Простым языком гравитация — это сила взаимного притяжения между всеми объектами во Вселенной. Данный процесс описан законом всемирного тяготения, который открыл Исаак Ньютон в 1667 году. К Земле мы буквально «привязаны» силой тяжести, одним из проявлений силы из вышеупомянутого закона.
С началом освоения космоса стало понято, что чем дальше и дольше от Земли находится пилотируемый космический корабль, тем слабее гравитация, тем больше возникает проблем у членов экипажа — человеческий организм испытывает серьезные проблемы без привычной ему земной гравитации. Не решив их, об освоении дальнего космоса можно забыть.
Ведущие мировые космические игроки — NASA, ESA, Роскосмос, космические агентства Китая и других стран, а в последнее время и частные компании заняты разработкой систем искусственной гравитации, а проще — поисками возможности искусственного воздействия на силу тяжести.
Почему человеку необходима гравитация
Гравитация необходима человеку, как фактор стабильности его земной жизни. Благодаря силе тяжести, Земля удерживает атмосферу, воду и все находящиеся на ее поверхности объекты. Гравитация также определяет нормальное протекание физиологических процессов всего живого.
В условиях микрогравитации — состояния невесомости, в котором оказываются члены экипажей космических кораблей на околоземной орбите — происходят потеря костной массы, атрофия мышц, нарушается функционирование сердечно-сосудистой системы, вестибулярного аппарата. При дальних космических экспедициях (к примеру, на Марс) эти риски кратно возрастут.
Основные принципы искусственной гравитации: вращение и центробежная сила
Искусственная гравитация — это устойчивая сила, специально созданная человеком при помощи технологии. Один из способов — центробежная сила. Речь идет о силе, с которой движущаяся материальная точка действует на тело, ограничивающее свободу движения точки и вынуждающее ее двигаться криволинейно.
Центробежная сила
Для создания комфортной силы тяжести космический корабль должен иметь большой радиус, поскольку центробежная сила зависит от радиуса — чем ближе к центру вращения, тем меньше ощущается сила тяжести.
Идея «станции-колеса»
Константин Эдуардович Циолковский еще в 1903 г. описал «космический отель-бублик», а позже в 50-х годах Вернер фон Браун составил проект «космического колеса» диаметром 76 м. Концепцию «станции-колеса» с энтузиазмом восприняли писатели-фантасты и авторы многочисленных фильмов-фэнтези («Интерстеллар», «Марсианин», «2001: Космическая одиссея» и другие).
Журнал «Техника Молодежи», 1950 г
Но даже столь привлекательную идею от ее воплощения отделяет пропасть из технических и инженерных проблем, колоссальных затрат и особенностей физиологии человека.
Какая она, комфортная гравитация?
Однако идея станции-колеса не лишена недостатков. У космических аппаратов с небольшим радиусом на ноги и на голову космонавтов будет действовать разное ускорение: дальше от оси вращения, тем сильнее искусственная гравитация. Это может вызывать физиологический дискомфорт.
Еще одна проблема — сила Кориолиса, возникающая в неинерциальной системе отсчета. При движении поперек направления вращения она вызывает отклонения траекторий тела и жидкостей во внутреннем ухе, что может приводить к дезориентации, головокружению и тошноте.
Чтобы снизить эти эффекты до комфортного уровня, станция должна иметь огромные размеры с большим радиусом и низкую угловую скорость вращения, что делает ее конструкцию сложной и дорогой. К тому же пока неясно, как обеспечить постоянный доступ к отсекам с искусственной гравитацией.
А как насчет вращения модуля небольшого размера? Чем меньше радиус вращения, тем больше угловая скорость, необходимая для создания нужного значения искусственной гравитации. К примеру, для создания земной гравитации при 26 об/мин необходимый радиус вращения составляет 1,3 м. В таком крошечном аппарате голова астронавта может оказаться ближе к центру вращения, чем ноги, что создаст для него естественный в этом случае дискомфорт.
Проекты вращающихся космических станций
Известны несколько проектов вращающихся космических станций. Один из них — Stanford Torus, предложенный в 1975 году в рамках исследования НАСА и разработанный в Стэндфордском университете с целью изучения проектов будущих космических колоний. Подробное описание проекта было опубликовано в 1977 году в книге «Космические поселения: исследования дизайна» Ричарда Джонсона и Чарльза Холброу.
Проект Stanford Torus
Stanford Torus в форме кольца была рассчитана на 10000 человек. Диаметр кольца составляет 1,8 км, которое совершало 1 оборот в минуту, создавая гравитацию от 0,9 до 1,0 g. Кольцо соединяется с центром станции несколькими «спицами» — галереями сообщения. Поскольку в центре наименьшая гравитация, это самое лучшее место для стыковки с прибывающими кораблями.
Концепция O’Neill cylinder, или колония О’Нила — концепция космического поселения, предложенная американским физиком Джерардом О’Нилом в 1976 году. В соответствии с ней, обитаемый цилиндр состоит из двух цилиндров, вращающихся в противоположных направлениях, чтобы компенсировать любые гироскопические эффекты, затрудняющие ориентацию на Солнце.
Проект O’Neill cylinder
Диаметр каждого цилиндра — 8 км, длинна — 32 км. Цилиндры связаны между собой с концов штоками через систему подшипников. Их вращение и создает искусственную гравитацию.
Проект космической станции Haven-1
Свою версию космических станций предлагают американские стартапы Vast и Voyager Space. Основанная предпринимателем Джедом Маккалебом компания Vast работает над созданием космической станции Haven-1. Ее размеры 10,1 х 4,4 м (длина, диаметр), объем 45 куб. м, экипаж — 4 человека, продолжительность миссии — 30 дней. Одна из целей миссии — эксперименты по имитации лунной гравитации. Первый запуск запланирован на май 2026 год.
Компания Voyager Space совместно с Airbus Defence and Space при поддержке NASA и ESA разрабатывают космическую станцию Starlab. Она будет состоять из двух модулей — жилого и лабораторного. Диаметр — 8 метров, экипаж — до 4 человек. Предполагается проводить до 400 экспериментов в год, в том числе с искусственной гравитацией.
Космическая станция Starlab
Еще один совместный проект НАСА и ЕКА — LISA по созданию орбитальной обсерватории для измерения гравитационных волн. Согласно проекту, антенну LISA дополнят три космических аппарата, расположенные в 2,5 млн. км друг от друга треугольником.
По мере движения станции вокруг Земли аппараты будут поддерживать расположение в виде равностороннего треугольника и обмениваться между собой лазерными лучами. Предполагаемый запуск LISA — не ранее 2036 года.
Модульная искусственная гравитация
Однако пока гигантские вращающиеся космические станции с искусственной гравитацией — далекое будущее. Сегодня речь может идти лишь об отдельных фрагментах (капсулах) современных космических станций, где можно имитировать гравитацию, отдаленно напоминающую земную.
Проблему искусственной гравитации на космической станции могла бы решить центрифуга короткого радиуса. Впервые она была разработана в СССР в 1978 году. Плечо-ложемент составляло 2 метра. Однако тогда от нее отказались, поскольку полеты продолжались недолго.
В 2015 году была создана центрифуга нового поколения с радиусом уже 2,5 метра и двумя плечами ложементов для двух космонавтов. В настоящее время на МКС действует небольшой модуль центрифуг JAXA для исследования влияния искусственной гравитации на животных. К 2030 году планируется оснастить центрифугой короткого радиуса будущую российскую орбитальную станцию (РОС).
Модуль центрифуг JAXA
Принцип «краткосрочной гравитации» используется в некоторых методиках упражнений, к примеру, с помощью аппарата 3D Newton. Цель этих упражнений — усиление двигательной активности мышц, прикрепленных к позвоночнику, оптимизации позвоночника и всего опорно-двигательного аппарата.
Эксперименты с искусственной гравитацией проводили японские ученые. Для этого они задействовали установку MARS — центрифугу с капсулами, где находились мыши. Устройство приводилось во вращение, создавая в условиях невесомости гравитацию, равную земной.
В 2024 году японские ученые представили проект конструкции Neo Lunar Glass, которую предлагается возвести на Луне к 2030 годам для создания искусственной гравитации.
Искусственная гравитация и миссии на Марс
По расчетам ученых, полет на Марс может продолжаться 9-10 месяцев, и в этих условиях система искусственной гравитации будет жизненно необходима.
В октябре текущего года российская РКК «Энергия» получила патент на перспективную систему, состоящую из осевого модуля, который соединяет между собой статическую и вращающуюся секции с помощью герметичного подвижного узла. К нему присоединены 4 орбитальных отсека, где длительное время могут находиться члены экипажа.
Проект РКК Энергия
В процессе вращения модули создают ускорение 0,5 g — около половины земной гравитации. Для этого станция должна вращаться с частотой 5 об/мин при радиусе 40 метров.
Продолжаются исследования гравитации нашего ближайшего космического соседа и спутника — Луны. В рамках миссии НАСА GRAIL на окололунную орбиту были отправлены космические аппараты GRAIL-A и GRAIL-B.
Близко находясь друг от друга, они с помощью радиосигналов измеряли расстояние между собой и определяли, как гравитация влияет на них. В результате была создана карта гравитации Луны.
Ограничения и инженерные трудности
По-прежнему на пути к искусственной гравитации остается множество технических и инженерных проблем. К примеру, при длительной работе центрифуги на борту космической станции возникнет вибрация, которая может отрицательно влиять на ее работу.
Оптимальная работа систем искусственной гравитации возможна лишь на космической станции колоссальных размеров. Так предполагаемая длинна «Цилиндра О’Нилла» составляет 32 км, а диаметр — 4км, диаметр «Стэнфордского тора» 1,8 км.
Для обеспечения стабильности вращения космической станции-колеса необходим баланс сил, возникающих при вращении. Это важно, поскольку вращение создает искусственную гравитацию.
Расчеты показывают, что для комфорта человека оптимальная скорость вращения не должна превышать 1-2 об/мин. Перемещение людей и предметов на вращающейся станции создает радиальное биение и разбалансировку. Чтобы избежать этого, необходима система противовесов-компенсаторов.
Создание огромных вращающихся космических станций потребует гигантских материальных и финансовых затрат. Следует иметь в виду, собирать их придется на орбите, а все необходимое для этого доставлять грузовыми космическими кораблями. Это значит, что конструкторам и сборщикам придется продумать вопросы логистики и стыковки.
При всей остающейся сложности реализации идеи, искусственная гравитация уже перешла из категории фантастики во вполне решаемую инженерную задачу. То, что она будет решена — лишь вопрос времени, после чего человеческая экспансия в дальний космос станет реальностью.
