Впервые идея орбитальной станции, в которой гравитацию имитирует центробежная сила, возникающая за счет вращения станции, была высказана в 1928 году в книге австро-венгерского ракетного инженера Германа Поточника.
Эта идея сохранялась и в проектах орбитальных станций 1950-60-х годов. Например, американский конструктор Вернер фон Браун описал вращающуюся станцию диаметром 76 метров.
Инженеры полагали, что такую станцию можно будет построить к 1967 году. Затем должны были последовать полеты на Луну. Однако американское правительство решило сосредоточиться сразу на Луне, так что проект орбитальной станции фон Брауну пришлось отложить. Впоследствии он послужил прототипом станции в фильме «Космическая одиссея 2001 года».
В 1975 году студенты Стэнфордского университета представили в NASA проект «Стэнфордского тора». По их задумке вращающаяся орбитальная станция должна была иметь диаметр 1,8 километра, а внутри было достаточно места, чтобы создать комфортные условия для жизни.
Кроме перечисленных предлагались и другие проекты, но, когда дело наконец дошло до строительства, оказалось, что детали для станции в форме огромного колеса очень сложно доставлять и собирать на орбите, а кроме того, невесомость оказалась ценна для научных экспериментов.
Конечно, невесомость отрицательно сказывается на здоровье людей на станции, однако опыт таких космонавтов, как Валерий Поляков ( по длительности пребывания в космосе), показывает, что к невесомости можно приспособиться , сохранив работоспособность и здоровье.
«Первые длительные полеты породили довольно серьезные проблемы космонавтов со здоровьем. Однако в настоящее время эта проблема в основном решена. А раз она решена, зачем затруднять себе жизнь созданием станции с искусственной гравитацией? Вращение станции - серьезное неудобство для ее работы: масса экспериментов, которые хотелось бы проводить на орбитальной станции, либо затруднены, либо вообще невозможны», - считает ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт.
В конечном счете проекты вращающихся орбитальных станций так и остались неосуществленными. Последний из них - Nautilus-X. Этот проект предполагал постройку станции с центрифугой, внутри которой должны были располагаться жилые отсеки, надувные отсеки со складскими помещениями, солнечные панели и двигатели. Станция должна была быть по космическим меркам дешевой - 3,7 миллиарда долларов (для сравнения: МКС - 150 миллиардов). В рамках проекта предполагалось отправить на МКС демонстрационный модуль с центрифугой. Однако дальше идеи дело не продвинулось, хотя, возможно, центрифуга на МКС все-таки появится - ее планируют разработать Институт медико-биологических проблем РАН и РКК «Энергия».
Впрочем, недавно частная компания, называющая себя консорциумом «Космические технологии», объявила , что собирается строить собственную орбитальную станцию с искусственной гравитацией, причем в рамках проекта планируется также строительство космодрома на Дальнем Востоке. Работы компания намеревается завершить к 2032 году.
Однако с учетом того, что на такие грандиозные планы нужны миллиарды долларов, проект выглядит чистым вздором. «Реализовать такой проект силами частной компании конечно же невозможно. Для этого нужны просто колоссальные деньги», - пояснил Эйсмонт.
Екатерина Боровикова
На Международной космической станции (МКС) появится модуль с центрифугой, создающей искусственную гравитацию, сообщили в Институте медико-биологических проблем Российской академии наук (ИМБП РАН).
"Мы воссоздали центрифугу малого радиуса. Была показана перспективность этого метода для моделирования искусственной гравитации… Центрифуга малого радиуса служит для создания искусственной гравитации на трансформируемом модуле, разрабатываемом в настоящее время РКК "Энергия", - сказал директор ИМБП Олег Орлов.
Роскосмос уже дал поручение "Энергии" на реализацию этого проекта, добавил он. "Надеемся на нашей базе сделать макет центрифуги, его отработать, чтобы затем его создать на базе трансформируемого модуля", – заявил Орлов. Такую центрифугу установят на надувном модуле, который сейчас разрабатывается в России по типу американского BEAM (Bigelow Expandable Activity Module) , пристыковавшегося к МКС в апреле.
Видео работы экспериментального образца центрифуги короткого радиуса:
"Еще Циолковский считал, что если будет сделана искусственная гравитация, то многие проблемы медицинского сопровождения космических полетов будут решены. В ИМБП РАН, где на сегодняшний день создана лучшая в мире система профилактики для космонавтов, основанная на физических тренировках, мы давно начали прорабатывать и новое направление – искусственную гравитацию. При коротких орбитальных полетах она была не столь востребована, – космонавтам хватало для тренировок мышц и костного каркаса обычной беговой дорожки, велоэргометра... Теперь же, когда появились планы по освоению дальнего космоса, создание искусственной гравитации стало актуальной задачей. Она может существенно дополнить, а то и вовсе заменить для космонавтов изматывающие физические тренировки на борту в течение годового, а может, еще более длительного полета.Первая серия исследований, в которых принимал участие Олег Орлов, была направлена на то, чтобы выяснить, какая вращающая система более комфортна для человека. Для этого была создана даже специальная крутящаяся комната.
"Вот мы сидим в комнате, она крутится, – вспоминает Орлов. – До какого-то момента нам хорошо, но потом нам не хочется не только выполнять какие-то действия, но даже разговаривать. О приеме пищи и речи идти не может, – такое сильное начинается головокружение. В итоге подобных экспериментов, подбирая разные скорости, мы выработали допустимые требования к таким системам. К примеру, знаем теперь, что самой оптимальной скоростью вращения такой комнаты будет 6 оборотов минуту. К 9-ти оборотам уже не всякий адаптируется, при 12-ти – практически каждый ломается. Эти испытания пока отложены, – у нас нет задачи создания вращающегося космического корабля. Но при необходимости мы можем исследования возобновить.
Наиболее реалистичным, по словам Орлова, для реализации уже на Международной космической станции оказался второй вариант искусственной гравитации, создаваемой центрифугой короткого радиуса. Человек может пользоваться ею периодически, например 2 часа в день или ночью крутиться в ней во время сна. Время вращения будет подбираться индивидуально в зависимости от длительности космического полета, особенностей организма и так далее. Вращаясь в камере, космонавт будет испытывать те же воздействия, что и на Земле, в обычных гравитационных условиях. Этого должно хватить, чтобы компенсировать часть неблагоприятных влияний.
Кстати, искусственная гравитация нужна не только в космосе, но и на Земле. Пребывание в условиях повышенной гравитации, когда создается сила тяжести больше, чем на на нашей планете, оказывает пользу при лечении сосудов нижних конечностей, ускоряет регенерацию костных тканей при переломах, есть эффективность и при вариантах гипертонической болезни".
Концепт станции 1969 года, которая должна была собираться на орбите из отработанных этапов программы «Аполлон». Станция должна была вращаться на своей центральной оси для создания искусственной гравитации
Почему? Потому что если вы хотите отправиться в другую звездную систему, вам нужно будет ускорить ваш корабль, чтобы туда добраться, а затем замедлить его по прибытии. Если вы не сможете оградить себя от этих ускорений, вас ждет катастрофа. Например, чтобы ускориться до полного импульса в «Звездном пути», до нескольких процентов световой скорости, придется испытать ускорение в 4000 g. Это в 100 раз больше ускорения, которое начинает препятствовать кровотоку в теле.
Запуск космического шаттла «Колумбия» в 1992 году показал, что ускорение протекает на протяжении длительного периода. Ускорение космического корабля будет во много раз выше, и человеческое тело не сможет с ним справиться
Если вы не хотите быть невесомым во время длительного путешествия - чтобы не подвергать себя ужасному биологическому износу вроде потери мышечной и костной массы - на тело постоянно должна действовать сила. Для любой другой силы это вполне легко сделать. В электромагнетизме, например, можно было бы разместить экипаж в проводящей кабине, и множество внешних электрических полей просто исчезли бы. Можно было бы расположить две параллельные пластины внутри и получить постоянное электрическое поле, выталкивающее заряды в определенном направлении.
Если бы гравитация работала таким же образом.
Такого понятия, как гравитационный проводник, просто не существует, как и возможности оградить себя от гравитационной силы. Невозможно создать однородное гравитационное поле в области пространства, например, между двумя пластинами. Почему? Потому что в отличие от электрической силы, генерируемой положительными и отрицательными зарядами, существует только один тип гравитационного заряда, и это масса-энергия. Гравитационная сила всегда притягивает, и от нее никуда не скрыться. Вы можете лишь использовать три типа ускорения - гравитационное, линейное и вращательное.
Подавляющее большинство кварков и лептонов во Вселенной состоит из материи, но у каждого из них существуют и античастицы из антиматерии, гравитационные массы которых не определены
Единственный способ, с помощью которого можно было бы создать искусственную гравитацию, которая защитит вас от последствий ускорения вашего корабля и обеспечит вам постоянную тягу «вниз» без ускорения, будет доступен, если вы откроете частицы отрицательной гравитационной массы. Все частицы и античастицы, которые мы нашли до сих пор, обладают положительной массой, но эти массы инерциальны, то есть о них можно судить только при создании или ускорении частицы. Инерционная масса и гравитационная масса одинаковы для всех частиц, которые мы знаем, но мы никогда не проверяли свою идею на антиматерии или античастицах.
В настоящее время проводятся эксперименты именно по этой части. Эксперимент ALPHA в ЦЕРН создал антиводород: стабильную форму нейтральной антиматерии, и работает над изолированием ее от всех других частиц. Если эксперимент будет достаточно чувствительным, мы сможем измерить, как античастица попадает в гравитационное поле. Если падает вниз, как и обычное вещество, то у нее положительная гравитационная масса и ее можно использовать для строительства гравитационного проводника. Если падает в гравитационном поле вверх, это все меняет. Один лишь результат, и искусственная гравитация может внезапно стать возможной.
Возможность получения искусственной гравитации невероятно манит нас, но основана на существовании отрицательной гравитационной массы. может быть такой массой, но мы пока этого не доказали
Если антиматерия имеет отрицательную гравитационную массу, то при создании поля из обычного вещества и потолка из антивещества, мы могли бы создать поле искусственной гравитации, которое всегда тянуло бы вас вниз. Создав гравитационно-проводящую оболочку в виде корпуса нашего космического корабля, мы защитили бы экипаж от сил сверхбыстрого ускорения, которые в противном случае стали бы смертельными. И что самое крутое, люди в космосе не испытывали бы больше негативных физиологических эффектов, которые сегодня преследуют астронавтов. Но пока мы не найдем частицу с отрицательной гравитационной массой, искусственная гравитация будет получаться только за счет ускорения.
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
Когда мы смотрим на автомобиль, мы знаем, в какую сторону он едет. Управление им происходит благодаря взаимодействию с внешней средой - сцеплению колёс с дорогой. Куда поворачивают колёса - туда и весь автомобиль. Но если мы лишим его этого сцепления, если мы отправим машину на лысой резине кататься по льду, то она закружится в вальсе, что будет крайне опасно для водителя. Такой тип движения возникает редко на Земле, но в космосе это норма.Б. В. Раушенбах, академик и лауреат Ленинской премии, писал в “Управлении движением космических аппаратов” о трёх основных типах задач управления движением космического аппарата:
- Получение нужной траектории (управление движением центра масс),
- Управление ориентацией, то есть получение нужного положения корпуса космического аппарата относительно внешних ориентиров (управление вращательным движением вокруг центра масс);
- 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.
"США не смогут обойтись без России в космосе"
На разрабатываемом в России новом модуле МКС будет установлена центрифуга для создания искусственной . "Мы воссоздали центрифугу малого радиуса. Была показана перспективность этого метода для моделирования искусственной гравитации. Данная центрифуга служит для создания искусственной гравитации на трансформируемом модуле, разрабатываемом в настоящее время РКК "Энергия", — сообщил журналистам директор Института медико-биологических проблем РАН Олег Орлов.
Мнением по этому поводу с сайт поделился космонавт, первый человек, вышедший в открытый космос (18 марта 1965 года), дважды Герой Советского Союза Алексей Леонов.
— Какие проблемы создает невесомость, и не пропадет ли вместе с ней космическая романтика? Почему с невесомостью нужно бороться?
— Самое страшное, что ожидает человека, попавшего на просторы космоса, это как раз невесомость. Человек, пролетавший месяц в невесомости, если не будет специально готовиться к спуску, просто погибнет при возвращении на землю.
После первого полета длительностью 18 суток Виталий Севастьянов и Андриян Николаев вернулись и не могли стоять. Более того, костная ткань стала мягкой. Как рассказывал Виталий, ноги превратились в "рыбьи хвосты", они гнулись!
Весь человеческий организм, сколько он существует, рассчитан на эксплуатацию в земной гравитационной постоянной. И если убрать гравитацию, организм не понятно, как себя будет вести, начиная от вестибулярного аппарата, и заканчивая сердечно-сосудистой системой, костно-мышечной тканью. Поэтому каждый день космонавты вынуждены тратить много времени на занятия на тренажерах типа трек-бана, лодки, постоянно ходить в нагрузочном костюме, который держит мышцы в тонусе.
Вспомним последний полет Корниенко — год пролетали, вернулись и своими ногами пошли. А Николаев и Севастьянов после 18 суток стоять не могли. Руки шлемофон не держали, такие ослабшие были.
Юра Романенко пролетал год, в космосе занимался физическими упражнениями, выполнял все рекомендации. В результате через год, когда он вернулся, оказалось, что его физическое состояние, которое объективно оценивается с помощью исследований костно-мышечной ткани, стало лучше, чем до полета.
Чтобы чувствовать себя комфортно, надо находиться на борту гигантского комплекса, где за счет вращения создана искусственная гравитация, минимум на 1,5g или 1g (земная составляет 9,8g), чтобы человек мог передвигаться собственными ногами, а не "плыть". Технические возможности позволяют это делать.
У данной центрифуги обязательно должно быть плечо, кресло, где будет сидеть человек. Для вращения необходимо 3 метра минимум, итого диаметр 6 метров. Для этого должна быть совершенно другая конструкция космической станции. Это гигантское колесо, диаметром метров 200, у которого по периферии находятся различные рабочие помещения. Колесо, как от телеги, посередине — втулка, в которую входит ось. Вот гравитация у этой втулки — нулевая, там полностью невесомость. Это место, куда может прилететь корабль, какой-то транспорт, что угодно. А идти потом по спицам на периферию. Надо создать минимум 0,2g, чтобы образовалось зеркало жидкости. А это можно сделать только лишь при перегрузке. Уже 0,1g достаточно, чтобы человек мог ходить там вниз головой, как угодно.
Если мы хотим иметь на орбите малые расходы и при этом создать комфортные условия, надо создавать такую станцию, торовую конструкцию, на которой можно находиться сколько угодно времени, и год, и два.
За подробностями сайт также обратилась к научному сотруднику Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН Александру Смолеевскому.
— В нашем обывательском понимании центрифуга — это достаточно большое сооружение. На МКС есть место, чтобы разместить такое?
— Речь идет о центрифуге короткого радиуса. То есть, это не та большая центрифуга, которую обычно показывают, это более компактный вариант. Технология может рассматриваться, как новое средство профилактики длительного воздействия невесомости на организм, на мышцы и костный аппарат. Искусственная гравитация может эти неприятные эффекты компенсировать без трудоемких физических тренировок.
— Это тренажер или более масштабное явление?
— Это именно центрифуга, которая позволяет в пассивном варианте компенсировать негативное влияние невесомости. Тренажер все-таки подразумевает активное участие человека, напряжение мышц, волевые усилия. Таковы как раз те тренажеры, которые сейчас находятся на МКС. А это средство более удобное для профилактики.
О конструкции центрифуги сайт дал уточнения пресс-секретарь Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН Олег Волошин:
— Центрифуга короткого радиуса имеет принципиальные отличия от обычной центрифуги. У обычной, на которой на Земле обычно тренируются космонавты, человек находится на дальнем плече и вращается как бы целиком, если так можно выразиться.
Центрифуга короткого радиуса поэтому так и называется, что имеет всего около 2,5 метра плечо, но человек там размещается, голова его находится практически около центральной оси, а ноги — на дистальном конце. Это принципиальное отличие.
Такая центрифуга вращается с меньшей скоростью, чем центрифуга ЦПК, и у нее совсем другие задачи. То есть если центрифуга большая, классическая, она рассчитана на то, чтобы научить человека сопротивляться перегрузкам. Эта центрифуга короткого радиуса решает задачу другого плана.
То есть принципиальное отличие заключается в том, что человек там лежит головой к центру оси вращения, а ноги находятся на дальнем конце. Это делается не для тренировок космонавта при перегрузке, а для того, чтобы дать хоть какую-то нагрузку, гравитацию. Предполагается, что космонавт будет находиться там сколько-то минут в день. Это как нагрузочный костюм Чибиса — космонавт надевает его на какое-то время, работает и выполняет процедуры, связанные с необходимыми физиологическими воздействиями. Так же человек будет работать и на центрифуге короткого радиуса.
Наземный вариант, который у нас стоит, решает задачу определить правильные циклы, как это делать и в каком режиме лучше работать.
— Когда разработка появится на МКС?
— Пока не понятно, есть задание, но сроки я не могу сказать. Любой тренажер занимает некое пространство, и когда планируется объем станции, то, естественно, тренажер ставится на какой-то отведенный участок, а центрифуга — достаточно громоздкий объект. Сильно сомневаюсь, что ее можно будет поставить на уже летающем модуле. Его предстоит собрать на Земле вместе с центрифугой. И соответственно уже в самом модуле должно быть отведено пространство.
Представьте себе детские качели шириной около 5 метров. Центр оси как бы посередине вот этих качелей. Вот примерно такая конструкция у центрифуги. Она занимает достаточно большую комнату, порядка 8 метров. Нужно место для воздуха, ведь когда она вращается, то будет перемешивать воздух.