Можно ли создать искусственную гравитацию в космосе. Как создают искусственную невесомость на земле для тренировки космонавтов? Искусственная гравитация в Sci-Fi

Геннадий Бражник, 23 апреля 2011
Смотря на Мир, открой глаза... (древнегреческий эпос)
Как создать искусственную Гравитацию?
Пятидесятилетие освоения космоса, отмечаемое в этом году, показало огромный потенциал человеческого интеллекта в вопросе познания окружающей Вселенной. Международная космическая станция (МКС) - пилотируемая орбитальная станция - совместный международный проект, в котором участвуют 23 страны,
убедительно доказывает заинтересованность национальных программ в вопросах освоения как ближнего, так и дальнего космического пространства. Это относится как к научно-технической, так и к коммерческой стороне рассматриваемого вопроса. Вместе с тем, основным вопросом, стоящим на пути массового освоения космического пространства является проблема невесомости или отсутствие гравитации на существующих космических объектах. "Гравитация (всемирное тяготение, тяготение) - универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна" - такое определение дает современная наука этому явлению. Природа гравитации в настоящее время не выяснена. Теоретические разработки в рамках разных гравитационных теорий не находят своего экспериментального подтверждения, что наводит на мысль о преждевременном утверждении научной парадигмы по природе гравитационного взаимодействия, как одного из четырех фундаментальных взаимодействий. В соответствии с теорией тяготения Ньютона, гравитационная сила Земного притяжения определяется выражением F=m x g, где m -масса тела, а g - ускорение свободного падения. "Ускорение свободного падения g - ускорение, придаваемое телу в вакууме силой тяжести, то есть геометрической суммой гравитационного притяжения планеты (или другого астрономического тела) и инерциальных сил, вызванных ее вращением. В соответствии со вторым законом Ньютона, ускорение свободного падения равно силе тяжести, воздействующей на объект единичной массы. Значение ускорения свободного падения для Земли обычно принимают равным 9,8 или 10 м/с╡. Стандартное („нормальное") значение, принятое при построении систем единиц, g = 9,80665 м/с╡, а в технических расчетах обычно принимают g = 9,81 м/с╡. Значение g было определено как „среднее" в каком-то смысле ускорение свободного падения на Земле, примерно равно ускорению свободного падения на широте 45,5° на уровне моря. Реальное ускорение свободного падения на поверхности Земли зависит от широты, времени суток и других факторов. Оно варьируется от 9,780 м/с╡ на экваторе до 9,832 м/с╡ на полюсах." Эта научная неопределенность вызывает и ряд вопросов, связанных с гравитационной постоянной в Общей теории относительности. Является ли она настолько постоянной, если в условиях земного притяжения мы имеем такой разброс параметров. Основными доводами практически всех гравитационных теорий является следующее: "Ускорение свободного падения состоит из двух слагаемых: гравитационного ускорения и центростремительного ускорения. Отличия обусловлены: центростремительным ускорением в системе отсчета, связанной с вращающейся Землей; неточностью формулы из-за того, что масса планеты распределена по объему, который имеет геометрическую форму, отличную от идеального шара (геоид); неоднородностью Земли, что используется для поиска полезных ископаемых по гравитационным аномалиям." На первый взгляд достаточно убедительные аргументы. При более детальном рассмотрении, становится очевидным, что эти аргументы не объясняют физическую природу явления. В системе отсчета Земли, связанной с центростремительным ускорением в каждой географической точке находятся все компоненты измерения ускорения свободного падения. Поэтому одинаковому воздействию, включая и распределенную массу Земли, и гравитационные аномалии подвергаются как объект измерения, так и измеряемая аппаратура. Следовательно, результат измерения должен быть постоянным, но этого не происходит. Кроме того, неопределенность ситуации вызывают и теоретические расчетные значения ускорения свободного падения на высоте полета МКС - g=8,8 м/с(2). Фактическое значение локальной гравитации на МКС определяются в пределах 10(−3)...10(−1) g, что и определяет невесомость. Неубедительно выглядят и заявления о том, что МКС движется с первой космической скоростью и находится как бы в состоянии свободного падения. А как же тогда геостационарные спутники? При таком расчетном значении g они давно упали бы на Землю. Кроме того, массу любого тела можно определить как количественную и качественную характеристику собственного электрического заряда. Все эти рассуждения приводят к заключению, что природа земной гравитации не зависит от соотношения масс взаимодействующих объектов, а определяется кулоновскими силами электрического взаимодействия поля тяготения Земли. Если мы летим в горизонтальном полете на самолете, на высоте десяти км, то законы гравитации выполняются полностью, но при таком же полете на МКС на высоте 350 км гравитация практически отсутствует. Это означает, что в пределах этих высот существует механизм, позволяющий определиться гравитации, как силе взаимодействия материальных тел. И значение этой силы определяется законом Ньютона. Для человека массой 100кг, сила гравитационного притяжения на уровне земли, без учета атмосферного давления, должна составлять F= 100 х 9,8= 980 н. В соответствии с существующими данными атмосфера Земли представляет собой электрически неоднородную структуру, слоистость которой определяет ионосфера. "Ионосфера (или термосфера) - часть верхней атмосферы Земли, сильно ионизирующаяся вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N2 и кислорода О2) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли. В зависимости от плотности заряженных частиц N в ионосфере выделяются слои D, Е и F. Слой D В области D (60-90 км) концентрация заряженных частиц составляет Nmax~ 10(2)-10(3) см−3 - это область слабой ионизации. Основной вклад в ионизацию этой области вносит рентгеновское излучение Солнца. Также небольшую роль играют дополнительные слабые источники ионизации: метеориты, сгорающие на высотах 60-100 км, космические лучи, а также энергичные частицы магнитосферы (заносимые в этот слой во время магнитных бурь). Слой D также характеризуется резким снижением степени ионизации в ночное время суток. Слой Е Область Е (90-120 км) характеризуется плотностями плазмы до Nmax~ 10(5) см−3. В этом слое наблюдается рост концентрации электронов в дневное время, поскольку основным источником ионизации является солнечное коротковолновое излучение, к тому же рекомбинация ионов в этом слое идет очень быстро и ночью плотность ионов может упасть до 10(3) см−3. Этому процессу противодействует диффузия зарядов из области F, находящейся выше, где концентрация ионов относительно велика, и ночные источники ионизации (геокороное излучение Солнца, метеоры, космические лучи и др.). Спорадически на высотах 100-110 км возникает слой ES, очень тонкий (0,5-1 км), но плотный. Особенностью этого подслоя является высокая концентрации электронов (ne~10(5) см−3), которые оказывают значительное влияние на распространение средних и даже коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы. Слой E в силу относительно высокой концентрации свободных носителей тока играет важную роль в распространении средних и коротких волн. Слой F Областью F называют теперь всю ионосферу выше 130-140 км. Максимум ионобразования достигается на высотах 150-200 км. В дневное время также наблюдается образование „ступеньки" в распределении электронной концентрации, вызванной мощным солнечным ультрафиолетовым излучением. Область этой ступеньки называют областью F1 (150-200 км). Она заметно влияет на распространение коротких радиоволн. Выше лежащую часть слоя F до 400 км называют слоем F2. Здесь плотность заряженных частиц достигает своего максимума - N ~ 10(5)-10(6) см−3. На больших высотах преобладают более легкие ионы кислорода (на высоте 400- 1000 км), а еще выше - ионы водорода (протоны) и в небольших количествах - ионы гелия." Две основные современные теории атмосферного электричества были созданы в середине ХХ века английским ученым Ч. Вильсоном и советским ученым Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы. По теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, - поляризацией облаков и их взаимодействием с Землей, а ионосфера не играет существенной роли в протекании атмосферных электрических процессов. Обобщение этих теоретических представлений электрического взаимодействия в атмосфере подразумевает рассмотрение вопроса гравитации Земли с точки зрения электростатики. На основании приведенных общеизвестных фактов, можно определить значения гравитационного электрического взаимодействия материальных тел в условиях земного притяжения. Для этого рассмотрим следующую модель. Любое материальное энергетическое тело, находясь в электрическом поле, будет осуществлять определенное кулоновское взаимодействие. В зависимости от внутренней организации электрического заряда, оно будет или притягиваться к одному из электрических полюсов, или находится в состоянии равновесия в пределах этого поля. Степень электрического заряда каждого тела определяется собственной концентрацией свободных электронов (для человека концентрацией эритроцитов). Тогда модель гравитационного взаимодействия земного притяжения можно представить в виде сферического конденсатора, состоящего из двух концентрических полых сфер, радиусы которых определяются радиусом Земли и высотой ионосферного слоя F2. В этом электрическом поле находится человек, или другое материальное тело. Электрический заряд поверхности Земли - отрицательный, ионосферы - положительный по отношению к Земле. Электрический заряд человека по отношению к поверхности Земли - положительный, следовательно, кулоновская сила взаимодействия на поверхности будет всегда притягивать человека к Земле. Наличие ионосферных слоев, подразумевает, что общая электрическая емкость такого конденсатора определяется суммарной емкостью каждого слоя при последовательном подключении: 1/Собщ = 1/С(E)+1/С(F)+1/С(F2). Поскольку проводится ориентировочный инженерный расчет, будем учитывать основные энергетические ионосферные слои, для которых возьмем следующие исходные данные: слой Е - высота 100км, слой F- высота 200км, слой F2-высота 400км. Рассмотрение слоя D и спорадического слоя Es, образующихся в ионосфере в процессе повышенной или пониженной солнечной активности, для простоты рассмотрения учитывать не будем. На рис. 1 показана схема распределения ионосферных слоев атмосферы Земли и электрическая принципиальная схема рассматриваемого процесса.
В электрической схеме на рис 1.а представлено последовательное соединение трех конденсаторов, к которым подведено постоянное напряжение Еобщ. В соответствии с законами электростатики распределение электрических зарядов на пластинах каждого конденсатора С1,С2 и С3 показано условно +/-. На основании этого распределения электрических зарядов возникает в сети локальные напряженности поля, направления которых противоположно общему прикладываемому напряжению. На этих участках сети движение электрических зарядов будет осуществляться в противоположную сторону, относительно Еобщ. На рис 1.б показана схема ионосферных слоев атмосферы Земли, которая полностью описывается электрической схемой последовательного соединения конденсаторов. Силы кулоновского взаимодействия между ионосферными слоями обозначены как Fg. По уровню концентрации электрических зарядов, верхний слой ионосферы F2 является электрически положительным по отношению к поверхности земли. В силу того, что частицы солнечного ветра, обладающие разной кинетической энергией, проникают на всю глубину атмосферы, суммарная сила кулоновского взаимодействия каждого слоя будет определяться векторной суммой общей силы тяготения Fg общ и силой тяготения отдельного ионосферного слоя. Формула расчета емкости сферического конденсатора имеет вид: С= 4х(пи)х е(а)х r1xr2/(r2-r1), где С - емкость сферического конденсатора; r1 - радиус внутренней сферы, равный сумме радиуса Земли 6 371,0 км и высоте нижнего ионосферного слоя; r2 - радиус внешней сферы, равный сумме радиуса Земли и высоте верхнего ионосферного слоя; е(а)=е(0)х е -абсолютная диэлектрическая проницаемость, где е(0)=8,85х10(-12) Фм, е ~ 1. Тогда округленные расчетные значения для емкости каждого ионосферного слоя будут иметь следующие значения: С(Е)=47 мкФ, С(F)=46 мкФ, С(F2)=25 мкФ. Общая суммарная емкость ионосферы, с учетом основных слоев будет составлять порядка 12 мкФ. Расстояние между ионосферными слоями гораздо меньше радиуса Земли, следовательно, расчет кулоновской силы, действующей на заряд можно провести по формуле плоского конденсатора: Fg= е(а) х A x U(2) /(2xd(2)), где A - площадь пластины (пи х (Rз+ h)(2)); U - напряжение; d - расстояние между слоями; е(а)=е(0)х е -абсолютная диэлектрическая проницаемость, где е(0)=8,85х10(-12) Фм, е ~ 1. Тогда расчетные значения сил кулоновского взаимодействия каждого ионосферного слоя будут иметь следующие значения: Fg(E)= 58х10(-9)х U(2); Fg(F)= 59х10(-9)х U(2); Fg(F1)= 15х10(-9)х U(2); Fgобщ= 3,98х10(-9)х U(2). Определим значение атмосферного напряжения для тела массой 100 кг. Расчетная формула будет иметь следующий вид: F=m x g= Fg(E) + Fgобщ. Подставляя известные значения в эту формулу, получаем величину U= 126 КВ. Следовательно, силы кулоновского взаимодействия ионосферных слоев будут определяться следующими величинами: Fg(E)= 920н; Fg(F)= 936н; Fg(F1)= 238н; Fgобщ= 63н. Пересчитав ускорения свободного падения каждого ионосферного слоя, с учетом Ньютоновского взаимодействия, получим следующие значения: g(E)= +9,83 м/с(2); g(F)= -8,73 м/с(2); g(F1)= - 1,75 м/с(2). Следует отметить, что данные расчетные значения не учитывают собственные параметры атмосферы, а именно давление и сопротивление среды, обусловленные концентрацией молекул кислорода и азота в каждом слое ионосферы. В результате ориентировочного инженерного расчета полученное значение g(F1)= -1,75 м/с(2) которое хорошо согласуется с фактическим значением локальной гравитации на МКС - 10(−3)...10(−1) g. Расхождения в результатах связаны с тем, что крутильные весы, используемые для измерения ускорения свободного падения, не откалиброваны в область отрицательных значений - современная наука этого и не предполагала. Для создания искусственной гравитации необходимо выполнить два условия. Создать электрически изолированную систему в соответствии с требованием теоремы Гаусса, а именно обеспечить циркуляцию вектора напряженности электрического поля по замкнутой сфере и обеспечить внутри этой сферы напряженность электрического поля, необходимую для создания силы кулоновского взаимодействия величиной 1000 н. Расчет величины напряженности поля можно провести по формуле: F= е(а) х A x Е(2) /2, где A - площадь пластины; Е - напряженность электрического поля; е(а)=е(0)х е -абсолютная диэлектрическая проницаемость, где е(0)=8,85х10(-12) Фм, е ~ 1. Подставляя данные в формулу, для 10 кв.м получим значение напряженности электрического поля, равную Е= 4,75 х 10(6) В/м. Если высота помещения составляет три метра, то для обеспечения расчетной напряженности необходимо подать постоянное напряжение на пол-потолок величиной U= E x d = 14,25 МВ. При силе тока в 1 А, необходимо обеспечить сопротивление пластин такого конденсатора величиной 14,25 МОм. Изменяя величину напряжения, можно получить разные параметры гравитации. Порядок расчетных величин показывает, что разработка систем искусственной гравитации является реальным делом. Правы были древние греки: "Смотря на мир, открой глаза...". Только такой ответ можно дать по случаю природы земной гравитации. Уже 200 лет как человечество активно изучает законы электростатики, включая закон Кулона и теорему Гаусса. Формула сферического конденсатора практически освоена уже давно. Осталось только открыть глаза на окружающий мир и начать ее применять для объяснения, казалось бы невозможного. А вот когда мы все поймем, что искусственная гравитация это реальность, тогда и вопросы коммерческого использования космических полетов станут актуальными и окажутся прозрачными для понимания.
г. Москва, апрель 2011г. Бражник Г.Н.

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.

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.

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.

Экология познания. Длительное пребывание в космосе имеет серьезные последствия. Медицинские исследования о влиянии микрогравитации на астронавтов

Длительное пребывание в космосе имеет серьезные последствия. Медицинские исследования о влиянии микрогравитации на астронавтов после многомесячного пребывания на низкой околоземной орбите (НОО) пришли к горьким выводам: люди не могут жить без гравитации полноценно. Таким образом, искусственная гравитация все больше обсуждается как важнейший компонент продолжительной миссии в космосе как рядом с Землей, так и дальше от нее.

Искусственная гравитация будет особенно важна для многолетних коммерческих миссий, где телеробототехника будет управляться экипажем, размещенным в непосредственной близости от астероида, на котором добываются полезные ископаемые и проводятся другие работы. Такая гравитация также будет полезна для многолетних исследований на телах с низкой гравитацией вроде Луны, Марса или даже спутников внешних планет.

Уильям Кемп из Вашингтона считает, что вместе со своим деловым партнером Тедом Мазейкой нашел жизнеспособное решение этих вопросов. Это 30-метровая в диаметре цилиндрическая космическая станция, способная создавать переменную искусственную гравитацию с вращением цилиндра вокруг ее продольной оси.

«Если мы хотим оставаться в космосе дольше года, нам нужно сделать систему искусственной гравитации или мы будем жертвовать людьми в этом процессе», - говорил Кемп, основатель и CEO United Space Structures.

На протяжении более трех десятилетий Кемп работал над совершенствованием своих идей. В настоящее время компания имеет в проекте запатентованный процесс и ищет финансирование и других партнеров, которые могут вложиться по-крупному.

Идея заключается в том, чтобы достичь искусственной гравитации за счет центробежной силы, которая потребует вращения, создающего понижательное давление. Небольшая 10-метровая структура, в теории, может вращаться достаточно быстро, чтобы люди ощущали притяжение, но Кемп говорит, что астронавты с такой структурой будут иметь ужасные проблемы внутреннего уха.

«Если скорость вращения будет слишком большой, ваше чувство равновесия выйдет из строя и скоро вы будете ощущать жуткую боль в руках и коленях», - говорит Кемп.

Тем не менее небольшая цилиндрическая станция диаметром в 30 метров, предлагаемая Кемпом, сможет поддерживать гравитацию в 0,6 земной; это минимум, который позволит людям безопасно жить на станции в течение по меньшей мере двух лет. Астронавты будут жить как внутри цилиндра, так и во внешнем полушарии структуры.

Кемп говорит, что 30-метровой цилиндрической станции потребуется скорость вращения в 5,98 оборота в минуту и минимальный полезный размер для создания искусственной гравитации. Быстрая скорость вращения была бы неудобна астронавтам.

«Направление вращения цилиндра не имеет значения, - говорит Кемп. - Скорость зависит от радиуса вращающегося объекта и гравитации, которая вам нужна; чем больше радиус, тем ниже скорость вращения».

Первым шагом в испытаниях United Space Structures станет тест 30-метрового прототипа на НОО, говорит Кемп. Хотя такая 30-метровая станция может уместить как минимум 30 человек, она будет хорошо работать и в глубоком космосе, и в околоземных условиях добычи ресурсов на астероидах.

Какие партнеры займутся строительством этих станций?

«Мы ведем переговоры с компаниями вроде Deep Space Industries, которые хотят добывать ресурсы на астероидах, и с другими компаниями, которые хотят добывать ресурсы на Луне, - говорит Кемп. - Мы хотели бы использовать платформы запуска SpaceX, но это существенно увеличит затраты, поэтому первоначально мы будем использовать композитные материалы для строительства, а не металлы».

Несмотря на прогнозируемые скачки в области космической медицины в течение ближайших двух десятилетий, Кемп абсолютно убежден, что искусственная гравитация будет нужна всегда. Со временем, в условиях микрогравитации уменьшается мышечная и костная масса, сжимается зрительный нерв, отходит сетчатка, понижается иммунитет, возможно, даже нарушается критическое мышление.

Конечно, это не означает, что искусственная гравитация будет панацеей.

В условиях с искусственной гравитации астронавты все равно будут знать, что они на вращающейся станции, говорит Кемп. Прогулки на такой станции будут напоминать спуск по склону, потому что пол будет уходить из-под ног. Прогулка в противоположном направлении вращения будет напоминать подъем в гору, поскольку пол будет подниматься. А если ходить перпендикулярно вращению в любом направлении, будет ощущение, что ты заваливаешься в сторону.опубликовано