Искусственная гравитация на многоразовом атмосферно-космическом комплексе в межпланетной экспедиции.

Денисов Владимир Дмитриевич, denisov-vd@mail.ru

Ошкин Алексей Евгеньевич, kerava312@mail.ru

На современном уровне техники, полет на Марс, облет Венеры и Марса по продолжительности превышают три года. В истории космонавтики такая продолжительность пассивных полетов человека в космосе еще не достигнута и жизнеспособность человека в такой экспедиции подвержена высокому риску.

Одной из проблем межпланетного полета человека является обеспечение минимально достаточных физических нагрузок на пассивном участке космического полета, обеспечивающих сохранение и поддержание биологических функций космонавта, в частности мышечного каркаса, вестибулярного аппарата и рефлекторно двигательных функций.

Известно несколько технологий, специального снаряжения и тренажеров, обеспечивающих минимально необходимые физические нагрузки на космонавта, поддерживающие его жизнеспособность в длительном полете в условиях невесомости, однако они не предотвращают у космонавта, вернувшегося на Землю, состояние инвалидности, требующей длительной реабилитации.

Радикальным способом предотвращения физической инвалидности космонавта в длительном полете является создание искусственной гравитации на борту пилотируемого космического корабля (ПКК). Простейшим способом обеспечения искусственной гравитации на ПКК является использование центробежных сил на вращающейся связке модулей [11-15].

Важными проблемами такой технологии являются обеспечение:

— безрасходных, по бортовой массе, способов раскрутки/остановки связки модулей,

— обеспечение параметров вращения, минимально достаточных для поддержания приемлемого уровня физического состояния космонавта в экспедиции.

В докладе рассмотрены варианты конструкции и весовые характеристики системы искусственной гравитации на многоразовом атмосферно-космическом комплексе в экспедиции на Марс или экспедиции облета Марса и Венеры.

История вопроса.

Более 50 лет победного шествия космонавтика поставила на повестку дня множество злободневных вопросов, связанных с освоением космоса, в том числе вопросы создания искусственной гравитации. Авторы ряда решений даже купили патенты на свои разработки [1-9]. Заглянув на форум [15] в Интернете мы увидим: «В космосе силы тяжести нет. Зато возможно создание центробежной силы. И чтобы создать на космическом корабле искусственную гравитацию, нужно часть космического корабля выполнить, например, в виде кольца движущегося вокруг своей оси. В этом случае на объекты, находящиеся внутри этого кольца (люди, стулья, столы) будет действовать центробежная сила, которая будет прижимать объекты к «полу». Объекты будут крутиться с кольцом относительно всей остальной вселенной. Внутри кольца космонавты замечать этого не будут, и не будут находиться в невесомости», несмотря на свободный полет корабля. В кольце космонавты будут ходить, как по Земле».

Слайд1

Рис. 1. Экспериментальный модуль МКС с искусственной гравитацией

В США предложена космическая станция со спальным отсеком тороидальной формы, вращающимся вокруг своей оси для обеспечения восстановления физического состояния космонавтов в длительном полете. [11].

У А. Казанцева в «Донкихотах вселенной» [10] описан межзвездный корабль в виде многокилометровой тросовой сцепки двигательного модуля и жилого модуля.

Проблема невесомости: Невесомость негативно влияет на организм человека. [11,12]. Так, одним из последствий ее воздействия является быстрое атрофирование мышц и последующее снижение всех физических показателей организма. На МКС для решения этой проблемы установлены специальные тренажеры и специальные костюмы (пингвин), регулирующие кровообращение, на которых космонавты занимаются по несколько часов в день. Но тренажеры — это же скучно, гораздо интереснее было бы создать искусственную гравитацию, не выматывающую космонавтов изнуряющими тренировками.

Одним из способов создания искусственной гравитации, который то и дело описывается в общеизвестных работах фантастов и ученых, является создание космический станции, которая бы вращалась вокруг своей оси («Звезда КЭЦ», «Солярис»). Такое вращение привело бы к тому, что на космонавтов или жителей станции постоянно оказывала бы влияние центробежная сила, которую они бы ощущали как гравитационную силу. Подобных проектов очень много, чтобы быстро получить представление о том, что же это за станции, можно почитать несколько небольших статей из Википедии: по искусственной гравитации – где ее предлагается создать за счет вращения [1-11].

Почему же эти решения, например, «Вращающаяся станция изнутри». Источник [13], не применяются на практике? Попробуем разобраться.

Идея искусственной гравитации за счет вращения основывается на принципе эквивалентности силы гравитации и силы инерции; который гласит: если инертная масса и гравитационная масса равны, то невозможно отличить, какая сила действует на тело — гравитационная или сила инерции. Простыми словами: если создать космический корабль, вращающийся вокруг своей оси, возникающая при этом центробежная сила будет «выталкивать» космонавта в сторону от центра вращения, и он сможет стоять на «полу». Чем быстрее будет вращаться корабль, и чем дальше от центра будет находится космонавт, тем сильнее будет искусственная гравитация. Сила «притяжения» F будет равна:

F = m*v2/r , где m — масса космонавта, v — линейная скорость космонавта, r — расстояние от центра вращения (радиус).

Линейная же скорость равна v = 2π*R/T, где Т — период одного оборота.

Соотношение между искусственной силой притяжения и скоростью вращения представляет собой ω2∙r = g, где ω – угловая скорость вращения, r — расстояние от центра вращения (радиус), g – перегрузка.

Посмотрим, с какими же проблемами могут столкнуться разработчики вращающейся станции.

Как видно, искусственная сила притяжения прямо зависит от расстояния от центра вращения и получается, что для небольших r сила гравитации будет значительно отличаться для головы и ног космонавта, что может сильно затруднить передвижение. Но к этому можно будет приспособиться.

Гораздо сложнее приспособиться к воздействию силы Кориолиса, которая будет возникать каждый раз, когда наш космонавт будет двигаться относительно направления вращения (Сила Кориолиса, Wikipedia). В условиях действия этой силы космонавта будет постоянно укачивать, а это не так уж и весело. Чтобы избавиться от этого эффекта, частота вращения станции должна быть менее двух оборотов в минуту и тут возникает еще одна проблема — при частоте вращения в два оборота в минуту для получения искусственной гравитации в 1g (как на Земле) радиус вращения должен быть равен 224 метрам. Представьте себе космическую станцию в виде цилиндра с диаметром равным почти полкилометра! Построить конечно можно, но будет очень сложно и очень-очень дорого.

Однако работы в этом направлении уже ведутся. Так в 2011 году НАСА предложило проект космической станции, один из модулей которой будет вращаться, обеспечивая искусственную гравитацию в 0,11-0,69g. Проект получил название «Наутилус-Х». Диаметр вращающегося модуля будет равен 9,1 либо 12 метров, а сам модуль будет служить спальным местом для 6 космонавтов.

Слайд2

Рис. 2. Орбитальная станция «Наутилус-Х»

Станцию планируется использовать как промежуточную базу для дальних космических перелетов. Одним из этапов осуществления проекта является тестирование вращающейся части на МКС, что обойдется НАСА в 150 миллионов долларов и три года работы. На постройку целой станции по проекту «Наутилус-Х» уйдет около 4 миллиардов долларов. [11]

В Интернете широко распространены различные связки модулей космических станций. Для снижения затрат топлива на раскрутку связок и даже на поддержание высоты орбит предлагается использовать поля различного рода, то есть опорное пространство космических полей. Например, в статье [14] предлагается способ снижения расхода бортовых ресурсов МКС. Указывается, что на современном уровне техники каждый космический корабль несет с собой все источники энергии: химическое ракетное топливо, батареи фотоэлементов или ядерные реакторы. Пополнение запасов энергии, путем доставки ее источников с Земли, весьма дорого. Например, для поддержания Международной космической станции (МКС) на орбите заданной высоты (360 км) в течение 10 лет требуется 77 тонн топлива. Если доставка на орбиту обходится минимум в $7 тыс. примерно за каждые 0,5 кг, то для поддержания орбитальных параметров МКС требуется $1,2 млрд. Если бы станция включала в себя электродинамическую связку (ЭДС), потребляющую 10% вырабатываемой на станции энергии, то для поддержания высоты орбиты потребовалось бы всего 17 тонн топлива [14]. А изменение угла наклона орбиты — операция, требующая большого расхода химического топлива, — стало бы менее энергоемким.

Связка представляет собой систему, в которой две массы соединены гибким тросом. Если трос-кабель проводит электрический ток, то конструкция становится электродинамической. В отличие от обычных систем, где с помощью химических или электрических тяговых двигателей осуществляется обмен импульсами между космическим кораблем и ракетным топливом, в ЭДС он происходит между космическим аппаратом и вращающейся планетой за счет магнитного поля. Связки давно интересовали энтузиастов космоса. Константин Циолковский и Артур Кларк рассматривали их как космические лифты, способные доставлять людей с поверхности Земли на орбиту. В середине 1960-х гг. прошли испытания 30-метровых связок, которые должны были создать силу притяжения для астронавтов. Позднее был проведен еще ряд экспериментов. Исследователи столкнулись с проблемой, связанной с высоким напряжением, воздействующим на ЭДС в условиях космоса. Пока не решена задача устойчивости связок и не найден метод гашения тех типов колебаний, к которым склонны ЭДС». В Японии правильно планируют применение связок-колесниц на орбите Луны, где нет атмосферы, а силы притяжения (нагрузки) в 6 раз меньше околоземных. (У луны нет магнитнго поля)

Слайд3

Рис. 3. Принцип действия ЭДС связки орбитальных модулей

 Искусственная гравитация в межпланетной экспедиции.

Опираясь на известные разработки [1-23], можно предложить связать пару экспедиционных кораблей, направляющихся на Марс или для облета Марса и Венеры сцепкой в виде соленоида. Наличие ядерной электростанции на борту позволяет подавать знакопеременный ток в соленоид связки, превращая его в ротор относительно статора, в качестве которого используется Солнце (гелиомагнитное поле и порожденное им геомагнитное поле). Варианты устройства приведены на рисунках 3-7.

Слайд 4

Рис. 4. Электромагнитная связка модулей орбитальной станции

Слайд5

Рис. 5. Тороидальная модель орбитальной станции на электромагнитах

Слайд12

Рис. 6. Электромагнитная связка двух МАКК экспедиционного комплекса

Слайд7

Рис. 7. Электромагнитная рамка на моноблочном МАКК

При скорости вращения 2 оборота в минуту, длина связки, обеспечивающей приближенную к марсианской искусственную гравитацию 0,4 g, должна составлять около 180 метров, что вполне приемлемо. Масса связки-соленоида в форме гармони может составить при этом 900 кг.

Слайд8

Рис. 8. Варианты выполнения электромагнитной связки в форме мехов «гармони».

Использование высокотемпературных сверхпроводников позволяет создать в компактных устройствах достаточно сильное магнитное поле для раскрутки и остановки экспедиционного комплекса. В научно-технической литературе известны также предложения по созданию на экспедиционном комплексе аналога геомагнитного поля для создания радиационных поясов вокруг комплекса и защиты экипажа от солнечного и галактического радиационного воздействия.

Наличие на корабле предлагаемого устройства искусственной гравитации позволяет экспериментально проверить также и электромагнитную систему радиационной защиты. Использование мощных электромагнитных бортовых систем на базе сверхпроводников позволит провести моделирование: различных конфигураций бортового магнитного поля и натурные испытания движителей на новых физических принципах, системы накопления рабочих тел из разбегающейся массы извергаемой непрерывным термоядерным взрывом Солнца, а также создание собственного защитного радиационного пояса космического комплекса.

Выводы

1.      Проведенные информационные и расчетно-теоретические исследования и математическое моделирование, показывают возможность реализации безрасходной системы искусственной гравитации на борту межпланетного космического комплекса.

2.      На межпланетном комплексе возможно создание искусственной гравитации, соответствующей марсианским условиям, что позволяет обеспечить работоспособность членов экспедиции на Марсе без дополнительных изнуряющих спортивных мероприятий.

 

Список литературы

1)         Космическая станция, патент РФ № 2116942

2)         Космический комплекс с наружным гравитационным приводом, патент РФ № 2115596

3)         Космический комплекс с внутренним гравитационным приводом, патент РФ № 2115595

4)         Ремонтно-строительный космический комплекс, патент РФ № 2128605

5)         Устройство для освоения Луны, патент РФ № 2129077

6)         Способ монтажа цилиндрического космического комплекса (варианты) , патент РФ № 2130877

7)         Система подачи топлива двигательной установки патент РФ № 2131385

8)         Космодром в космосе, патент РФ № 2131830

9)         Поселение в космосе, патент РФ № 2223204

10)     А. Казанцев, «Донкихоты вселенной»

11)     Интернет ресурс. Как создать в космосе искусственную гравитацию — Новости партнеров — sdnnet_ru.htm, http://www.astronomynow.com.

12)     Интернет ресурс Астрономия по-русски.mht.

13)     Интернет ресурс. Wikipedia Commons

14)     Интернет ресурс. Электродинамические связки ЭДС, искусственная гравитация и получение энергии в космосе.htm

15)     Интернет-сервис «Вопросы и ответы».

16)     Денисов В.Д. Устройство искусственной гравитации. Авторское свидетельство с приоритетом от 1975 года

17)     Денисов В.Д. Летательный аппарат на электромагните. Авторское свидетельство с приоритетом от 1975 года

18) Денисов В.Д. На Марс на одноступенчатом корабле. Доклад на чтениях, посвященных памяти Гагарина Ю.А., г. Гагарин, 2012 г.

19) Денисов В.Д. Дело Мясищева В.М. живет. Материалы для экспозиции Мясищева В.М. в краеведческом музее г. Ефремов, 2013г.

20) Денисов В.Д. Дело Мясищева В.М. живет. Доклад на чтениях, посвященных памяти Гагарина Ю.А., г. Гагарин, 2013 г.

21) Денисов В.Д. Экспедиционный космический комплекс нового поколения, Доклад на Королевских чтениях, 2013 г.

22) Денисов В.Д. Особенности космической баллистики экспедиционного космического комплекса нового поколения, Доклад на Королевских чтениях, 2014 г.

23) Денисов В.Д. Через тернии к звездам. Доклад на чтениях, посвященных памяти Гагарина Ю.А., г. Гагарин, 2014 г.

24) В.Д.Денисов. Экспедиционный космический комплекс нового поколения. Международный Российско-Американский научный журнал «Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем», Казань-Дайтона Бич, №1(38), т.19, 2014, 145-151.

25) D.Denisov. Expeditionary space complex of new generation. International Russian-American Scientific Journal «Actual   problems of aviation and aerospace systems», Kazan-Daytona Beach, №1 (38), v.19, 2014, 152-157.

26) Электронный вариант статьи: http://www.kcn.ru/tat_en/science/ans/journals/rasj.html http://kpfu.ru/science/journals/rasj/apaas )

27) Денисов В.Д., Ошкин А.Е. Проблемы радиационной безопасности экспедиций на космическом корабле с комбинированной ядерной двигательной установкой. Труды ХХХ1Х Академических чтений по космонавтике, г. Реутов, 2015, Секция 22 имени академика В.Н.Челомея.

Одна мысль про “Искусственная гравитация на многоразовом атмосферно-космическом комплексе в межпланетной экспедиции.”

Добавить комментарий

Сайт космических путешествий (Солнечная система доступна)