Искусственная невесомость, полет на самолете Ил-76 МДК. Искусственная невесомость

Проблема искусственной гравитации

искусственная гравитация

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Предположим, что основанием, на котором стоит человек, является не Земля, а внутренняя стенка космического корабля. Если этот корабль будет вращаться вокруг оси симметрии, то на человека будет действовать центробежная сила, которая прижмет его к полу, так же как сила тяжести прижимает человека к Земле. Все части человеческого тела обретут вес, так же как и все предметы, находящиеся на космическом корабле.

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

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

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

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

Автор: А. Волков.

www.poznavayka.org

Искусственная гравитация — Posmotre.li

TV TropesДля англоязычных и желающих ещё глубже ознакомиться с темой в проекте TV Tropes есть статья Artificial Gravity. Вы также можете помочь нашему проекту и перенести ценную информацию оттуда в эту статью.

Невесомость! Что может лучше отражать романтику и экзотичность космоса? В реальности это явление доставляет космонавтам и организующим полёт инженерам множество проблем: мало того, что продолжительное пребывание в невесомости вредно для здоровья, так ещё и множество элементарных бытовых действий превращается в требующие особой изобретательности задачи. К счастью, в уютной космоопере есть простое решение — искусственная гравитация.

Ватсонианский обоснуй[править]

Во-первых, как уже было сказано выше, минздрав предупреждает: невесомость вредит здоровью. Даже при постоянной нагрузке мышцы космонавта за недели и месяцы в невесомости теряют тонус, и известны случаи, когда космонавтов из спускаемого аппарата выносили на руках (а потом для прессы снимали постановочное видео, как они выходят оттуда твёрдым шагом, улыбаясь и помахивая публике). Есть и другие последствия для здоровья (например, страдает кроветворение). Тем более это важно, если речь о том, чтобы в космосе не просто передвигаться, а жить.

Во-вторых, многое, обычное в мире на дне гравитационного колодца, выглядит в невесомости совершенно иначе. Например, жидкость нельзя хранить в открытых ёмкостях, а отсутствие конвекции делает банальное кипячение воды намного более сложным технически процессом. А уж что там приходится творить с сантехникой… Нет, тренированный человек с этим вполне может справиться, но, если нужно возить изнеженных планетных крыс, создание близких им условий окупится.

Дойлистские обоснуи[править]

Во многих жанрах космическая экзотика идёт повествованию во вред, если её слишком много. Расписывать, как именно старший лейтенант флота Её Величества фон Берн передвигается между отсеками и чистит зубы? Нет, кому-то это, конечно, интересно. Но для тех, кто жаждет от приключений старшего лейтенанта драмы и экшена, а всякие списки кораблей пропускает, поминая недобрым словом зануду-автора — не слишком. Так что просто вводим искусственную гравитацию, и всё ОК: ходит лейтенант, громко стуча по рифлёному полу каблуками подкованных сапог и пригибаясь в низких проёмах переборок, а зубы чистит тайно и в обход устава протащенной на борт пастой «Новая Саксония» взамен положенного «Индекса 3-2» с его отвратительным металлическим привкусом.

В кино и сериалах (не говоря уж о театре, хотя, конечно, спектаклей, действие которых происходит на борту космического аппарата, не слишком много) невесомость — это спецэффект, дополнительные затраты бюджета и угроза получить спецдефект на выходе. Очевидный низкобюджетный флеботинум — искусственная гравитация, которую изобразить не стоит ни копейки.

Современная наука не располагает идеями о том, как создать гравитационное поле без массы. Хочешь земную силу тяжести — тащи в космос груз весом с Землю. Даже если удастся сделать его достаточно компактным — это же надо разгонять (и тормозить)! Так что, чтобы создать искусственную гравитацию, нужно с помощью некоего флеботинума научиться получать гравитационную массу отдельно от инертной — так, чтобы взаимодействовала с массой других тел, притягивая их, но при этом не влияла на импульс корабля. Для этого нужно, чтобы инертная и гравитационная масса в сеттинге были принципиально разными явлениями (в нашей вселенной учёные до сих пор спорят, это просто два проявления одного и того же, или по счастливой случайности где-то в суперструнах они равны при нормальных условиях, но их можно как-то разделить; автор этой правки слышал об экспериментах, подтверждавших последнюю точку зрения).

Заменители[править]

Самый реалистичный вариант, подходящий к искусственной гравитации ближе всего — вместо силы тяжести использовать ускорение. Либо разгонять (а во второй половине пути — развернуть корабль хвостом вперёд и тормозить) космический аппарат тягой двигателей так, чтобы создать нужную силу реакции опоры, т. е. вес, либо сделать жилую зону космического аппарата вращающейся: возникнет противоположная нормальному ускорению центробежная сила, которая тоже сможет заменять вес же. Второе удобно тем, что не требует траты топлива и рабочего тела, но, если аппарат маленький, вращать его придётся быстро — не смотри в иллюминатор, голова закружится (а ещё не неходить близко к оси вращения: заметная разница в силе тяжести на уровне головы и, скажем, сердца на протяжении длительного времени скажется на здоровье весьма неблагоприятно)! Другие заменители силы тяжести касаются частных аспектов: например, можно выдать космонавтам ботинки с электромагнитами, которые будут притягивать стопы к полу (не существовали в реальности), но, понятно, баланс при такой ходьбе будет совсем иной. Либо надеть на них давящий костюм, нагружающий часть мышц (в реальности существует). Пример — та же сама «Космическая Одиссея» Кубрика: стюардесса, грациозно переступающая с пола на стену и оттуда на потолок (если можно так разбить внутреннюю поверхность цилиндра).

В сериале/книге "Пространство" гравитация как раз достигается использованием двигателя Эпштейна, который первую половину пути разгоняет корабль, а потом разворачивается и замедляет его. При этом непонято разве что ограничение максимальной скорости, т.к. все перемещения происходят только с ускорениями.

Где НЕ встречается[править]

«Гравитация»: вопреки названию, веса в космических эпизодах этого фильма нет, ни искусственного, ни ещё какого-либо. Гравитация-то есть — корабли же с орбиты не сходят.
«Живое» — происходит на международной космической станции.
«Игра Эндера» (в кино) — причём режиссёр подошёл к делу на редкость ответственно и учёл, что в невесомости человек даже двигается по-особому.
- Гравитации там нет только в боевой комнате, а в остальных отсеках станции — есть. Станция при этом не вращается. Да и в книге упоминается искусственная гравитация.
В сеттинге Ийона Тихого в старых космических кораблях не было. Отсюда много разных нелепостей, пережитых Светомиром Тихим (отцом Ийона).
- В рассказе-обзоре гипердержав Игоря Края "Глазунья и галактика" (т.е. по сути фанфике от "Мира фантастики") у Ийона в ракете также нет искусственной гравитации. Что противоречит каноничному варианту. С другой стороны, часть юмора построена на этом.
В «Элизиуме» до такой степени не встречается, что в кабине летящего с ускорением космического корабля свободно плавают объекты.

Где нестандартно обыграно[править]

«Москва — Кассиопея» — искусственная гравитация на корабле есть, но первые минуты полёта она не работает. Один из персонажей плавает в пространстве (на верёвочках, конечно, но тогда это не сильно бросалось в глаза), другой бегает по потолку в магнитных ботинках, а ещё из аквариума вылетает одним большим пузырём вода, и рыба в ней плавает. Сумрачные гении, ага — как релятивистский двигатель, так это всегда пожалуйста, а как аквариум крышкой закрыть…

Во многих произведениях Хайнлайна люди путешествуют по Солнечной системе на «факельных кораблях» с постоянным ускорением (т. е. полпути разгоняемся, затем разворачиваемся и тормозим), вот вам и «гравитация». Обычно, конечно, ускорение равно земному ускорению силы тяжести, но если надо поторопиться — его повышают, а при манёврах и до пяти g доходит. Экипаж и пассажиров на такой случай засовывают в противоперегрузочные ванны, а что будет, если не принять такие меры — несколько раз описывается. В «Двойной звезде» пилот вспоминает очень сильного, упрямого и, увы, тупого пассажира, который вылез из ванны и пошел при 5g… увы, это был последний раз, когда он ходил вообще. В рассказе «Лифт к звёздам» («Тяжесть небес») двум пилотам нужно вотпрямщас доставить на Плутон груз с донорской кровью для борьбы с эпидемией; при нормальном ускорении путь туда займет 18 дней, но за это время все перемрут, поэтому пилоты будут лететь 9 с лишним дней при 3,5g… в общем, это будет очень медленное героическое самопожертвование. Один из них умер через неделю, второй выжил, но биологически постарел лет на 50.
- Скажем так, факельные корабли Ортеги занимают почётное место в легендариуме Хайнлайна, но утверждать, что на них путешествуют во многих произведениях — несколько преувеличено. Большей частью всё же или романтика ракетных кораблей, или сверхсветовое передвижение.
Джеймс Макконнелл «Теория обучения» — похищенный инопланетянами протагонист из вращательной псевдогравитации делает выводы: что он не на Земле и что похитители не так уж далеко продвинулись по сравнению с человечеством.
«Артур и шестая эпоха» — здешние генераторы искусственной гравитации используют притяжение объектов нужной массы… перенося гравитационное взаимодействие из одного места в другое (причём одно из этих мест чаще всего находится ещё и в другой вселенной). В обратную сторону тоже работает — можно заставить объект ничего к себе не притягивать. Однако это — крайне сложная технология Древних на восстановление которой и приспособление под электрические системы у всей галактики ушли века (если только чертежами не поделились уцелевшие Древние, но эти случаи довольно редки), и он всё равно жрёт больше энергии, чем вся остальная система жизнеобеспечения. Второй вариант генератора гравитации и вовсе построен на преобразовании тёмной энергии (в том значении, которое используют астрофизики) в гравитационное воздействие нужной силы и позволяет точнее корректировать курс, но без мощных псиоников в лучшем случае становится совершенно неуправляем (в худшем — вообще не запустится). И да, оба варианта генератора гравитации можно выкрутить так, что корабль обвалится под собственным весом.
Interstellar — решается проблема именно вращением.
«Космическая Одиссея 2001» — тоже используется вращение.
The Martian — тоже вращение. На оси корабля, соответственно, невесомость всегда.
Лукьяненко, «Звезды — холодные игрушки» — у инопланетных рас, даже не Старших, гравитация на кораблях есть (у тех, кому она нужна), землянам на их кораблях приходится пользоваться шлангами для удовлетворения естественных потребностей. На их оборонной станции подобие гравитации есть, но слабое, за счет вращения станции.
Babylon 5 — у старших рас, типа минбарцев, с этим всё в порядке — искусственная гравитация не только людей к полу прижимает, как положено, но и корабли разгоняет. А у технически неразвитых землян — всё по старинке: искусственное тяготение создаётся во вращающихся отсеках, а разгон — старыми добрыми реактивными двигателями. Есть ещё расы, владеющие технологией искусственной гравитации не в совершенстве (центавриане, земляне после формирования Межзвёздного Альянса). Они используют технологию, чтобы понизить эффективную массу корабля, после чего разгоняют его старыми-добрыми реактивными движками, но гораздо быстрее из-за низкой массы.
Орсон Скотт Кард, «Игра Эндера» — искусственная гравитация есть, но значительную часть сюжета занимают бои в невесомости на парализующем оружии.
В компьютерных мультсериалах по «Звездным войнам». В время проведения диверсий гравитацию на вражеском корабле можно отключить (обычно при участии астродроида), а потом неожиданно для врагов включить.

posmotre.li

Почему у нас нет искусственной гравитации в космосе?

Поместите человека в космос, подальше от гравитационных пут земной поверхности, и он будет ощущать невесомость. Хотя все массы Вселенной все еще будут воздействовать на него гравитационно, они также будут притягивать и любой космический аппарат, в котором находится человек, поэтому он будет плавать. И все же по телевизору нам показывали, что экипаж некоего космического судна вполне успешно ходит ногами по полу при любых условиях. 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.

hi-news.ru

Искусственная невесомость, полет на самолете Ил-76 МДК

Условия невесомости, воспроизводимой на самолете лаборатории, наиболее близки к условиям реального космического полета и позволяют отрабатывать большинство операций в промежутки времени заданной величины – 25-30 секунд. В период с 1967 по 1979 годы такие полеты проводились на самолетах-лабораториях Ту-104А. С 1980 года по настоящее время полеты на невесомость проводятся с использованием самолетов-лабораторий ИЛ-76 МДК.

Полеты на невесомость выполняются по траектории, называемой «парабола Кеплера». Поэтому их часто называют «параболическими». Методика выполнения таких полетов пилотами самолетов-лабораторий тщательно отработана. Параболические полеты выполняются следующим образом. В зоне выполнения полетов самолет летит горизонтально на высоте шесть тысяч метров. Затем самолет с ускорением начинает набирать высоту под углом 45 градусов. В криволинейном полете на всех присутствующих на борту действуют перегрузки величиной до 2g. Это ощущение тяжести длится недолго – примерно 15 секунд, пока самолет выбирается на подъем. На высоте девять тысяч метров пилот почти полностью убирает тягу двигателей, и самолет продолжает полет по инерции. Как только сила инерции, противоположная по направлению силе тяготения, становится равна ей по величине, то сила тяжести внутри салона самолета-лаборатории становится равна нулю. Поэтому вес людей и оборудования, находящихся внутри самолета, равен нулю, и они находятся в состоянии невесомости. Это происходит в верхней точке параболы Кеплера. Затем пилот отдает штурвал от себя, и самолет начинает резкое снижение на минимальной тяге двигателей. Снижение происходит под тем же углом, что и набор высоты. Невесомость может длиться 22-28 секунд в зависимости от условий выполнения полета. По истечении этого промежутка времени экипаж максимально увеличивает тягу двигателей и переводит машину в горизонтальный полет на высоте шесть тысяч метров.

Искусственная невесомость, полет на самолете Ил-76 МДК

vilingstore.net

Почему у нас нет искусственной гравитации в космосе?

Если бы гравитация работала таким же образом.

Окт 31, 2017Геннадий

zhizninauka.info

Проект "Искусственная гравитация": engineering_ru

Б.В. Раушенбах, соратник Королева, рассказал о том, как у того возникла идея создания искусственной тяжести на космическом корабле: в конце зимы 1963 года главного конструктора, расчищавшего дорожку от снега у своего домика на Останкинской улице, можно сказать, осенило. Не дождавшись понедельника, он позвонил по телефону Раушенбаху, который жил неподалеку, и вскоре они вместе стали «расчищать дорогу» в космос для длительных полетов.Идея, как чаще всего бывает, оказалась простой; она и должна быть простой, иначе на практике может ничего не получиться.

Картинка из книги "Полёт в мировое пространство" (1949)Как известно, на каруселях и других вращающихся аттракционах создается весьма продолжительная искусственная тяжесть за счет центробежных сил. Поэтому профессиональная карусель — центрифуга — стала одним из действенных инструментов для отбора и тренировки космонавтов, на ней проверяют способность выдерживать повышенную тяжесть. Большие перегрузки неизбежно действуют во время подъема в космос, на пути к невесомости, в полете на ракете. Создать искусственную карусель на орбите Королев задумал не случайно.Уже следующий за Гагариным полет в космос принес большую неожиданность. В течение суток второй космонавт планеты Герман Титов испытывал в невесомости, мягко говоря, большой дискомфорт.

Надо сказать, что создание искусственной тяжести рассматривалось многими корифеями теоретической космонавтики, начиная с нашего Циолковского и немца Оберта. Уже в средине 50-х фон Браун, работая в Америке над ракетами, спроектировал космическую станцию с вращающимся «колесом», по периферии которого создавалась перегрузка.

В 1963 году Королев думал о полетах на Луну и даже к Марсу: в ОКБ-1 уже разрабатывались проекты межпланетных кораблей. И уж, конечно, не случайно будущая система искусственной тяжести рассчитывалась на одну шестую земной — такую же, как на Луне.

Размеры корабля слишком малы, чтобы вращать его для создания центробежной силы; требовался противовес, система связанных между собой тел, вращающихся в космосе. Для орбитального корабля сыскался идеальный противовес — последняя ступень ракеты-носителя. Ступень выходит на орбиту и отделяется, отбрасывается от него как ненужная, уже бесполезная пустая «бочка». Ее-то и «подобрал» Королев для своего эксперимента. Первые оценки показали, что необходимы большие, почти космические размеры карусели. Дело в том, что перегрузка пропорциональна расстоянию от центра вращения и скорости вращения в квадрате. Из «карусельной практики» и из опыта состоявшихся и несостоявшихся космонавтов известны те неприятные ощущения, которые испытывает человек на вращающейся платформе.

Когда стали разрабатывать систему искусственной тяжести, космическая медицина уже поднялась на высокий научный уровень. Скорость, с которой можно безболезненно вращать космонавта на орбите, определили как раз по ускорению Кориолиса, задавшись относительной скоростью перемещения космонавта в корабле, все — строго по законам классической механики. В итоге нам, инженерам-создателям системы, досталась от специалистов по космической медицине угловая скорость в два оборота в минуту. Чтобы достичь лунной перегрузки, то есть центробежного ускорения в 1,5 м/с2, требовался трос длиной в 300 м. Однако это было еще не все. Сразу раскрутить «карусель» до такой скорости не удавалось, и вообще разведение корабля с последней ступенью оказалось наиболее тонким и опасным этапом образования вращающейся системы. Подготовили следующий космический сценарий.

Исходная конфигурация системы искусственной тяжести — ИТ (до перецепки):

После выхода на орбиту «Восход» отделялся от ракеты-носителя, оставаясь связанным с ним тросом. Пустая, без топлива и окислителя последняя ступень РН «Восток» — ракетный блок И, как его называли в ОКБ-1, — весила около 3 т. Через несколько секунд после расхождения метров на пять включались два пороховых реактивных двигателя, которые сообщали дополнительный импульс блоку И, увеличивая скорость расхождения (радиальную скорость) до 10 м/с. Сматывая трос с барабана лебедки, ракетный блок удалялся от корабля, пока расстояние не увеличилось до 1000 м. Ни мало ни много, а для эксперимента требовался 1 км троса. Погасив скорость расхождения, лебедка выдавала сигнал на включение еще одной пары пороховых реактивных двигателей, на этот раз — чтобы закрутить систему, по терминологии классической механики — сообщить блоку И тангенциальную скорость. Система из двух связанных тросом тел начинала вращаться относительно общего центра масс со скоростью в 2 оборота в минуту, а центр масс, в свою очередь, продолжал вращаться по орбите вокруг Земли. Под действием центробежной силы трос натягивался с силой 20 кг, создавая перегрузку в 1/300 земной. Следующим шагом становилась так называемая перецепка.

Окончательная конфигурация ИТ (после перецепки). Сила искусственной тяжести прижимает космонавтов к креслу:

Чтобы искусственная сила тяжести действовала на сидящего в кресле космонавта правильно, чтобы она прижимала его к креслу, а не вынуждала висеть на привязных ремнях, требовалось отцепить нижнюю точку крепления на приборно-агрегатном отсеке «Восхода»; корабль перевертывался и после нескольких колебаний оставался висеть вверх ногами, зато это положение вполне устраивало космонавтов.

Уже из столь краткого описания видно, что система получилась совсем не простой. Анализ показывал, что ракетный блок и корабль начинали колебаться за счет начальных возмущений, а трос, как натянутая струна, мог колебаться по собственному, как известно, совсем уж не простому закону. С этими колебаниями надо было бороться, не давать им выйти из-под контроля. С этой целью на блоке И устанавливалась дополнительная реактивная система управления (РСУ), которая так же, как РСУ на корабле «Восход», демпфировала угловые колебания блока относительно троса. Еще более тонкие явления, которые тоже вытекали из законов классической механики и определялись так называемыми градиентами гравитационных сил, при анализе у нас игнорировались. До них в те годы по-настоящему еще не добрались, а эти чисто космические силы орбитального полета могли существенно повлиять на неземную космическую механику, которая рассчитывалась по земным законам. К тому же, в нашем стальном, а значит электропроводящем, тросе, летящем в магнитном поле Земли, неизбежно возникли бы уникальные электромагнитные явления.

На следующем этапе развертывания требовалось увеличить перегрузку до лунного значения, то есть до 1/6 земной. Помог еще один закон классической механики, называемый принципом сохранения кинетического момента. Если стягивать два вращающихся тела, то, подчиняясь этому закону, скорость вращения начинает возрастать, как у вращающегося на льду фигуриста, складывающего руки. Лебедка стягивала трос с километрового расстояния до 300 м, увеличивая скорость вращения до требуемой величины — 7 град/с; при этом сила возрастала с 20 кг до 1000 кг. В результате на корабле «Восход» с массой около 6 т действовала перегрузка, равная лунной тяжести.

После окончания эксперимента трос предполагалось отстрелить от корабля, иначе спуск на Землю в объятия естественной тяжести становился невозможным.

Вот такая длинная и непростая процедура космической «раскрутки» была задумана к середине 1964 года.

Также много лет спустя мы стали разрабатывать эксперимент с многокилометровым тросом. Только тогда мне пришлось познакомиться с теми уникальными физическими явлениями, которые возникают в этих сугубо космических системах. Конечно, в середине 60-х мы были молодыми и только познавали космос. И все-таки странно, что тогда никто из нас, даже будущий академик Раушенбах, не обратил должного внимания ни на особенности орбитальной механики троса, ни на 100-вольтовое напряжение, которое генерируется в тросовом проводнике, летящем в магнитном поле Земли со скоростью почти 8 км/с. Странно, потому что как раз в эти годы на Западе начали разрабатывать теорию этого уникального явления. Безусловно, определенную роль сыграла закрытость нашей космической техники, оторванность наших специалистов от мировой космонавтики, ведь в это время на Западе появились первые публикации, посвященные теории электродинамических систем в космосе.

Тогда нашему отделу досталась практическая механика, наиболее трудоемкая часть системы: лебедка, демпферы продольных и поперечных колебаний, механизм перецепки. Все они не имели прототипов. Наряду со стыковочным механизмом это задание оказалось для нас в те годы, пожалуй, самым сложным и комплексным. Проектировать и испытывать эту систему пришлось параллельно со стыковкой и другими, менее объемными, зато многочисленными заданиями.

Во второй половине 1964 и в начале 1965 года мы сконструировали все эти и другие компоненты системы искусственной тяжести. Тогда мы действительно очень спешили. Помню, как В.Ф. Кульчак, одна из самых работящих и упорных наших конструкторов, не выдержав очередного раунда изменений, чуть не бросила мне на стол почти готовые чертежи. Завод «Машиноаппарат» приступил к созданию прецизионных магнитных и электромагнитных тормозов. В мае 1965 года небольшая группа конструкторов с нашим материаловедом Л.М. Маленковой выехала в Ленинград, где на сталепрокатном заводе, заложенном еще в петровские времена, для нас изготавливали специальный космический трос. Чтобы сделать его легче, трос выполнили двухступенчатым, в соответствии с законом изменения перегрузки на орбите.

Вскоре уже в металле стали видны контуры километровой лебедки в виде первых корпусных деталей, размеры которых были необычными для этого цеха, привыкшего к небольшим приводам и механизмам.

Все компоненты и узлы были изготовлены, и мы приступили к отработке. И все-таки мы опаздывали, не успевая угнаться за планами нашего Главного конструктора.Несмотря на всю секретность, за океаном, конечно, прослышали о наших планах создать искусственную тяжесть в космосе. Американцам очень не хотелось в очередной раз уступать нам «впервые в мире», и они сделали реальную попытку воспроизвести нашу схему на орбите на кораблях «Джемини».

В начале 1966 года Королев лег в больницу, а я уехал в Азов. Из больницы он не вернулся.Сначала мы не знали, чем закончится наша искусственная и связанная с ней естественная тяжесть. В начале марта мы еще провожали «Восход-3», предназначенный для длительного полета, на полигон. Я его так и запомнил висящим на кране в нашем, тогда новом «малом» КИСе на 2-м производстве. Тогда мне казалось, что вскоре мы будем провожать «Восход-4» с демпфером, механизмом перецепки и узлом отстрела троса.Наверно, это был оптимизм социалистического реализма.

В течение 1966 года возникали проблемы, связанные с планами длительного полета на «Восходе». Ряд технических и политических соображений также говорили не в пользу старых кораблей. В конце концов наш новый главный конструктор В.П. Мишин приказал прекратить работы над всеми «Восходами». По его указанию проектанты некоторое время рассматривали возможность создать искусственную тяжесть на базе нового корабля «Союз». Вскоре стало ясно, что там реализовать это гораздо труднее, чем на «Восходе», несмотря на то что РСУ (ракетная система управления) нового корабля позволяла более эффективно выполнить многие операции. Мы пытались протестовать и спасти хотя бы один «Восход» с искусственной тяжестью, но нас никто не слушал. Вскоре другие земные, естественные и искусственные тяжести захлестнули нового главного и многих из нас.Еще долго космические лебедки и другие узлы никем до сих пор не воспроизведенной системы хранились в приборном производстве, досаждая всем своими большими размерами, пока их не сдали... на металлолом к какому-то очередному празднику.

Из книги Сыромятникова В.С. "100 рассказов о стыковке"

Для полноты картины. Март 1966, американцы на «Джемини-11»:

В 11:29 «Джемини-11» был отстыкован от «Аджены». Началось самое интересное: как поведут себя два объекта, связанные тросом? Сначала Конрад пытался ввести связку в гравитационную стабилизацию – чтобы ракета висела внизу, корабль вверху и трос был натянут.Однако отойти на 30 м, не возбудив сильных колебаний, не удалось. В 11:55 перешли ко второй части эксперимента – «искусственная тяжесть». Конрад ввел связку во вращение; трос сначала натянулся по кривой линии, но через 20 мин выпрямился и вращение стало вполне правильным. Конрад довел его скорость до 38 °/мин, а после ужина до 55 °/мин, создав тяжесть на уровне 0,00078g. «На ощупь» это не чувствовалось, но вещи потихоньку осели на дно капсулы. В 14:42 после трех часов вращения штырь был отстрелен, и «Джемини» ушел от ракеты.

Из "Мировой пилотируемой космонавтики"

engineering-ru.livejournal.com

Искусственная гравитация в Sci-Fi — Бородокаст

Вы можете не интересоваться космосом, но наверняка читали о нем в книгах, видели в фильмах и играх. В большинстве произведений, как правило, присутствует гравитация — мы не обращаем на нее внимания и воспринимаем как данность. Вот только это не так.

Если не углубляться в физику дальше школьного курса, то гравитация — фундаментальное взаимодействие тел, благодаря которому все они притягивают друг друга.

Массивные притягивают сильнее, меньшие — слабее.

Земля это как раз такой массивный объект. Поэтому люди, животные, здания, деревья, травинки, смартфон или компьютер — все притягивается к Земле. Мы к этому привыкли и никогда не задумываемся о такой мелочи.

Главное следствие притяжения Земли для нас — ускорение свободного падения, также известное как g. Оно равно 9,8 м/с². Любое тело при отсутствии опоры будет одинаково ускоряться к центру Земли, набирая 9,8 метров скорости каждую секунду.

Благодаря этому эффекту мы ровно стоим на ногах, различаем «верх» и «низ», роняем вещи, и так далее. Убери притяжение Земли — и все привычные действия перевернутся с ног на голову.

Лучше всего это знают космонавты, которые проводят существенную часть своей жизни на МКС. Они заново учатся пить, ходить, справлять базовые нужды.

Вот несколько примеров.

При этом в упомянутых фильмах, сериалах, играх и прочей фантастике гравитация на космических кораблях «просто есть». Создатели даже не объясняют, откуда она там появилась — а если и объясняют, то неубедительно. Какие-то «генераторы гравитации», принцип работы которых неизвестен. Это никак не отличается от «просто есть» — лучше вообще не объяснять в таком случае. Так честнее.

Теоретические модели искусственной гравитации

Создать искусственную гравитацию можно несколькими способами.

Много массы

Первый (и самый «правильный») вариант — увеличить корабль, сделать его очень массивным. Тогда гравитационное взаимодействие будет обеспечивать требуемый эффект.

Но нереальность данного способа очевидна: для такого корабля нужно очень много материи. Да и с равномерностью распределения гравитационного поля нужно что-то делать.

Постоянное ускорение

Так как нам нужно достичь постоянного ускорения свободного падения в 9,8 м/с², то почему бы не сделать космический корабль в виде платформы, которая будет ускоряться перпендикулярно своей плоскости с этим самым g?

Таким образом нужный эффект будет достигнут — но есть несколько проблем.

Во-первых, нужно откуда-то брать топливо для обеспечения постоянного ускорения. И даже если кто-то вдруг придумает двигатель, который не требует выброса материи, закон сохранения энергии никуда не пропадет.

Во-вторых, проблема заключается в самой природе постоянного ускорения. Наши физические законы гласят: ускоряться вечно нельзя. Теория относительности же говорит обратное.

Даже если корабль периодически будет менять направление, для обеспечения искусственной гравитации он должен постоянно куда-то лететь. Никаких зависаний вблизи планет. Если корабль остановится, то гравитация пропадет.

Так что и такой вариант нам не подходит.

Карусель-карусель

А вот тут уже начинается самое интересное. Все знают, как работает карусель — и какие эффекты испытывает человек в ней.

Всё, что находится на ней, стремится выскочить наружу соразмерно скорости вращения. Со стороны карусели же получается, что на все действует сила, направленная вдоль радиуса. Вполне себе «гравитация».

Таким образом, нам нужен корабль в форме бочки, который будет вращаться вокруг продольной оси. Такие варианты довольно часто встречаются в научной фантастике.

При вращении вокруг оси возникает центробежная сила, направленная вдоль радиуса. Поделив силу на массу, мы получим искомое ускорение.

Высчитывается все это по незамысловатой формуле:

a=ω²R,

где a — ускорение, R — радиус вращения, а ω — угловая скорость, измеряемая в радианах в секунду (радиан это примерно 57,3 градуса).

Что нам нужно для нормальной жизни на воображаемом космическом крейсере? Комбинация радиуса корабля и угловой скорости, чье производное выдаст в итоге 9,8 м/с².

Нечто подобное мы видели в ряде произведений: «2001 год: Космическая одиссея» Стэнли Кубрика, сериал «Вавилон 5», «Интерстеллар» Нолана, роман «Мир-Кольцо» Ларри Нивена, вселенная игр Halo.

Во всех них ускорение свободного падения примерно равно g — все логично. Однако и в этих моделях существуют проблемы.

Проблемы «карусели»

Самую явную проблему, пожалуй, проще всего объяснить на примере «Космической одиссеи». Радиус корабля составляет примерно 8 метров — для достижения ускорения, равного g, требуется угловая скорость примерно в 1,1 рад/с. Это примерно 10,5 оборотов в минуту.

При таких параметрах в силу вступает «эффект Кориолиса» — на разной «высоте» от пола на движущиеся тела действует разная сила. И зависит она от угловой скорости.

Так что в нашей виртуальной конструкции мы не можем вращать корабль слишком быстро, поскольку это приведет к внезапным падениям и проблемам с вестибулярным аппаратом. А с учетом формулы ускорения, не можем мы себе позволить и маленький радиус корабля.

Поэтому модель «Космической одиссеи» отпадает. Примерно та же проблема и с кораблями в «Интерстелларе», хотя там с цифрами уже все не так очевидно.

Вторая проблема находится с другой стороны спектра. В романе Ларри Нивена «Мир-Кольцо» корабль представляет собой гигантское кольцо с радиусом, примерно равным радиусу земной орбиты (1 а.е. ≈ 149 млн км). Таким образом он вращается с вполне удовлетворительной скоростью для того, чтобы человек не заметил эффект Кориолиса.

Казалось бы — все сходится, но и тут есть проблема. Один оборот займет 9 дней, что создаст огромные перегрузки при таком диаметре кольца. Для этого нужен очень крепкий материал. На данный момент человечество не может произвести такую прочную конструкцию — не говоря уже о том, что где-то нужно взять столько материи и еще все построить.

В случае с Halo или «Вавилоном 5» все предыдущие проблемы вроде отсутствуют: и скорость вращения достаточная, чтобы эффект Кориолиса не имел негативного воздействия, и построить такой корабль реально (гипотетически).

Но и у этих миров есть свой минус. Имя ему — момент импульса.

Раскручивая корабль вокруг оси, мы превращаем его в гигантский гироскоп. А отклонить гироскоп от своей оси сложно из-за момента импульса, количество которого должно сохраняться в системе. А значит, лететь куда-то в определенном направлении будет тяжело. Но эта проблема решаема.

Как должно быть

Называется это решение «цилиндр О’Нила»: берем два одинаковых корабля-цилиндра, соединенные вдоль оси и вращающиеся каждый в свою сторону. В результате мы имеем нулевой суммарный момент импульса, и проблем с направлением корабля в нужном сторону быть не должно.

При радиусе корабля в 500 метров и более (как в «Вавилоне 5») все должно работать как надо.

Какие мы можем сделать выводы о реализации искусственной гравитации в космических кораблях?

Изо всех вариантов самым реальным выглядит именно вращающаяся конструкция, в которой сила, направленная «вниз», обеспечивается центростремительным ускорением. Создать же искусственную гравитацию на корабле с плоскими параллельными конструкциями вроде палуб, учитывая наше современные понимание законов физики, невозможно.

Радиус вращающегося корабля должен быть достаточным, чтобы эффект Кориолиса был незначительным для человека. Хорошими примерами из придуманных миров могут служить уже упоминавшиеся Halo и «Вавилон 5».

Для управления такими кораблями нужно построить цилиндр О’Нила — две «бочки», вращающиеся в разном направлении для обеспечения нулевого суммарного момента импульса для системы. Это позволит адекватно управлять кораблем — вполне реальный рецепт обеспечения космонавтов комфортными гравитационными условиями.

И до того момента, как мы сможем построить нечто подобное, хотелось бы, чтобы фантасты уделяли больше внимания физической реалистичности в их произведениях.

beardycast.com