Искусственная гравитация на космических кораблях. Старт в науке
Поместите человека в космос, подальше от гравитационных пут земной поверхности, и он будет ощущать невесомость. И все же по телевизору нам показывали, что экипаж космического судна вполне успешно ходит ногами по полу. Для этого используется искусственная гравитация, создаваемая установками на борту фантастического судна. Насколько это близко к реальной науке?
Капитан Габриэль Лорка на мостике «Дискавери» во время имитации битвы с клингонцами. Весь экипаж притягивается искусственной силой тяжести, и это как бы уже канон.
Касательно гравитации. Большим открытием Эйнштейна стал принцип эквивалентности: при равномерном ускорении система отсчета неотличима от гравитационного поля. Если бы вы были на ракете и не могли видеть Вселенную через иллюминатор, вы бы и понятия не имели о том, что происходит: вас тянет вниз сила гравитации или же ускорение ракеты в определенном направлении? Такой была идея, которая привела к общей теории относительности. Спустя 100 лет это самое правильное описание гравитации и ускорения, которое нам известно.
Идентичное поведение мяча, падающего на пол в летящей ракете (слева) и на Земле (справа), демонстрирует принцип эквивалентности Эйнштейна.
Есть и другой трюк, как пишет Итан Зигель, который мы можем использовать, если захотим: мы можем заставить космический корабль вращаться. Вместо линейного ускорения (вроде тяги ракеты) можно заставить работать центростремительное ускорение, чтобы человек на борту чувствовал внешний корпус космического корабля, подталкивающий его к центру. Такой прием был использован в «Космической одиссее 2001 года», и если бы ваш космический корабль был достаточно большим, искусственная сила тяжести была бы неотличима от настоящей.
Только вот одно но. Три этих типа ускорения - гравитационное, линейное и вращательное - единственные, которые мы можем использовать для имитации эффектов гравитации. И это огромная проблема для космического аппарата.
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. Антиматерия 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.
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Цели и задачи исследования
Целью моей научно исследовательской работы является рассмотрение такого фундаментального взаимодействия как гравитация, его явлений и проблема космических поселений с искусственным притяжением, рассмотрение особенностей использования различного вида двигателей для создания искусственной гравитации, развитие представлений о жизни в космосе в условия искусственной гравитации и решение проблем, возникающих при создании этого проекта, интеграция патентов передовых технологий к решению проблем искусственной гравитации.
Актуальность исследования.
Космические поселения представляют собой вид космических станций, на которых человек смог бы проживать в течение длительного периода времени или даже всю жизнь. Для создания подобных поселений нужно продумать все необходимые условия для оптимальной жизнедеятельности — систему жизнеобеспечения, искусственную силу тяжести, защиту от космических воздействий и т.д. И хотя реализовать все условия довольно сложно, ряд писателей-фантастов и инженеров уже создали несколько проектов, по которым, возможно, в будущем будут созданы удивительные космические поселения.
Значимость и новизна исследования.
Искусственная гравитация является перспективным направлением для исследований, ведь она обеспечит долговременное пребывание в космосе и возможность дальних космических перелетов. Постройка космических поселений может дать средства для дальнейших исследований; если запустить программу космического туризма, что будет являться весьма дорогим удовольствием, космические корпорации получат дополнительный поток финансирования, и исследования можно будет проводить по всем направлениям, не ограничиваясь возможностями.
Гравитация. Гравитационные явления. Гравитация.
Гравитация - один из четырех типов фундаментальных взаимодействий, или иными словами - такая сила притяжения, направленная к центру массы любого объекта и к центру масс скопления объектов; чем больше масса, тем выше гравитация. При удалении от объекта сила притяжения к нему стремится к нулю, но в идеальных условиях совсем не исчезает никогда. То есть, если представить себе абсолютный вакуум без единой лишней частицы любого происхождения, то в этом пространстве любые объекты, обладающие хоть бесконечно малой массой, при отсутствии любых других внешних сил будут притягиваться друг к другу на любом бесконечно далеком расстоянии.
При малых скоростях гравитация описывается механикой Ньютона. А при скоростях сопоставимых со скоростью света гравитационные явления описываются СТО
А. Эйнштейна.
В рамках механики Ньютона гравитация описывается законом всемирного тяготения, который гласит, что два точечных (или сферических) тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной произведению масс этих тел, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и действующей вдоль прямой соединяющей эти тела.
В приближении больших скоростей гравитация объясняется СТО, которая имеет два постулата:
Принцип относительности Эйнштейна, говорящий о том, что природные явления одинаково протекают во всех инерциальных системах отсчета.
Принцип постоянства скорости света, говорящий о том, что скорость света в вакууме постоянна (противоречит закону сложения скоростей).
Для описания гравитации разработано особое расширение теории относительности, в котором допускается кривизна пространства-времени. Тем не менее, динамика даже в рамках СТО может включать гравитационное взаимодействие, пока потенциал гравитационного поля намного меньше. Следует также заметить, что СТО перестаёт работать в масштабах всей Вселенной, требуя замены на ОТО.
Гравитационные явления.
Самым ярким гравитационным явлением считается притяжение. Также существует иное явление, связанное с гравитацией - невесомость.
Благодаря гравитационным силам мы ходим по земле, и наша планета существует, как и вся Вселенная. Но что случится если мы покинем планету? Мы будем испытывать одно из ярких гравитационных явлений - невесомость. Невесомость - такое состояние тела, при котором на него не действуют никакие силы кроме гравитационных, либо эти силы скомпенсированы.
Астронавты, пребывающие на МКС, находятся в состоянии невесомости, что негативно сказывается на их здоровье. При переходе из условий земной гравитации к условиям невесомости (в первую очередь, при выходе космического корабля на орбиту), у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации. При длительном (более недели) пребывании человека в космосе отсутствие гравитации начинает вызывать в организме определённые изменения, носящие негативный характер. Первое и самое очевидное последствие невесомости — стремительное атрофирование мышц: мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате ухудшаются все физические характеристики организма. Кроме того, следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода, и из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего его. Также есть основания полагать, что ограничение подвижности нарушает фосфорный обмен в костях, что приводит к снижению их прочности.
Для того чтобы избавиться от негативных эффектов невесомости необходимо создать искусственное тяготение в космосе.
Искусственная гравитация и космические поселения. Ранние исследования XX в.
Циолковский предложил теорию эфирных поселений, которые представляли собой тор, который медленно вращается вокруг своей оси. Но в то время такие идеи были утопией и все его проекты остались на эскизах.
Первый проработанный проект был предложен австрийским ученым Германом Нордрунгом в 1928 году. Это также была станция в форме тора, включающая в себя жилые модули, электрогенератор и астрономический обсерваторный модуль.
Следующий проект был предложен Вернером фон Брауном, ведущим специалистом американской космической программы, он также представлял собой торообразную станцию, где люди бы жили и работали в помещениях, соединённых в один большой коридор. Проект Вернера был одним из приоритетных направлений НАСА до появления проекта Skylab в 60-х.
Skylab - первая и единственная национальная орбитальная станция США, предназначалась для технологических, астрофизических, медико-биологических исследований, а также для наблюдения Земли. Запущена 14 мая 1973 года, приняла три экспедиции на кораблях «Аполлон» с мая 1973 по февраль 1974 года, сошла с орбиты и разрушилась 11 июля 1979 года.
Далее в 1965 году Американским космическим обществом было выдвинуто предположение, что идеальной формой для космических поселений будет тор, так как все модули расположены вместе, то сила тяжести будет иметь максимальную величину. Проблема искусственной гравитации представлялась во многом решеной.
Следующим проект выдвинул Джерард О’Нилл, он предполагал создание колоний, для которых предлагается использовать два гигантских размеров цилиндра, заключённых в раму и вращающихся в разные стороны. Эти цилиндры вращаются вокруг собственной оси со скоростью около 0,53 оборота в минуту, за счёт чего в колонии создаётся привычная для человека сила тяжести.
В 1975 г. Паркер выдвинул проект создания колонии диаметром 100 м и длиной в 1 км, удалённой на расстояние около 400 000 км от Земли и Луны и рассчитанного на 10 000 человек. Вращение вокруг продольной оси со скоростью 1 оборота за 21 секунду создаст в нём близкую к земной гравитацию.
В 1977 г. научным сотрудником Исследовательского центра Эймса (НАСА) Ричардом Джонсоном и профессором Чарльзом Холброу из Университета Колгейта вышла работа «Космические поселения», в которой рассматривались перспективные исследования поселений в форме тора.
В 1994 году под руководством д-ра Родни Гэлловэя при участии научных сотрудников и лаборантов Лаборатории Филлипса и Лаборатории Сандия, а также других исследовательских центров ВВС США и Космического исследовательского центра Аризонского университета, было составлено объёмное руководство для проектирования космических поселений в форме тора.
Современные исследования.
Одним из современных проектов в области космических поселений является Стэндфордский тор, который является прямым потомком идей Вернера фон Брауна.
Стэнфордский тор был предложен НАСА в течение лета 1975 года студентами Стэнфордского университета с целью осмыслить проект будущих космических колоний. Позже Джерард О’Нил представил свой «Остров Один» или «Сферу Бернала», как альтернативу тору. «Стэнфордский тор», только в более детальной версии, представляющей собой концепцию кольцевидной вращающейся космической станции, был представлен Вернером фон Брауном, а также австрийским инженером словенского происхождения Германом Поточником.
Он представляет собой тор диаметром около 1,8 километра (для проживания 10 тысяч человек, как описывалось в работе 1975 года) и вращается вокруг своей оси (оборот в минуту), создавая на кольце искусственную гравитацию в 0,9 — 1 g за счёт центробежной силы.
Солнечный свет поступает внутрь через систему зеркал. Кольцо соединяется со ступицей через «спицы» -коридоры для движения людей и грузов до оси и обратно. Ступица — ось вращения станции — лучше всего подходит для стыковочного узла приёма космических кораблей, так как искусственная гравитация тут ничтожна: здесь находится неподвижный модуль, пристыкованный к оси станции.
Внутреннее пространство тора является жилым, оно достаточно большое для создания искусственной экосистемы, природного окружения и внутри подобно длинной узкой ледниковой долине, чьи концы, в конечном счете, изгибаются вверх, чтобы сформировать круг. Население живёт здесь в условиях, подобных густонаселенному пригороду, причем, внутри кольца имеются отделения для занятия сельским хозяйством, и жилая часть. (Приложение 1)
Космические поселения и искусственная гравитация в культуре. Elysium
Миры-кольца, какими они представлены, например, в фантастическом боевике «Элизиум» или видеоигре «Halo», являются, пожалуй, одними из самых интересных идей для космических станций будущего. В «Элизиуме» станция находится близко к Земле и, если игнорировать ее размеры, обладает определенной долей реалистичности. Однако самая большая проблема здесь заключается в ее «открытости», что уже только по виду — чистая фантастика.
«Возможно, самым спорным вопросом по поводу станции «Элизиум» является ее открытость для космической среды».
«В фильме показано, как космический корабль просто садится на лужайку после того, как прилетает из открытого космоса. Здесь нет никаких стыковочных шлюзов и тому подобного. А ведь такая станция должна быть полностью изолирована от внешней среды. В противном случае атмосфера здесь долго не задержится. Возможно, открытые участки станции можно будет защитить каким-то невидимым полем, которое позволит солнечному свету проникать внутрь и поддерживать жизнь в высаженных здесь растениях и деревьях. Но пока это всего лишь фантастика. Таких технологий нет».
Самая идея станции в форме колец замечательная, но пока нереализуемая.
Star Wars
Практически каждый любитель научно-фантастических фильмов знает, что такое «Звезда смерти». Это такая большая серая и круглая космическая станция из киноэпопеи «Звездные войны», внешне очень напоминающая Луну. Это межгалактический уничтожитель планет, который по сути сам является искусственной планетой, состоящей из стали и населенной штурмовиками.
Можем ли мы в реальности построить такую искусственную планету и бороздить на ней просторы галактики? В теории — да. Только на это потребуется невероятное количество человеческих и финансовых ресурсов.
Вопрос строительства «Звезды смерти» поднимался даже американским Белым домом, после того как общество отправило соответствующую петицию для рассмотрения. Официальный ответ властей гласил, что только на сталь для строительства потребуется 852 000 000 000 000 000 долларов.
Но даже если вопрос финансов не был бы приоритетным, то у человечества нет технологий чтобы воссоздать «Звезду смерти», так как необходимо огромное количество энергии для ее движения.
(Приложение 2)
Проблемы в реализации проекта космических поселений.
Космические поселения являются перспективным направление в космической отросли будущего, но как всегда есть трудности, которые необходимо преодолеть для выполнения этой задачи.
от радиации;
обеспечение тепла;
от инородных объектов;
Начальные капитальные затраты;
Внутренние системы жизнеобеспечения;
Создание искусственной силы тяжести;
Защиту от враждебных внешних условий:
Есть несколько путей решения проблемы.
Если нужно сравнить эффективность различных типов двигателей, инженеры обычно говорят об удельном импульсе. Удельный импульс определяется как изменение импульса на единицу массы израсходованного топлива. Таким образом, чем эффективнее двигатель, тем меньше топлива требуется для вывода ракеты в космос. Импульс, в свою очередь, есть результат действия силы в течение определенного времени. Химические ракеты, хотя и обладают очень большой тягой, работают всего несколько минут, а потому характеризуются очень низким удельным импульсом. Ионные двигатели, способные работать годами, могут иметь высокий удельный импульс при очень низкой тяге.
Начальные капитальные затраты - данную проблему можно решить сообща, если люди отложат свои личные амбиции и будут работать во благо великой цели. Ведь только от нас зависит будущее человечества.
Внутренние системы жизнеобеспечения - уже сейчас на МКС присутствуют системы для повторного использования воды, но этого мало, при условии достаточности места на орбитальной станции можно найти место для оранжереи в которой будут произрастать растения, выделяющие максимум кислорода, также имеет место быть создание гидропонических лабораторий для выращивание ГМО, которые смогут снабжать продовольствием все население станции.
Создание искусственной силы тяжести не такая уж сложная задача, как доставка огромного количество топлива необходимого для вращения станции.
Использовать стандартный подход и применить к решению проблемы реактивные двигатели. Расчеты показывают, что при использовании любого известного реактивного двигателя потребуются огромные количества топлива, чтобы содержать станцию хотя бы год.
Удельный импульс I (ЖРД) = 4,6
Удельный импульс I (РДТТ) = 2,65
Удельный импульс I (ЭРД) = 10
Удельный импульс I (Плазменный двигатель) = 290
Таков расход топлива за 1 год, следовательно, использовать реактивные двигатели неразумно.
Моя идея заключается в следующем.
Рассмотрим элементарный случай.
Пусть у нас есть карусель, которая неподвижна. Тогда, если мы закрепим n число однополярных электромагнитов по краю карусели так, чтобы сила их взаимодействия была максимальной, получим следующее: если мы включим электромагнит №1 так что он будет действовать на электромагнит №2 с силой в x раз больше чем, второй действует на первый, то согласно III закону Ньютона сила действия электромагнита №1 на №2 со стороны №2 будет компенсирована силой реакции опоры карусели, что выведет карусель из состояния покоя. Теперь выключим №1, поднимем силу №2 до №1 и включим №3 с силой равной №2 на предыдущим этапе и если продолжать данную процедуру, то добьемся вращения карусели. Применив данный способ к космической станции мы получим решение проблемы искусственной гравитации.
(Приложение 3).
Защита от враждебных условий среды
Защита от радиации патент № 2406661
патентообладатель Ребеко Алексей Геннадьевич
Изобретение относится к методам и средствам защиты экипажа и оборудования от ионизирующего излучения (заряженных частиц высокой энергии) при космических полетах. Согласно изобретению вокруг космического аппарата создают защитное статическое электрическое или магнитное поле, которое локализуют в пространстве между двумя вложенными друг в друга замкнутыми несоприкасающимися поверхностями. Защищаемое пространство космического аппарата ограничено внутренней поверхностью, а внешняя поверхность изолирует аппарат и защищаемое пространство от межпланетной плазмы. Форма поверхностей может быть произвольной. При использовании электрического защитного поля на указанных поверхностях создают заряды одной величины и противоположного знака. В таком конденсаторе электрическое поле сосредоточено в пространстве между поверхностями-обкладками. В случае магнитного поля по поверхностям пропускают токи противоположного направления, а соотношение силы токов подбирают так, чтобы минимизировать значение остаточного поля снаружи. Желательная форма поверхностей в этом случае - тороидальная, для обеспечения сплошной защиты. Под действием силы Лоренца заряженные частицы будут двигаться по отклоняющим криволинейным траекториям или замкнутым орбитам между поверхностями. Возможно одновременное применение электрического и магнитного поля между поверхностями. При этом в пространство между поверхностями может быть помещен подходящий материал для поглощения заряженных частиц: например, жидкий водород, вода или полиэтилен. Технический результат изобретения направлен на создание надежной, сплошной (геометрически непрерывной) защиты от космической радиации, на упрощение конструкции средств защиты и снижение энергозатрат на поддержание защитного поля.
Обеспечение тепла патент №2148540
патентообладательОткрытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Система терморегулирования космического аппарата и орбитальной станции, содержащая замкнутые контуры охлаждения и обогрева, связанные через, по крайней мере, один промежуточный жидкостно-жидкостный теплообменник, системы управления и измерения, клапанно-распределительную и дренажно-заправочную арматуру, при этом контур обогрева содержит побудитель циркуляции, газожидкостные и змеевиковые теплообменники и термоплаты, а в контуре охлаждения последовательно установлены, по крайней мере, один побудитель циркуляции, регулятор расхода жидкости, один выход которого подключен через первый обратный клапан ко входу смесителя потоков теплоносителя, а другой через второй обратный клапан - ко входу радиационного теплообменника, выход которого подключен ко второму входу смесителя потоков, выход смесителя потоков связан соединительным трубопроводом с теплоприёмной полостью промежуточного жидкостно-жидкостного теплообменника, выход из которой подключен к побудителю циркуляции, на соединительном трубопроводе установлены датчики температуры, электрически связанные через систему управления с регулятором расхода жидкости, отличающаяся тем, что в контур охлаждения дополнительно введены два электронасосных агрегата, причем вход первого электронасосного агрегата через фильтр подключен к выходу теплоносителя из теплоприемной полости промежуточного жидкостно-жидкостного теплообменника, а его выход подключен ко второму обратному клапану и параллельно, через фильтр ко входу второго электронасосного агрегата, выход которого подключен к первому обратному клапану, при этом каждый электронасосный агрегат снабжен датчиком перепада давления, а на трубопроводе, соединяющем выход смесителя потоков с теплоприемной полостью жидкостно-жидкостного теплообменника, установлен дополнительный датчик температуры, электрически связанный через систему управления с первым электронасосным агрегатом.
Защита от инородных объектов
Существует множество способов защиты от инородных тел.
Использовать нестандартные двигатели, такие как электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом;
Обернуть астероид отражающим пластиковымсолнечным парусом , используя покрытую алюминием пленку типа PET;
«Покрасить» или посыпать объект диоксидом титана (белый цвет) или сажей (черный), с тем, чтобы вызвать эффект Ярковского и изменить его траекторию;
Ученый-планетолог Юджин Шумейкер в 1996 году предложил выпускать облако пара на пути объекта для его осторожного замедления. Ник Забо в 1990 году нарисовал похожий замысел, «аэродинамическое торможение кометы» : комета или ледовая конструкция нацеливается на астероид, после чего ядерные взрывы испаряют лед и формируется временная атмосфера на пути астероида;
Прикрепить к астероиду тяжелый балласт, чтобы с помощью смещения центра тяжести изменить его траекторию;
Использовать лазерную абляцию ;
Использовать ударно-волновой излучатель ;
Ещё один «бесконтактный» метод был недавно предложен учеными Ц. Бомбардели и Дж. Пелез из Технического университета Мадрида. В нём предлагается использовать ионную пушку с низкой дивергенцией, направленную на астероид с находящегося рядом корабля. Кинетическая энергия, передающаяся через доходящие до поверхности астероида ионы, как и в случае с гравитационным буксиром создаст слабую, но постоянную силу, способную отклонить астероид, и при этом будет использоваться более легкий корабль.
Подрыв ядерного устройства над, на или под поверхностью астероида является потенциальным вариантом отражения угрозы. Оптимальная высота взрыва зависит от состава и размера объекта. В случае угрозы со стороны груды обломков, чтобы избежать их рассеивания, предлагается произвести радиационную имплозию, то есть подрыв над поверхностью. При взрыве высвободившаяся энергия в виде нейтронов и мягких рентгеновских излучений (которые не проникают сквозь вещество) превращается в тепло при достижении поверхности объекта. Тепло превращает вещество объекта в выброс, и он сойдет с траектории, следуя третьему закону Ньютона, выброс направится в одну сторону, а объект — в противоположную.
Электромагнитная катапульта — это автоматическая система, располагающаяся на астероиде, выпускающая вещество, из которого он состоит, в космос. Тем самым он медленно сдвигается и теряет массу. Электромагнитная катапульта должна работать в качестве системы с низким удельным импульсом: использовать много топлива, но мало энергии.
Смысл заключается в том, что если использовать вещество астероида в качестве топлива, то количество топлива не так важно, как количество энергии, которая, вероятнее всего, будет ограничена.
Ещё один возможный способ — расположить электромагнитную катапульту на Луне, нацелив её на околоземный объект, с тем, чтобы воспользоваться орбитальной скоростью естественного спутника и его неограниченным запасом «каменных пуль».
Вывод.
Проанализировав представленную информацию становится понятно, что искусственная гравитация — это вполне реальное явление, которое будет иметь широкое применение в космической отросли, как только мы преодолеем все трудности, связанные с этим проектом.
Космические поселения я вижу в том виде, который предложил фон Браун: торообразные миры с оптимальным использованием пространства и с применением передовых технологий для обеспечения продолжительной жизнедеятельности, а именно:
Вращение станции будет происходить по принципу, который я описал в разделе Создание искусственной гравитации. Но ввиду того, что помимо вращения будет совершаться движение в пространстве, целесообразно установить на стацию корректировочные двигатели.
Гидропоника
Растения не нужно поливать много. Воды израсходуется намного меньше, чем при выращивании на грунте в огороде. Несмотря на это, при правильном подборе минеральных веществ и компонентов растения не будут пересыхать или гнить. Это происходит за счет получения достаточного количества кислорода.
Большим плюсом является то, что такой метод позволяет оградить растения от множеств болезней и вредителей. Сами растения не будут впитывать в себя вредные вещества из грунта.
Следовательно, будет максимальная урожайность, что полностью покроет нужды обитателей станции.
Конденсация влаги из воздуха.
Очистка использованной воды.
Переработка урины и твердых отходов.
Использование передовых технологий для обеспечения нужд станции:
Регенерация воды
За энергообеспечение будет отвечать кластер ядерных реакторов, которые будут экранированы согласно патенту № 2406661 адаптированному на вытеснение радиоактивных частиц за пределы станции.
Задача по созданию космических поселений трудна, но выполнима. Я надеюсь, что в ближайшем будущем, ввиду быстрого развития науки и техники, все необходимы предпосылки для создания и развития космических поселений на основе искусственной гравитации будут выполнены. Мой посильный вклад в это нужное дело будет оценен. Будущее человечества лежит в освоении космоса и перехода на новый, более перспективный, экологически чистый виток спирали развития человечества.
Приложения
Приложение 1. Стэнфордский тор
Приложение 2. Звезда смерти, Эллизиум.
Приложение 3. Схема вращательного движения.
Равнодействующая сил в первом приближении (только взаимодействие магнитов). В итоге станция совершает вращательное движение. Что нам и требуется.
Список литературы
АЛЯКРИНСКИЙ. Человек живёт в космосе. Невесомость: плюс или минус?
Баррер, М. Ракетные двигатели.
Добровольский, М. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования.
Дорофеев, А. Основы теории тепловых ракетных двигателей.
Матвеев. Механика и теория относительности: Учебник для студентов вузов.
Мякишев. Молекулярная физика и термодинамика.
Мякишев. Физика. Механика.
Мякишев. Физика. Электродинамика.
Рассел, Д. Гидропоника.
Санько. Астрономический словарь.
Сивухин. Общий курс физики.
Фейнман. Фейнмановские лекции по гравитации.
Циолковский. Труды по ракетной технике.
Шилейко. В океане энергии.
Голубев И.Р. и Новиков Ю.В. Окружающая среда и ее охрана
Захлебный А.Н. Книга для чтения по охране природы
Зверев И. Охрана природы и экологическое воспитание школьников.
Иванов А.Ф. Физический эксперимент с экологическим содержанием.
Киселев С.В. Демонстрация парникового эффекта.
Интернет-ресурсы:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница
http://www.roscosmos.ru
http://allpatents.ru
Проблемы с вестибулярным аппаратом - не единственное последствие длительного пребывания в условиях микрогравитации. Астронавты, которые проводят на МКС больше месяца, часто страдают от нарушения сна, замедления работы сердечно-сосудистой системы и метеоризма.
Недавно НАСА завершило эксперимент, в ходе которого ученые геном братьев-близнецов: один из них провел на МКС почти год, другой совершал лишь кратковременные полеты и большую часть времени находился на Земле. Долговременное пребывание в космосе привело к тому, что 7% ДНК первого астронавта изменились навсегда - речь идет о генах, связанных с иммунной системой, формированием костной ткани, кислородным голоданием и избыточным количеством углекислого газа в организме.
НАСА сравнила астронавтов-близнецов, чтобы увидеть, как тело человека меняется в космосе
В условиях микрогравитации человек будет вынужден бездействовать: речь идет не о пребывании астронавтов на МКС, а о полетах в глубокий космос. Чтобы выяснить, как такой режим повлияет на здоровье астронавтов, Европейское космическое агентство (ESA) на 21 день 14 добровольцев в наклоненную в сторону головы кровать. Эксперимент, который позволит на практике проверить новейшие методы борьбы с невесомостью - такие как улучшенные режимы физических упражнений и питания - намерены совместно провести НАСА и Роскосмос.
Но в случае, если люди решат отправить корабли к Марсу или Венере, понадобятся более экстремальные решения - искусственная гравитация.
Как гравитация может существовать в космосе
Прежде всего стоит понять, что гравитация существует везде - в некоторых местах она слабее, в других сильнее. И космическое пространство не является исключением.
МКС и спутники находятся под постоянным влиянием гравитации: если объект находится на орбите, он, говоря упрощенно, падает вокруг Земли. Подобный эффект возникает, если бросить мяч вперед - прежде чем упасть на землю, он немного пролетит в направлении броска. Если бросить мяч сильнее, он пролетит дальше. Если вы супермен, а мяч - ракетный двигатель, он не упадет на землю, а облетит вокруг нее и продолжит вращаться, постепенно выходя на орбиту.
Микрогравитация предполагает, что люди внутри корабля не находятся в воздухе - они падают с корабля, а тот, в свою очередь, падает вокруг Земли.
Благодаря тому, что гравитация является силой притяжения между двумя массами, мы остаемся на поверхности Земли, когда идем по ней, а не уплываем в небо. В этом случае вся масса Земли притягивает массу наших тел к своему центру.
Когда корабли выходят на орбиту, они свободно плавают в космическом пространстве. Они по-прежнему подвержены гравитационному притяжению Земли, но корабль и находящиеся в нем предметы или пассажиры подвержены гравитации одинаково. Существующие аппараты недостаточно массивны, чтобы создать заметное притяжение, поэтому люди и предметы в нем не стоят на полу, а «плавают» в воздухе.
Как создать искусственную гравитацию
Искусственной гравитации как таковой не существует, чтобы ее создать, человеку необходимо узнать всё об естественной гравитации. В научной фантастике существует концепция имитации гравитации: она позволяет экипажу космических кораблей ходить по палубе, а предметам стоять на ней.
В теории существует два способа создать имитацию гравитации, и ни один из них пока не был использован в реальной жизни. Первый - это использование центростремительной силы для моделирования силы тяжести. Корабль или станция при этом должны представлять собой колесоподобную конструкцию, состоящую из нескольких постоянно вращающихся сегментов.
Согласно этой концепции, центростремительное ускорение аппарата, толкающее модули к центру, создаст подобие гравитации или условия, аналогичные земным. Эта концепция была продемонстрирована в «Космической одиссее 2001 года» Стенли Кубрика и в фильме «Интерстеллар» Кристофера Нолана.
Концепция аппарата, создающего центростремительное ускорение для имитации гравитации
Автором этого проекта считается немецкий ученый-ракетчик и инженер Вернер фон Браун, который руководил разработкой ракеты «Сатурн-5», доставившей на Луну экипаж «Аполлон-11» и еще несколько пилотируемых аппаратов.
Будучи директором Центра космических полетов имени Маршалла НАСА, фон Браун популяризировал идею российского ученого Константина Циолковского о создании тороидальной космической станции на основе конструкции со ступицами, напоминающей велосипедное колесо. Если колесо вращается в пространстве, то инерция и центробежная сила могут создать своего рода искусственную гравитацию, которая тянет предметы к внешней окружности колеса. Это позволит людям и роботам ходить по полу, как на Земле, а не плавать в воздухе, как на МКС.
Однако у этого метода есть существенные недостатки: чем меньше космический корабль, тем быстрее он должен вращаться - это приведет к возникновению так называемой силы Корнолиса, при которой на точки, расположенные дальше от центра, сила тяжести будет влиять сильнее, чем на более близкие к нему. Другими словами, сила тяжести будет действовать на голову астронавтов сильнее, чем на ноги, что вряд ли им понравится.
Чтобы избежать этого эффекта, размер корабля должен в несколько раз превышать размер футбольного поля - вывод такого аппарата на орбиту будет стоить крайне дорого, учитывая, что стоимость одного килограмма груза при коммерческих запусках варьируется от $1,5 тыс. до $3 тыс.
Другой метод создания имитации гравитации более практичен, но также крайне дорог - речь идет о методе ускорения. Если корабль на определенном отрезке пути сначала будет разгоняться, а затем развернется и начнет тормозить, то возникнет эффект искусственной гравитации.
Для реализации этого метода потребуются колоссальные запасы топлива - дело в том, что двигатели должны работать почти непрерывно за исключением короткого перерыва в середине пути - во время разворота корабля.
Реальные примеры
Несмотря на высокую стоимость запуска аппаратов с имитацией гравитации, компании по всему миру пытаются построить такие корабли и станции.
Реализовать концепцию Фон Брауна пытается компания Gateway foundation - исследовательский фонд, который планирует построить вращающуюся станцию на орбите Земли. Предполагается, что по окружности колеса будут располагаться капсулы, которые смогут покупать государственные и частные аэрокосмические компании для проведения исследований. Некоторые капсулы будут проданы в качестве вилл самым богатым жителям Земли, а другие будут использоваться как отели для космических туристов.представило концепцию вращающегося космического корабля с надувными модулями Nautilus-X, который должен был снизить влияние микрогравитации на ученых, находящихся на его борту.
Предполагалось, что проект будет стоить всего $3,7 млрд - очень мало для подобных аппаратов, - а на его строительство потребуется 64 месяца. Однако Nautilus-X так и не вышел за рамки первоначальных чертежей и предложений.
Вывод
Пока самый вероятный способ получить имитацию гравитации, которая защитит корабль от последствий ускорения и даст постоянное притяжение без необходимости постоянно использовать двигатели - это обнаружить частицу с отрицательной массой. Все частицы и античастицы, которые ученые когда-либо обнаружили, имеют положительную массу. Известно, что отричательная масса и гравитационная масса равны друг другу, однако пока исследователям не удавалось продемонстрировать это знание на практике.
Исследователи из эксперимента ALPHA в ЦЕРНе уже создали антиводород - стабильную форму нейтрального антивещества - и работает над его изоляцией от всех других частиц на очень низких скоростях. Если ученым удастся это сделать, вероятно, в ближайшее время искусственная гравитация станет реальнее, чем сейчас.
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 создаёт крутящий момент . 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 оставляют след на теле 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.
Искусственная гравитация давно была описана в фантастических романах и показана в фильмах вроде «Космической одиссеи 2001 года». Теоретически возможность создания искусственной не отрицается. Однако до проектов, которые можно было бы протестировать в условиях космических станций в ближайшее время, дело практически не доходило. Но совсем скоро все может измениться благодаря стараниям команды CU Boulder.
Зачем нужна искусственная гравитация
На самом деле тут все довольно просто и суть заключена в человеческой физиологии. Дело в том, что наши тела устроены таким образом, чтобы существовать, когда на все наши внутренние органы и костно-мышечный аппарат действует сила притяжения. В условиях космических станций этого воздействия, как вы понимаете, практически нет, что в перспективе чревато возникновением различных . И если мускулатуру и суставы можно поддерживать в тонусе, занимаясь на специальных тренажерах, то вот внутренние органы таким образом не «потренируешь».
При этом в ходе разработки инженеры столкнулись с весьма очевидной проблемой: при долгом вращении человека начинает тошнить. Можно ли избавиться от такого побочного эффекта? Как выяснилось, можно. Во время испытаний к 10 сеансу все испытуемые комфортно вращались в центрифуге, не испытывая никаких проблем. Скорость вращения при этом составляла 17 оборотов в минуту.
Почему нельзя использовать установку прямо сейчас
Прежде, чем приступать к полномасштабным испытаниям в космосе, ученым нужно ответить на ряд вопросов. А именно, надолго ли закрепляется эффект от обучения нахождению в центрифуге, не имеет ли такой подход отдаленных последствий для здоровья и, самое главное, как долго астронавту нужно принимать это «гравитационную ванну» для того, чтобы компенсировать все негативные последствия невесомости. Как только целесообразность и безопасность подхода, разработанного командой CU Boulder,
