|
На данный момент науке известно лишь несколько методов создания искусственного тяготения на борту космического аппарата. Вкратце: ускорение космического аппарата с постоянно работающим двигателем, вращение корабля (или его части) для использования "центробежного ускорения", или помещение рядом с кораблём достаточно большой массы (что без лишней зауми проще обозвать посадкой на планету). Центробежная сила является наилучшим выбором по ряду причин.
Как быстро надо вращать корабль для получения приемлемого тяготения?
Ca = 0.011 * Cr2 * Cl
Cl = Ca / (0.011 * Cr2)
Cr = sqrt( Ca / (0.011 * Cl))
гдеЕсли не хочется заниматься математикой, сходите на SpinCalc или Rotational Gravity Calculator.
Из книги Роберта Ханлайна Космический кадет (1948)
- Суп готов, - объявил Лопес. - Это ваша столовая. Ланч через несколько минут.
За Лопесом на стене были закреплены обеденный стол и скамьи. Крышки столов глядели прямо на Мэтта - сверху вниз, снизу вверх, по сторонам - как угодно. Это казалось не особо практичным дизайном.
- Я не голоден, - слабо произнёс один из кадетов.
- А пора бы, - сказал Лопес. - Ваш завтрак был пять часов назад. Мы здесь живём по тому же времени, что и вы на Земле. Почему ты не голоден?
- Ну, я не знаю, сэр. Просто не хочется.
Лопес ухмыльнулся.
- Расслабься, малыш, - сказал он. - Инженер раскрутит нас как только мы отчалим от Боливара. У тебя будет место, чтобы примостить свою задницу и успокоить свой нежный желудок. Аппетит вернётся. Расслабься.
В отсек забрались ещё два отряда. Пока они ждали, Мэтт спросил у Лопеса: Как быстро раскрутят корабль, сэр?
- Мы рассчитываем на земное тяготение на внешней стороне корпуса. На раскрутку уйдёт примерно два часа, но вы приступите к обеду сразу, как только еда будет достаточно тяжёлой, чтобы глотать её без проблем.
- Но всё-таки, сэр, как быстро мы будем вращаться?
Тебя хватит на простую арифметику?
- Ну... да, сэр.
Тогда считай. Рэндольф насчитывает двести футов в ширину и мы вращаемся на главной оси корабля. Квадрат скорости поделить на радиус - сколько это оборотов в минуту?
Мэтт замер с отсутствующим выражением на лице. Лопес сказал: Ну, давайте, мистер Додсон, представьте, что вы вот-вот разобьётесь и у вас нет времени. Какой будет правильный ответ?
Боюсь, я не могу это посчитать, сэр.
Лопес осмотрелся по сторонам: Ну, кто может дать ответ?
Никто не откликнулся. Лопес скорбно покачал головой: И вы надеетесь освоить астрогацию? Лучше бы вы коров на Земле гоняли! Ладно, расслабьтесь, это 5.4 оборота в минуту. Полная земная тяжесть, специально для женщин и детей. Её будут уменьшать постепенно, чтобы через месяц вы оказались в свободном падении. Вам лучше бы привыкнуть к этому вовремя.
Примечание редактора: 200 футов = 61 метр диаметра. 61 / 2 = 30.5 метров радиуса. 1 g = 9.81 метров в секунду.
Cr = sqrt( Ca / (0.011 * Cl))
Cr = sqrt( 9.81 / (0.011 * 30.5))
Cr = sqrt( 9.81 / 0.3355)
Cr = sqrt( 29.24)
Cr = 5.4 в минуту
Кто-то сказал: Эй, на это понадобится прорва энергии.
- Ты шутишь? - ответил Лопес. - Мы тормозим маховики на главной оси электричеством. Этого хватает, чтобы раскрутить корабль. Вся конструкция работает как огромный электрогенератор. Запаси эту энергию, а когда понадобится - запусти моторы, чтобы вернуть её маховикам и затормозить корабль. Если не брать в учёт мелкие потери, у тебя энергия вообще не тратится. Уяснил?
- Ну, да, сэр.
- Посмотри статьи в корабельной библиотеке. Я жду от тебя реферат после ужина.
Есть некий предел числу оборотов. Эффект Кориолиса вызывает головокружение. Не более чем оборот в минуту вполне терпим, на трёх оборотах в минуту некоторые люди не могут привыкнуть (а те, кто могут, привыкают не сразу), на 5 оборотах большинство людей не могут привыкнуть к вращению, и никто не может сколько-то продолжительное время терпеть больше 10 оборотов. Единственный способ повысить силу тяжести без увеличения числа оборотов - увеличение Cl.
А может быть и нет. Трой Кэмпбелл указал, что недавний анализ проблемы содержит некоторые обнадёживающие выводы:
Данные об искусственной силе тяжести несколько устарели. В оригинальном исследовании люди получали морскую болезнь на трёх оборотах и теряли способность адекватно действовать на шести и более. Тем не менее, современные исследования показывают, что постепенное наращивание числа оборотов и активные движения конечностями заметно упрощают аклиматизацию. Привыкание обходится почти без морской болезни. В старых экспериментах с тридцатью добровольцами вращение начинали внезапно, сразу на максимальное число оборотов. Кроме того, адаптация не обязательно должна быть непрерывной. Вполне можно покидать вращающийся блок и возвращаться обратно. В таком случае возможно число в 7.5-10 оборотов. Это, в частности, делает реальной центрифугу корабля "Дискавери" с её 5.5 метрами радиуса. С 10 оборотами вы получите 0.61 G, или 0.34G, если вы хотите остановиться на безопасных 7.5 оборотах.
|
Некоторые дизайнерские решения предполагают две секции корабля, соединённые кабелем. Это решение позволяет заметно увеличить Cl. Пожалуйста, запомните, что корабль в этом случае вращается как бола, не боло. |
 Robert Willey - псевдоним ракетного инженера Dr. Willey Ley
|
 При вращении иллюминаторы окажутся в полу
|
Создание искусственной силы тяжести путём вращения корабля влечёт за собой целые категории инженерных проблем для дизайнеров корабля. Наиболее частое решение - вращение корабля вокруг длинной оси, так называемой оси тяги. Общего термина для такого вращения нет, но "стоя" подойдёт ("крутится стоймя"). Гравитация вращения направлена под углом в 90 градусов к гравитации тяги. |
|
Вариант "стоячего" вращения - центрифуга. Часть корабля, которая вращается при неподвижности остального аппарата. Обычно это выглядит как большое колесо, чья ось совпадает с осью тяги (то есть, это выглядит словно бублик, насаженнный на трубку). Но есть варианты дизайна с внутренним расположением центрифуги, вроде корабля "Дискавери" из фильма 2001. Гвидо Лиссман добавил несколько слов о проблемах с центрифугой на борту корабля. Основная проблема - "сохранение углового момента": Если корабль вращает секцию для создания искуссвтенной силы тяжести, но при этом сам корабль вращаться не должен, её требуется как-то раскрутить. Если применять реактивный двигатель, соединение между кораблём и центрифугой не должно иметь никакого трения. Иначе корабль тоже раскрутится. Более того - это замедлит центрифугу. Правда, можно пользоваться вторым комплектом двигателей - для противодействия раскрутке неподвижной секции. Но, что важнее, тут вмешивается закон сохранения импульса. Если раскручивать центрифугу даже бесконтактными электромоторами, это всё равно приведёт к раскрутке остального корабля в противоположном направлении. Потребуется противовес, вращающийся в другую сторону, чтобы уравновесить вращение, а то и полноразмерная вторая секция центрифуги того же размера. Поскольку центрифуга должна быть сравнительно большой (это жилые помещения для экипажа, их просто нельзя делать тесными), и при этом обладать изрядным диаметром (поскольку её нельзя раскручивать на большой скорости), противовес должен выполнять какую-то свою полезную функцию, например, служить радиационной защитой, иначе он будет мёртвым весом на борту вашего корабля. Логически, самый оправданный выбор - второй жилой блок того же размера. Разумеется, можно обойтись и постоянно работающим двигателем, как это делают на вертолётах, но это решение приводит к неоправданно большому расходу топлива. Остаётся и вопрос герметизации неподвижной секции. Шахты и технические коридоры влекут значительное увеличение всех размеров конструкции - если у вас, конечно, экипаж не состоит из тренированых карликов-акробатов. Значительно возрастают проблемы чистоты в рабочих механизмах. Всё значительно проще, если центрифуга вращается внутри герметизированной части корабля и можно пользоваться чистыми инженерными решениями, заранее отсекая проблему сохранения герметичности движущегося соединения. Ну и можно создать две отдельные секции корабля, но это повлечёт весь спектр проблем связанных с прохождением в скафандре двух воздушных шлюзов каждый раз, когда нужно перебраться из жилого блока в контрольный пост. |
 Художник Frank Tinsley. Нажмите для увеличения картинки.
|
Это решение позволяет быстро собрать вращающуюся космическую станцию с одним незначительным побочным эффектом. Некоторые причины однозначно диктуют круглую форму космической станции вместо шестиугольной.
Количественное значение центробежного ускорения зависит от расстояния точки от центра вращения (чем больше расстояние, тем сильнее тяжесть). Так что, если вам нужна постоянная тяжесть в любой точке, ваша станция обязана быть круглой.
А теперь посмотрите на картинку выше. Сегмент обозначеннный как "SPACE STATION RIGID MODULE" работает одной из сторон шестиугольника. Зелёные линии направлены к оси вращения (То есть "вверх". Обратите внимание на два тёмных силуэта - это люди, которые стоят "прямо"). Красные линии - зона с одинаковой силой тяжести. Они не совпадают с поверхностью сегмента.
В центре сегмента искусственная тяжесть окажется наименьшей. На концах, где он соединён с другими сегментами - наибольшей. Пол в сегмента ровный, но для человека покажется покатым. Если вы поместите шарик в центр секции, он скатится "вниз" к её краю.
Как видите, дизайнеры пытались компенсировать это наклонной палубой, но это малоудачное решение.
В книге Хайнлайна Космическое семейство Стоун, некоторые аппараты кувыркались как голуби. Они вращались по короткой оси чтобы создавать искусственную тяжесть на борту. Смысл данного решения - увеличение радиуса вращения Cl, поскольку вращение по длинной оси даёт сравнительно малое Cl ширины корабля и вращение по короткой оси даёт Cl в длину корабля.
Разумеется, это значит, что весь экипаж находится "вверху" корабля и при вращении пол станет потолком ("верх" - та половина корабля, где нет двигателей, граница идёт по оси вращения). В книге такие корабли служили для перевозки туристов с крайне слабым желудком.
Можно подумать, что центрифуга сможет работать исполинским гироскопом для сохранения ориентации корабля. Аэрокосмический инженер Билл Келбс младший указал, что если центрифуга составляет достаточно большую часть массы корабля - она не предотвратит поворот. Что она сделает на самом деле, так это изменит ось вращения на 90 градусов. Раскрутите игрушечный гироскоп и вы поймёте, о чём я.
Решение достаточно простое. Маневровые двигатели нужно включать под углом в 90 градусов к ожидаемому направлению. В реальности для того, чтобы опустить нос корабля вниз, придётся дать боковой импульс левым маневровым двигателем. Альтернативное решение - две центрифуги, вращающиеся в противоположных направлениях.
Ещё одна проблема связана с балансом груза. Его нужно распределять по всей центрифуге равномерно. Без подобной балансировки можно внезапно заполучить масштабную аварию. Решение такой проблемы достаточно простое - система баков и насосов для перекачивания жидкого балласта в нужные отсеки.
Ещё одна незначительная проблема - эффект Кориолиса. Мячик, или любой другой падающий объект, полетит вбок так, словно его сдувает ветром.
 |
Но главной проблемой дизайна остаётся вопрос "где низ?" поскольку в момент ускорения "вниз" не соответствует направлению "вниз" при вращении. Самое простое и грубое решение - отвинтить мебель от пола, который теперь стена и закрепить на стене, которая теперь пол. Та ещё работёнка. Это не говоря о проблемах с панелями управления. Альтернативное решение - вращать отсек целиком. |
Океанографический институт Скриппса решил проблему для своего корабля-перевёртыша наиболее простым способом. Обратите внимание на два рукомойника под углом в 90 градусов друг к другу. Двери в полу, окна в потолке, столы, прикрученные к стенам боком и лестницы в никуда - в комплекте.
|
Справа довольно грубое, но умное решение. На разгоне "вниз" соответствует направлению красных стрелок. Зелёное кресло при этом расположено "лёжа". Когда тяга отключена, корабль вращается вокруг длинной оси, так что направление "вниз" указывают жёлтые стрелки. Кресла принимают "нормальное" положение и экипаж может ходить по синему "полу". Другими словами, их кабиной можно пользоваться при любой искусственной тяжести. Но из-за малых размеров аппарата, его придётся раскрутить довольно сильно. |
 |
   MPC model #9001 создатель G. Harry Stine, 1970
|
Другое возможное решение - вращение отсека, как в дизайне корабля Пилигрим Обсервер. Так называемая "поворотная центрифуга". Три жилых отсека параллельны корпусу при разгоне и поворачиваются на 90 градусов как лопасти пропеллера после отключения двигателя. Благодаря этому "низ" всегда находится в одном и том же месте жилого отсека, что при разгоне, что при вращении. Это позволяет оставить центральный отсек неподвижным, чтобы закрепить все телескопы и устройства наблюдения без необходимости восстанавливать размазанную при вращении картинку. Это не говоря об упрощении стыковки с центральным отсеком других космических аппаратов. На диаграмме, как вы это видите, вращаются лишь жилые отсеки и небольшое соединительное кольцо. Весь остальной космический аппарат неподвижен. Лопасти можно раскручивать маневровыми двигателями, или маховиком. В последнем случае их заметно проще остановить. На этой картинке каждый отсек разделён на шесть этажей. Расстояние от пола до центра вращения определяет силу тяжести на каждом этаже. |
Новаторы из студии Dream Pod 9 предложили элегантную версию поворотной центрифуги. В их дизайне кольцо центрифуги включает несколько поворотных отсеков. Жилые отсеки поворачиваются на оси крепления. На картинке выше таких отсеков два. Поворотный механизм находится в точке их крепления к центрифуге.
Поворотный механизм - очевидное слабое звено. На современном реактивном бомбардировщике Б-1 поворотные механизмы рассчитаны только на 3g ускорения.
Грэхэм Бакстер указал, что дизайн выглядит более правильным, если поменять местами стрелки направления тяжести при разгоне и вращении.
Меня удивляет, что вместо непрактичного вертикального расположения отсеков как в офисном небоскрёбе, не было использовано их горизонтальное размещение. С таким варианто можно заметно уменьшить нагрузки на отсек, снизить перепад силы тяжести между отдельными секциями, и усилить крепления дополнительными точками сцепления с корпусом центрифуги.
Ну или хотя бы избавить экипаж от бега по чёртовым лестницам.
Ник Дюма и Кристофер Мур подсказали, что Грэхэм Бакстер прав. Авторы как раз на это и рассчитывали, но в итоге нарисовали крайне двусмысленную диаграмму. Выше её перерисовали чуть понятнее.
И разумеется нельзя забывать о внутренней центрифуге корабля "Дискавери"
Из книги Космическая Одиссея 2001 сэра Артура Кларка (1969):
После ланча, с 13:00 до 16:00 Боумен совершил медленную и осторожную прогулку по кораблю - тем его частям, в которые можно было свободно пройти. Дискавери насчитывал почти четыреста футов, но маленький жилой отсек экипажа целиком помещался в сорока футах герметизированного корпуса.
Здесь находились все блоки жизнеобеспечения и контрольная палуба - нервный центр корабля. Ниже - маленький "космический гараж" с тремя шлюзами, через которые маленькие, на одного человека, капсулы могли совершить путешествие в пустоту космоса.
Экватор жилой сферы занимал неспешно вращающийся барабан в 35 футов диаметром. Он совершал оборот за десять секунд, и создавал искусственную силу тяжести равную лунному притяжению. Достаточно, чтобы избежать атрофии мышц и продолжать работу в нормальных, или почти нормальных, условиях.
Карусель содержала кухню, столовую, ванну и туалет. Только здесь можно было спокойно готовить горячее питьё - довольно опасное занятие в невесомости, где слишком легко ошпариться разлетающимися брызгами кипятка. Это же решало и проблему бритья - никаких мелких щетинок, угрожающих замыканием в сложном электротехническом оборудовании.
На ободе карусели располагались пять маленьких кают, оснащённых согласно пожеланиям экипажа и содержащих личные предметы. Сейчас использовались каюты Боумена и Пула - остальные трое членов экипажа спали в электронных саркофагах неподалёку.
Вращение можно было остановить, если потребуется. Когда это случалось, энергию вращения запасал маховик и отдавал её обратно, когда вращение возобновлялось. В обычных условиях же карусель вращалась на постоянной скорости - как раз чтобы легко войти из зоны с нулевой гравитацией. После некоторой тренировки, вход и выход становился настолько же привычным делом, как и шаг на движущийся эскалатор.
  |
Я подумал о не особо оригинальном решении вращающейся центрифуги, которое назвал "Колесо Изекиэля". Представьте классический корабль с центрифугой, похожей на бублик, насаженный на карандаш. А теперь порежьте этот бублик на шесть частей. . Каждый сегмент вращается на своей длинной оси так, чтобы его пол находился ближе к двигателям. Это положение для разгона корабля. Основная проблема - устройство для поворота секций. Но и её решил Josef F. Blumrich, бывший сотрудник NASA. Его патент 3,789,947 вполне годится для наших целей, хотя в оригинале задумывался не для этого. |
|
Механизм Блумрича порождает вот этого симпатичного инженерного монстра. Каждый из зелёных отсеков поворачивается на длинной оси чтобы подстроиться под текущий "низ". Пол, к сожалению, далеко не всегда выглядит ровным. На этой диаграмме видно, что пол (на котором стоит человеческая фигурка) изогнут. Как и во всех других центрифугах, это позволит ходить по нему при вращении как по ровной поверхности (и если положить шарик на такой изогнутый пол - он не покатится никуда). К сожалению, когда вращение прекратится, этот пол станет кривым. Если положить шарик у края отсека, он скатится вниз, к его центру. Можно сделать пол не изогнутым, а прямым. Тогда он будет казаться ровным при разгоне... и выгнутым словно холм при вращении. Шарик в центре отсека будет скатываться "вниз" к его краям. Это произойдёт из-за того, что сила тяжести зависит от расстояния до центра вращения. Единственные решения, которые я вижу - пол с переменной геометрией или небольшие отсеки, в которых разница в силе тяжести не столь заметна. (Это решение использовали как в дизайне "Пилигрима", так и в работах студии Dream Pod 9). |
  |
Как всегда, Кен Бёрнсайд добавил несколько проблем в список:
Есть ряд наиболее очевидных проблем с вращением частей корабля.
1) Чем больше что-то движется, тем больше оно портится. Сделать поворотный механизм, который не станет воплощённым инженерным кошмаром, вроде механизма поворота крыла на истребителе Ф-14 и так довольно сложно, а в космосе добавятся вакуумная сварка, перепады температур от солнечного света и многое другое.
2) Как вы заставите работать водопровод? Поверните свою ванну на 90 градусов и все трубы перестанут работать как задумано. Это не говоря о том, как они будут себя вести при невесомости.
Или просто делать их в двух экземплярах?
Причина, по которой корабли Десяти Миров не имеют вращающейся секции - потребное техническое обслуживание, перелёт длиной в месяцы вместо лет, а также наличие в каждой точке маршрута искусственной тяжести в огромных станциях-городах.
Резкие манёвры на 90 градусов и более становятся той ещё проблемойИ вот ещё что - когда ваш вращающийся отсек полностью разложен, куда вы поместите радиаторы?
Гвидо Лиссман заметил, что проблема с водопроводом имеет пару неплохих решений. Трубы можно направить через центр поворотного механизма в крутящихся рукавах, расположить замкнутую систему в центрифуге, или обходиться биотуалетами.
 Изображения из архивов NASA
|
1) Надувное крепление торса. 2) Поручень для ног. 3) Липкая обувь. 4) Подвижная петля. 5) Переносной поручень. 6) Гамак для сна. |
Вообще соблазнительно забыть о вращении и просто оставить всё как есть, летать по отсекам, пока корабль не включает двигатели. Да, после года в состоянии невесомости человек испытывает проблемы со здоровьем из-за вымывания кальция из костей и других причин, но мы вполне можем предположить, что будет разработано какое-то медицинское решение. Маршалл Сэвэдж предлагал электрическую стимуляцию мышц. (Кен Бёрнсайд предположил, что эти электростимуляторы будут подключать на время сна). Остаётся надеяться, что будет найдено решение и для космической болезни (говорят, первые полгода терпеть её совсем нелегко).
Из сборника статей Джерри Пурнелла A STEP FARTHER OUT, 1979. Исторический факт, не какая-то фантастика.
До программы "Меркурий" у нас не было настоящего опыта. Мы, конечно запускали несколько транспортников параболическим курсом, и это давало нам около 30 секунд в свободном падении, но это всё. Я не скоро забуду наши первые эксперименты с пониженной силой тяжести. Какие-то гении хотели узнать, как ориентируется кот: визуально или с помощью каких-то органов восприятия силы тяжести. Очевидное экспериментальное решение - засунуть кота в самолёт, и проверить.
Ничего так решение, привелекательное. Наверное. Гонять большой самолёт ради настолько маленького эксперимента не стали. Обошлись кинокамерой на борту истребителя. Кота пилот вёз на колёнях. На плёнке запечатлили весь полёт, от начала до конца.
Фильм, к сожалению, не даёт нам информации о том, как ориентируется кот. Мы видим, как пилот тщетно пытается оторвать кота от своей руки, а кот сопротивляется из всех кошачьих сил. В какой-то момент кот вырывается и зависает в воздухе, где он каким-то загадочным (волшебным?) образом телепортируется прямиком обратно к пилоту с выпущенными когтями. Единственное, что я понял из этого фильма - коты (или как минимум этот кот) не любят свободное падение и считают людей очевидным пунктом опоры, в который можно вцепиться когтями...
Из книги Роберта Хайнлайна Двойная Звезда, 1956
Чего смешного в космической болезни? Эти чурбаны с железными желудками всегда смеются, но я готов поспорить, что они будут смеяться даже когда их бабушка сломает обе ноги.
Разумеется у меня началась космическая болезнь, сразу же как наш корабль выключил двигатели. Мой желудок был практически пуст, я не ел ничего после завтрака, и я чувствовал себя ужасно всю оставшуюся бесконечность этого кошмара. Один час и сорок три минуты до точки встречи показаись мне тысячей лет в чистилище.
Я сказал об этом Дэку и он не засмеялся. Он решил проблему как и положено профессионалу, не то что эти тупоголовые громогласные идиоты на лунном маршруте. Как по мне, так их бы следовало выбросить за борт на полпути - пусть себе смеются до смерти посреди вакуума.
Не смотря на тысячи вопросов, которые я хотел задать, мы почти успели прилететь в точку назначения, прежде чем я смог проявлять интерес хоть к чему-нибудь. Держу пари, если сказать жертве космической болезни, что его расстреляют на рассвете, единственным ответом станет: "Правда? Передайте свежий пакет, пожалуйста..."
...
- Дэк? - я не договорил.
- Позже, - сказал он. - Я совмещаю орбиты. Контакт будет не совсем приятным, потому что я не собираюсь тратить время зря. Пристегнись и держись покрепче, хорошо?
Он не соврал насчёт неприятных ощущений. Когда мы пристыковались к нашему кораблю, я почти чувствовал облегчение от невесомости. Космическая болезнь - сущий пустяк по сравнению с последствиями резких маневров.
|
Стоит отметить, что "свободное падение" - более правильный термин, потому что "нулевая гравитация" в большинстве случаев таковой не является. Космонавты на борту Международной Космической Станции находятся в гравитационном поле почти не отличающемся от такового на поверхности Земли. Они парят без веса не потому, что гравитация нулевая, а потому, что они "падают" на своей орбите - и всё время промахиваются мимо Земли. Возможный компромисс - персональная центрифуга. Она всего лишь в несколько метров длиной, рассчитана на то, чтобы в ней поместился один человек, и вращается примерно на 30 оборотах в минуту. Этого вполне достаточно, чтобы сделать несколько упражнений. Да, это вызовет разновидность морской болезни, но человек способен выдержать эти неприятные ощущения, пока делает свои упражнения. |
 |
