Искусственная гравитация — это создание силы инерции , которая имитирует действие силы гравитации , обычно за счет вращения . [1] Искусственная гравитация, или вращательная гравитация , таким образом, представляет собой появление центробежной силы во вращающейся системе отсчета (передача центростремительного ускорения через нормальную силу в невращающейся системе отсчета), в отличие от силы, испытываемой во вращающейся системе отсчета. линейное ускорение , которое по принципу эквивалентности неотличимо от силы тяжести. В более общем смысле «искусственная гравитация» может также относиться к эффекту линейного ускорения, например, с помощью ракетного двигателя . [1]
Вращательная имитация гравитации использовалась в симуляциях, чтобы помочь астронавтам тренироваться в экстремальных условиях. [2] Вращательная имитация гравитации была предложена в качестве решения проблемы неблагоприятных последствий для здоровья, вызванных длительной невесомостью, при полетах человека в космос . Однако в настоящее время практических применений искусственной гравитации для людей в космическом пространстве нет из-за опасений по поводу размера и стоимости космического корабля, необходимого для создания полезной центростремительной силы , сравнимой с напряженностью гравитационного поля на Земле ( g ). [3] Ученые обеспокоены влиянием такой системы на внутреннее ухо пассажиров. Проблема заключается в том, что использование центростремительной силы для создания искусственной гравитации вызовет нарушения во внутреннем ухе, что приведет к тошноте и дезориентации. Негативные последствия могут оказаться невыносимыми для жильцов. [4]
В контексте вращающейся космической станции радиальная сила, создаваемая корпусом космического корабля, действует как центростремительная сила. Таким образом, сила «гравитации», ощущаемая объектом, — это центробежная сила, воспринимаемая во вращающейся системе отсчета как направленная «вниз» к корпусу.
Согласно третьему закону Ньютона , величина малого g (воспринимаемого «нисходящего» ускорения) равна по величине и противоположна по направлению центростремительному ускорению.
С точки зрения людей, вращающихся вместе с средой обитания, искусственная гравитация за счет вращения ведет себя аналогично обычной гравитации, но со следующими отличиями, которые можно смягчить за счет увеличения радиуса космической станции.
Миссия «Джемини-11» попыталась создать искусственную гравитацию, вращая капсулу вокруг транспортного средства «Аджена-мишень» , к которому она была прикреплена 36-метровым тросом. Им удалось создать небольшую искусственную гравитацию, около 0,00015 г , запустив боковые двигатели, чтобы медленно вращать объединенный корабль, как замедленную пару бола . [9] Результирующая сила была слишком мала, чтобы ее мог ощутить любой астронавт, но было замечено, что объекты двигались к «полу» капсулы. [10]
Искусственная гравитация была предложена в качестве решения различных рисков для здоровья, связанных с космическими полетами. [11] В 1964 году советская космическая программа считала, что человек не сможет прожить в космосе более 14 дней из опасения, что сердце и кровеносные сосуды не смогут адаптироваться к условиям невесомости. [12] В конечном итоге выяснилось, что это опасение необоснованно, поскольку космические полеты в настоящее время продолжаются до 437 дней подряд, [13] а миссии на Международной космической станции обычно длятся 6 месяцев. Однако вопрос безопасности человека в космосе действительно положил начало исследованию физических последствий длительного пребывания в невесомости. В июне 1991 года полет Spacelab Life Sciences 1 провел 18 экспериментов на двух мужчинах и двух женщинах в течение девяти дней. Был сделан вывод, что в среде без гравитации реакция лейкоцитов и мышечной массы снижается. Кроме того, за первые 24 часа пребывания в невесомости объем крови уменьшился на 10%. [14] [3] [1] Длительные периоды невесомости могут вызвать отек мозга и проблемы со зрением. [15] По возвращении на Землю последствия длительной невесомости продолжают влиять на организм человека: жидкость возвращается в нижнюю часть тела, увеличивается частота сердечных сокращений , происходит падение артериального давления и снижается толерантность к физическим нагрузкам . [14]
Искусственная гравитация, благодаря ее способности имитировать поведение гравитации на человеческом теле, была предложена как один из наиболее универсальных способов борьбы с физическими эффектами, присущими невесомости. Другие меры, предложенные в качестве симптоматического лечения, включают физические упражнения, диету и использование костюмов Пингвин . Однако критика этих методов заключается в том, что они не устраняют полностью проблемы со здоровьем и требуют разнообразных решений для решения всех проблем. Искусственная гравитация, напротив, устранит невесомость, присущую космическим путешествиям. Благодаря внедрению искусственной гравитации космическим путешественникам никогда не придется испытывать невесомость или связанные с ней побочные эффекты. [1] В особенности при современном шестимесячном путешествии на Марс предполагается воздействие искусственной гравитации либо в постоянной, либо в периодической форме, чтобы предотвратить сильное истощение астронавтов во время путешествия. [11]
Несколько предложений включали в свою конструкцию искусственную гравитацию:
Некоторые из причин того, что искусственная гравитация сегодня остается неиспользованной в космических полетах , кроются в проблемах, присущих ее реализации . Одним из реалистичных методов создания искусственной гравитации является центробежный эффект, вызванный центростремительной силой пола вращающейся конструкции, давящей на человека. Однако в этой модели возникают проблемы с размером космического корабля. Как выразились Джон Пейдж и Мэтью Фрэнсис, чем меньше космический корабль (чем короче радиус вращения), тем более быстрое вращение требуется. Таким образом, для моделирования гравитации было бы лучше использовать более крупный космический корабль, который медленно вращается. Требования к размерам при вращении обусловлены различными силами, действующими на части тела, находящиеся на разных расстояниях от оси вращения. Если части тела, расположенные ближе к оси вращения, испытывают силу, значительно отличающуюся от частей, находящихся дальше от оси, это может иметь неблагоприятные последствия. Кроме того, остаются вопросы о том, как лучше всего изначально установить вращательное движение, не нарушая при этом стабильности орбиты всего космического корабля. На данный момент не существует достаточно массивного корабля, отвечающего требованиям ротации, а затраты, связанные со строительством, обслуживанием и запуском такого корабля, велики. [3]
В целом, из-за ограниченного воздействия на здоровье, присутствующего при более коротких космических полетах, а также высокой стоимости исследований , применение искусственной гравитации часто задерживается и носит спорадический характер. [1] [14]
В нескольких научно-фантастических романах, фильмах и сериалах использовалась искусственная гравитация.
Линейное ускорение — это еще один метод создания искусственной гравитации, заключающийся в использовании тяги двигателей космического корабля для создания иллюзии нахождения под гравитационным притяжением. Космический корабль, находящийся при постоянном ускорении по прямой линии, будет иметь вид гравитационного притяжения в направлении, противоположном направлению ускорения, поскольку тяга двигателей заставит космический корабль «подталкивать» себя к объектам и людям внутри него. сосуд, создавая тем самым ощущение веса. Это происходит из-за третьего закона Ньютона : вес, который можно ощутить, находясь в линейно ускоряющемся космическом корабле, не будет настоящим гравитационным притяжением, а просто реакцией человека, толкающего корпус корабля, когда он отталкивается назад. Точно так же объекты, которые в противном случае свободно плавали бы внутри космического корабля, если бы он не ускорялся, «падали» бы на двигатели, когда он начал ускоряться, как следствие первого закона Ньютона : плавающий объект оставался бы в покое, в то время как космический корабль ускориться по направлению к нему, и наблюдателю внутри покажется, что объект «падает».
Чтобы имитировать искусственную гравитацию на Земле, космический корабль, использующий линейное ускорение силы тяжести, может быть построен аналогично небоскребу с двигателями в качестве нижнего «этажа». Если бы космический корабль ускорялся со скоростью 1 g (гравитационное притяжение Земли), люди внутри были бы прижаты к корпусу с той же силой и, таким образом, могли бы ходить и вести себя так, как если бы они находились на Земле.
Эта форма искусственной гравитации желательна, поскольку она может функционально создать иллюзию гравитационного поля, однородного и однонаправленного по всему космическому кораблю, без необходимости использования больших вращающихся колец, поля которых могут быть не однородными и не однонаправленными по отношению к космическому кораблю. и требуют постоянного вращения. Это также имело бы преимущество относительно высокой скорости: космический корабль, ускоряющийся со скоростью 1 g (9,8 м/с 2 ) в первой половине пути, а затем замедляющийся на второй половине пути, мог бы достичь Марса за несколько дней. [25] Точно так же гипотетическое космическое путешествие с постоянным ускорением 1 g в течение одного года достигнет релятивистских скоростей и позволит совершить путешествие туда и обратно к ближайшей звезде, Проксиме Центавра . Таким образом, для различных межпланетных миссий предлагалось низкоимпульсное, но долговременное линейное ускорение. Например, даже тяжелые (100 тонн ) грузы на Марс можно было бы доставить на Марс за 27 месяцев и сохранить примерно 55 процентов массы низкоорбитального корабля по прибытии на орбиту Марса, обеспечивая градиент низкой гравитации для космического корабля в течение всего времени его полета. путешествие. [26]
Однако эта форма гравитации не лишена проблем. В настоящее время единственные практические двигатели, которые могут двигать судно достаточно быстро, чтобы достичь скорости, сравнимой с гравитационным притяжением Земли, требуют ракет с химической реакцией , которые выбрасывают реакционную массу для достижения тяги, и, таким образом, ускорение может продолжаться только до тех пор, пока на судне есть топливо. . Судно также должно будет постоянно ускоряться и иметь постоянную скорость, чтобы поддерживать гравитационный эффект, и, следовательно, не будет иметь силы тяжести в неподвижном состоянии и может испытывать значительные колебания перегрузок, если судно будет ускоряться выше или ниже 1 g . Кроме того, для путешествий из одной точки в другую, таких как транзиты Земля-Марс, судам придется постоянно ускоряться на половине пути, выключать двигатели, выполнять переворот на 180°, повторно включать двигатели, а затем начинать замедляться по направлению к цели. пункт назначения, требуя, чтобы все внутри судна испытывало невесомость и, возможно, было закреплено на время переворота.
Двигательная система с очень высоким удельным импульсом (то есть с хорошей эффективностью использования реактивной массы , которую необходимо нести с собой и использовать для движения в пути) могла бы ускоряться медленнее, создавая полезный уровень искусственной гравитации в течение длительных периодов времени. Примерами могут служить различные электрические двигательные системы. Двумя примерами этой длительной, малой тяги и высокой импульсной двигательной установки, которые либо практически использовались на космических кораблях, либо планируются для использования в ближайшем будущем в космосе, являются двигатели на эффекте Холла и магнитоплазменные ракеты с переменным удельным импульсом (VASIMR). Оба обеспечивают очень высокий удельный импульс , но относительно низкую тягу по сравнению с более типичными ракетами с химической реакцией. Таким образом, они идеально подходят для длительных запусков, которые обеспечат ограниченное, но длительное, миллиграммовое искусственное гравитационное воздействие на космическом корабле. [ нужна цитата ]
В ряде научно-фантастических сюжетов ускорение используется для создания искусственной гравитации для межзвездных космических кораблей, приводимых в движение пока теоретическими или гипотетическими средствами.
Этот эффект линейного ускорения хорошо понятен и обычно используется для управления криогенной жидкостью при 0 g для послестартовых (последующих) запусков ракет разгонных ступеней в космосе . [27]
Американские горки , особенно запущенные американские горки или те, которые полагаются на электромагнитную тягу , могут обеспечить линейное ускорение «гравитации», как и транспортные средства с относительно высоким ускорением, такие как спортивные автомобили . Линейное ускорение можно использовать для обеспечения эфирного времени на американских горках и других захватывающих аттракционах.
В январе 2022 года газета South China Morning Post сообщила, что Китай построил небольшой (60 сантиметров (24 дюйма ) в диаметре ) исследовательский центр для моделирования низкой лунной гравитации с помощью магнитов . [28] [29] Сообщается, что объект был частично вдохновлен работами Андре Гейма (который позже получил Нобелевскую премию по физике 2010 года за исследования графена ) и Майкла Берри , которые оба получили Шнобелевскую премию по физике в 2000 году за магнитная левитация лягушки. [28] [29]
«Невесомое чудо» — это прозвище самолета НАСА, летающего по параболическим траекториям. Короче говоря, он обеспечивает почти невесомую среду для обучения космонавтов , проведения исследований и съемок кинофильмов. Параболическая траектория создает вертикальное линейное ускорение, соответствующее ускорению силы тяжести, создавая невесомость на короткое время, обычно 20–30 секунд, а затем примерно 1,8 g на аналогичный период . Прозвище «Рвотная комета» также используется для обозначения укачивания, которое часто испытывают пассажиры самолетов во время полета по параболическим траекториям. Такие самолеты с пониженной гравитацией в настоящее время эксплуатируются несколькими организациями по всему миру. [ нужна цитата ]
Лаборатория нейтральной плавучести (NBL) — центр подготовки астронавтов в учебном центре Сонни Картера в Космическом центре имени Джонсона НАСА в Хьюстоне, штат Техас . [30] НБЛ представляет собой большой закрытый бассейн с водой, самый большой в мире, [31] в котором астронавты могут выполнять моделируемые задачи выхода в открытый космос при подготовке к космическим полетам. NBL содержит полноразмерные макеты грузового отсека космического корабля "Шаттл" , полезной нагрузки и Международной космической станции (МКС). [32]
Для имитации невесомости космического пространства используется принцип нейтральной плавучести . [30] Астронавты в скафандрах опускаются в бассейн с помощью мостового крана , а их вес регулируется водолазами так, чтобы они не испытывали ни подъемной силы, ни вращательного момента вокруг своего центра масс . [30] Костюмы, которые носят в НБЛ, имеют более низкую оценку по сравнению с костюмами EMU, полностью предназначенными для полетов , такими как те, которые используются на космическом шаттле и Международной космической станции.
Резервуар NBL имеет длину 202 фута (62 м), ширину 102 фута (31 м) и глубину 40 футов 6 дюймов (12,34 м) и содержит 6,2 миллиона галлонов (23,5 миллиона литров) воды. [32] [33] Дайверы дышат найтроксом во время работы в резервуаре. [34] [35]
Нейтральная плавучесть в бассейне не является невесомостью , поскольку органы равновесия во внутреннем ухе все еще чувствуют направление силы тяжести вверх-вниз. Кроме того, вода оказывает значительное сопротивление . [36] Как правило, эффект сопротивления сводится к минимуму при медленном выполнении задач в воде. Еще одно различие между моделированием нейтральной плавучести в бассейне и реальным выходом в открытый космос во время космического полета заключается в том, что температура бассейна и условия освещения поддерживаются постоянными.
В научной фантастике искусственная гравитация (или отмена гравитации) или «парагравитация» [37] [38] иногда присутствует в космических кораблях, которые не вращаются и не ускоряются. В настоящее время не существует подтвержденного метода как такового, который мог бы моделировать гравитацию, кроме фактического вращения или ускорения. За годы существования такого устройства было много претензий. Евгений Подклетнов , российский инженер, с начала 1990-х годов утверждал, что создал такое устройство, состоящее из вращающегося сверхпроводника, создающего мощное « гравитомагнитное поле», но не было никакой проверки или даже отрицательных результатов от третьих лиц. В 2006 году исследовательская группа, финансируемая ЕКА, заявила , что создала аналогичное устройство, которое продемонстрировало положительные результаты в производстве гравитомагнетизма, хотя и производило всего 0,0001 г. [39] Этот результат не был воспроизведен.
Разработка методов управления жидкостями в условиях микрогравитации, которые обычно попадают в категорию, известную как обращение с осевшим топливом.
Исследования криогенных верхних ступеней, начиная с Сатурна S-IVB и Кентавра, показали, что придание баку
небольшого ускорения (всего от 10
-4
до 10
-5
г
) может заставить топливо принять желаемую конфигурацию, что позволяет Многие из основных задач по обращению с криогенными жидкостями должны выполняться аналогично наземным операциям.
Самый простой и наиболее продуманный метод осаждения — приложение тяги к космическому кораблю, заставляющее жидкость оседать на одном конце резервуара.
Интересно, что создание этого объекта частично было вдохновлено предыдущим исследованием, проведенным российским физиком Андреем Геймом, в ходе которого он управлял лягушкой с помощью магнита.
Этот эксперимент принес Гейму Шнобелевскую премию по физике — сатирическую награду за необычные научные исследования.
Круто, что причудливый эксперимент с плавающей лягушкой может привести к созданию чего-то похожего на настоящую антигравитационную камеру.
Говорят, что он является первым в своем роде и может сыграть ключевую роль в будущих лунных миссиях страны.
Магнитное поле поддерживало ландшафт и было вдохновлено экспериментами по левитации лягушки.
{{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link)