Изкуствена гравитация: как да я постигнем и защо е необходима? Защо нямаме изкуствена гравитация в космоса? Възможно ли е да се създаде изкуствена гравитация.

Текстът на творбата е поместен без изображения и формули.
Пълната версия на работата е достъпна в раздела "Файлове за работа" в PDF формат

Цели и задачи на изследването

Целта на моята изследователска работа е да разгледа такова фундаментално взаимодействие като гравитацията, нейните явления и проблема с космическите селища с изкуствена гравитация, да разгледа характеристиките на използването на различни видове двигатели за създаване на изкуствена гравитация, да развие идеи за живота в космоса в условия на изкуствена гравитация и за решаване на проблеми, които възникват при създаването на този проект, интегрирането на напреднали технологични патенти за решаване на проблемите на изкуствената гравитация.

Уместността на изследването.

Космическите селища са вид космически станции, където човек може да живее дълго време или дори цял живот. За да се създадат такива селища, е необходимо да се обмислят всички необходими условия за оптимална жизнена активност - система за поддържане на живота, изкуствена гравитация, защита от космически удари и др. И въпреки че е доста трудно да се реализират всички условия, редица писатели на научна фантастика и инженери вече са създали няколко проекта, според които може би в бъдеще ще бъдат създадени невероятни космически селища.

Значение и новост на изследването.

Изкуствената гравитация е обещаващо направление за изследване, тъй като ще осигури дългосрочен престой в космоса и възможност за космически полети на дълги разстояния. Изграждането на космически селища може да осигури средства за по-нататъшни изследвания; ако стартирате програма за космически туризъм, което ще бъде много скъпо удоволствие, космическите корпорации ще получат допълнителен поток от финансиране и изследванията могат да се извършват във всички посоки, без да се ограничават от възможности.

Земно притегляне. гравитационни явления. Земно притегляне.

Гравитацията е един от четирите типа фундаментални взаимодействия, или с други думи, такава сила на привличане, насочена към центъра на масата на всеки обект и към центъра на масата на група от обекти; колкото по-голяма е масата, толкова по-голяма е гравитацията. При отдалечаване от обект силата на привличане към него клони към нула, но в идеални условия тя изобщо не изчезва. Тоест, ако си представим абсолютен вакуум без нито една допълнителна частица от какъвто и да е произход, тогава в това пространство всички обекти, които имат поне безкрайно малка маса, в отсъствието на други външни сили, ще бъдат привлечени един към друг по всяко време безкрайно далечно разстояние.

При ниски скорости гравитацията се описва от Нютоновата механика. И при скорости, сравними със скоростта на светлината, гравитационните явления се описват от SRT

А. Айнщайн.

В рамките на Нютоновата механика гравитацията се описва от закона за всемирното привличане, който гласи, че две точкови (или сферични) тела се привличат едно към друго със сила, право пропорционална на произведението на масите на тези тела, обратно пропорционална на квадратът на разстоянието между тях и действащ по правата, свързваща тези тела.

В приближението на високите скорости гравитацията се обяснява от SRT, която има два постулата:

Принципът на относителността на Айнщайн, който казва, че природните явления протичат по един и същи начин във всички инерционни отправни системи.

Принципът на постоянството на скоростта на светлината, според който скоростта на светлината във вакуум е постоянна (противоречи на закона за добавяне на скоростите).

За описание на гравитацията е разработено специално разширение на теорията на относителността, в което се допуска кривината на пространство-времето. Въпреки това, динамиката дори в SRT може да включва гравитационно взаимодействие, стига потенциалът на гравитационното поле да е много по-малък. Трябва също да се отбележи, че SRT престава да работи в мащаба на цялата Вселена, което изисква замяна с GR.

гравитационни явления.

Най-поразителното гравитационно явление е привличането. Има и друг феномен, свързан с гравитацията - безтегловността.

Благодарение на гравитационните сили ние ходим по земята и нашата планета съществува, както цялата вселена. Но какво ще стане, ако напуснем планетата? Ще се докоснем до едно от най-ярките гравитационни явления – безтегловността. Безтегловността е състояние на тялото, при което върху него не действат други сили, освен гравитационните, или тези сили са компенсирани.

Астронавтите, пребиваващи на МКС, са в състояние на безтегловност, което се отразява негативно на тяхното здраве. По време на прехода от условията на земна гравитация към условията на безтегловност (на първо място, когато космическият кораб навлезе в орбита), повечето астронавти изпитват реакция на организма, наречена синдром на космическата адаптация. При дълъг (повече от седмица) престой на човек в космоса липсата на гравитация започва да предизвиква определени промени в тялото, които са от негативен характер. Първата и най-очевидна последица от безтегловността е бързата атрофия на мускулите: мускулите всъщност са изключени от човешката дейност, в резултат на което всички физически характеристики на тялото се влошават. В допълнение, последствието от рязкото намаляване на активността на мускулните тъкани е намаляване на потреблението на кислород от организма и поради получения излишък на хемоглобин, активността на костния мозък, който го синтезира, може да намалее. Също така има основание да се смята, че ограничаването на подвижността нарушава метаболизма на фосфора в костите, което води до намаляване на тяхната здравина.

За да се отървете от негативните ефекти на безтегловността, е необходимо да създадете изкуствена гравитация в космоса.

Изкуствена гравитация и космически селища. Ранни изследвания през 20 век

Циолковски предложи теорията за ефирните селища, които представляваха тор, който бавно се върти около оста си. Но по това време подобни идеи бяха утопични и всичките му проекти останаха на скици.

Първият разработен проект е предложен от австрийския учен Херман Нордрунг през 1928 г. Това също беше станция с форма на тор, включваща жилищни модули, електрически генератор и модул за астрономическа обсерватория.

Следващият проект беше предложен от Wernher von Braun, водещ специалист в американската космическа програма, той също представляваше станция с форма на тор, където хората ще живеят и работят в стаи, свързани в един голям коридор. Проектът Werner беше един от приоритетите на НАСА до появата на проекта Skylab през 60-те години.

Skylab - първата и единствена национална орбитална станция на Съединените щати, е предназначена за технологични, астрофизични, биомедицински изследвания, както и за наблюдение на Земята. Той беше изстрелян на 14 май 1973 г., предприе три мисии на космическия кораб Аполо от май 1973 г. до февруари 1974 г., деорбитира се и се срина на 11 юли 1979 г.

Освен това през 1965 г. Американското космическо общество предложи идеалната форма за космически селища да бъде тор, тъй като всички модули са разположени заедно, тогава гравитацията ще има максимална стойност. Проблемът с изкуствената гравитация изглеждаше до голяма степен решен.

Следващият проект, предложен от Джерард О'Нийл, той предполага създаването на колонии, за които се предлага да се използват два гигантски размера на цилиндъра, затворени в рамка и въртящи се в различни посоки. Тези цилиндри се въртят около собствената си ос със скорост от около 0,53 оборота в минута, поради което в колонията се създава гравитация, която е позната на хората.

През 1975 г. Паркър представи проект за създаване на колония с диаметър 100 м и дължина 1 км, отдалечена на разстояние около 400 000 км от Земята и Луната и предназначена за 10 000 души. Въртенето около надлъжната ос със скорост 1 оборот за 21 секунди ще създаде в него гравитация, близка до земната.

През 1977 г. изследователят от изследователския център на НАСА Еймс (НАСА) Ричард Джонсън и професор Чарлз Холброу от университета Колгейт публикуваха „Космически селища“, в които се разглеждаха напреднали изследвания на селища с форма на тор.

През 1994 г., под ръководството на д-р Родни Галоуей, с участието на учени и лаборанти от лабораторията Филипс и лабораторията Сандия, както и други изследователски центрове на USAF и Центъра за космически изследвания на университета в Аризона, a беше съставено обемно ръководство за проектиране на торовидни космически селища.

Съвременни изследвания.

Един от съвременните проекти в областта на космическите селища е Станфордският тор, който е пряк наследник на идеите на Вернер фон Браун.

Станфордският тор беше предложен на НАСА през лятото на 1975 г. от студенти в Станфордския университет, за да се концептуализира дизайнът на бъдещи космически колонии. По-късно Джерард О'Нийл представя своя "Остров едно" или "Сфера на Бернал" като алтернатива на тора. Stanford Tor, само в по-подробен вариант, представляващ концепцията за пръстеновидна въртяща се космическа станция, беше представен от Вернер фон Браун, както и от австрийския инженер от словенски произход Херман Поточник.

Това е тор с диаметър около 1,8 километра (за 10 хиляди души, както е описано в работата от 1975 г.) и се върти около оста си (оборот в минута), създавайки изкуствена гравитация на пръстена от 0,9 - 1 g поради центробежни сила.

Слънчевата светлина влиза през система от огледала. Пръстенът е свързан с главината чрез "спици" - коридори за движение на хора и товари до оста и обратно. Хъбът - оста на въртене на станцията - е най-подходящ за докинг станция за приемане на космически кораби, тъй като тук изкуствената гравитация е незначителна: има фиксиран модул, закачен към оста на станцията.

Вътрешността на торуса е обитаема, достатъчно голяма, за да създаде изкуствена екосистема, естествена среда, а вътре е като дълга, тясна ледникова долина, чиито краища в крайна сметка се извиват нагоре, за да образуват кръг. Населението живее тук в условия, подобни на гъсто населено предградие, освен това вътре в пръстена има отрасли за селско стопанство и жилищна част. (Приложение 1)

Космически селища и изкуствена гравитация в културата. Елизиум

Пръстеновите светове, както са представени например във фантастичния екшън филм "Elysium" или видеоиграта "Halo", са може би една от най-интересните идеи за космически станции на бъдещето. В Elysium станцията е близо до Земята и, ако пренебрегнете размера й, има известна доза реализъм. Най-големият проблем тук обаче е неговата „отвореност“, която само на външен вид е чиста фантазия.

„Може би най-спорният въпрос за станцията Elysium е нейната отвореност към космическата среда.“

„Филмът показва как космическият кораб просто каца на моравата, след като идва от космоса. Няма докинг шлюзове или нещо подобно. Но такава станция трябва да бъде напълно изолирана от външната среда. В противен случай атмосферата тук няма да продължи дълго. Може би откритите зони на станцията биха могли да бъдат защитени от някакво невидимо поле, което да позволи на слънчевата светлина да навлезе и да запази живи растенията и дърветата, засадени там. Но засега това е само измислица. Няма такива технологии“.

Самата идея за станция под формата на пръстени е прекрасна, но засега неосъществима.

Междузвездни войни

Почти всеки любител на научнофантастичните филми знае какво е Звездата на смъртта. Това е толкова голяма сива и кръгла космическа станция от епоса на филма "Междузвездни войни", външно много напомняща на луната. Това е междугалактически разрушител на планети, който по същество е изкуствена планета, направена от стомана и обитавана от щурмоваци.

Можем ли наистина да изградим такава изкуствена планета и да сърфираме в галактиката на нея? На теория да. Само това ще изисква неимоверно много човешки и финансови ресурси.

Въпросът за изграждането на Звездата на смъртта беше повдигнат дори от американския Белия дом, след като обществото изпрати съответната петиция за разглеждане. Официалният отговор на властите беше, че само за строителна стомана ще са необходими 852 000 000 000 000 000 $.

Но дори и въпросът с финансите да не е приоритет, тогава човечеството няма технологията да пресъздаде Звездата на смъртта, тъй като за нейното движение е необходимо огромно количество енергия.

(приложение 2)

Проблеми при изпълнението на проекта за космически селища.

Космическите селища са обещаваща посока в космическата индустрия на бъдещето, но както винаги има трудности, които трябва да бъдат преодолени, за да се изпълни тази задача.

Първоначални капиталови разходи;

Вътрешни животоподдържащи системи;

Създаване на изкуствена гравитация;

Защита от враждебни външни условия:

от радиация;

осигуряване на топлина;

от чужди предмети;

Решаване на проблемите на изкуствената гравитация и космическите селища.

Първоначални капиталови разходи – този проблем може да бъде решен заедно, ако хората загърбят личните си амбиции и работят за постигане на по-голяма цел. В крайна сметка бъдещето на човечеството зависи от нас.

Вътрешни системи за поддържане на живота - вече има системи за повторно използване на водата на МКС, но това не е достатъчно, при условие че има достатъчно място на орбиталната станция, можете да намерите място за оранжерия, в която ще растат растения, които произвеждат максимално кислород , има и място за създаване на хидропонни лаборатории за отглеждане на ГМО, които ще могат да доставят храна на цялото население на станцията.

Създаването на изкуствена гравитация не е толкова трудна задача, колкото доставянето на огромно количество гориво, необходимо за въртене на станцията.

1. Има няколко начина за решаване на проблема.
  1. 1. Когато става въпрос за сравняване на ефективността на различни видове двигатели, инженерите обикновено говорят за специфичен импулс. Специфичният импулс се определя като промяна в импулса на единица маса изразходвано гориво. Следователно, колкото по-ефективен е двигателят, толкова по-малко гориво е необходимо за изстрелване на ракетата в космоса. Импулсът от своя страна е резултат от действието на сила за определено време. Химическите ракети, въпреки че имат много висока тяга, работят само няколко минути и следователно се характеризират с много нисък специфичен импулс. Йонните двигатели, способни да работят години наред, могат да имат висок специфичен импулс при много ниска тяга.

Използвайте стандартния подход и приложете реактивни двигатели, за да разрешите проблема. Изчисленията показват, че при използване на всеки известен реактивен двигател ще са необходими огромни количества гориво, за да се поддържа станцията поне една година.

Специфичен импулс I (LPRE) = 4,6

Специфичен импулс I (SRM) = 2,65

Специфичен импулс I (EP) = 10

Специфичен импулс I (плазмено задвижване) = 290

Това е разходът на гориво за 1 година, следователно е неразумно да се използват реактивни двигатели.

Нека разгледаме един елементарен случай.

Да предположим, че имаме въртележка, която е неподвижна. Тогава, ако фиксираме n броя еднополярни електромагнити по ръба на въртележката, така че силата на тяхното взаимодействие да е максимална, получаваме следното: ако включим електромагнит № 1, така че той да действа върху електромагнит № 2, със сила x пъти по-голяма от втората действа върху първата, съгласно закона на Нютон III, силата на действие на електромагнит № 1 върху № 2 от страна № 2 ще бъде компенсирана от силата на реакция на опората на въртележката , което ще изведе въртележката от покой. Сега изключете №1, вдигнете мощност №2 до №1 и включете №3 със сила, равна на №2 на предишния етап, и ако продължим тази процедура, ще постигнем въртенето на въртележката . Прилагайки този метод към космическата станция, получаваме решение на проблема с изкуствената гравитация.

(Приложение 3).

Защита срещу враждебни условия на околната среда

Притежател на патент Ребеко Алексей Геннадиевич

Изобретението се отнася до методи и средства за защита на екипажа и оборудването от йонизиращо лъчение (високоенергийни заредени частици) по време на космически полети. Съгласно изобретението около космическия кораб се създава защитно статично електрическо или магнитно поле, което е локализирано в пространството между две затворени, неконтактни повърхности, вложени една в друга. Защитеното пространство на космическия кораб е ограничено от вътрешната повърхност, докато външната повърхност изолира космическия кораб и защитеното пространство от междупланетната плазма. Формата на повърхностите може да бъде произволна. При използване на електрическо защитно поле върху тези повърхности се създават заряди с еднаква величина и противоположен знак. В такъв кондензатор електрическото поле е концентрирано в пространството между повърхностите-плочи. В случай на магнитно поле по повърхностите преминават токове с противоположна посока и съотношението на силата на тока се избира така, че да се минимизира стойността на остатъчното поле отвън. Желаната форма на повърхностите в този случай е тороидална, за да осигури непрекъсната защита. Под действието на силата на Лоренц заредените частици ще се движат по отклоняващи се криволинейни траектории или затворени орбити между повърхностите. Възможно е едновременно прилагане на електрически и магнитни полета между повърхностите. В този случай в пространството между повърхностите може да се постави подходящ материал за абсорбиране на заредени частици: например течен водород, вода или полиетилен. Техническият резултат от изобретението е насочен към създаване на надеждна, непрекъсната (геометрично непрекъсната) защита срещу космическа радиация, опростяване на конструкцията на защитното оборудване и намаляване на енергийните разходи за поддържане на защитното поле.

Притежател на патент Открито акционерно дружество Ракетно-космическа корпорация Енергия на името на S.P. Королев

Системата за термичен контрол на космическия кораб и орбиталната станция, съдържаща затворени охлаждащи и отоплителни вериги, свързани чрез поне един междинен топлообменник течност-течност, системи за контрол и измерване, арматура за разпределение на клапани и дренажно-зареждаща арматура, докато нагревателната верига съдържа усилвател на циркулация, топлообменници газ-течност и намотка и термични плочи и поне един стимулатор на циркулация, регулатор на потока на течността, единият изход на който е свързан през първия възвратен клапан към входа на смесителя на потока на охлаждащата течност, а другият през вторият възвратен клапан - към входящия радиационен топлообменник, чийто изход е свързан към втория вход на смесителя на потока, изходът на смесителя на потока е свързан чрез свързващ тръбопровод с топлоприемащата кухина на междинната течност- течен топлообменник, чийто изход е свързан към циркулационния стимулатор, на свързващата тръба температурни сензори са монтирани в проводника, електрически свързани чрез системата за управление с регулатора на потока на течността, характеризиращ се с това, че две електрически помпени единици са допълнително въведени в охладителната верига, а входът на първата електрическа помпена единица е свързан през филтъра към изхода на охлаждащата течност от кухината за получаване на топлина на междинния топлообменник течност-течност, като изходът му е свързан към втория възвратен клапан и успоредно, през филтър, към входа на втория електрически помпен блок, изхода на който е свързан към първия възвратен клапан, докато всеки електрически помпен агрегат е оборудван със сензор за диференциално налягане, а на тръбопровода, свързващ изхода на смесителя на потока с топлоприемната кухина на топлообменника течност-течност , допълнителна температура е монтиран сензор, електрически свързан чрез системата за управление с първия електрически помпен агрегат.

Има много начини за защита от чужди тела.

Използвайте нестандартни двигатели, като например електромагнитен ускорител с променлив специфичен импулс;

Увийте астероид с отразяващо пластмасово слънчево платноизползване на PET фолио с алуминиево покритие;

„Боядисайте“ или поръсете предмет с титанов диоксид (бял) или сажди (черен), така че предизвикват ефекта на Ярковскии промяна на траекторията му;

Планетарният учен Юджийн Шумейкър предложи през 1996 г изпускат облак пара по пътя на обектлеко да го забавите. Ник Забо нарисува подобна концепция през 1990 г., "аеродинамично спиране на комета": комета или ледена структура се насочва към астероид, след което ядрени експлозии изпаряват леда и образуват временна атмосфера по пътя на астероида;

Прикрепете тежък баласт към астероида, за да промените траекторията му чрез изместване на центъра на тежестта;

Използвайте лазерна аблация;

Използвайте излъчвател на ударна вълна;

Друг "безконтактен" метод беше предложен наскоро от учените C. Bombardeli и J. Pelez от Техническия университет в Мадрид. Той предлага използвайте йонно оръдиес ниска дивергенция, насочен към астероида от близкия кораб. Кинетичната енергия, предавана през йоните, които достигат повърхността на астероида, както в случая на гравитационен влекач, ще създаде слаба, но постоянна сила, която може да отклони астероида, и ще бъде използван по-лек кораб.

Подкопаване на ядрено устройствонад, на или под повърхността на астероид е потенциална опция за отблъскване на заплаха. Оптималната височина на взрива зависи от състава и размера на обекта. В случай на заплаха от купчина отломки, за да се избегне тяхното разпръскване, се предлага да се извърши радиационна имплозия, тоест експлозия над повърхността. По време на експлозията освободената енергия под формата на неутрони и меки рентгенови лъчи (които не проникват през материята) се превръща в топлина, когато достигне повърхността на обекта. Топлината превръща субстанцията на обекта в изблик и той ще се отклони от пътя, следвайки третия закон на Нютон, избликът ще върви в една посока, а обектът в обратната посока.

Електромагнитен катапулте автоматична система, разположена на астероид, освобождаваща веществото, от което се състои, в космоса. Така тя бавно се измества и губи маса. Електромагнитният катапулт трябва да работи като система с нисък специфичен импулс: използва много гориво, но малко енергия.

Въпросът е, че ако използвате астероиден материал като гориво, тогава количеството гориво не е толкова важно, колкото количеството енергия, което вероятно ще бъде ограничено.

Друг възможен начин е да поставите електромагнитен катапулт на Луната, насочвайки го към близък до Земята обект, за да се възползвате от орбиталната скорост на естествен спътник и неговия неограничен запас от "каменни куршуми".

Изход.

След анализ на представената информация става ясно, че изкуствената гравитация е съвсем реален феномен, който ще се използва широко в космическата индустрия, веднага щом преодолеем всички трудности, свързани с този проект.

Виждам космически селища във формата, предложена от фон Браун: тороидални светове с оптимално използване на пространството и с използване на напреднали технологии за осигуряване на продължителен живот, а именно:

Използване на съвременни технологии за задоволяване на нуждите на станцията:

Хидропоника
- Растенията не трябва да се поливат много. Водата ще се консумира много по-малко, отколкото когато се отглежда на земята в градината. Въпреки това, с правилния подбор на минерали и компоненти, растенията няма да изсъхнат или изгният. Това става чрез получаване на достатъчно кислород.
  
  Голям плюс е, че този метод ви позволява да защитите растенията от много болести и вредители. Самите растения няма да абсорбират вредни вещества от почвата.
  
  Следователно ще има максимален добив, който напълно ще покрие нуждите на жителите на станцията.

Регенериране на вода

Кондензация на влага от въздуха.

Пречистване на използваната вода.

Обработка на урина и твърди отпадъци.

За захранването с енергия ще отговаря клъстер от ядрени реактори, които ще бъдат екранирани съгласно патент No. 2406661 адаптирани да изместват радиоактивни частици извън станцията.

Задачата за създаване на космически селища е трудна, но изпълнима. Надявам се, че в близко бъдеще, поради бързото развитие на науката и технологиите, ще бъдат изпълнени всички необходими предпоставки за създаването и развитието на космически селища, базирани на изкуствена гравитация. Моят принос към тази необходима кауза ще бъде оценен. Бъдещето на човечеството е в изследването на космоса и прехода към нов, по-обещаващ, екологичен завой на спиралата на човешкото развитие.

Приложения

Приложение 1. Станфордски тор

Приложение 2. Звездата на смъртта, Елизиум.

Приложение 3. Схема на въртеливо движение.

Резултатът от силите в първо приближение (само взаимодействието на магнитите). В резултат на това станцията извършва въртеливо движение. Което ни трябва.

Библиография

АЛЯКРИНСКИ. Човек живее в космоса. Безтегловност: плюс или минус?

Барър, М. Ракетни двигатели.

Доброволски, М. Течни ракетни двигатели. Основи на дизайна.

Дорофеев А. Основи на теорията на топлинните ракетни двигатели.

Матвеев. Механика и теория на относителността: Учебник за студенти.

Мякишев. Молекулярна физика и термодинамика.

Мякишев. Физика. Механика.

Мякишев. Физика. Електродинамика.

Ръсел, Д. Хидропоника.

Санко. Астрономически речник.

Сивухин. Общ курс по физика.

Файнман. Фейнманови лекции за гравитацията.

Циолковски. Сборник по ракетна техника.

Шилейко. В океан от енергия.

Голубев И.Р. и Новиков Ю.В. Околна среда и нейното опазване

Захлебни А.Н. Книга за четене по консервация

Зверев И. Опазване на природата и екологично образование на учениците.

Иванов А.Ф. Физически експеримент с екологично съдържание.

Киселев С.В. Демонстрация на парниковия ефект.

Интернет ресурси:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Main_page

http://www.roscosmos.ru

http://allpatents.ru

Гравитацията е една от основните сили на Вселената. Той определя света такъв, какъвто го познаваме, като свързва космоса заедно. Без гравитацията всичко постоянно ще се отдалечава от всичко останало. Това е толкова основен градивен елемент на физиката, че често го приемаме за даденост. Страшно е да си помислим какво би се случило, ако някой просто изкриви метафоричната гравитация на Земята. Щяхме да бъдем изхвърлени от повърхността на Земята в космоса поради инерцията на въртеливото движение на Земята. Ако изключим гравитацията на Слънцето, нищо няма да работи, ако слънчевата система е заедно. Станахме свидетели на хаос в невероятен мащаб, когато планетите се сблъскаха една с друга и метеорите се спуснаха върху нас като буря от разрушение.

Въпреки това, колкото и важна като гравитацията, има някои сценарии, при които известна степен на контрол върху нея би била изключително полезна. Представете си, че летите без самолети или носите тежки предмети без почти никакви усилия. В момента астронавтите изпитват много физиологични промени по време на безтегловно космическо пътуване и повечето от тези промени им се отразяват неблагоприятно. Те страдат от мускулна дистрофия, загуба на костна маса, дезориентация и други нулеви ефекти. Следователно междузвездното пътуване би било много по-лесно, ако гравитацията можеше да се синтезира изкуствено. Това, което се случва, трябва да се случи, нали? факт ли е Колкото по-голям си, толкова по-трудно падаш? Истина или измислица?

Сега нека видим колко близо сме до действителното използване на гравитацията.

Определяне на гравитацията

Как да симулирам гравитацията?

Въртенето би преместило всеки обект вътре в космическия кораб към основата и далеч от центъра на въртене. Съпротивителната сила от основата на тялото ще действа като нормална сила, действаща върху нас със земната повърхност, когато стоим. Центробежната сила, която ни тласка към основата на корпуса, ще действа като гравитационната сила, която Земята упражнява върху нас.

Има обаче едно предупреждение. В тази система изкуствените нива варират значително в зависимост от разстоянието от центъра на въртене. Следователно изкуствената гравитация, изпитвана в краката, би била по-голяма, отколкото в главата. Това може да направи движенията и промените в позицията на тялото неудобни. Този ефект обаче може да бъде намален, ако радиусът на кораба е много по-голям от ръста на средния човек.

Линейно ускорение: Пътуване в космоса с влакче в увеселителен парк

Увеличаване на скоростта, т.е. ускорението се дължи на гравитацията. Това е основната причина, поради която, когато падаме свободно, скоростта ни се увеличава. Това ускорение може да се моделира като ускоряващ космически кораб. Космически кораб с постоянно ускорение по права линия би довел до гравитационно привличане в обратна посока. Това ще накара обекта да се ускори, за да изпита силата, която го дърпа назад. Ако се чудите колко удобно ще бъде при постоянно ускорение, не се притеснявайте, защото това е, което изпитвате през цялото време поради гравитационното привличане на Земята, влакчетата в увеселителен парк и спортните коли. Освен това тялото няма да разбере, че се движи, ако няма ускорение. мисля за това

Земята се върти с около 1700 километра в час на екватора, но ние не го усещаме, защото тази скорост е постоянна и няма ускорение.

Линейното ускорение в космическия полет би изисквало огромно количество пропелант, докато ротационната стратегия не изисква постоянно прилагане на сила. Необходимо е обаче постоянно линейно ускорение, тъй като в допълнение към изкуствената гравитация теоретично може да осигури относително кратко време на полет около Слънчевата система.

Магнетизъм :

Има метод, чрез който гравитационните ефекти могат да бъдат създадени с помощта на диамагнетизъм, но това изисква изключително силни магнитни полета. С толкова силни магнитни полета е съмнително, че някога ще бъде безопасен за употреба от хора. Експериментално, жаби и дори плъхове са левитирани срещу земната гравитация, но това е в много малък мащаб. Машини, използващи диамагнетизъм за имитиране на гравитацията, могат да се използват за безопасно осигуряване на среда с ниска гравитация със сила, подобна на тази на лунната или марсианската гравитация.

Жива жаба левитира в магнитно поле

Парагравитация:

Смята се, че изкуствено симулираната гравитация в космически кораб, който нито се върти, нито ускорява, известна също като „парагравитация“, не съществува, но в момента няма доказана техника, която може да симулира гравитация, различна от механично или магнитно ускорение. Въпреки това, Мърфи от Interstellar го подреди, така че колко трудно беше?

В допълнение към горните методи има по-прости методи, които могат да отменят ефектите на гравитацията и да получат почти нулеви условия. Тези огромни човешки центрофуги с дълга въртяща се ръка, които виждаме в анимационни филми и филми, всъщност са много полезни при подготовката на астронавтите за високите условия по време на изстрелването.

Неутралната плаваемост е друга техника, при която хората се обучават да решават проблеми на ниско ниво, като изпълняват прости задачи в симулирана среда на плувен басейн.

Неутралната плаваемост не е безтегловност, тъй като все още можем да усетим посоката на гравитацията под водата, но тя е много близка до условията на космически полет.

Екология на знанието. Продължителният престой в космоса има сериозни последствия. Медицински изследвания върху ефектите от микрогравитацията върху астронавтите

Продължителният престой в космоса има сериозни последствия. Медицински изследвания върху ефектите от микрогравитацията върху астронавтите, след като са прекарали много месеци в ниска околоземна орбита (LEO), стигнаха до горчиво заключение: хората не могат да живеят пълноценно без гравитация. По този начин изкуствената гравитация все повече се обсъжда като основен компонент на продължителна мисия в космоса както близо, така и далеч от Земята.

Изкуствената гравитация ще бъде особено важна за многогодишни търговски мисии, където телероботиците ще се контролират от екипаж, разположен в непосредствена близост до минен и друг астероид. Такава гравитация би била полезна и за дългосрочни изследвания на тела с ниска гравитация като Луната, Марс или дори спътници на външните планети.

Уилям Кемп от Вашингтон вярва, че заедно със своя бизнес партньор Тед Мазейка е намерил жизнеспособно решение на тези проблеми. Това е цилиндрична космическа станция с диаметър 30 метра, способна да създава променлива изкуствена гравитация с въртене на цилиндъра около надлъжната му ос.

„Ако искаме да останем в космоса повече от година, трябва да направим система за изкуствена гравитация или ще пожертваме хора в процеса“, каза Кемп, основател и главен изпълнителен директор на United Space Structures.

Повече от три десетилетия Кемп работи за усъвършенстване на идеите си. Понастоящем компанията има патентован процес в проекта и търси финансиране и други партньори, които могат да инвестират значително.

Идеята е да се постигне изкуствена гравитация чрез центробежна сила, която ще изисква въртене, за да създаде натиск надолу. Една малка 10-метрова конструкция може на теория да се върти достатъчно бързо, за да могат хората да усетят гравитацията, но Кемп казва, че астронавтите с такава структура биха имали ужасни проблеми с вътрешното ухо.

„Ако скоростта на въртене е твърде висока, чувството ви за баланс ще се провали и скоро ще почувствате ужасна болка в ръцете и коленете си“, казва Кемп.

Въпреки това малка цилиндрична станция с диаметър 30 метра, предложена от Кемп, ще може да поддържа гравитация от 0,6 Земя; това е минимумът, който ще позволи на хората да живеят безопасно на станцията поне две години. Астронавтите ще живеят както вътре в цилиндъра, така и във външната полусфера на конструкцията.

Кемп казва, че 30-метрова цилиндрична станция ще се нуждае от скорост на въртене от 5,98 оборота в минута и минимален използваем размер за създаване на изкуствена гравитация. Бързата скорост на въртене би била неудобна за астронавтите.

„Посоката, в която се върти цилиндърът, няма значение“, казва Кемп. - Скоростта зависи от радиуса на въртящия се обект и гравитацията, от която се нуждаете; колкото по-голям е радиусът, толкова по-ниска е скоростта на въртене.

Първата стъпка в тестването на United Space Structures ще бъде тестването на 30-метров прототип в LEO, казва Кемп. Въпреки че такава 30-метрова станция може да побере най-малко 30 души, тя ще работи добре в дълбокия космос и в условията на добив на астероиди близо до Земята.

Кои партньори ще строят тези станции?

„Ние преговаряме с компании катоИндустрии в дълбокия космос компании, които искат да добиват астероиди, и с други компании, които искат да добиват ресурси на Луната, казва Кемп. „Бихме искали да използваме стартови площадки на SpaceX, но това значително ще увеличи разходите, така че първоначално ще използваме композитни материали за конструкцията, а не метали.“

Въпреки прогнозираните скокове в космическата медицина през следващите две десетилетия, Кемп е абсолютно убеден, че изкуствената гравитация винаги ще е необходима. С течение на времето, в условията на микрогравитация, мускулната и костната маса намалява, зрителният нерв се свива, ретината се отдалечава, имунитетът намалява и критичното мислене може дори да бъде нарушено.

Разбира се, това не означава, че изкуствената гравитация ще бъде панацея.

При изкуствена гравитация астронавтите все още ще знаят, че са на въртяща се станция, казва Кемп. Ходенето на такава станция ще прилича на спускане по склона, защото подът ще излезе изпод краката ви. Ходенето в обратна посока на въртене ще се почувства като изкачване, тъй като подът ще се повдигне. И ако вървите перпендикулярно на въртенето във всяка посока, ще има усещане, че падате настрани.публикуван

Проблемите с вестибуларния апарат не са единствената последица от продължителното излагане на микрогравитация. Астронавтите, които прекарват повече от месец на МКС, често страдат от нарушения на съня, забавяне на сърдечно-съдовата система и метеоризъм.

НАСА наскоро завърши експеримент, в който учените геномират братя близнаци: единият от тях прекара почти година на МКС, другият направи само краткосрочни полети и прекара по-голямата част от времето на Земята. Дългият престой в космоса доведе до факта, че 7% от ДНК на първия астронавт се промени завинаги - говорим за гени, свързани с имунната система, образуването на кости, кислородния глад и излишния въглероден диоксид в тялото.

НАСА сравни близнаци астронавти, за да види как човешкото тяло се променя в космоса

В условията на микрогравитация човек ще бъде принуден да не прави нищо: не говорим за престоя на астронавтите на МКС, а за полети в дълбокия космос. За да разбере как подобен режим ще се отрази на здравето на астронавтите, Европейската космическа агенция (ESA) за 21 дни 14 доброволци в легло с наклонена глава. Експериментът, който ще позволи практическо тестване на най-новите методи за борба с безтегловността - като подобрени режими на упражнения и хранене - ще бъде проведен съвместно от НАСА и Роскосмос.

Но в случай, че хората решат да изпратят кораби до Марс или Венера, ще са необходими по-екстремни решения - изкуствена гравитация.

Как може да съществува гравитация в космоса

На първо място, струва си да се разбере, че гравитацията съществува навсякъде - на някои места тя е по-слаба, на други е по-силна. И космическото пространство не е изключение.

МКС и спътниците са под постоянното влияние на гравитацията: ако даден обект е в орбита, той, казано по-просто, пада около Земята. Подобен ефект се получава, ако топката бъде хвърлена напред - преди да удари земята, тя ще полети малко по посока на хвърлянето. Ако хвърлите топката по-силно, тя ще лети по-далеч. Ако вие сте супермен и топката е ракетен двигател, тя няма да падне на земята, а ще лети около нея и ще продължи да се върти, постепенно навлизайки в орбита.

Микрогравитацията предполага, че хората вътре в кораба не са във въздуха – те падат от кораба, който на свой ред пада около Земята.

Тъй като гравитацията е силата на привличане между две маси, ние оставаме на повърхността на Земята, когато ходим по нея, вместо да изплуваме в небето. В този случай цялата маса на Земята привлича масата на нашите тела към своя център.

Когато корабите излязат в орбита, те се носят свободно в открития космос. Те все още са обект на гравитационното привличане на Земята, но корабът и предметите или пътниците в него са обект на гравитацията по същия начин. Съществуващите устройства не са достатъчно масивни, за да създадат забележима атракция, така че хората и предметите в него не стоят на пода, а "плуват" във въздуха.

Как да създадем изкуствена гравитация

Изкуствена гравитация като такава не съществува, за да я създаде, човек трябва да научи всичко за естествената гравитация. В научната фантастика има концепция за симулиране на гравитация: тя позволява на екипажа на космическите кораби да ходят по палубата, а предметите да стоят на нея.

На теория има два начина за симулиране на гравитацията и нито един от тях все още не е използван в реалния живот. Първият е използването на центростремителна сила за моделиране на гравитацията. В този случай корабът или станцията трябва да представлява конструкция, подобна на колело, състояща се от няколко постоянно въртящи се сегмента.

Според тази концепция центростремителното ускорение на апарата, изтласкващо модулите към центъра, ще създаде подобие на гравитация или условия, подобни на тези на Земята. Тази концепция беше демонстрирана в „Космическа одисея“ на Стенли Кубрик от 2001 г. и „Интерстелар“ на Кристофър Нолан.

Концепцията за апарат, който създава центростремително ускорение, за да симулира гравитацията

Автор на този проект е немският ракетен учен и инженер Вернер фон Браун, който ръководи разработването на ракетата Сатурн-5, която достави екипажа на Аполо 11 и няколко други пилотирани кораба на Луната.

Като директор на Центъра за космически полети Маршал на НАСА, фон Браун популяризира идеята на руския учен Константин Циолковски за изграждане на тороидална космическа станция, базирана на дизайн на главина на велосипедно колело. Ако колелото се върти в пространството, тогава инерцията и центробежната сила могат да създадат вид изкуствена гравитация, която дърпа предмети към външната обиколка на колелото. Това ще позволи на хората и роботите да ходят по пода като на Земята, вместо да се носят във въздуха като на МКС.

Този метод обаче има значителни недостатъци: колкото по-малък е космическият кораб, толкова по-бързо трябва да се върти - това ще доведе до появата на така наречената сила на Корнолис, при която точките, разположени по-далеч от центъра, ще бъдат засегнати от гравитацията повече от точките, които са по-близо към него.. С други думи, силата на гравитацията ще действа повече върху главата на астронавтите, отколкото върху краката, което едва ли ще им хареса.

За да се избегне този ефект, размерът на кораба трябва да бъде няколко пъти по-голям от размера на футболно игрище - извеждането на такова устройство в орбита ще бъде изключително скъпо, като се има предвид, че цената на един килограм товар по време на търговски изстрелвания варира от 1500 долара до 3000 долара.

Друг метод за създаване на симулирана гравитация е по-практичен, но и изключително скъп – това е методът на ускорението. Ако корабът на определен сегмент от пътя първо ускори, а след това се обърне и започне да забавя, тогава ще има ефект на изкуствена гравитация.

За прилагането на този метод ще са необходими огромни резерви от гориво - факт е, че двигателите трябва да работят почти непрекъснато, с изключение на кратка пауза по средата на пътуването - по време на завоя на кораба.

Реални примери

Въпреки високата цена за изстрелване на превозни средства, симулирани с гравитация, компании от цял свят се опитват да построят такива кораби и станции.

The Gateway Foundation, изследователска фондация, която планира да построи ротационна станция в орбитата на Земята, се опитва да приложи концепцията на Von Braun. Предполага се, че около обиколката на колелото ще бъдат разположени капсули, които могат да бъдат закупени от държавни и частни аерокосмически компании за изследвания. Някои от капсулите ще бъдат продадени като вили на най-богатите хора в света, докато други ще бъдат използвани като хотели за космически туристи.Въведен е въртящият се космически кораб Nautilus-X с надуваеми модули, който трябваше да намали въздействието на микрогравитацията върху учените върху дъска.

Проектът трябваше да струва само 3,7 милиарда долара – много малко за подобни устройства – и изграждането му щеше да отнеме 64 месеца. Въпреки това Nautilus-X никога не надхвърля оригиналните чертежи и предложения.

Изход

Досега най-вероятният начин да се получи симулация на гравитация, която ще предпази кораба от ефектите на ускорението и ще осигури постоянно теглене, без да се налага постоянно да се използват тласкащи устройства, е да се открие частица с отрицателна маса. Всички частици и античастици, които учените някога са открили, имат положителна маса. Известно е, че отрицателната маса и гравитационната маса са равни една на друга, но досега изследователите не са успели да демонстрират това знание на практика.

Изследователи от експеримента ALPHA в CERN вече са създали антиводород - стабилна форма на неутрална антиматерия - и работят за изолирането му от всички други частици при много ниски скорости. Ако учените успеят да направят това, вероятно в близко бъдеще изкуствената гравитация ще стане по-реална, отколкото е сега.

Б.В. Раушенбах, сътрудник на Корольов, говори за това как се е появила идеята за създаване на изкуствена гравитация на космически кораб: в края на зимата на 1963 г. главният дизайнер, който почиства снега от пътеката близо до къщата си на Останкинская Улица, може да се каже, имаше идея. Без да чака понеделник, той се обади на Раушенбах, който живееше наблизо, и скоро започнаха да "разчистват пътя" в космоса за дълги полети.
Идеята, както често се случва, се оказа проста; трябва да е просто, иначе може да не се получи на практика.

За да е пълна картината. Март 1966 г., американците на Джемини 11:

В 11:29 сутринта Gemini 11 се откачи от Agena. Започна най-интересното: как ще се държат два обекта, свързани с кабел? Отначало Конрад се опита да въведе куп в гравитационната стабилизация - така че ракетата да виси отдолу, корабът отгоре и кабелът да е опънат.
Не беше възможно обаче да се отстъпи 30 м без да предизвика силни вибрации. В 11:55 преминахме към втората част на експеримента - "изкуствена гравитация". Конрад завъртя щифта; кабелът първо се опъна по крива линия, но след 20 минути се изправи и въртенето стана съвсем правилно. Конрад доведе скоростта си до 38 ° / мин, а след вечеря до 55 ° / мин, създавайки тежест на ниво от 0,00078g. „На пипане“ не се усещаше, но нещата бавно се настаниха на дъното на капсулата. В 14:42, след три часа въртене, щифтът беше изстрелян и Джемини се отдалечи от ракетата.