкан при фрактури, а също така е ефективен при хипертония. ”
Концепцията на станцията от 1969 г., която трябваше да бъде сглобена в орбита от завършените етапи на програмата Аполо. Станцията трябваше да се върти около централната си ос, за да създаде изкуствена гравитация
Защо? Защото, ако искате да отидете в друга звездна система, ще трябва да ускорите кораба си, за да стигнете до там, и след това да го забавите, когато пристигнете. Ако не можете да се предпазите от тези ускорения, ви очаква бедствие. Например, за да ускорите до пълна инерция при " Стар Трек“, до няколко процента от скоростта на светлината, ще трябва да изпитате ускорение от 4000 g. Това е 100 пъти ускорението, което започва да възпрепятства притока на кръв в тялото.
Изстрелването на космическата совалка Колумбия през 1992 г. показа, че ускорението се случва за дълъг период от време. Ускорението на космическия кораб ще бъде многократно по-високо и човешкото тяло няма да може да се справи с него
Освен ако не искате да сте в безтегловност по време на дълго пътуване - за да не се подлагате на ужасно биологично износване като загуба на мускули и кости - трябва да има постоянна сила върху тялото. За всяка друга сила това е доста лесно да се направи. В електромагнетизма, например, човек може да постави екипаж в проводяща кабина и много външни електрически полета просто ще изчезнат. Би било възможно да поставите две успоредни плочи вътре и да създадете постоянно електрическо поле, което избутва зарядите в определена посока.
Само ако гравитацията работеше по същия начин.
Просто няма такова нещо като гравитационен проводник, нито е възможно да се защитите от гравитационната сила. Невъзможно е да се създаде еднородно гравитационно поле в област от пространството, например между две плочи. Защо? Защото за разлика от електрическата сила, генерирана от положителни и отрицателни заряди, има само един вид гравитационен заряд и това е маса-енергия. Гравитационната сила винаги привлича и от нея няма спасение. Можете да използвате само три вида ускорение - гравитационно, линейно и ротационно.
По-голямата част от кварките и лептоните във Вселената се състоят от материя, но всеки от тях също има античастици, направени от антиматерия, чиито гравитационни маси не са определени
Единственият начин, по който може да бъде създадена изкуствена гравитация, която да ви предпази от ефектите на ускорението на вашия кораб и да ви осигури постоянна тяга „надолу“ без ускорение, би бил, ако отключите частици с отрицателна гравитационна маса. Всички частици и античастици, които открихме досега, имат положителна маса, но тези маси са инерционни, което означава, че могат да бъдат оценени само когато частицата е създадена или ускорена. Инерционната маса и гравитационната маса са едни и същи за всички частици, които познаваме, но никога не сме тествали нашата идея върху антиматерия или античастици.
В момента се провеждат експерименти в тази област. Експериментът ALPHA в CERN създаде антиводород: стабилна форма на неутрална антиматерия и работи за изолирането му от всички други частици. Ако експериментът е достатъчно чувствителен, ще можем да измерим как една античастица навлиза в гравитационно поле. Ако падне надолу, като обикновена материя, тогава има положителна гравитационна маса и може да се използва за изграждане на гравитационен проводник. Ако падне нагоре в гравитационно поле, това променя всичко. Само един резултат и изкуствената гравитация може внезапно да стане възможна.
Възможността за получаване на изкуствена гравитация е невероятно привлекателна за нас, но се основава на съществуването на отрицателна гравитационна маса. може да е такава маса, но все още не сме го доказали
Ако антиматерията има отрицателна гравитационна маса, тогава чрез създаване на поле от нормална материя и таван от антиматерия, бихме могли да създадем изкуствено гравитационно поле, което винаги ще ви дърпа надолу. Чрез създаването на гравитационно проводима обвивка под формата на корпуса на нашия космически кораб, ние бихме защитили екипажа от силите на свръхбързото ускорение, което иначе би било смъртоносно. И най-доброто от всичко, хората в космоса вече няма да изпитват отрицателните физиологични ефекти, които измъчват астронавтите днес. Но докато не намерим частица с отрицателна гравитационна маса, изкуствената гравитация ще се получава само благодарение на ускорението.
Днес може би дори хората знаят за факта, че в космоса се наблюдава безтегловност. Малко дете. Такова широко разпространено този фактслужи като вдъхновение за множество научнофантастични филми за космоса. В действителност обаче малко хора знаят защо в космоса има безтегловност и днес ще се опитаме да обясним това явление.
Фалшиви хипотези
Повечето хора, след като са чули въпроса за произхода на безтегловността, лесно ще отговорят, като кажат, че такова състояние се изпитва в Космоса поради причината, че силата на гравитацията не действа върху телата там. И това ще бъде напълно грешен отговор, тъй като в Космоса действа силата на гравитацията и именно тази сила държи всички космически тела на местата им, включително Земята и Луната, Марс и Венера, които неизбежно се въртят около нашето естествено светило - слънцето.
След като чуят, че отговорът е неверен, хората вероятно ще извадят друг коз от ръкава си - липсата на атмосфера, пълният вакуум, наблюдаван в Космоса. И този отговор обаче няма да е правилен.
Защо има безтегловност в космоса?
Факт е, че безтегловността, която изпитват астронавтите на МКС, възниква поради цяла комбинация от различни фактори.
Причината за това е, че МКС обикаля около Земята с огромна скорост, надхвърляща 28 хиляди километра в час. Тази скорост влияе на факта, че астронавтите на станцията престават да усещат земната гравитация и се създава усещане за безтегловност спрямо кораба. Всичко това води до факта, че астронавтите започват да се движат около станцията точно както виждаме в научнофантастичните филми.
Как да симулирам безтегловност на Земята
Интересното е, че състоянието на безтегловност може да бъде изкуствено пресъздадено вътре Земна атмосфера, което, между другото, успешно правят специалисти от НАСА.
НАСА има такъв самолет в баланса си като Vomit Comet. Това е съвсем обикновен самолет, който се използва за обучение на космонавти. Именно той е в състояние да пресъздаде условията на пребиваване в състояние на безтегловност.
Процесът на пресъздаване на такива условия е както следва:
- Самолетът рязко набира височина, движейки се по предварително планирана параболична траектория.
- Достигайки горната точка на конвенционалната парабола, самолетът започва рязко движение надолу.
- Поради рязка промяна в траекторията на движение, както и аспирация самолетнадолу, всички хора на борда започват да изпитват безтегловност.
- След като достигне определена точка на снижаване, самолетът изравнява траекторията си и повтаря процедурата на полета или каца на повърхността на Земята.
За обектите в космоса въртенето е обичайно нещо. Когато две маси се движат една спрямо друга, но не към или далеч една от друга, тяхната гравитационна сила е . В резултат на това в слънчева системавсички планети се въртят около слънцето.
Но това е нещо, на което човекът не е повлиял. Защо космическите кораби се въртят? За да стабилизирате позицията, постоянно насочвайте инструментите в правилната посока и в бъдеще - за създаване на изкуствена гравитация. Нека разгледаме тези въпроси по-подробно.
Стабилизиране на въртенето
Когато гледаме една кола, знаем накъде върви. Той се контролира чрез взаимодействие с външна среда- сцепление на колелата с пътя. Където се въртят колелата, там отива цялата кола. Но ако го лишим от това сцепление, ако изпратим колата на плешиви гуми да се търкаля на лед, тогава тя ще се завърти във валс, което ще бъде изключително опасно за водача. Този тип движение рядко се среща на Земята, но е норма в космоса.Б. В. Раушенбах, академик и лауреат на наградата Ленин, пише в „Контрол на движението на космически кораби“ за три основни типа проблеми с контрола на движението на космически кораби:
- Получаване на желаната траектория (контролиране на движението на центъра на масата),
- Контрол на ориентацията, т.е. получаване на желаното положение на тялото на космическия кораб спрямо външни ориентири (контрол на въртеливото движение около центъра на масата);
- Случаят, когато тези два вида управление се изпълняват едновременно (например, когато космически кораби се приближават един към друг).
Организъм, адаптиран към живот в условия на гравитация, успява да оцелее и без нея. И не само да оцелее, но и да работи активно. Но това малко чудо не е без последствия. Опитът, натрупан в продължение на десетилетия на човешки космически полети, показва, че човек изпитва много стрес в космоса, което се отразява и на психиката.
На Земята нашето тяло се бори с гравитацията, която дърпа кръвта надолу. В космоса тази борба продължава, но няма гравитационна сила. Ето защо космонавтите са подпухнали. Повишава се вътречерепното налягане и се увеличава натискът върху очите. Това деформира зрителния нерв и засяга формата на очните ябълки. Съдържанието на плазма в кръвта намалява и поради намаляването на количеството кръв, което трябва да се изпомпва, сърдечните мускули атрофират. Дефектът на костната маса е значителен и костите стават крехки.
За да се борят с тези ефекти, хората в орбита са принудени да спортуват ежедневно. Следователно създаването на изкуствена гравитация се счита за желателно в дългосрочен план пътуване в космоса. Подобна технология трябва да създаде физиологично естествени условия за живот на хората на борда на устройството. Константин Циолковски също вярваше, че изкуствената гравитация ще помогне за решаването на много медицински проблеми на човешкия космически полет.
Самата идея се основава на принципа на еквивалентност между гравитационната сила и силата на инерцията, който гласи: „Силите на гравитационното взаимодействие са пропорционални на гравитационната маса на тялото, докато силите на инерцията са пропорционални на инертната маса. на тялото. Ако инертната и гравитационната маса са равни, тогава е невъзможно да се разграничи коя сила действа върху дадено сравнително малко тяло - гравитационна или инерционна.
Тази технология има недостатъци. В случай на устройство с малък радиус различна силаще се отрази на краката и главата - колкото по-далеч от центъра на въртене, толкова по-силна е изкуствената гравитация. Вторият проблем е силата на Кориолис, поради влиянието на която човек ще бъде разклатен, когато се движи спрямо посоката на въртене. За да избегнете това, устройството трябва да е огромно. И третият важен въпрос е свързан със сложността на разработването и сглобяването на такова устройство. При създаването на такъв механизъм е важно да се обмисли как да се даде възможност на екипажа да има постоянен достъп до отделенията с изкуствена гравитация и как този торус да се движи плавно.
IN Истински животтакава технология за строителство Космически корабивсе още не съм го използвал. Надуваем модул с изкуствена гравитация беше предложен за МКС, за да демонстрира прототипа на космическия кораб Nautilus-X. Но модулът е скъп и би създал значителни вибрации. Създаването на цялата МКС с изкуствена гравитация със сегашните ракети е трудно осъществимо - всичко ще трябва да бъде сглобено в орбита на части, което значително ще усложни обхвата на операциите. И тази изкуствена гравитация ще отрече самата същност на МКС като летяща лаборатория за микрогравитация.
Концепция на надуваем микрогравитационен модул за МКС.
Но изкуствената гравитация живее във въображението на писателите на научна фантастика. Корабът Хермес от филма Марсианецът има въртящ се торус в центъра, който създава изкуствена гравитация, за да подобри състоянието на екипажа и да намали ефекта от безтегловността върху тялото.
Националната аерокосмическа агенция на САЩ разработи скала на нивата на готовност на технологията TRL от девет нива: от първото до шестото - развитие в рамките на научноизследователска и развойна работа, от седмото и по-горе - развойна работа и демонстрация на производителност на технологиите. Технологията от филма „Марсианецът” засега отговаря само на трето или четвърто ниво.
Има много приложения на тази идея в научнофантастичната литература и филми. Поредицата "Космическа одисея" на Артър К. Кларк описва Discovery One като конструкция с форма на дъмбел, предназначена да отделя задвижвания ядрен реактор от обитаемата зона. Екваторът на сферата съдържа „въртележка“ с диаметър 11 метра, въртяща се със скорост около пет оборота в минута. Тази центрофуга създава ниво на гравитация, равно на това на Луната, което трябва да предотврати физическата атрофия в условията на микрогравитация.
"Discovery One" от "A Space Odyssey"
В аниме сериала Planetes космическата станция ISPV-7 има огромни стаи с обичайната земна гравитация. Жилищната зона и зоната за отглеждане са разположени в два тора, въртящи се в различни посоки.
Дори твърдата научна фантастика пренебрегва огромната цена на подобно решение. Ентусиастите взеха за пример кораба "Елизиум" от едноименния филм. Диаметърът на колелото е 16 километра. Тегло - около милион тона. Изпращането на товари в орбита струва 2700 долара на килограм, SpaceX Falconще намали тази цифра до 1650 долара за килограм. Но ще трябва да бъдат извършени 18 382 изстрелвания, за да се достави това количество материали. Това са 1 трилион 650 милиарда щатски долара - почти сто годишни бюджета на НАСА.
Истинските селища в космоса, където хората могат да се насладят на обичайното ускорение от 9,8 m/s² поради гравитацията, все още са далече. Може би, повторно използванеракетни части и космически асансьорище ни позволи да доближим тази епоха.
