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 . 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

Б. В. Раушенбах, академик и лауреат Ленинской премии, писал в “Управлении движением космических аппаратов” о трёх основных типах задач управления движением космического аппарата:

1. Получение нужной траектории (управление движением центра масс),
2. Управление ориентацией, то есть получение нужного положения корпуса космического аппарата относительно внешних ориентиров (управление вращательным движением вокруг центра масс);
3. 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 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.

В последнее время появилось много работ, в которых авторы анализируют возможные последствия длительного пребывания человека в необычном для него состоянии невесомости. Обсуждается, естественно, и проблема создания искусственной гравитации на космическом корабле (под гравитацией понимается действие сил ). В условиях Земли человек ощущает невесомость, как известно, лишь при свободном падении или при полете на самолете по параболической траектории (траектория Кеплера), когда ускорение движения равно ускорению силы тяжести. Все иные способы, например, погружение человека в жидкость, позволяют лишь частично воспроизвести некоторые изменения в функциях организма, возникающие при невесомости.

Часто понятие невесомости и нулевого гравитационного поля отождествляют. На самом же деле между ними есть принципиальное различие, которое можно пояснить следующим образом. Нулевое гравитационное поле (или нулевая гравитация) возможно лишь в отдельных точках космического пространства, где силы притяжения двух или нескольких небесных тел взаимно уравновешиваются. В таких точках невесомость статическая. Любое тело помещенное в такую точку космического пространства, не будет ничего весить.

Динамическая невесомость может возникнуть в любых других точках гравитационного поля, когда сила тяжести уравновешивается центробежной силой. Невесомость этого рода возникает, например, при вращении искусственного спутника Земли по круговой или эллиптической орбите.

Американский ученый Э. Джонс приводит некоторые расчеты, относящиеся к полету космического корабля с Земли на Луну. Выбранная автором траектория полета имеет длину 384 тысячи километров. Примерно через семь часов после старта корабль достигает второй космической скорости и летит с этой скоростью в течение пяти часов, пока не попадет в сферу притяжения Луны. На расстоянии в 350 тысяч километров от Земли корабль проходит точку статической невесомости. На последнем этапе полета продолжительностью около семи часов разность гравитационных сил Земли и Луны будет составлять лишь тысячные доли силы нашего привычного земного тяготения.

Из этого примера следует, что в межпланетном полете на человека могут действовать лишь незначительные гравитационные силы, и он практически будет испытывать состояние статической невесомости.

Исследования влияния невесомости, проведенные при полетах американских космонавтов, показали, что организм человека может приспосабливаться к состоянию относительно кратковременной невесомости. Люди могут находиться в ней без существенных нарушений в системах организма. Однако это приспособление не во всех случаях достаточно совершенно. Кроме того, ученые пока не знают, как перенесет человек длительную невесомость - недели, месяцы. Есть основания думать, что в таких случаях возможны вегетативно-вестибулярные расстройства, которые примут форму болезни укачивания. (А еще интересно как в условиях искусственной гравитации и невесомости люди смогут осуществлять разные привычные действия, например, ту же заправку картриджей, хотя наверняка специалисты, которых можно найти по ссылке tend.kiev.ua/zapravka-kartridzhej/ смогут профессионально заправить картридж и в условиях невесомости).

Резкое снижение мышечной деятельности и уменьшение потребности в энергии могут привести в длительном космическом полете к мышечной адинамии. Невесомость резко снижает нагрузку на сердечнососудистую систему, поскольку отпадает нужда в мышечной работе и облегчается работа сердца по перемещению крови в кровяном русле. Это, в свою очередь, вызывает изменение обменных процессов. Следствием всего этого будет уменьшение потока информации, поступающей в мозговые центры от костно-мышечного аппарата и внутренних органов. А это может сказаться на нервно-психических реакциях космонавта.

Резкие смены условий гравитации могут оказать особенно вредное воздействие на организм, ослабленный адинамией, при возвращении космонавта на Землю и входе в плотные слои атмосферы.

Отмечено, что у американских космонавтов Шепарда, Гриссома и Гленна на этапе перехода от состояния невесомости к перегрузкам наблюдалось резкое учащение пульса, повышение температуры и кровяного давления. У Карпентера эти явления были наиболее продолжительными. Длительная невесомость, по-видимому, будет снижать работоспособность космонавтов и вследствие того, что при таком состоянии затрудняется передвижение по космическому кораблю, ведение ремонтно-монтажных работ, связанных с применением инструментов. Невесомость создает ряд проблем, затрудняющих обслуживание корабля, она делает непригодными открытые контейнеры и камеры для хранения предметов. Из-за нее в кабине корабля будут свободно плавать пыль, грязь и т. д. В целом невесомость может создать серьезные трудности при полете человека на Луну, Венеру и другие планеты.

Начиная с К. Э. Циолковского (1911 г.), многие ученые (Оберт, Браун и др.) считали, что лучшей защитой космонавта от неблагоприятного действия невесомости может служить искусственная гравитация.

Чтобы понять сущность искусственной гравитации, следует иметь в виду, что на человека, когда он идет на земле, кроме сил, действие которых он отчетливо ощущает (например, сила тяжести, сила трения и др.), действуют еще силы, которые настолько малы, что он их не замечает. К ним относятся центробежная и кориолисова силы инерции. Причиной возникновения этих сил является вращение Земли.

Предположим, что основанием, на котором стоит человек, является не Земля, а внутренняя стенка космического корабля. Если этот корабль будет вращаться вокруг оси симметрии, то на человека будет действовать центробежная сила, которая 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.

Посмотрим, однако, все ли при этом будет так, как на Земле. Оказывается, что нет. Величина центробежной силы зависит от радиуса вращения. А голова и руки человека, стоящего на «полу» кабины космического корабля, ближе к оси вращения, чем ноги. Следовательно, центробежная сила, заменяющая в данном случае силу тяжести, будет непрерывно нарастать в направлении от головы к ногам. Поэтому двигать ногами будет труднее, чем головой и руками. Эту разность величин центробежной силы, действующей на голову и ноги человека, называют гравитационным градиентом.

Чем меньше радиус вращения, тем ощутимее для человека этот градиент. Однако пока нет никаких экспериментальных данных о действии гравитационного градиента. Некоторые исследователи (Пенн, Дол и др.) считают, что разность величин центробежной силы, действующей на голову и ноги человека (в расчете на единицу массы), не должна превышать 15 процентов максимальной величины этой силы. Тогда, если принять, что рост человека равен 1,8 метра, радиус вращения кабины космического корабля должен быть не меньше 12 метров.

Предположим теперь, что человек не стоит на месте, а идет по космическому кораблю. Тогда, кроме центробежной силы, на него начнет действовать кориолисова сила инерции. Человек обязательно почувствует это, так как угловая скорость вращения корабля гораздо больше угловой скорости вращения Земли.

Если человек поднимается по лестнице внутри космического корабля, то кориолисова сила инерции будет стремиться сместить его вправо, если же он опускается, то кориолисова сила будет стремиться сдвинуть его влево. Если же человек будет двигаться в сторону вращения корабля, то сила Кориолиса будет прижимать его к полу, если же он будет двигаться против вращения, то сила инерции будет стремиться его приподнять. Только если человек будет перемещаться параллельно оси вращения корабля, он будет избавлен от действия этой столь непривычной для него силы.

Даже человек, не интересующийся космосом, хоть раз видел фильм о космических путешествиях или читал о таких вещах в книгах. Практически во всех подобных произведениях люди ходят по кораблю, нормально спят, не испытывают проблем с приемом пищи. Это означает, что на этих - выдуманных - кораблях имеется искусственная гравитация. Большинство зрителей воспринимает это как нечто совершенно естественное, а ведь это совсем не так.

Искусственная гравитация

Так называют изменение (в любую сторону) привычной для нас гравитации путем применения различных способов. И делается это не только в фантастических произведениях, но и во вполне реальных земных ситуациях, чаще всего, для экспериментов.

В теории создание искусственной гравитации выглядит не так сложно. К примеру, воссоздать ее можно при помощи инерции, точнее, Потребность в этой силе возникла не вчера - произошло это сразу, как только человек начал мечтать о длительных космических перелетах. Создание искусственной гравитации в космосе даст возможность избежать множества проблем, возникающих при продолжительном нахождении в невесомости. У космонавтов слабеют мускулы, кости становятся менее прочными. Путешествуя в таких условиях месяцы, можно получить атрофию некоторых мышц.

Таким образом, на сегодняшний день создание искусственной гравитации - задача первостепенной важности, без этого умения просто невозможно.

Матчасть

Даже те, кто знают физику лишь на уровне школьной программы, понимают, что гравитация - один из фундаментальных законов нашего мира: все тела взаимодействуют друг с другом, испытывая взаимное притяжение/отталкивание. Чем больше тело, тем выше его сила притяжения.

Земля для нашей реальности - объект очень массивный. Именно поэтому все без исключения тела вокруг к ней притягиваются.

Для нас это означает которое принято измерять в g, равное 9.8 метра за квадратную секунду. Это значит, что если бы под ногами у нас не было опоры, мы бы падали со скоростью, ежесекундно увеличивающейся на 9.8 метра.

Таким образом, только благодаря гравитации мы способны стоять, падать, нормально есть и пить, понимать, где находится верх, где низ. Если притяжение исчезнет - мы окажемся в невесомости.

Особенно хорошо знакомы с этим феноменом космонавты, оказывающиеся в космосе в состоянии парения - свободного падения.

Теоретически ученые знают, как создать искусственную гравитацию. Существует несколько методик.

Большая масса

Самый логичный вариант - сделать настолько большим, чтобы на нем возникала искусственная гравитация. На корабле можно будет чувствовать себя комфортно, поскольку не будет потеряна ориентация в пространстве.

К сожалению, этот способ при современном развитии технологий нереален. Чтобы соорудить такой объект, требуется слишком много ресурсов. Кроме того, для его подъема потребуется невероятное количество энергии.

Ускорение

Казалось бы, если требуется достичь g, равного земному, нужно всего лишь придать кораблю плоскую (платформообразную) форму, и заставить его двигаться по перпендикуляру к плоскости с нужным ускорением. Таким путем будет получена искусственная гравитация, причем - идеальная.

Однако в реальности все гораздо сложнее.

В первую очередь стоит учесть топливный вопрос. Для того чтобы станция постоянно ускорялась, необходимо иметь бесперебойный источник питания. Даже если внезапно появится двигатель, не выбрасывающий материю, закон сохранения энергии останется в силе.

Вторая проблема заключается в самой идее постоянного ускорения. Согласно нашим знаниям и физическим законам, невозможно ускоряться до бесконечности.

Кроме того, такой транспорт не подходит для исследовательских миссий, поскольку он должен постоянно ускоряться - лететь. Он не сможет остановиться для изучения планеты, он даже медленно пролететь вокруг нее не сможет - надо ускоряться.

Таким образом, становится ясно, что и такая искусственная гравитация нам пока недоступна.

Карусель

Каждый знает, как вращение карусели воздействует на тело. Поэтому устройство искусственной гравитации по этому принципу кажется наиболее реальным.

Все, что находится в диаметре карусели, стремится выпасть из нее со скоростью, примерно равной скорости вращения. Выходит, что на тела действует сила, направленная вдоль радиуса вращающегося объекта. Это очень похоже на гравитацию.

Итак, требуется корабль, имеющий цилиндрическую форму. При этом он должен вращаться вокруг своей оси. Между прочим, искусственная гравитация на космическом корабле, созданная по этому принципу, достаточно часто демонстрируется в научно-фантастических фильмах.

Бочкообразный корабль, вращаясь вокруг продольной оси, создает центробежную силу, направление которой соответствует радиусу объекта. Чтобы вычислить получаемое ускорение, требуется разделить силу на массу.

В этой формуле результат расчетов - ускорение, первая переменная - узловая скорость (измеряется в количестве радиан в секунду), вторая - радиус.

Согласно этому, для получения привычной нам g, необходимо грамотно сочетать и радиус космического транспорта.

Подобная проблема освещена в таких фильмах, как «Интерсолах», «Вавилон 5», «2001 год: Космическая одиссея» и подобных им. Во всех этих случаях искусственная гравитация приближена к земному ускорению свободного падения.

Как бы ни была хороша идея, реализовать ее достаточно сложно.

Проблемы метода «карусель»

Самая очевидная проблема освещена в «Космической одиссее». Радиус «космического перевозчика» составляет порядка 8 метров. Для того чтобы получить ускорение в 9.8, вращение должно происходить со скоростью, примерно, 10.5 оборота ежеминутно.

При указанных величинах проявляется «эффект Кориолиса», который заключается в том, что на различном удалении от пола действует разная сила. Она напрямую зависит от угловой скорости.

Выходит, искусственная гравитация в космосе создана будет, однако слишком быстрое вращение корпуса приведет к проблемам с внутренним ухом. Это, в свою очередь, вызывает нарушения равновесия, проблемы с вестибулярным аппаратом и прочие - аналогичные - трудности.

Возникновение этой преграды говорит о том, что подобная модель крайне неудачная.

Можно попробовать пойти от обратного, как поступили в романе «Мир-Кольцо». Тут корабль выполнен в форме кольца, радиус которого приближен к радиусу нашей орбиты (порядка 150 млн км). При таком размере скорости его вращения вполне достаточно, чтобы игнорировать эффект Кориолиса.

Можно предположить, что проблема решена, однако это совсем не так. Дело в том, что полный оборот этой конструкции вокруг своей оси занимает 9 дней. Это дает возможность предположить, что нагрузки окажутся слишком велики. Для того чтобы конструкция их выдержала, необходим очень крепкий материал, которым на сегодняшний день мы не располагаем. Кроме того, проблемой является количество материала и непосредственно процесс постройки.

В играх подобной тематики, как и в фильме «Вавилон 5», эти проблемы каким-то образом решены: вполне достаточна скорость вращения, эффект Кориолиса не существенен, гипотетически создать такой корабль возможно.

Однако даже такие миры имеют недостаток. Зовут его - момент импульса.

Корабль, вращаясь вокруг оси, превращается в огромный гироскоп. Как известно, заставить гироскоп отклониться от оси крайне сложно благодаря Важно, чтобы его количество не покидало систему. Это означает, что задать направление этому объекту будет очень сложно. Однако такую проблему решить можно.

Решение проблемы

Искусственная гравитация на космической станции становится доступной, когда на помощь приходит «цилиндр О’Нила». Для создания этой конструкции необходимы одинаковые цилиндрические корабли, которые соединяют вдоль оси. Вращаться они должны в разные стороны. Результатом такой сборки является нулевой момент импульса, поэтому не должно возникнуть трудностей с приданием кораблю необходимого направления.

Если возможно сделать корабль радиусом порядка 500 метров, то он будет работать именно так, как и должен. При этом искусственная гравитация в космосе будет вполне комфортной и пригодной для длительных перелетов на кораблях или исследовательских станциях.

Space Engineers

Как создать искусственную гравитацию, известно создателям игры. Впрочем, в этом фантастическом мире гравитация - это не взаимное притяжение тел, но линейная сила, призванная ускорить предметы в заданном направлении. Притяжение тут не абсолютно, оно изменяется при перенаправлении источника.

Искусственная гравитация на космической станции создается путем использования специального генератора. Она равномерна и равнонаправленна в зоне действия генератора. Так, в реальном мире, попав под корабль, в котором установлен генератор, вы бы были притянуты к корпусу. Однако в игре герой будет падать до тех пор, пока не покинет периметр действия устройства.

На сегодняшний день искусственная гравитация в космосе, созданная таким устройством, для человечества недоступна. Однако даже убеленные сединами разработчики не перестают мечтать о ней.

Сферический генератор

Это более реалистичный вариант оборудования. При его установке гравитация имеет направление к генератору. Это дает возможность создать станцию, гравитация которой будет равна планетарной.

Центрифуга

Сегодня искусственная гравитация на Земле встречается в различных устройствах. Основаны они, большей частью, на инерции, поскольку эта сила ощущается нами аналогично гравитационному воздействию - организм не различает, какая причина вызывает ускорение. Как пример: человек, поднимающийся в лифте, испытывает на себе воздействие инерции. Глазами физика: подъем лифта добавляет к ускорению свободного падения ускорение кабины. При возвращении кабины к размеренному движению «прибавка» в весе исчезает, возвращая привычные ощущения.

Ученых давно интересует искусственная гравитация. Центрифуга используется для этих целей чаще всего. Этот метод подходит не только для космических кораблей, но и для наземных станций, в которых требуется изучать воздействие гравитации на человеческий организм.

Изучить на Земле, применять в…

Хотя изучение гравитации началось из космоса, это очень земная наука. Даже на сегодняшний день достижения в этой сфере нашли свое применение, например, в медицине. Зная, возможно ли создать искусственную гравитацию на планете, можно использовать ее для лечения проблем с двигательным аппаратом или нервной системы. Более того, изучением этой силы занимаются прежде всего на Земле. Это дает возможность космонавтам проводить эксперименты, оставаясь под пристальным вниманием врачей. Другое дело искусственная гравитация в космосе, там нет людей, способных помочь космонавтам при возникновении непредвиденной ситуации.

Имея в виду полную невесомость, нельзя брать в расчет спутник, находящийся на околоземной орбите. На эти объекты, пусть и в малой степени, воздействует земное притяжение. Силу тяжести, образующуюся в таких случаях, называют микрогравитацией. Реальную гравитацию испытывают только в аппарате, летящем с постоянной скоростью в открытом космосе. Впрочем, человеческий организм эту разницу не ощущает.

Испытать на себе невесомость можно при затяжном прыжке (до того, как купол раскроется) или во время параболического снижения самолета. Такие эксперименты часто ставят в США, но в самолете это ощущение длится только 40 секунд - это слишком мало для полноценного изучения.

В СССР еще в 1973 году знали, можно ли создать искусственную гравитацию. И не просто создавали ее, но и в некотором роде изменяли. Яркий пример искусственного уменьшения силы тяжести - сухое погружение, иммерсия. Для достижения необходимого эффекта требуется положить плотную пленку на поверхность воды. Человек размещается поверх нее. Под тяжестью тела организм погружается под воду, наверху остается лишь голова. Эта модель демонстрирует безопорность с пониженной гравитацией, которая характерна для океана.

Нет необходимости отправляться в космос, чтобы ощутить на себе воздействие противоположной невесомости силы - гипергравитации. При взлете и посадке космического корабля, в центрифуге перегрузку можно не только ощутить, но и изучить.

Лечение гравитацией

Гравитационная физика изучает в том числе и воздействие невесомости на организм человека, стремясь минимизировать последствия. Однако большое количество достижений этой науки способно пригодиться и обычным жителям планеты.

Большие надежды медики возлагают на исследования поведения мышечных ферментов при миопатии. Это тяжелое заболевание, ведущее к ранней смерти.

При активных физических занятиях в кровь здорового человека поступает большой объем фермента креатинофосфокиназы. Причина этого явления неясна, возможно, нагрузка воздействует на мембрану клеток таким образом, что она «дырявится». Больные миопатией получают тот же эффект без нагрузок. Наблюдения за космонавтами показывают, что в невесомости поступление активного фермента в кровь значительно снижается. Такое открытие позволяет предположить, что применение иммерсии позволит снизить негативное воздействие приводящих к миопатии факторов. В данный момент проводятся опыты на животных.

Лечение некоторых болезней уже сегодня проводится с использованием данных, полученных при изучении гравитации, в том числе искусственной. К примеру, проводится лечение ДЦП, инсультов, Паркинсона путем применения нагрузочных костюмов. Практически закончены исследования положительного воздействия опоры - пневматического башмака.

Полетим ли на Марс?

Последние достижения космонавтов дают надежду на реальность проекта. Имеется опыт медицинской поддержки человека при длительном нахождении вдали от Земли. Много пользы принесли и исследовательские полеты к Луне, сила гравитации на которой в 6 раз меньше нашей родной. Теперь космонавты и ученые ставят перед собой новую цель - Марс.

Прежде чем вставать в очередь за билетом на Красную планету, следует знать, что ожидает организм уже на первом этапе работы - в пути. В среднем дорога к пустынной планете займет полтора года - около 500 суток. Рассчитывать в пути придется только на свои собственные силы, помощи ждать просто неоткуда.

Подтачивать силы будут множество факторов: стресс, радиация, отсутствие магнитного поля. Самое главное же испытание для организма - изменение гравитации. В путешествии человек «ознакомится» с несколькими уровнями гравитации. В первую очередь это перегрузки при взлете. Затем - невесомость во время полета. После этого - гипогравитация в месте назначения, т. к. сила тяжести на Марсе менее 40% земной.

Как справляются с отрицательным воздействием невесомости в длительном перелете? Есть надежда, что разработки в области создания искусственной гравитации помогут решить этот вопрос в недалеком будущем. Опыты на крысах, путешествующих на «Космос-936» показывают, что этот прием не решает всех проблем.

Опыт ОС показал, что гораздо больше пользы для организма способно принести применение тренажерных комплексов, способных определить необходимую нагрузку для каждого космонавта индивидуально.

Пока считается, что на Марс полетят не только исследователи, но и туристы, желающие основать колонию на Красной планете. Для них, во всяком случае первое время, ощущения от нахождения в невесомости перевесят все доводы медиков о вреде длительного нахождения в таких условиях. Однако через несколько недель помощь потребуется и им, поэтому так важно суметь найти способ создать на космическом корабле искусственную гравитацию.

Итоги

Какие выводы можно сделать о создании искусственной гравитации в космосе?

Среди всех рассматриваемых в данный момент вариантов наиболее реалистично выглядит вращающаяся конструкция. Однако при нынешнем понимании физических законов это невозможно, поскольку корабль - это не полый цилиндр. Внутри него имеются перекрытия, мешающие воплощению идей.

Кроме того, радиус корабля должен быть настолько большим, чтобы эффект Кориолиса не оказывал существенного влияния.

Чтобы управлять чем-то подобным, требуется упомянутый выше цилиндр О’Нила, который даст возможность управлять кораблем. В этом случае повышаются шансы применения подобной конструкции для межпланетных перелетов с обеспечением команды комфортным уровнем гравитации.

До того как человечеству удастся претворить свои мечты в жизнь, хотелось бы видеть в фантастических произведениях чуточку большей реалистичности и еще большего знания законов физики.

Геннадий Бражник, 23 апреля 2011
Смотря на Мир, открой глаза... (древнегреческий эпос)
Как создать искусственную Гравитацию?
Пятидесятилетие освоения космоса, отмечаемое в этом году, показало огромный потенциал человеческого интеллекта в вопросе познания окружающей Вселенной. Международная космическая станция (МКС) - пилотируемая орбитальная станция - совместный международный проект, в котором участвуют 23 страны,
убедительно доказывает заинтересованность национальных программ в вопросах освоения как ближнего, так и дальнего космического пространства. Это относится как к научно-технической, так и к коммерческой стороне рассматриваемого вопроса. Вместе с тем, основным вопросом, стоящим на пути массового освоения космического пространства является проблема невесомости или отсутствие гравитации на существующих космических объектах. "Гравитация (всемирное тяготение, тяготение) - универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна" - такое определение дает современная наука этому явлению. Природа гравитации в настоящее время не выяснена. Теоретические разработки в рамках разных гравитационных теорий не находят своего экспериментального подтверждения, что наводит на мысль о преждевременном утверждении научной парадигмы по природе гравитационного взаимодействия, как одного из четырех фундаментальных взаимодействий. В соответствии с теорией тяготения Ньютона, гравитационная сила Земного притяжения определяется выражением F=m x g, где m -масса тела, а g - ускорение свободного падения. "Ускорение свободного падения g - ускорение, придаваемое телу в вакууме силой тяжести, то есть геометрической суммой гравитационного притяжения планеты (или другого астрономического тела) и инерциальных сил, вызванных ее вращением. В соответствии со вторым законом Ньютона, ускорение свободного падения равно силе тяжести, воздействующей на объект единичной массы. Значение ускорения свободного падения для Земли обычно принимают равным 9,8 или 10 м/с╡. Стандартное („нормальное") значение, принятое при построении систем единиц, g = 9,80665 м/с╡, а в технических расчетах обычно принимают g = 9,81 м/с╡. Значение g было определено как „среднее" в каком-то смысле ускорение свободного падения на Земле, примерно равно ускорению свободного падения на широте 45,5° на уровне моря. Реальное ускорение свободного падения на поверхности Земли зависит от широты, времени суток и других факторов. Оно варьируется от 9,780 м/с╡ на экваторе до 9,832 м/с╡ на полюсах." Эта научная неопределенность вызывает и ряд вопросов, связанных с гравитационной постоянной в Общей теории относительности. Является ли она настолько постоянной, если в условиях земного притяжения мы имеем такой разброс параметров. Основными доводами практически всех гравитационных теорий является следующее: "Ускорение свободного падения состоит из двух слагаемых: гравитационного ускорения и центростремительного ускорения. Отличия обусловлены: центростремительным ускорением в системе отсчета, связанной с вращающейся Землей; неточностью формулы из-за того, что масса планеты распределена по объему, который имеет геометрическую форму, отличную от идеального шара (геоид); неоднородностью Земли, что используется для поиска полезных ископаемых по гравитационным аномалиям." На первый взгляд достаточно убедительные аргументы. При более детальном рассмотрении, становится очевидным, что эти аргументы не объясняют физическую природу явления. В системе отсчета Земли, связанной с центростремительным ускорением в каждой географической точке находятся все компоненты измерения ускорения свободного падения. Поэтому одинаковому воздействию, включая и распределенную массу Земли, и гравитационные аномалии подвергаются как объект измерения, так и измеряемая аппаратура. Следовательно, результат измерения должен быть постоянным, но этого не происходит. Кроме того, неопределенность ситуации вызывают и теоретические расчетные значения ускорения свободного падения на высоте полета МКС - g=8,8 м/с(2). Фактическое значение локальной гравитации на МКС определяются в пределах 10(−3)...10(−1) g, что и определяет невесомость. Неубедительно выглядят и заявления о том, что МКС движется с первой космической скоростью и находится как бы в состоянии свободного падения. А как же тогда геостационарные спутники? При таком расчетном значении g они давно упали бы на Землю. Кроме того, массу любого тела можно определить как количественную и качественную характеристику собственного электрического заряда. Все эти рассуждения приводят к заключению, что природа земной гравитации не зависит от соотношения масс взаимодействующих объектов, а определяется кулоновскими силами электрического взаимодействия поля тяготения Земли. Если мы летим в горизонтальном полете на самолете, на высоте десяти км, то законы гравитации выполняются полностью, но при таком же полете на МКС на высоте 350 км гравитация практически отсутствует. Это означает, что в пределах этих высот существует механизм, позволяющий определиться гравитации, как силе взаимодействия материальных тел. И значение этой силы определяется законом Ньютона. Для человека массой 100кг, сила гравитационного притяжения на уровне земли, без учета атмосферного давления, должна составлять F= 100 х 9,8= 980 н. В соответствии с существующими данными атмосфера Земли представляет собой электрически неоднородную структуру, слоистость которой определяет ионосфера. "Ионосфера (или термосфера) - часть верхней атмосферы Земли, сильно ионизирующаяся вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N2 и кислорода О2) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли. В зависимости от плотности заряженных частиц N в ионосфере выделяются слои D, Е и F. Слой D В области D (60-90 км) концентрация заряженных частиц составляет Nmax~ 10(2)-10(3) см−3 - это область слабой ионизации. Основной вклад в ионизацию этой области вносит рентгеновское излучение Солнца. Также небольшую роль играют дополнительные слабые источники ионизации: метеориты, сгорающие на высотах 60-100 км, космические лучи, а также энергичные частицы магнитосферы (заносимые в этот слой во время магнитных бурь). Слой D также характеризуется резким снижением степени ионизации в ночное время суток. Слой Е Область Е (90-120 км) характеризуется плотностями плазмы до Nmax~ 10(5) см−3. В этом слое наблюдается рост концентрации электронов в дневное время, поскольку основным источником ионизации является солнечное коротковолновое излучение, к тому же рекомбинация ионов в этом слое идет очень быстро и ночью плотность ионов может упасть до 10(3) см−3. Этому процессу противодействует диффузия зарядов из области F, находящейся выше, где концентрация ионов относительно велика, и ночные источники ионизации (геокороное излучение Солнца, метеоры, космические лучи и др.). Спорадически на высотах 100-110 км возникает слой ES, очень тонкий (0,5-1 км), но плотный. Особенностью этого подслоя является высокая концентрации электронов (ne~10(5) см−3), которые оказывают значительное влияние на распространение средних и даже коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы. Слой E в силу относительно высокой концентрации свободных носителей тока играет важную роль в распространении средних и коротких волн. Слой F Областью F называют теперь всю ионосферу выше 130-140 км. Максимум ионобразования достигается на высотах 150-200 км. В дневное время также наблюдается образование „ступеньки" в распределении электронной концентрации, вызванной мощным солнечным ультрафиолетовым излучением. Область этой ступеньки называют областью F1 (150-200 км). Она заметно влияет на распространение коротких радиоволн. Выше лежащую часть слоя F до 400 км называют слоем F2. Здесь плотность заряженных частиц достигает своего максимума - N ~ 10(5)-10(6) см−3. На больших высотах преобладают более легкие ионы кислорода (на высоте 400- 1000 км), а еще выше - ионы водорода (протоны) и в небольших количествах - ионы гелия." Две основные современные теории атмосферного электричества были созданы в середине ХХ века английским ученым Ч. Вильсоном и советским ученым Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы. По теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, - поляризацией облаков и их взаимодействием с Землей, а ионосфера не играет существенной роли в протекании атмосферных электрических процессов. Обобщение этих теоретических представлений электрического взаимодействия в атмосфере подразумевает рассмотрение вопроса гравитации Земли с точки зрения электростатики. На основании приведенных общеизвестных фактов, можно определить значения гравитационного электрического взаимодействия материальных тел в условиях земного притяжения. Для этого рассмотрим следующую модель. Любое материальное энергетическое тело, находясь в электрическом поле, будет осуществлять определенное кулоновское взаимодействие. В зависимости от внутренней организации электрического заряда, оно будет или притягиваться к одному из электрических полюсов, или находится в состоянии равновесия в пределах этого поля. Степень электрического заряда каждого тела определяется собственной концентрацией свободных электронов (для человека концентрацией эритроцитов). Тогда модель гравитационного взаимодействия земного притяжения можно представить в виде сферического конденсатора, состоящего из двух концентрических полых сфер, радиусы которых определяются радиусом Земли и высотой ионосферного слоя F2. В этом электрическом поле находится человек, или другое материальное тело. Электрический заряд поверхности Земли - отрицательный, ионосферы - положительный по отношению к Земле. Электрический заряд человека по отношению к поверхности Земли - положительный, следовательно, кулоновская сила взаимодействия на поверхности будет всегда притягивать человека к Земле. Наличие ионосферных слоев, подразумевает, что общая электрическая емкость такого конденсатора определяется суммарной емкостью каждого слоя при последовательном подключении: 1/Собщ = 1/С(E)+1/С(F)+1/С(F2). Поскольку проводится ориентировочный инженерный расчет, будем учитывать основные энергетические ионосферные слои, для которых возьмем следующие исходные данные: слой Е - высота 100км, слой F- высота 200км, слой F2-высота 400км. Рассмотрение слоя D и спорадического слоя Es, образующихся в ионосфере в процессе повышенной или пониженной солнечной активности, для простоты рассмотрения учитывать не будем. На рис. 1 показана схема распределения ионосферных слоев атмосферы Земли и электрическая принципиальная схема рассматриваемого процесса.
В электрической схеме на рис 1.а представлено последовательное соединение трех конденсаторов, к которым подведено постоянное напряжение Еобщ. В соответствии с законами электростатики распределение электрических зарядов на пластинах каждого конденсатора С1,С2 и С3 показано условно +/-. На основании этого распределения электрических зарядов возникает в сети локальные напряженности поля, направления которых противоположно общему прикладываемому напряжению. На этих участках сети движение электрических зарядов будет осуществляться в противоположную сторону, относительно Еобщ. На рис 1.б показана схема ионосферных слоев атмосферы Земли, которая полностью описывается электрической схемой последовательного соединения конденсаторов. Силы кулоновского взаимодействия между ионосферными слоями обозначены как Fg. По уровню концентрации электрических зарядов, верхний слой ионосферы F2 является электрически положительным по отношению к поверхности земли. В силу того, что частицы солнечного ветра, обладающие разной кинетической энергией, проникают на всю глубину атмосферы, суммарная сила кулоновского взаимодействия каждого слоя будет определяться векторной суммой общей силы тяготения Fg общ и силой тяготения отдельного ионосферного слоя. Формула расчета емкости сферического конденсатора имеет вид: С= 4х(пи)х е(а)х r1xr2/(r2-r1), где С - емкость сферического конденсатора; r1 - радиус внутренней сферы, равный сумме радиуса Земли 6 371,0 км и высоте нижнего ионосферного слоя; r2 - радиус внешней сферы, равный сумме радиуса Земли и высоте верхнего ионосферного слоя; е(а)=е(0)х е -абсолютная диэлектрическая проницаемость, где е(0)=8,85х10(-12) Фм, е ~ 1. Тогда округленные расчетные значения для емкости каждого ионосферного слоя будут иметь следующие значения: С(Е)=47 мкФ, С(F)=46 мкФ, С(F2)=25 мкФ. Общая суммарная емкость ионосферы, с учетом основных слоев будет составлять порядка 12 мкФ. Расстояние между ионосферными слоями гораздо меньше радиуса Земли, следовательно, расчет кулоновской силы, действующей на заряд можно провести по формуле плоского конденсатора: Fg= е(а) х A x U(2) /(2xd(2)), где A - площадь пластины (пи х (Rз+ h)(2)); U - напряжение; d - расстояние между слоями; е(а)=е(0)х е -абсолютная диэлектрическая проницаемость, где е(0)=8,85х10(-12) Фм, е ~ 1. Тогда расчетные значения сил кулоновского взаимодействия каждого ионосферного слоя будут иметь следующие значения: Fg(E)= 58х10(-9)х U(2); Fg(F)= 59х10(-9)х U(2); Fg(F1)= 15х10(-9)х U(2); Fgобщ= 3,98х10(-9)х U(2). Определим значение атмосферного напряжения для тела массой 100 кг. Расчетная формула будет иметь следующий вид: F=m x g= Fg(E) + Fgобщ. Подставляя известные значения в эту формулу, получаем величину U= 126 КВ. Следовательно, силы кулоновского взаимодействия ионосферных слоев будут определяться следующими величинами: Fg(E)= 920н; Fg(F)= 936н; Fg(F1)= 238н; Fgобщ= 63н. Пересчитав ускорения свободного падения каждого ионосферного слоя, с учетом Ньютоновского взаимодействия, получим следующие значения: g(E)= +9,83 м/с(2); g(F)= -8,73 м/с(2); g(F1)= - 1,75 м/с(2). Следует отметить, что данные расчетные значения не учитывают собственные параметры атмосферы, а именно давление и сопротивление среды, обусловленные концентрацией молекул кислорода и азота в каждом слое ионосферы. В результате ориентировочного инженерного расчета полученное значение g(F1)= -1,75 м/с(2) которое хорошо согласуется с фактическим значением локальной гравитации на МКС - 10(−3)...10(−1) g. Расхождения в результатах связаны с тем, что крутильные весы, используемые для измерения ускорения свободного падения, не откалиброваны в область отрицательных значений - современная наука этого и не предполагала. Для создания искусственной гравитации необходимо выполнить два условия. Создать электрически изолированную систему в соответствии с требованием теоремы Гаусса, а именно обеспечить циркуляцию вектора напряженности электрического поля по замкнутой сфере и обеспечить внутри этой сферы напряженность электрического поля, необходимую для создания силы кулоновского взаимодействия величиной 1000 н. Расчет величины напряженности поля можно провести по формуле: F= е(а) х A x Е(2) /2, где A - площадь пластины; Е - напряженность электрического поля; е(а)=е(0)х е -абсолютная диэлектрическая проницаемость, где е(0)=8,85х10(-12) Фм, е ~ 1. Подставляя данные в формулу, для 10 кв.м получим значение напряженности электрического поля, равную Е= 4,75 х 10(6) В/м. Если высота помещения составляет три метра, то для обеспечения расчетной напряженности необходимо подать постоянное напряжение на пол-потолок величиной U= E x d = 14,25 МВ. При силе тока в 1 А, необходимо обеспечить сопротивление пластин такого конденсатора величиной 14,25 МОм. Изменяя величину напряжения, можно получить разные параметры гравитации. Порядок расчетных величин показывает, что разработка систем искусственной гравитации является реальным делом. Правы были древние греки: "Смотря на мир, открой глаза...". Только такой ответ можно дать по случаю природы земной гравитации. Уже 200 лет как человечество активно изучает законы электростатики, включая закон Кулона и теорему Гаусса. Формула сферического конденсатора практически освоена уже давно. Осталось только открыть глаза на окружающий мир и начать ее применять для объяснения, казалось бы невозможного. А вот когда мы все поймем, что искусственная гравитация это реальность, тогда и вопросы коммерческого использования космических полетов станут актуальными и окажутся прозрачными для понимания.
г. Москва, апрель 2011г. Бражник Г.Н.