Kunstig gravitasjon: hvordan oppnå det og hvorfor er det nødvendig? Hvorfor har vi ikke kunstig gravitasjon i verdensrommet? Er det mulig å lage kunstig gravitasjon.

Teksten til verket er plassert uten bilder og formler.
Den fullstendige versjonen av verket er tilgjengelig i fanen "Jobbfiler" i PDF-format

Mål og mål for studiet

Hensikten med mitt forskningsarbeid er å vurdere en så grunnleggende interaksjon som tyngdekraften, dens fenomener og problemet med romoppgjør med kunstig tyngdekraft, å vurdere funksjonene ved å bruke ulike typer motorer for å skape kunstig tyngdekraft, å utvikle ideer om liv i rommet i forhold til kunstig gravitasjon og for å løse problemer som oppstår når etableringen av dette prosjektet, integrering av avansert teknologi patenter for å løse problemene med kunstig gravitasjon.

Forskningens relevans.

Rombosetninger er en type romstasjoner der en person kan bo i lang tid eller til og med et helt liv. For å skape slike bosetninger er det nødvendig å tenke over alle nødvendige forhold for optimal livsaktivitet - et livsstøttesystem, kunstig tyngdekraft, beskyttelse mot rompåvirkninger, etc. Og selv om det er ganske vanskelig å realisere alle forholdene, har en rekke science fiction-forfattere og ingeniører allerede opprettet flere prosjekter, i henhold til hvilke kanskje fantastiske romoppgjør vil bli opprettet i fremtiden.

Studiens betydning og nyhet.

Kunstig tyngdekraft er en lovende retning for forskning, fordi den vil gi langtidsopphold i rommet og mulighet for langdistanse romflyvninger. Bygging av rombosetninger kan gi midler til videre forskning; hvis du lanserer et romturismeprogram, som vil være en svært kostbar fornøyelse, vil romselskaper motta en ekstra strøm av finansiering, og forskning kan utføres i alle retninger, uten å være begrenset av muligheter.

Tyngdekraften. gravitasjonsfenomener. Tyngdekraften.

Tyngdekraften er en av de fire typene fundamentale interaksjoner, eller med andre ord, en slik tiltrekningskraft rettet mot massesenteret til ethvert objekt og til massesenteret til en klynge objekter; jo større masse, jo større tyngdekraft. Når man beveger seg bort fra et objekt, har tiltrekningskraften mot det en tendens til null, men under ideelle forhold forsvinner den aldri i det hele tatt. Det vil si at hvis vi forestiller oss et absolutt vakuum uten en eneste ekstra partikkel av noe opphav, vil i dette rommet alle objekter som har minst en uendelig liten masse, i fravær av andre ytre krefter, bli tiltrukket av hverandre når som helst. uendelig lang avstand.

Ved lave hastigheter beskrives tyngdekraften av newtonsk mekanikk. Og ved hastigheter som kan sammenlignes med lysets hastighet, er gravitasjonsfenomener beskrevet av SRT

A. Einstein.

Innenfor rammen av newtonsk mekanikk er tyngdekraften beskrevet av loven om universell gravitasjon, som sier at to punkt (eller sfæriske) legemer tiltrekkes til hverandre med en kraft direkte proporsjonal med produktet av massene til disse legene, omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem og som virker langs den rette linjen som forbinder disse kroppene.

I tilnærmingen til høye hastigheter forklares tyngdekraften av SRT, som har to postulater:

Einsteins relativitetsprinsipp, som sier at naturfenomener foregår på samme måte i alle treghetsreferanserammer.

Prinsippet om konstanten til lyshastigheten, som sier at lysets hastighet i et vakuum er konstant (strider mot loven om hastighets addisjon).

For å beskrive tyngdekraften er det utviklet en spesiell utvidelse av relativitetsteorien, der krumningen av rom-tid er tillatt. Imidlertid kan dynamikken selv innenfor SRT inkludere gravitasjonsinteraksjon, så lenge potensialet til gravitasjonsfeltet er mye mindre. Det skal også bemerkes at SRT slutter å fungere på skalaen til hele universet, og krever erstatning med GR.

gravitasjonsfenomener.

Det mest slående gravitasjonsfenomenet er tiltrekning. Det er også et annet fenomen knyttet til tyngdekraften - vektløshet.

Takket være gravitasjonskrefter går vi på jorden, og planeten vår eksisterer, som hele universet. Men hva skjer hvis vi forlater planeten? Vi vil oppleve et av de lyseste gravitasjonsfenomenene – vektløshet. Vektløshet er en tilstand av en kropp der ingen andre krefter enn gravitasjonskrefter virker på den, eller disse kreftene blir kompensert.

Astronauter som oppholder seg på ISS er i en tilstand av vektløshet, noe som påvirker helsen deres negativt. Under overgangen fra forholdene for terrestrisk tyngdekraft til forholdene for vektløshet (først av alt, når romfartøyet går i bane), opplever flertallet av astronautene en organismereaksjon kalt romtilpasningssyndromet. Med et langt (mer enn en uke) opphold av en person i rommet, begynner fraværet av tyngdekraften å forårsake visse endringer i kroppen som er av negativ karakter. Den første og mest åpenbare konsekvensen av vektløshet er den raske atrofien av musklene: Musklene er faktisk slått av fra menneskelig aktivitet, som et resultat forringes alle de fysiske egenskapene til kroppen. I tillegg er konsekvensen av en kraftig reduksjon i aktiviteten til muskelvev en reduksjon i kroppens forbruk av oksygen, og på grunn av det resulterende overskuddet av hemoglobin, kan aktiviteten til benmargen som syntetiserer det reduseres. Det er også grunn til å tro at mobilitetsbegrensning forstyrrer fosformetabolismen i beinene, noe som fører til en reduksjon i styrke.

For å bli kvitt de negative effektene av vektløshet, er det nødvendig å skape kunstig tyngdekraft i rommet.

Kunstig gravitasjon og romoppgjør. Tidlig forskning på 1900-tallet

Tsiolkovsky foreslo teorien om eteriske bosetninger, som var en torus som sakte roterer rundt sin akse. Men på den tiden var slike ideer utopiske, og alle prosjektene hans forble på skisser.

Det første utviklede prosjektet ble foreslått av den østerrikske forskeren Hermann Nordrung i 1928. Det var også en torusformet stasjon, inkludert boligmoduler, en elektrisk generator og en astronomisk observatoriemodul.

Det neste prosjektet ble foreslått av Wernher von Braun, en ledende spesialist i det amerikanske romfartsprogrammet, det representerte også en torusformet stasjon hvor folk skulle bo og jobbe i rom koblet sammen i en stor korridor. Werner-prosjektet var en av NASAs prioriteringer frem til Skylab-prosjektet kom på 60-tallet.

Skylab - den første og eneste nasjonale orbitalstasjonen i USA, var ment for teknologisk, astrofysisk, biomedisinsk forskning, så vel som for jordobservasjon. Den ble skutt opp 14. mai 1973, tok tre oppdrag på Apollo-romfartøyet fra mai 1973 til februar 1974, deorbiterte og kollapset 11. juli 1979.

Videre, i 1965, foreslo American Space Society at den ideelle formen for rombosetninger ville være en torus, siden alle modulene er plassert sammen, vil tyngdekraften ha en maksimal verdi. Problemet med kunstig tyngdekraft virket stort sett løst.

Det neste prosjektet lagt fram av Gerard O'Neill, antok han opprettelsen av kolonier, for hvilke det er foreslått å bruke to gigantiske sylinderstørrelser innelukket i en ramme og roterende i forskjellige retninger. Disse sylindrene roterer rundt sin egen akse med en hastighet på omtrent 0,53 omdreininger per minutt, på grunn av hvilken gravitasjon skapes i kolonien, som er kjent for mennesker.

I 1975 la Parker frem et prosjekt for å lage en koloni med en diameter på 100 m og en lengde på 1 km, fjernet i en avstand på rundt 400 000 km fra Jorden og Månen og designet for 10 000 mennesker. Rotasjon rundt lengdeaksen med en hastighet på 1 omdreining på 21 sekunder vil skape gravitasjon i den nær jordens.

I 1977 publiserte NASA Ames Research Center (NASA)-forsker Richard Johnson og professor Charles Holbrow ved Colgate University Space Settlements, som så på avanserte studier av torusformede bosetninger.

I 1994, under ledelse av Dr. Rodney Galloway, med deltagelse av forskere og laboratorieassistenter fra Phillips Laboratory og Sandia Laboratory, samt andre forskningssentre i USAF og Space Research Center ved University of Arizona, en omfangsrik manual for utforming av torusformede rombosetninger ble utarbeidet.

Moderne forskning.

Et av de moderne prosjektene innen rombosettinger er Stanford torus, som er en direkte etterkommer av ideene til Wernher von Braun.

Stanford torus ble foreslått for NASA sommeren 1975 av studenter ved Stanford University for å konseptualisere utformingen av fremtidige romkolonier. Senere introduserte Gerard O'Neill sin "Island One" eller "Bernal Sphere" som et alternativ til torus. Stanford Tor, bare i en mer detaljert versjon, som representerer konseptet med en ringformet roterende romstasjon, ble presentert av Wernher von Braun, samt den østerrikske ingeniøren med slovensk opprinnelse Herman Potočnik.

Det er en torus med en diameter på omtrent 1,8 kilometer (for 10 tusen mennesker, som beskrevet i arbeidet fra 1975) og roterer rundt sin akse (omdreining per minutt), og skaper kunstig gravitasjon på ringen på 0,9 - 1 g på grunn av sentrifugal. styrke.

Sollys kommer inn gjennom et system av speil. Ringen er koblet til navet gjennom "eiker" - korridorer for bevegelse av mennesker og varer til akselen og bakover. Navet - rotasjonsaksen til stasjonen - er best egnet for dokkingstasjonen for mottak av romfartøy, siden kunstig tyngdekraft er ubetydelig her: det er en fast modul forankret til stasjonens akse.

Det indre av torusen er beboelig, stor nok til å skape et kunstig økosystem, et naturlig miljø, og innsiden er som en lang, smal isdal hvis ender til slutt bøyer seg oppover for å danne en sirkel. Befolkningen lever her under forhold som ligner på en tett befolket forstad, dessuten er det inne i ringen grener for jordbruk, og en boligdel. (vedlegg 1)

Rombosettinger og kunstig gravitasjon i kultur. Elysium

Ringverdener, slik de for eksempel presenteres i fantasy-actionfilmen "Elysium" eller videospillet "Halo", er kanskje en av de mest interessante ideene for fremtidens romstasjoner. I Elysium er stasjonen nær jorden, og hvis du ser bort fra størrelsen, har den en viss mengde realisme. Det største problemet her ligger imidlertid i dens "åpenhet", som er ren fantasi bare i utseende.

"Det kanskje mest omstridte spørsmålet om Elysium-stasjonen er dens åpenhet for rommiljøet."

«Filmen viser hvordan romskipet bare lander på plenen etter at det kommer fra verdensrommet. Det er ingen docking-gatewayer eller noe sånt. Men en slik stasjon bør være fullstendig isolert fra det ytre miljøet. Ellers vil ikke stemningen her vare lenge. Kanskje de åpne områdene på stasjonen kunne beskyttes av et slags usynlig felt som ville tillate sollys å komme inn og holde plantene og trærne plantet der i live. Men foreløpig er det bare fiksjon. Det finnes ingen slike teknologier."

Selve ideen om en stasjon i form av ringer er fantastisk, men så langt urealiserbar.

Stjerne krigen

Nesten alle sci-fi-filminteresserte vet hva Dødsstjernen er. Dette er en så stor grå og rund romstasjon fra Star Wars-filmeposet, som utad minner veldig om månen. Det er en intergalaktisk planetødelegger som i hovedsak er en kunstig planet i seg selv, laget av stål og bebodd av stormtroopers.

Kan vi faktisk bygge en slik kunstig planet og surfe i galaksen på den? I teorien, ja. Bare dette vil kreve utrolig mye menneskelige og økonomiske ressurser.

Spørsmålet om å bygge Death Star ble tatt opp selv av det amerikanske hvite hus, etter at samfunnet sendte en tilsvarende begjæring til vurdering. Det offisielle svaret fra myndighetene var at 852 000 000 000 000 000 dollar ville være nødvendig for konstruksjonsstål alene.

Men selv om spørsmålet om økonomi ikke ville være en prioritet, så har ikke menneskeheten teknologien til å gjenskape Dødsstjernen, siden en enorm mengde energi er nødvendig for dens bevegelse.

(vedlegg 2)

Problemer i gjennomføringen av prosjektet med romoppgjør.

Romoppgjør er en lovende retning i fremtidens romindustri, men som alltid er det vanskeligheter som må overvinnes for å fullføre denne oppgaven.

Startkapitalkostnader;

Interne livsstøttesystemer;

Opprettelse av kunstig tyngdekraft;

Beskyttelse mot fiendtlige ytre forhold:

fra stråling;

gi varme;

fra fremmedlegemer;

Løse problemene med kunstig tyngdekraft og romoppgjør.

Startkapitalkostnader - dette problemet kan løses sammen hvis folk legger sine personlige ambisjoner til side og jobber mot et større mål. Tross alt avhenger menneskehetens fremtid av oss.

Interne livsstøttesystemer - allerede nå er det systemer for gjenbruk av vann på ISS, men dette er ikke nok, forutsatt at det er nok plass på orbitalstasjonen, kan du finne et sted for et drivhus der det vil vokse planter som produserer maksimalt oksygen , er det også et sted å lage hydroponiske laboratorier for dyrking av GMO som vil kunne levere mat til hele befolkningen på stasjonen.

Å lage en kunstig gravitasjon er ikke en så vanskelig oppgave som å levere en enorm mengde drivstoff som trengs for å rotere stasjonen.

1. Det er flere måter å løse problemet på.
  1. 1. Når det gjelder å sammenligne effektiviteten til forskjellige typer motorer, snakker ingeniører vanligvis om spesifikke impulser. Spesifikk impuls er definert som endringen i momentum per masseenhet forbrukt drivstoff. Jo mer effektiv motoren er, jo mindre drivstoff kreves det for å skyte raketten ut i verdensrommet. Impulsen er på sin side et resultat av virkningen av en kraft i en viss tid. Kjemiske raketter, selv om de har en veldig høy skyvekraft, opererer i bare noen få minutter, og er derfor preget av en veldig lav spesifikk impuls. Ione-thrustere, som kan fungere i årevis, kan ha høy spesifikk impuls ved svært lav skyvekraft.

Bruk standardtilnærmingen og bruk jetmotorer for å løse problemet. Beregninger viser at ved bruk av en hvilken som helst kjent jetmotor, vil det kreves enorme mengder drivstoff for å vedlikeholde stasjonen i minst ett år.

Spesifikk impuls I (LPRE) = 4,6

Spesifikk impuls I (SRM) = 2,65

Spesifikk impuls I (EP) = 10

Spesifikk impuls I (plasmastasjon) = 290

Dette er drivstofforbruket i 1 år, derfor er det urimelig å bruke jetmotorer.

La oss vurdere en elementær sak.

Anta at vi har en karusell som står stille. Deretter, hvis vi fikserer n antall unipolare elektromagneter langs kanten av karusellen slik at kraften til deres interaksjon er maksimal, får vi følgende: hvis vi slår på elektromagnet nr. 1 slik at den vil virke på elektromagnet nr. 2 med en kraft x ganger større enn, den andre virker på først, i henhold til Newtons III lov, vil kraften av virkningen av elektromagnet nr. 1 på nr. 2 fra side nr. 2 bli kompensert av reaksjonskraften til karusellstøtten , som vil bringe karusellen ut av hvile. Slå nå av nr. 1, hev kraft nr. 2 til nr. 1 og slå på nr. 3 med en kraft lik nr. 2 på forrige trinn, og hvis vi fortsetter denne prosedyren, vil vi oppnå rotasjonen av karusellen . Ved å bruke denne metoden på romstasjonen får vi en løsning på problemet med kunstig tyngdekraft.

(Vedlegg 3).

Beskyttelse mot fiendtlige miljøforhold

Patentinnehaver Rebeko Alexey Gennadievich

Oppfinnelsen vedrører fremgangsmåter og midler for å beskytte mannskapet og utstyret mot ioniserende stråling (høyenergiladede partikler) under romflyvninger. I henhold til oppfinnelsen dannes et beskyttende statisk elektrisk eller magnetisk felt rundt romfartøyet, som er lokalisert i rommet mellom to lukkede, ikke-kontaktende overflater som er nestet i hverandre. Det beskyttede rommet til romfartøyet er begrenset av den indre overflaten, mens den ytre overflaten isolerer romfartøyet og det beskyttede rommet fra det interplanetariske plasmaet. Formen på overflatene kan være vilkårlig. Ved bruk av et elektrisk beskyttelsesfelt dannes ladninger av samme størrelse og motsatt fortegn på disse overflatene. I en slik kondensator er det elektriske feltet konsentrert i rommet mellom overflateplatene. Når det gjelder et magnetfelt, sendes strømmer i motsatt retning langs overflatene, og forholdet mellom strømstyrken velges for å minimere verdien av restfeltet utenfor. Den ønskede formen på overflatene i dette tilfellet er toroidformet for å gi kontinuerlig beskyttelse. Under påvirkning av Lorentz-kraften vil ladede partikler bevege seg langs avbøyende krumlinjede baner eller lukkede baner mellom overflater. Samtidig påføring av elektriske og magnetiske felt mellom overflater er mulig. I dette tilfellet kan et egnet materiale for å absorbere ladede partikler plasseres i rommet mellom overflatene: for eksempel flytende hydrogen, vann eller polyetylen. Det tekniske resultatet av oppfinnelsen er rettet mot å skape en pålitelig, kontinuerlig (geometrisk kontinuerlig) beskyttelse mot kosmisk stråling, forenkle utformingen av verneutstyr og redusere energikostnadene for å opprettholde beskyttelsesfeltet.

Patentholder Open Joint Stock Company Rocket and Space Corporation Energia oppkalt etter S.P. Korolev

Det termiske kontrollsystemet til romfartøyet og orbitalstasjonen, som inneholder lukkede kjøle- og varmekretser koblet gjennom minst én mellomliggende væske-væske varmeveksler, kontroll- og målesystemer, ventilfordeler og drenerings-påfyllingsarmaturer, mens varmekretsen inneholder en sirkulasjonsforsterker , gass-væske- og spiralvarmevekslere og termiske plater, og minst en sirkulasjonsstimulator, en væskestrømsregulator, hvor den ene utgangen er koblet gjennom den første tilbakeslagsventilen til innløpet til kjølevæskestrømblanderen, og den andre gjennom den andre tilbakeslagsventilen - til innløpsstrålingsvarmeveksleren, hvis utgang er koblet til det andre innløpet til strømningsblanderen, utløpet av strømningsblanderen er forbundet med en forbindelsesrørledning med det varmemottakende hulrommet til den mellomliggende væsken- væskevarmeveksler, hvis utgang er koblet til sirkulasjonsstimulatoren, på tilkoblingsrøret temperatursensorer er installert i ledningen, elektrisk koblet gjennom kontrollsystemet med væskestrømsregulatoren, karakterisert ved at to elektriske pumpeenheter i tillegg introduseres i kjølekretsen, og inngangen til den første elektriske pumpeenheten er koblet gjennom filteret til kjølevæskeutløpet fra det varmemottakende hulrommet til den mellomliggende væske-væske varmeveksleren, og utløpet er koblet til den andre tilbakeslagsventilen og parallelt, gjennom et filter, til innløpet til den andre elektriske pumpeenheten, utløpet til som er koblet til den første tilbakeslagsventilen, mens hver elektrisk pumpeenhet er utstyrt med en differensialtrykksensor, og på rørledningen som forbinder utløpet av strømningsblanderen med det varmemottakende hulrommet til væske-væske varmeveksleren, en ekstra temperatur sensor er installert, elektrisk koblet gjennom styresystemet med den første elektriske pumpeenheten.

Det er mange måter å beskytte seg mot fremmedlegemer på.

Bruk ikke-standard motorer, for eksempel en elektromagnetisk akselerator med en variabel spesifikk impuls;

Pakk en asteroide med et reflekterende plastsolseil bruk av aluminiumsbelagt PET-film;

"Mal" eller strø en gjenstand med titandioksid (hvit) eller kullsvart (svart) slik at forårsake Yarkovsky-effekten og endre banen;

Planetforsker Eugene Shoemaker foreslo i 1996 sende ut en sky av damp i banen til et objekt for å bremse den forsiktig. Nick Zabo tegnet et lignende konsept i 1990, "aerodynamisk bremsing av en komet": en komet eller isstruktur sikter mot en asteroide, hvoretter atomeksplosjoner fordamper isen og danner en midlertidig atmosfære i asteroidens bane;

Fest tung ballast til asteroiden for å endre banen ved å flytte tyngdepunktet;

Bruk laserablasjon;

Bruk en sjokkbølgesender;

En annen "ikke-kontakt"-metode ble nylig foreslått av forskerne C. Bombardeli og J. Pelez fra det tekniske universitetet i Madrid. Det foreslår bruk ionekanoner med lav divergens, rettet mot asteroiden fra et nærliggende skip. Den kinetiske energien som overføres gjennom ionene som når overflaten av asteroiden, som i tilfellet med en gravitasjonsslepebåt, vil skape en svak, men konstant kraft som kan avlede asteroiden, og et lettere skip vil bli brukt.

Undergrave et atomkraftverk over, på eller under overflaten til en asteroide er et potensielt trusselavvisende alternativ. Den optimale sprengningshøyden avhenger av gjenstandens sammensetning og størrelse. I tilfelle en trussel fra en haug med rusk, for å unngå spredning, foreslås det å utføre en strålingsimplosjon, det vil si en eksplosjon over overflaten. Under eksplosjonen blir den frigjorte energien i form av nøytroner og myke røntgenstråler (som ikke trenger gjennom stoffet) omdannet til varme når den når objektets overflate. Varmen gjør stoffet til objektet til et utbrudd, og det vil gå av banen, etter Newtons tredje lov, vil utbruddet gå i én retning, og objektet i motsatt retning.

Elektromagnetisk katapult er et automatisk system plassert på en asteroide, og frigjør stoffet som det er sammensatt av, ut i verdensrommet. Dermed skifter den sakte og mister masse. Den elektromagnetiske katapulten må fungere som et system med lav spesifikk impuls: bruke mye drivstoff, men lite energi.

Poenget er at hvis du bruker asteroidemateriale som drivstoff, så er ikke mengden drivstoff like viktig som energimengden, som sannsynligvis vil være begrenset.

En annen mulig måte er å plassere en elektromagnetisk katapult på Månen, sikte den mot et objekt nær jorden, for å dra nytte av banehastigheten til en naturlig satellitt og dens ubegrensede tilførsel av "steinkuler".

Konklusjon.

Etter å ha analysert informasjonen som presenteres, blir det klart at kunstig gravitasjon er et veldig reelt fenomen som vil bli mye brukt i romfartsindustrien, så snart vi overvinner alle vanskelighetene knyttet til dette prosjektet.

Jeg ser rombosetninger i den formen som von Braun foreslo: toroidale verdener med optimal utnyttelse av rommet og med bruk av avansert teknologi for å sikre fortsatt liv, nemlig:

Bruk av avansert teknologi for å møte behovene til stasjonen:

Hydroponics
- Planter trenger ikke å vannes mye. Vann vil bli forbrukt mye mindre enn når det dyrkes på bakken i hagen. Til tross for dette, med riktig utvalg av mineraler og komponenter, vil plantene ikke tørke ut eller råtne. Det gjør den ved å få nok oksygen.
  
  Et stort pluss er at denne metoden lar deg beskytte planter mot mange sykdommer og skadedyr. Plantene selv vil ikke absorbere skadelige stoffer fra jorda.
  
  Følgelig vil det være et maksimalt utbytte, som fullt ut vil dekke behovene til innbyggerne på stasjonen.

Vannregenerering

Kondensering av fuktighet fra luften.

Rensing av brukt vann.

Behandling av urin og fast avfall.

En klynge av atomreaktorer vil være ansvarlig for energiforsyningen, som vil være skjermet i henhold til patent nr. 2406661 tilpasset for å fortrenge radioaktive partikler utenfor stasjonen.

Oppgaven med å skape romoppgjør er vanskelig, men gjennomførbar. Jeg håper at i nær fremtid, på grunn av den raske utviklingen av vitenskap og teknologi, vil alle nødvendige forutsetninger for opprettelse og utvikling av rombosetninger basert på kunstig tyngdekraft bli oppfylt. Mitt bidrag til denne nødvendige saken vil bli verdsatt. Menneskehetens fremtid ligger i utforskningen av verdensrommet og overgangen til en ny, mer lovende, miljøvennlig vending av den menneskelige utviklingsspiralen.

applikasjoner

Vedlegg 1. Stanford torus

Vedlegg 2. Death Star, Elysium.

Vedlegg 3. Skjema for rotasjonsbevegelse.

Resultanten av krefter i den første tilnærmingen (bare samspillet mellom magneter). Som et resultat gjør stasjonen en rotasjonsbevegelse. Det er det vi trenger.

Bibliografi

ALYAKRINSKY. Mennesket lever i verdensrommet. Vektløshet: pluss eller minus?

Barrer, M. Rakettmotorer.

Dobrovolsky, M. Flytende rakettmotorer. Grunnleggende om design.

Dorofeev A. Grunnleggende om teorien om termiske rakettmotorer.

Matveev. Mekanikk og relativitetsteori: Lærebok for universitetsstudenter.

Myakishev. Molekylærfysikk og termodynamikk.

Myakishev. Fysikk. Mekanikk.

Myakishev. Fysikk. Elektrodynamikk.

Russell, D. Hydroponics.

Sanko. Astronomisk ordbok.

Sivukhin. Generelt kurs i fysikk.

Feynman. Feynman forelesninger om tyngdekraften.

Tsiolkovsky. Saker om rakettteknologi.

Shileiko. I et hav av energi.

Golubev I.R. og Novikov Yu.V. Miljøet og dets beskyttelse

Zakhlebny A.N. Bevaringslesebok

Zverev I. Naturbeskyttelse og økologisk utdanning av skolebarn.

Ivanov A.F. Fysisk eksperiment med økologisk innhold.

Kiselev S.V. Demonstrasjon av drivhuseffekten.

Internettressurser:

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

http://www.roscosmos.ru

http://allpatents.ru

Tyngdekraften er en av de grunnleggende kreftene i universet. Den definerer verden slik vi kjenner den ved å binde kosmos sammen. Uten tyngdekraften ville alt hele tiden beveget seg bort fra alt annet. Det er en så grunnleggende byggestein i fysikk at vi ofte tar den for gitt. Det er skummelt å tenke på hva som ville skje hvis noen bare vridd jordens metaforiske tyngdekraft. Vi ville bli kastet ut fra jordens overflate ut i verdensrommet på grunn av tregheten til jordens rotasjonsbevegelse. Hvis vi skrudde av tyngdekraften til solen, ville ingenting fungere hvis solsystemet var sammen. Vi var vitne til kaos i en utrolig skala da planeter kolliderte med hverandre og meteorer falt ned over oss som en storm av ødeleggelse.

Like viktig som tyngdekraften er det imidlertid noen scenarier der en viss grad av kontroll over det vil være ekstremt nyttig. Tenk deg at du flyr uten fly eller bærer tunge gjenstander nesten uten anstrengelse. For tiden opplever astronauter mange fysiologiske endringer under vektløs romfart, og de fleste av disse endringene påvirker dem negativt. De lider av muskeldystrofi, bentap, desorientering og andre nulleffekter. Derfor ville interstellar reise være mye lettere hvis tyngdekraften kunne syntetiseres kunstig. Det som skjer må komme ned, ikke sant? Det er fakta? Jo større du er, jo hardere faller du? Sannhet eller fiksjon?

La oss nå se hvor nær vi er å faktisk bruke tyngdekraften.

Bestemmelse av tyngdekraften

Hvordan simulere gravitasjon?

Rotasjonen ville flytte ethvert objekt inne i romfartøyet mot basen og bort fra rotasjonssenteret. Motstandskraften fra kroppsbunnen vil virke som en normalkraft som virker på oss med jordoverflaten når vi står. Sentrifugalkraften som presser oss mot bunnen av skroget vil virke som gravitasjonskraften som jorden utøver på oss.

Det er imidlertid ett forbehold. I dette systemet varierer kunstige nivåer mye avhengig av avstanden fra rotasjonssenteret. Derfor vil den kunstige tyngdekraften som oppleves ved føttene være større enn ved hodet. Dette kan gjøre endringer i bevegelse og kroppsposisjon ubehagelig. Denne effekten kunne imidlertid reduseres dersom skipets radius var mye større enn gjennomsnittspersonens høyde.

Lineær akselerasjon: Journey in Space Roller Coaster

Økning i hastighet, dvs. akselerasjon skyldes tyngdekraften. Dette er hovedårsaken til at hastigheten øker når vi faller fritt. Denne akselerasjonen kan modelleres som et akselererende romfartøy. Et romfartøy med konstant akselerasjon i en rett linje vil resultere i et gravitasjonstrekk i motsatt retning. Dette vil føre til at objektet akselereres for å oppleve kraften som trekker det tilbake. Hvis du lurer på hvor komfortabel den vil være i konstant akselerasjon, ikke bekymre deg, for det er det du opplever hele tiden på grunn av jordens gravitasjonskraft, berg-og-dal-baner og sportsbiler. Kroppen vil heller ikke vite at den beveger seg hvis det ikke er noen akselerasjon. jeg tenker på det

Jorden roterer rundt 1700 kilometer i timen ved ekvator, men vi føler det ikke, fordi denne hastigheten er konstant og det er ingen akselerasjon.

Lineær akselerasjon i romfart vil kreve en enorm mengde drivmiddel, mens en rotasjonsstrategi ikke krever konstant påføring av kraft. Det kreves imidlertid konstant lineær akselerasjon fordi det i tillegg til kunstig tyngdekraft teoretisk sett kan gi en relativt kort flytid rundt solsystemet.

Magnetisme :

Det er en metode som tyngdekraftseffekter kan skapes ved hjelp av diamagnetisme, men dette krever ekstremt sterke magnetiske felt. Med så sterke magnetfelt er det tvilsomt at det noen gang vil være trygt for menneskelig bruk. Eksperimentelt har frosker og til og med rotter blitt levitert mot jordens tyngdekraft, men dette er i svært liten skala. Maskiner som bruker diamagnetisme for å etterligne tyngdekraften kan brukes til å trygt gi miljøer med lav tyngdekraft med styrke som ligner på månens eller marstyngdekraften.

Levende frosk som svever inne i et magnetfelt

Para-Gravity:

Kunstig simulert gravitasjon i et romfartøy som verken roterer eller akselererer, også kjent som «paragravity», har vært antatt å ikke eksistere, men det er foreløpig ingen utprøvd teknikk som kan simulere gravitasjon annet enn mekanisk eller magnetisk akselerasjon. Interstellars Murphy ordnet det imidlertid opp, så hvor vanskelig var det?

I tillegg til metodene ovenfor, finnes det enklere metoder som kan oppheve tyngdekraftens effekter og få nesten null forhold. De enorme menneskelige sentrifugene med en lang spinnende arm som vi ser i tegneserier og filmer, er faktisk veldig nyttige for å forberede astronauter på de høye forholdene under oppskytingen.

Nøytral oppdrift er en annen teknikk der folk trenes til å løse problemer på lavt nivå ved å gjøre enkle oppgaver i et simulert svømmebassengmiljø.

Nøytral oppdrift er ikke vektløshet, da vi fortsatt kan fornemme tyngdekraftens retning under vann, men den kommer veldig nært romfartsforholdene.

Kunnskapsøkologi. Langvarig opphold i rommet har alvorlige konsekvenser. Medisinsk forskning på effekten av mikrogravitasjon på astronauter

Langvarig opphold i rommet har alvorlige konsekvenser. Medisinsk forskning på effekten av mikrogravitasjon på astronauter etter å ha tilbrakt mange måneder i lav jordbane (LEO) har kommet til en bitter konklusjon: mennesker kan ikke leve fullt ut uten gravitasjon. Derfor blir kunstig tyngdekraft i økende grad diskutert som en essensiell komponent i et vedvarende oppdrag i verdensrommet både nær og langt fra Jorden.

Kunstig tyngdekraft vil være spesielt viktig for flerårige kommersielle oppdrag, der telerobotikk vil bli kontrollert av et mannskap som er stasjonert i umiddelbar nærhet til en gruvedrift og annen asteroide. Slik tyngdekraft vil også være nyttig for langsiktige studier på kropper med lav tyngdekraft som Månen, Mars eller til og med satellitter på de ytre planetene.

William Kemp fra Washington mener at han sammen med sin forretningspartner Ted Mazeika har funnet en levedyktig løsning på disse problemene. Dette er en sylindrisk romstasjon med en diameter på 30 meter som er i stand til å skape variabel kunstig tyngdekraft ved å rotere sylinderen rundt sin lengdeakse.

"Hvis vi ønsker å være i verdensrommet i mer enn et år, må vi lage et kunstig gravitasjonssystem, ellers vil vi ofre mennesker i prosessen," sa Kemp, grunnlegger og administrerende direktør i United Space Structures.

I over tre tiår har Kemp jobbet med å foredle ideene sine. Selskapet har i dag en patentert prosess i prosjektet og ser etter midler og andre partnere som kan investere i stor stil.

Ideen er å oppnå kunstig tyngdekraft gjennom sentrifugalkraft, som vil kreve rotasjon for å skape trykk nedover. En liten struktur på 10 meter kan i teorien snurre raskt nok til at mennesker kan føle tyngdekraften, men Kemp sier at astronauter med en slik struktur ville ha forferdelige problemer med det indre øret.

"Hvis rotasjonshastigheten er for høy, vil balansesansen svikte, og snart vil du føle forferdelige smerter i hender og knær," sier Kemp.

Likevel vil en liten sylindrisk stasjon med en diameter på 30 meter, foreslått av Kemp, kunne opprettholde en gravitasjon på 0,6 Jorden; dette er minimum som vil tillate folk å bo trygt på stasjonen i minst to år. Astronautene vil bo både inne i sylinderen og i den ytre halvkule av strukturen.

Kemp sier at en 30 meter sylindrisk stasjon ville trenge en rotasjonshastighet på 5,98 omdreininger per minutt og en minimum brukbar størrelse for å skape kunstig gravitasjon. Den raske rotasjonshastigheten ville være upraktisk for astronautene.

"Retningen sylinderen roterer i spiller ingen rolle," sier Kemp. - Hastigheten avhenger av radiusen til det roterende objektet og tyngdekraften du trenger; jo større radius, jo lavere rotasjonshastighet.

Det første trinnet i å teste United Space Structures vil være å teste en 30 meter lang prototype i LEO, sier Kemp. Selv om en slik 30-meters stasjon kan huse minst 30 personer, vil den fungere godt i dype rom og jordnære asteroidegruveforhold.

Hvilke partnere skal bygge disse stasjonene?

"Vi forhandler med selskaper som Deep Space Industries selskaper som ønsker å utvinne asteroider, og med andre selskaper som ønsker å utvinne ressurser på månen, sier Kemp. "Vi vil gjerne bruke SpaceX utskytningsramper, men dette vil øke kostnadene betydelig, så i utgangspunktet vil vi bruke komposittmaterialer for konstruksjon, ikke metaller."

Til tross for spådde sprang innen rommedisin i løpet av de neste to tiårene, er Kemp absolutt overbevist om at kunstig gravitasjon alltid vil være nødvendig. Over tid, under forhold med mikrogravitasjon, reduseres muskel- og benmassen, synsnerven krymper, netthinnen forsvinner, immuniteten avtar, og kritisk tenkning kan til og med bli svekket.

Dette betyr selvfølgelig ikke at kunstig tyngdekraft vil være et universalmiddel.

I kunstig tyngdekraft vil astronauter fortsatt vite at de er på en roterende stasjon, sier Kemp. Å gå på en slik stasjon vil ligne en nedstigning ned skråningen, fordi gulvet vil gå ut under føttene dine. Å gå i motsatt rotasjonsretning vil føles som å gå oppover, da gulvet vil heve seg. Og hvis du går vinkelrett på rotasjonen i en hvilken som helst retning, vil det være en følelse av at du faller til siden.

Problemer med det vestibulære apparatet er ikke den eneste konsekvensen av langvarig eksponering for mikrogravitasjon. Astronauter som tilbringer mer enn en måned på ISS, lider ofte av søvnforstyrrelser, nedgang i det kardiovaskulære systemet og luft i magen.

NASA fullførte nylig et eksperiment der forskere genomet tvillingbrødre: en av dem tilbrakte nesten et år på ISS, den andre foretok bare kortsiktige flyreiser og tilbrakte mesteparten av tiden på jorden. Et langt opphold i verdensrommet førte til at 7% av DNAet til den første astronauten endret seg for alltid - vi snakker om gener knyttet til immunsystemet, beindannelse, oksygenmangel og overflødig karbondioksid i kroppen.

NASA sammenlignet tvillingastronauter for å se hvordan menneskekroppen forandrer seg i verdensrommet

I mikrogravitasjon vil en person bli tvunget til å ikke gjøre noe: vi snakker ikke om oppholdet til astronauter på ISS, men om flyreiser ut i det dype rom. For å finne ut hvordan et slikt regime vil påvirke helsen til astronauter, har European Space Agency (ESA) i 21 dager 14 frivillige i en hodetilt seng. Eksperimentet, som vil tillate praktisk testing av de nyeste metodene for å bekjempe vektløshet - som forbedret trenings- og ernæringsregimer - kommer til å bli utført i fellesskap av NASA og Roscosmos.

Men i tilfelle folk bestemmer seg for å sende skip til Mars eller Venus, vil det være behov for mer ekstreme løsninger - kunstig tyngdekraft.

Hvordan tyngdekraften kan eksistere i rommet

Først av alt er det verdt å forstå at tyngdekraften eksisterer overalt - noen steder er den svakere, andre er den sterkere. Og verdensrommet er intet unntak.

ISS og satellitter er under konstant påvirkning av tyngdekraften: Hvis et objekt er i bane, faller det, for å si det enkelt, rundt jorden. En lignende effekt oppstår hvis ballen kastes fremover – før den treffer bakken vil den fly litt i kasteretningen. Hvis du kaster ballen hardere, vil den fly lenger. Hvis du er supermann og ballen er en rakettmotor, vil den ikke falle til bakken, men fly rundt den og fortsette å rotere, gradvis gå inn i bane.

Mikrogravitasjon antar at menneskene inne i skipet ikke er i luften – de faller av skipet, som igjen faller rundt jorden.

Fordi tyngdekraften er tiltrekningskraften mellom to masser, holder vi oss på jordoverflaten når vi går på den, i stedet for å sveve bort til himmelen. I dette tilfellet tiltrekker hele jordens masse massen av kroppene våre til sentrum.

Når skip går i bane, flyter de fritt i verdensrommet. De er fortsatt underlagt jordens tyngdekraft, men skipet og objektene eller passasjerene i det er underlagt tyngdekraften på samme måte. Eksisterende enheter er ikke massive nok til å skape en merkbar attraksjon, så folk og gjenstander i den står ikke på gulvet, men "svever" i luften.

Hvordan lage kunstig gravitasjon

Kunstig tyngdekraft som sådan eksisterer ikke, for å skape den må en person lære alt om naturlig tyngdekraft. I science fiction er det et konsept for å simulere tyngdekraften: det lar mannskapet på romskip gå på dekk og gjenstander stå på det.

I teorien er det to måter å simulere tyngdekraften på, og ingen av dem har ennå blitt brukt i det virkelige liv. Den første er bruken av sentripetalkraft for å modellere tyngdekraften. I dette tilfellet bør skipet eller stasjonen være en hjullignende struktur bestående av flere konstant roterende segmenter.

I følge dette konseptet vil sentripetalakselerasjonen til apparatet, som skyver modulene mot midten, skape et utseende av tyngdekraft eller forhold som ligner på jorden. Dette konseptet ble demonstrert i Stanley Kubricks 2001 A Space Odyssey og Christopher Nolans Interstellar.

Konseptet med et apparat som skaper sentripetalakselerasjon for å simulere tyngdekraften

Forfatteren av dette prosjektet er den tyske rakettforskeren og ingeniøren Wernher von Braun, som ledet utviklingen av Saturn-5-raketten, som leverte Apollo 11-mannskapet og flere andre bemannede kjøretøy til Månen.

Som direktør for NASAs Marshall Space Flight Center, populariserte von Braun den russiske forskeren Konstantin Tsiolkovskys idé om å bygge en ringformet romstasjon basert på et sykkelhjulsnavdesign. Hvis hjulet snurrer i rommet, kan tregheten og sentrifugalkraften skape en slags kunstig gravitasjon som trekker gjenstander mot den ytre omkretsen av hjulet. Dette vil tillate mennesker og roboter å gå på gulvet som på jorden, i stedet for å flyte i luften som på ISS.

Imidlertid har denne metoden betydelige ulemper: jo mindre romfartøyet er, jo raskere må det rotere - dette vil føre til fremveksten av den såkalte Cornolis-kraften, der punkter som ligger lenger fra sentrum vil bli påvirket av tyngdekraften mer enn punkter nærmere til det.. Tyngdekraften vil med andre ord virke mer på hodet til astronautene enn på beina, noe de neppe vil like.

For å unngå denne effekten, bør størrelsen på skipet være flere ganger større enn størrelsen på en fotballbane - å sette en slik enhet i bane vil være ekstremt kostbart, gitt at kostnaden for ett kilo last under kommersielle oppskytinger varierer fra $1500 til $3000.

En annen metode for å lage simulert gravitasjon er mer praktisk, men også ekstremt dyr - dette er metoden for akselerasjon. Hvis skipet på et bestemt segment av banen først akselererer, og deretter snur seg og begynner å bremse, vil det være en effekt av kunstig tyngdekraft.

For å implementere denne metoden vil det kreves enorme reserver av drivstoff - faktum er at motorene må jobbe nesten kontinuerlig bortsett fra en kort pause midt på reisen - under skipets sving.

Ekte eksempler

Til tross for de høye kostnadene ved å lansere tyngdekraftsimulerte kjøretøy, prøver selskaper over hele verden å bygge slike skip og stasjoner.

Gateway-stiftelsen, en forskningsstiftelse som planlegger å bygge en roterende stasjon i jordens bane, prøver å implementere Von Brauns konsept. Det antas at kapsler skal plasseres rundt hjulets omkrets, som kan kjøpes av offentlige og private luftfartsselskaper for forskning. Noen av kapslene skal selges som villaer til verdens rikeste mennesker, mens andre skal brukes som hotell for romturister.Det roterende romfartøyet Nautilus-X med oppblåsbare moduler ble introdusert, som skulle redusere virkningen av mikrogravitasjon på forskere på borde.

Prosjektet var ment å koste bare 3,7 milliarder dollar - svært lite for slike enheter - og det ville ta 64 måneder å bygge. Nautilus-X gikk imidlertid aldri utover de originale tegningene og forslagene.

Konklusjon

Så langt er den mest sannsynlige måten å få til en simulering av tyngdekraften som vil beskytte skipet mot virkningene av akselerasjon og gi et konstant trekk uten å måtte bruke thrustere hele tiden, å oppdage en partikkel med negativ masse. Alle partikler og antipartikler som forskere noen gang har oppdaget har positiv masse. Det er kjent at den negative massen og gravitasjonsmassen er lik hverandre, men hittil har forskere ikke klart å demonstrere denne kunnskapen i praksis.

Forskere fra ALPHA-eksperimentet ved CERN har allerede skapt antihydrogen – en stabil form for nøytral antimaterie – og jobber med å isolere det fra alle andre partikler i svært lave hastigheter. Hvis forskerne klarer å gjøre dette, er det sannsynlig at kunstig gravitasjon i nær fremtid vil bli mer reell enn den er nå.

B.V. Raushenbakh, en medarbeider til Korolev, snakket om hvordan ideen om å skape kunstig tyngdekraft på et romskip oppstod: på slutten av vinteren 1963, sjefdesigneren, som ryddet snøen fra stien nær huset sitt på Ostankinskaya Street, kan man si, hadde en idé. Uten å vente på mandag ringte han Rauschenbach, som bodde i nærheten, og snart begynte de å «rydde veien» ut i verdensrommet for lange flyreiser.
Ideen viste seg, som ofte er tilfelle, å være enkel; det må være enkelt, ellers går det kanskje ikke i praksis.

For å fullføre bildet. Mars 1966, amerikanere på Gemini 11:

Klokken 11:29 løsnet Gemini 11 fra Agena. Det mest interessante begynte: hvordan vil to gjenstander koblet sammen med en kabel oppføre seg? Først prøvde Konrad å introdusere en haug i gravitasjonsstabilisering – slik at raketten hang i bunnen, skipet på toppen og kabelen var stram.
Det var imidlertid ikke mulig å trekke seg tilbake 30 m uten å vekke sterke vibrasjoner. Klokken 11:55 gikk vi videre til andre del av eksperimentet – «kunstig gravitasjon». Konrad satte stiften i rotasjon; kabelen strakk seg først langs en buet linje, men etter 20 minutter rettet den seg ut og rotasjonen ble ganske riktig. Konrad brakte hastigheten til 38 ° / min, og etter middag til 55 ° / min, og skapte en tyngde på nivået 0,00078g. "To touch" det føltes ikke, men ting la seg sakte til bunnen av kapselen. Klokken 14:42, etter tre timers rotasjon, ble tappen avfyrt, og Gemini beveget seg bort fra missilet.