Искусственная гравитация — это создание инерционной силы , которая имитирует эффекты гравитационной силы , обычно путем вращения . [1] Искусственная гравитация, или вращательная гравитация , таким образом, является проявлением центробежной силы во вращающейся системе отсчета (передача центростремительного ускорения через нормальную силу в невращающейся системе отсчета), в отличие от силы, испытываемой при линейном ускорении , которое по принципу эквивалентности неотличимо от гравитации. В более общем смысле «искусственная гравитация» может также относиться к эффекту линейного ускорения, например, посредством 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 для неблагоприятных последствий для здоровья, вызванных длительной невесомостью в пилотируемых космических полетах . [3] Однако в настоящее время нет практических применений искусственной гравитации в открытом космосе для людей из-за опасений по поводу размера и стоимости космического корабля, необходимого для создания полезной центростремительной силы, сопоставимой с силой гравитационного поля на Земле ( g ). [4] Ученые обеспокоены влиянием такой системы на внутреннее ухо пассажиров. Беспокойство заключается в том, что использование центростремительной силы для создания искусственной гравитации вызовет нарушения во внутреннем ухе, что приведет к тошноте и дезориентации. Неблагоприятные эффекты могут оказаться невыносимыми для пассажиров. [5]
В контексте вращающейся космической станции именно радиальная сила, создаваемая корпусом космического корабля, действует как центростремительная сила. Таким образом, сила «гравитации», ощущаемая объектом, является центробежной силой, воспринимаемой во вращающейся системе отсчета как направленная «вниз» к корпусу.
По третьему закону Ньютона , значение небольшого g (воспринимаемое «нисходящее» ускорение) равно по величине и противоположно по направлению центростремительному ускорению. Это было проверено с помощью спутников, таких как Bion 3 (1975) и Bion 4 (1977); на борту обоих спутников были центрифуги, чтобы поместить некоторые образцы в среду искусственной гравитации.
С точки зрения людей, вращающихся вместе с обитаемым модулем, искусственная гравитация, возникающая при вращении, ведет себя аналогично обычной гравитации, но со следующими отличиями, которые можно смягчить, увеличив радиус космической станции.
В 1966 году миссия Gemini 11 попыталась создать искусственную гравитацию, вращая капсулу вокруг транспортного средства Agena Target Vehicle, к которому она была прикреплена 36-метровым тросом. Им удалось создать небольшое количество искусственной гравитации, около 0,00015 g , запустив свои боковые двигатели, чтобы медленно вращать объединенный корабль, как пару замедленных боласов . [10] Результирующая сила была слишком мала, чтобы ее почувствовал любой из астронавтов, но было замечено, что объекты движутся к «полу» капсулы. [11]
Искусственная гравитация была предложена в качестве решения различных рисков для здоровья, связанных с космическими полетами. [12] В 1964 году советская космическая программа считала, что человек не сможет выжить более 14 дней в космосе из-за страха, что сердце и кровеносные сосуды не смогут адаптироваться к условиям невесомости. [13] В конечном итоге этот страх оказался необоснованным, поскольку космические полеты теперь длятся до 437 дней подряд, [14] а миссии на борту Международной космической станции обычно длятся 6 месяцев. Однако вопрос безопасности человека в космосе действительно положил начало исследованию физических эффектов длительного воздействия невесомости. В июне 1991 года в ходе полета Spacelab Life Sciences 1 было проведено 18 экспериментов на двух мужчинах и двух женщинах в течение девяти дней. В среде без гравитации был сделан вывод, что реакция белых кровяных телец и мышечной массы снизилась. Кроме того, в течение первых 24 часов, проведенных в среде невесомости, объем крови уменьшился на 10%. [15] [4] [1] Длительные периоды невесомости могут вызвать отек мозга и проблемы со зрением. [16] По возвращении на Землю эффекты длительной невесомости продолжают оказывать влияние на организм человека, поскольку жидкости скапливаются обратно в нижней части тела, частота сердечных сокращений увеличивается, происходит падение артериального давления и снижается толерантность к физическим нагрузкам . [15]
Искусственная гравитация, благодаря своей способности имитировать поведение гравитации на человеческом теле, была предложена как один из наиболее всеобъемлющих способов борьбы с физическими эффектами, присущими невесомости. Другие меры, которые были предложены в качестве симптоматического лечения, включают упражнения, диету и костюмы Pingvin . Однако критика этих методов заключается в том, что они не полностью устраняют проблемы со здоровьем и требуют различных решений для решения всех проблем. Искусственная гравитация, напротив, устранила бы невесомость, присущую космическим путешествиям. Внедрив искусственную гравитацию, космическим путешественникам никогда не пришлось бы испытывать невесомость или связанные с ней побочные эффекты. [1] Особенно в современном шестимесячном путешествии на Марс , воздействие искусственной гравитации предлагается либо в непрерывной, либо в прерывистой форме, чтобы предотвратить крайнее истощение астронавтов во время путешествия. [12]
Несколько предложений включили в свою конструкцию искусственную гравитацию:
Некоторые из причин, по которым искусственная гравитация остается неиспользованной сегодня в космических полетах, восходят к проблемам, присущим ее реализации . Одним из реалистичных методов создания искусственной гравитации является центробежный эффект, вызванный центростремительной силой пола вращающейся конструкции, которая толкает человека вверх. Однако в этой модели возникают проблемы с размером космического корабля. Как выразили Джон Пейдж и Мэтью Фрэнсис, чем меньше космический корабль (чем короче радиус вращения), тем быстрее требуется вращение. Таким образом, для имитации гравитации было бы лучше использовать более крупный космический корабль, который вращается медленно.
Требования к размеру вращения обусловлены различными силами, действующими на части тела на разных расстояниях от оси вращения. Если части тела, расположенные ближе к оси вращения, испытывают силу, существенно отличающуюся от тех частей, которые находятся дальше от оси, то это может иметь неблагоприятные последствия. Кроме того, остаются вопросы о том, какой наилучший способ изначально установить вращательное движение, не нарушая устойчивости всей орбиты космического корабля. На данный момент нет корабля, достаточно массивного, чтобы соответствовать требованиям вращения, а расходы, связанные со строительством, обслуживанием и запуском такого корабля, велики. [4]
В целом, учитывая небольшое количество негативных последствий для здоровья, которые присутствуют в современных, как правило, более коротких космических полетах, а также очень большую стоимость исследований для технологии, которая пока не так уж и нужна, современное развитие технологии искусственной гравитации неизбежно было замедленным и спорадическим. [1] [15]
По мере увеличения продолжительности типичных космических полетов потребность в искусственной гравитации для пассажиров в таких длительных космических полетах, безусловно, также возрастет, и, следовательно, знания и ресурсы, доступные для создания такой искусственной гравитации, скорее всего, также возрастут. Подводя итог, можно сказать, что это, вероятно, лишь вопрос времени, сколько времени может пройти, прежде чем условия станут подходящими для завершения разработки технологии искусственной гравитации, которая почти наверняка потребуется в какой-то момент вместе с возможным и неизбежным развитием увеличения средней продолжительности космического полета. [25]
В нескольких научно-фантастических романах, фильмах и сериалах рассказывается о создании искусственной гравитации.
Линейное ускорение — еще один метод создания искусственной гравитации, при котором тяга двигателей космического корабля создает иллюзию нахождения под действием гравитационного притяжения. Космический корабль, движущийся с постоянным ускорением по прямой, будет иметь вид гравитационного притяжения в направлении, противоположном ускорению, поскольку тяга двигателей заставит космический корабль «выталкивать» себя вверх в объекты и людей внутри судна, тем самым создавая ощущение веса. Это происходит из-за третьего закона Ньютона : вес, который человек будет чувствовать, стоя в линейно ускоряющемся космическом корабле, не будет истинным гравитационным притяжением, а просто реакцией самого себя, толкающего корпус корабля, когда он отталкивается. Аналогично, объекты, которые в противном случае свободно плавали бы внутри космического корабля, если бы он не ускорялся, «падали» бы в сторону двигателей, когда он начал бы ускоряться, как следствие первого закона Ньютона : плавающий объект оставался бы в состоянии покоя, в то время как космический корабль ускорялся бы в его сторону, и наблюдателю внутри казалось бы, что объект «падает».
Чтобы имитировать искусственную гравитацию на Земле, космический корабль, использующий линейное ускорение гравитации, может быть построен подобно небоскребу, с его двигателями в качестве нижнего «пола». Если бы космический корабль ускорялся со скоростью 1 g — гравитационное притяжение Земли — люди внутри были бы вдавлены в корпус 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 могла бы функционально создавать иллюзию гравитационного поля, которое является однородным и однонаправленным по всему космическому кораблю, без необходимости в больших вращающихся кольцах, чьи поля могут быть неоднородными, не однонаправленными по отношению к космическому кораблю и требовать постоянного вращения. Это также имело бы преимущество относительно высокой скорости: космический корабль, ускоряющийся со скоростью 1 g , 9,8 м/с 2 , в течение первой половины путешествия, а затем замедляющийся в течение другой половины, мог бы достичь Марса в течение нескольких дней. [27] Аналогично, гипотетическое космическое путешествие с использованием постоянного ускорения 1 g в течение одного года достигло бы релятивистских скоростей и позволило бы совершить путешествие туда и обратно к ближайшей звезде, Проксиме Центавра . Таким образом, низкоимпульсное, но долгосрочное линейное ускорение было предложено для различных межпланетных миссий. Например, даже тяжелые (100 тонн ) грузовые полезные грузы на Марс можно было бы доставить на Марс за 27 месяцев и сохранить примерно 55 процентов массы корабля LEO по прибытии на орбиту Марса, обеспечивая космическому кораблю градиент низкой гравитации в течение всего путешествия. [28]
Однако эта форма гравитации не лишена проблем. В настоящее время единственные практические двигатели, которые могли бы разогнать судно достаточно быстро, чтобы достичь скорости, сопоставимой с гравитационным притяжением Земли, требуют химических реактивных ракет , которые выталкивают реактивную массу для достижения тяги, и, таким образом, ускорение может длиться только до тех пор, пока у судна есть топливо. Судно также должно будет постоянно ускоряться и иметь постоянную скорость, чтобы поддерживать гравитационный эффект, и, таким образом, не будет иметь гравитации в неподвижном состоянии и может испытывать значительные колебания g -сил, если судно будет ускоряться выше или ниже 1 g . Кроме того, для путешествий из точки в точку, таких как транзиты Земля-Марс, судам необходимо будет постоянно ускоряться в течение половины пути, выключать свои двигатели, выполнять переворот на 180°, повторно активировать свои двигатели, а затем начинать замедление по направлению к целевому пункту назначения, требуя, чтобы все внутри судна испытывало невесомость и, возможно, было закреплено на время переворота.
Двигательная установка с очень высоким удельным импульсом (то есть с хорошей эффективностью использования реактивной массы , которую необходимо нести с собой и использовать для движения в пути) может ускоряться медленнее, создавая полезные уровни искусственной гравитации в течение длительных периодов времени. Примерами служат различные электрические двигательные установки. Два примера этой длительной, малой тяги и высокого импульса, которые либо практически использовались на космических кораблях, либо планируются для краткосрочного использования в космосе, — это двигатели Холла и ракеты с магнитоплазмой с переменным удельным импульсом (VASIMR). Обе обеспечивают очень высокий удельный импульс , но относительно низкую тягу по сравнению с более типичными химическими реактивными ракетами. Таким образом, они идеально подходят для длительных запусков, которые обеспечат ограниченное количество, но долгосрочные уровни миллиграмм искусственной гравитации в космических кораблях. [ необходима цитата ]
В ряде научно-фантастических произведений ускорение используется для создания искусственной гравитации для межзвездных космических кораблей, приводимых в движение пока еще теоретическими или гипотетическими способами.
Этот эффект линейного ускорения хорошо изучен и обычно используется для управления криогенной жидкостью с перегрузкой 0 g для послезапускных (последующих) запусков в космосе верхних ступеней ракет. [29]
Американские горки , особенно запущенные или те, которые полагаются на электромагнитную тягу , могут обеспечить линейное ускорение «гравитация», и так же могут транспортные средства с относительно высоким ускорением, такие как спортивные автомобили . Линейное ускорение может использоваться для обеспечения воздушного времени на американских горках и других захватывающих аттракционах.
В январе 2022 года газета South China Morning Post сообщила, что Китай построил небольшую ( диаметром 60 сантиметров (24 дюйма ) ) исследовательскую установку для моделирования низкой лунной гравитации с помощью магнитов . [30] [31] Сообщается, что установка была частично вдохновлена работами Андре Гейма (который позже разделил Нобелевскую премию по физике 2010 года за свои исследования графена ) и Майкла Берри , которые оба разделили Шнобелевскую премию по физике в 2000 году за магнитную левитацию лягушки. [30] [31]
Weightless Wonder — прозвище самолета NASA, летающего по параболическим траекториям. Вкратце, он обеспечивает почти невесомую среду для обучения астронавтов , проведения исследований и съемок фильмов. Параболическая траектория создает вертикальное линейное ускорение, которое соответствует ускорению силы тяжести, обеспечивая нулевую гравитацию на короткое время, обычно 20–30 секунд, за которым следует приблизительно 1,8g на аналогичный период. Также используется прозвище Vomit Comet , ссылаясь на укачивание, которое часто испытывают пассажиры самолетов во время этих параболических траекторий. Такие самолеты с пониженной гравитацией в настоящее время эксплуатируются несколькими организациями по всему миру. [ необходима ссылка ]
Лаборатория нейтральной плавучести (NBL) — это учебное заведение для астронавтов в учебном центре имени Сонни Картера в Космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне, штат Техас . [32] NBL — это большой крытый бассейн с водой, крупнейший в мире, [33] в котором астронавты могут выполнять имитацию задач выхода в открытый космос в рамках подготовки к космическим миссиям. NBL содержит полноразмерные макеты грузового отсека космического челнока , полетных грузов и Международной космической станции (МКС). [34]
Принцип нейтральной плавучести используется для имитации невесомости в космосе. [32] Астронавты в скафандрах опускаются в бассейн с помощью мостового крана , а их вес регулируется водолазами поддержки таким образом, чтобы они не испытывали никакой выталкивающей силы и вращательного момента относительно своего центра масс . [32] Костюмы, которые носят в NBL, имеют меньшие характеристики по сравнению с полностью рассчитанными на полет костюмами EMU , такими как те, которые используются на космическом челноке и Международной космической станции.
Длина резервуара NBL составляет 202 фута (62 м), ширина — 102 фута (31 м), глубина — 40 футов 6 дюймов (12,34 м), в нем содержится 6,2 миллиона галлонов (23,5 миллиона литров) воды. [34] [35] Водолазы дышат нитроксом во время работы в резервуаре. [36] [37]
Нейтральная плавучесть в бассейне не является невесомостью , поскольку органы равновесия во внутреннем ухе все еще чувствуют направление гравитации вверх-вниз. Кроме того, вода оказывает значительное сопротивление . [38] Как правило, эффекты сопротивления сводятся к минимуму, если выполнять задачи в воде медленно. Еще одно различие между имитацией 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» [39] [40] иногда присутствует в космических аппаратах, которые не вращаются и не ускоряются. В настоящее время не существует подтвержденной техники как таковой, которая может имитировать гравитацию, отличную от реального вращения или ускорения. За эти годы было много заявлений о таком устройстве. 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 никаких подтверждений или даже отрицательных результатов от третьих лиц. В 2006 году исследовательская группа, финансируемая ЕКА, заявила, что создала похожее устройство, которое продемонстрировало положительные результаты для создания гравитомагнетизма, хотя оно производило всего 0,0001 г. [ 41] Этот результат не был воспроизведен.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )Разработка методов манипулирования жидкостями в условиях микрогравитации, которые обычно попадают в категорию, известную как обработка оседлого топлива. Исследования криогенных верхних ступеней, начиная с Saturn S-IVB и Centaur, показали, что предоставление небольшого ускорения (всего от 10−4
до
10−5
g
ускорения
) баку может заставить топливо принять желаемую конфигурацию, что позволяет выполнять многие из основных задач по обработке криогенной жидкости аналогично наземным операциям. Самый простой и наиболее зрелый метод оседания заключается в приложении тяги к космическому аппарату, заставляя жидкость оседать на одном конце бака.
, что объект был частично вдохновлен предыдущими исследованиями, проведенными российским физиком Андреем Геймом, в которых он плавал с лягушкой с помощью магнита. Эксперимент принес Гейму Шнобелевскую премию по физике, сатирическую награду за необычные научные исследования. Круто, что причудливый эксперимент с плаванием лягушки может привести к чему-то, приближающемуся к настоящей антигравитационной камере.
Говорят, что это первая в своем роде луна, которая 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)