Войти
Gemini 11 Операции на привязи Agena 
Предлагается Nautilus-X Демо-концепция центрифуги для международной космической станции, 2011. Искусственная гравитация (иногда называемая псевдогравитацией ) - это создание силы инерции, которая имитирует эффекты гравитационной силы, обычно посредством вращения. Искусственная гравитация или вращательная сила тяжести, таким образом, является проявлением центробежной силы в вращающейся системе отсчета (передача центростремительного ускорения через нормальную силу в невращающейся системе отсчета), в отличие от силы, испытываемой в линейном ускорении, которая по принципу эквивалентности неотличима от сила тяжести. В более общем смысле «искусственная гравитация» может также относиться к эффекту линейного ускорения, например с помощью ракетного двигателя .
Моделируемая вращательная сила тяжести использовалась в симуляциях, чтобы помочь астронавтам тренироваться в экстремальных условиях. Вращательная симулированная гравитация была предложена в качестве решения в космическом полете человека для устранения неблагоприятных последствий для здоровья, вызванных длительной невесомостью. Однако в настоящее время нет практических применений искусственной гравитации для людей в космическом пространстве из-за опасений по поводу размера и стоимости космического корабля, необходимого для создания полезной центростремительной силы, сопоставимой с силой гравитационного поля на Земле (g). Ученые обеспокоены влиянием такой системы на внутреннее ухо пассажиров. Беспокойство вызывает то, что использование центростремительной силы для создания искусственной гравитации вызовет нарушения во внутреннем ухе, что приведет к тошноте и дезориентации. Неблагоприятные последствия могут оказаться невыносимыми для находящихся в нем людей.
Космическая станция с искусственной гравитацией. Концепция НАСА 1969 года. Недостатком является то, что астронавты будут ходить взад и вперед между более высокой гравитацией около концов и более низкой гравитацией около центра. Искусственная гравитация может быть создана с помощью центростремительной силы. Для движения любого объекта по круговой траектории требуется центростремительная сила, направленная к центру поворота. В контексте вращающейся космической станции именно нормальная сила, создаваемая корпусом космического корабля, действует как центростремительная сила. Таким образом, «гравитационная» сила, воспринимаемая объектом центробежная сила, воспринимаемая в вращающейся системе отсчета как направленная «вниз» в сторону корпуса. В соответствии с Третьим законом Ньютона значение маленького g (воспринимаемое ускорение «вниз») равно по величине и противоположно направлению центростремительного ускорения.
Шары во вращающемся космическом корабле С точки зрения людей, вращающихся вместе с средой обитания, искусственная гравитация за счет вращения ведет себя в некотором роде аналогично нормальной гравитации, но с следующие отличия:
Эта форма искусственной гравитации имеет дополнительные технические проблемы:
| Формулы |
|---|
 где: R = радиус от центра вращение. a = Искусственная гравитация. T = Период вращения космического корабля |
Скорость в об / мин для центрифуги заданного радиуса для достижения заданной силы перегрузки Инженерные проблемы создания вращающегося космического корабля сравнительно скромны по сравнению с любым другим предложенным подходом. Теоретические конструкции космических аппаратов с использованием искусственной гравитации имеют множество вариантов с присущими им проблемами и преимуществами. Формула для центростремительной силы подразумевает, что радиус вращения растет пропорционально квадрату периода вращения космического аппарата, поэтому удвоение периода требует четырехкратного увеличения радиуса вращения. Например, для получения стандартной силы тяжести, ɡ 0 = 9,80665 м / с при периоде вращения космического корабля 15 с, радиус вращения должен быть 56 м (184 фута)., в то время как для периода 30 секунд потребуется 224 м (735 футов). Для уменьшения массы опора по диаметру могла состоять только из троса, соединяющего две секции космического корабля. Среди возможных решений - жилой модуль и противовес, состоящий из любой другой части космического корабля, в качестве альтернативы можно было бы присоединить два жилых модуля аналогичного веса.
Какой бы дизайн ни был выбран, космическому кораблю необходимо обладать средствами для быстрой передачи балласта из одной секции в другую, в противном случае даже небольшие изменения массы могут вызвать существенное смещение в оси космического корабля, что приведет к опасному «раскачиванию». Одним из возможных решений было бы спроектировать водопроводную систему космического корабля для этой цели с использованием питьевой воды и / или сточных вод в качестве балласта.
Пока неизвестно, приносит ли воздействие высокой силы тяжести в течение коротких периодов такую же пользу для здоровья, как постоянное воздействие нормальной силы тяжести. Также неизвестно, насколько эффективны низкие уровни гравитации для противодействия неблагоприятному влиянию невесомости на здоровье. Для искусственной гравитации при 0,1 g и периода вращения космического корабля 30 с потребуется радиус всего 22 м (72 фута). Точно так же на радиусе 10 м потребуется период чуть более 6 с для создания стандартной силы тяжести (у бедер; сила тяжести будет на 11% выше у ног), а 4,5 с - 2g. Если кратковременное воздействие высокой силы тяжести может свести на нет вредное воздействие невесомости, тогда небольшую центрифугу можно использовать в качестве зоны для упражнений.
Миссия Близнецы 11 пыталась создать искусственную гравитацию, вращая капсулу вокруг Целевого Транспортного средства Agena, к которому она была прикреплена 36-метровый трос. Они смогли создать небольшое количество искусственной гравитации, около 0,00015 г, запустив свои боковые двигатели, чтобы медленно вращать комбинированный аппарат, как пара медленных боласов. Результирующая сила была слишком мала, чтобы ее мог почувствовать любой из астронавтов, но наблюдались объекты, движущиеся к «полу» капсулы. Миссия Gemini 8 достигла искусственной гравитации за несколько минут. Однако это произошло из-за неисправности в электросети, вызвавшей непрерывное срабатывание одного двигателя. Разгонные силы на экипаж были высокими (около 4 g), и задание пришлось срочно прекратить.
Искусственная гравитация была предложена для межпланетных путешествий на Марс Искусственная гравитация была предложена как решение различных рисков для здоровья, связанных с космическими полетами. В 1964 году в рамках советской космической программы считалось, что человек не может прожить в космосе более 14 дней из-за опасений, что сердце и кровеносные сосуды будут не может адаптироваться к условиям невесомости. В конечном итоге этот страх оказался необоснованным, поскольку космические полеты продолжаются до 437 дней подряд, а миссии на борту Международной космической станции обычно длятся 6 месяцев. Тем не менее, вопрос о безопасности человека в космосе действительно положил начало исследованию физических эффектов длительного пребывания в невесомости. В июне 1991 года в полете Spacelab Life Sciences 1 было проведено 18 экспериментов на двух мужчинах и двух женщинах в течение девяти дней. В условиях отсутствия гравитации был сделан вывод, что реакция белых кровяных телец и мышечной массы уменьшилась. Кроме того, в течение первых 24 часов пребывания в невесомости объем крови уменьшился на 10%. Длительные периоды невесомости могут вызвать отек мозга и проблемы со зрением. По возвращении на Землю последствия продолжительной невесомости продолжают влиять на человеческое тело, поскольку жидкости скапливаются обратно в нижнюю часть тела, частота сердечных сокращений повышается, происходит падение артериального давления, и там - это ограниченная способность упражняться.
Искусственная гравитация из-за ее способности имитировать поведение гравитации на человеческом теле было предложено как один из наиболее всеобъемлющих способов борьбы с физические эффекты, присущие невесомости. Другие меры, которые были предложены в качестве симптоматического лечения, включают упражнения, диету и костюмы для пингвинов. Однако критика этих методов заключается в том, что они не устраняют полностью проблемы со здоровьем и требуют различных решений для решения всех проблем. Искусственная гравитация, напротив, устранит невесомость, присущую космическим путешествиям. Благодаря искусственной гравитации космическим путешественникам никогда не придется испытывать невесомость или связанные с ней побочные эффекты. В особенности в современном шестимесячном путешествии к Марсу воздействие искусственной гравитации рекомендуется в непрерывной или периодической форме, чтобы предотвратить крайнее истощение астронавтов во время путешествия.
Вращающийся космический корабль Марса - концепция НАСА 1989 года. В ряде предложений искусственная гравитация была включена в их конструкцию:
Взгляд художника на TEMPO³ на орбите. Некоторые из причин, по которым искусственная гравитация не используется сегодня в космических полетах вернуться к проблемам, присущим реализации. Один из реалистичных методов создания искусственной гравитации - центростремительная сила, тянущая человека к относительному полу. Однако в этой модели возникают проблемы с размером космического корабля. Как выразились Джон Пейдж и Мэтью Фрэнсис, чем меньше космический аппарат (чем меньше радиус вращения), тем более быстрое вращение требуется. Таким образом, для моделирования гравитации было бы более идеальным использовать более крупный космический корабль, который медленно вращается. Требования к размеру с учетом вращения обусловлены различными силами, действующими на части тела на разном расстоянии от центра вращения. Если части тела, расположенные ближе к центру вращения, испытывают силу, значительно отличающуюся от частей, расположенных дальше от центра, это может иметь неблагоприятные последствия. Кроме того, остаются вопросы о том, как лучше всего изначально установить вращательное движение, не нарушая стабильности орбиты всего космического корабля. На данный момент нет корабля, достаточно массивного, чтобы соответствовать требованиям ротации, и затраты, связанные со строительством, обслуживанием и запуском такого корабля, огромны.
В целом, с ограниченные последствия для здоровья, присущие более коротким космическим полетам, а также высокая стоимость исследований, применение искусственной гравитации часто задерживается и спорадически.
Некоторые науки В художественных романах, фильмах и сериалах использовалась искусственная гравитация. В фильме 2001: Космическая одиссея вращающаяся центрифуга космического корабля Discovery создает искусственную гравитацию. В романе Марсианин космический корабль Гермес намеренно создает искусственную гравитацию; в нем используется кольцевая структура, на периферии которой действуют силы около 40% гравитации Земли, аналогичные гравитации Марса. В фильме Interstellar показан космический корабль Endurance, который может вращаться вокруг своей центральной оси для создания искусственной гравитации, управляемой ретро-двигателями на корабле.
Тренировка High-G проводится авиаторами и астронавтами, которые подвергаются высоким уровням ускорения (G) в центрифугах большого радиуса. Он разработан для предотвращения потери сознания, вызванной g (сокращенно G-LOC ), ситуации, когда g-силы отводят кровь от мозга до такой степени, что сознание потеряно. Инциденты потери сознания из-за ускорения привели к несчастным случаям со смертельным исходом в самолетах, способных выдерживать высокие перегрузки в течение значительных периодов времени.
В парках развлечений, маятниковые аттракционы и центрифуги обеспечивают вращающую силу. Американские горки также подходят, когда они проходят через провалы, неровности или петли. При преодолении холма время, в течение которого ощущается нулевая или отрицательная гравитация, называется воздушным временем, или «эфирным временем», которое можно разделить на «воздушное время поплавка» (для невесомости) и «эжекторное время». время "(для отрицательной силы тяжести).
Линейное ускорение, даже на низком уровне, может обеспечить достаточную g-силу для получения полезных преимуществ. Космический корабль, находящийся при постоянном ускорении по прямой линии, будет создавать впечатление силы тяжести в направлении, противоположном ускорению. Это «притяжение», которое может привести к «падению» незакрепленного объекта на корпус космического корабля, на самом деле является проявлением инерции объектов внутри космического корабля в соответствии с первым законом Ньютона. Кроме того, «гравитация», которую ощущает объект, прижатый к корпусу космического корабля, представляет собой просто силу реакции объекта на корпусе, реагирующую на силу ускорения корпуса на объект, в соответствии с третьим законом Ньютона и чем-то похожим на воздействие на объект, прижатый к корпусу космического корабля, вращающегося, как описано выше. В отличие от искусственной гравитации, основанной на вращении, линейное ускорение создает вид гравитационного поля, которое одновременно является однородным по всему космическому кораблю и лишено недостатка дополнительных фиктивных сил.
Некоторые химические реактивные ракеты могут, по крайней мере, временно обеспечивать ускорение, достаточное для преодоления земного притяжения, и, таким образом, обеспечивать линейное ускорение для имитации земной силы тяжести. Однако, поскольку все такие ракеты обеспечивают это ускорение, выбрасывая реакционную массу, такое ускорение будет только временным, пока не будет израсходован ограниченный запас ракетного топлива.
Тем не менее, постоянное линейное ускорение желательно, поскольку в дополнение к созданию искусственной силы тяжести оно теоретически может обеспечить относительно короткое время полета вокруг Солнечной системы. Например, если бы была доступна двигательная установка, способная поддерживать ускорение в 1g непрерывно, космический корабль, ускоряющийся (а затем замедляющийся во второй половине пути) на 1g, достиг бы Марса в течение нескольких дней. Точно так же гипотетическое космическое путешествие с использованием постоянного ускорения в 1g в течение одного года достигнет релятивистских скоростей и позволит совершить путешествие к ближайшей звезде Проксима Центавра.
Как такое малоимпульсное, но длительное линейное ускорение было предложено для различных межпланетных миссий. Например, даже тяжелые (100 тонн ) полезные грузы на Марс могут быть доставлены на Марс за 27 месяцев и сохранят примерно 55 процентов массы аппарата LEO по прибытии на орбиту Марса, обеспечение низкого градиента силы тяжести космического корабля на протяжении всего полета.
Движительная установка с очень высоким удельным импульсом (то есть хорошей эффективностью при использовании реакционной массы, которые необходимо брать с собой и использовать для движения в пути) может ускоряться медленнее, создавая полезные уровни искусственной гравитации в течение длительных периодов времени. Примеры приведены в различных системах электрического движения. Двумя примерами этой долговечной малой тяги, высокоимпульсной двигательной установки, которые либо практически используются на космических кораблях, либо планируются для использования в ближайшем будущем в космосе, являются двигатели с эффектом 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 пусков, которые обеспечили бы ограниченное количество, но долгосрочное, миллиграммовое искусственное притяжение в космическом корабле.
В ряде научно-фантастических сюжетов ускорение используется для создавать искусственную гравитацию для межзвездного космического корабля, приводимого в движение пока теоретическими или гипотетическими средствами.
Этот эффект линейного ускорения хорошо изучен и обычно используется для управления криогенным флюидом 0g для послестартовых (последующих) запусков в космос ракет разгонной ступени.
Роликовые. горки, особенно американские горки или те, которые основаны на электромагнитной силовой установке, могут обеспечивать линейное ускорение «силы тяжести», а также транспортные средства с относительно высоким ускорением, такие как спортивные автомобили. Линейное ускорение может использоваться для обеспечения эфирного времени на американских горках и других аттракционах.
Живая лягушка левитирует внутри вертикального канала соленоида Горького диаметром 32 мм в магнитном поле. около 16 тесла.Эффект, подобный гравитации, может быть создан с помощью диамагнетизма. Для этого нужны магниты с чрезвычайно мощными магнитными полями. Такие устройства были способны левитировать не больше, чем маленькую мышь, создавая поле в 1 g, отменяющее поле Земли.
Для достаточно мощных магнитов требуется либо дорогая криогенная техника, чтобы сверхпроводимость, либо несколько мегаватт мощности.
С такими чрезвычайно сильными магнитными полями безопасность для использование с людьми неясно. Кроме того, необходимо избегать использования любых ферромагнитных или парамагнитных материалов вблизи сильного магнитного поля, которое требуется для очевидного диамагнетизма.
Установки, использующие диамагнетизм, могут оказаться применимыми для лабораторий, моделирующих условия низкой гравитации здесь, на Земле. Мышь левитировала против силы тяжести Земли, создавая условия, подобные микрогравитации. Более низкие силы также могут быть созданы для моделирования условий, подобных лунной или марсианской гравитации, с помощью небольших модельных организмов.
Невесомое чудо - это прозвище самолета НАСА, который летает по параболическим траекториям и кратко обеспечивает почти невесомая среда, в которой можно тренировать космонавтов, проводить исследования и снимать кинофильмы. Параболическая траектория создает вертикальное линейное ускорение, которое соответствует ускорению силы тяжести, давая нулевое ускорение на короткое время, обычно 20–30 секунд, за которым следует примерно 1,8g в течение аналогичного периода. Прозвище Vomit Comet также используется для обозначения укачивания, которое часто испытывают пассажиры самолета во время этих параболических траекторий. Такие самолеты с пониженной гравитацией в настоящее время эксплуатируются несколькими организациями по всему миру.
Лаборатория нейтральной плавучести (NBL) - это центр обучения астронавтов в учебном центре Сонни Картера в НАСА Космический центр Джонсона в Хьюстоне, Техас. NBL - это большой закрытый бассейн с водой, самый большой в мире, в котором астронавты могут выполнять моделируемые задачи EVA при подготовке к космическим полетам. NBL содержит полноразмерные макеты грузового отсека Space Shuttle, полетных грузов и Международной космической станции (МКС).
Принцип нейтральная плавучесть используется для моделирования невесомости космического пространства. Космонавтов в костюмах опускают в бассейн с помощью мостового крана , и их вес регулируется водолазами-водолазами таким образом, чтобы они не испытывали выталкивающей силы и вращающего момента около их центр масс. Костюмы, которые носят в NBL, имеют более низкий рейтинг, чем костюмы с полным летным рейтингом EMU, подобные тем, которые используются на космических шаттлах и Международной космической станции.
Бак NBL имеет длину 202 фута (62 м), ширину 102 фута (31 м) и глубину 40 футов 6 дюймов (12,34 м) и вмещает 6,2 миллиона галлонов (23,5 миллиона литров) воды.. Дайверы дышат найтроксом во время работы в резервуаре.
Нейтральная плавучесть в бассейне - это не невесомость, так как органы равновесия во внутреннем ухе все еще ощущают движение вверх-вниз направление силы тяжести. Кроме того, вода оказывает значительное сопротивление сопротивлению. Как правило, эффекты перетаскивания минимизируются за счет медленного выполнения задач в воде. Еще одно различие между моделированием нейтральной плавучести в бассейне и фактическим 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» иногда присутствует в космических аппаратах, которые не вращаются и не ускоряются. В настоящее время не существует подтвержденной техники, которая могла бы моделировать гравитацию, кроме реальной массы или ускорения. За годы существования такого устройства было много заявлений. Евгений Подклетнов, российский инженер, с начала 1990-х годов утверждал, что создал такое устройство, состоящее из вращающегося сверхпроводника, создающего мощное «гравитомагнитное поле», но никаких подтверждений не было. или даже отрицательные результаты от третьих лиц. В 2006 году исследовательская группа, финансируемая ESA, заявила, что создала аналогичное устройство, которое продемонстрировало положительные результаты для получения гравитомагнетизма, хотя оно показало только 0,0001g. Этот результат не был воспроизведен.
 | Wikimedia У Commons есть средства массовой информации, связанные с Искусственной гравитацией. |
