Месяц: Февраль 2022

Почему никто не построил вращающийся космический корабль для имитации гравитации?

Весь космический корабль вращать дорого, но небольшие пространства на космических станциях или кораблях можно легко вращать.

Могут ли эти небольшие пространства быть достаточно большими, чтобы обеспечить осмысленную и здоровую искусственную гравитацию?

Из моих познаний в физике я помню, что гравитация и ускорение — это одно и то же.

Если я правильно помню, 1 г равен ускорению 9.81 м/с в секунду. Другими словами, колесо с окружностью 10 метров нужно будет вращать примерно раз в секунду, чтобы имитировать 1 г в невесомости? Не совсем.

Увы, это немного сложнее, и, к счастью, нам не нужно так быстро крутить колесо. Это бонус!

Вот несколько удобных калькуляторов для расчета размеров колес и скорости вращения для имитации гравитации Земли:

СпинКальк, решает гравитацию, радиус и скорость вращения,

Калькулятор круга, решает для диаметра, радиуса и окружности.

Колесо с окружностью 10 метров будет иметь диаметр 3.18 метра. Это был бы удобный размер для экспериментов с искусственной гравитацией, даже на Земле.

Было бы удобно проводить в этом какое-то время? Колесо должно вращаться со скоростью около 24 об/мин, чтобы имитировать 1 g. Его можно было разделить на кровати размером 1 x 2 метра, вмещающие десять членов экипажа.

Так что, по крайней мере, во время отдыха у космонавтов будет нормальная гравитация. Астронавты лежат на внутренней стороне колеса, как на иллюстрации аттракциона на ярмарочной площади, но с большей конфиденциальностью.

Возможно ли построить такие маленькие блоки Drum Gravity?
Как отреагирует человеческий организм? (Искусственная гравитация с помощью центрифуги).

Мы знаем, что негативные последствия невесомости действительно серьезны и многочисленны. Даже 2.5 часов ежедневных упражнений на беговой дорожке недостаточно для предотвращения этих эффектов:

1. перераспределение жидкости: Телесные жидкости перемещаются от нижних конечностей к голове. Это усугубляет многие проблемы, описанные ниже.
2. потеря жидкости: Мозг интерпретирует увеличение жидкости в области головного мозга как увеличение общего объема жидкости. В ответ он активирует выделительные механизмы.
3. электролитный дисбаланс: Изменения в распределении жидкости приводят к дисбалансу калия и натрия и нарушают вегетативную систему регуляции.
4. сердечно-сосудистые изменения: Увеличение объема жидкости в грудной клетке первоначально приводит к увеличению объема левого желудочка и сердечного выброса. Когда тело ищет новое равновесие, жидкость выводится из организма, левый желудочек сжимается и сердечный выброс уменьшается.
5. потеря эритроцитов: Образцы крови, взятые до и после американских и советских полетов, показали потерю целых 0.5 литров эритроцитов.
6. поражение мышц: Мышцы атрофируются из-за отсутствия нагрузки. Сократительные белки теряются, и ткани сморщиваются. Потеря мышечной массы может сопровождаться изменением типа мышц.
7. повреждение костей: Поскольку механические требования к костям значительно снижаются в условиях микрогравитации, кости практически растворяются.
8. гиперкальциемия: Потеря жидкости и деминерализация костей увеличивают концентрацию кальция в крови.
9. изменения иммунной системы: Потеря функции Т-клеток может снизить устойчивость организма к раку — опасность, усугубляемая космической средой с высоким уровнем радиации.
10. вмешательство в медицинские процедуры: Мембраны бактериальных клеток утолщаются и становятся менее проницаемыми, что снижает эффективность антибиотиков.
11. головокружение и пространственная дезориентация: Без стабильной гравитационной привязки члены экипажа испытывают произвольные и неожиданные изменения в своем ощущении вертикальности.
12. Синдром космической адаптации: Им страдают около половины всех космонавтов и космонавтов. Симптомы включают тошноту, рвоту, анорексию, головную боль, недомогание, сонливость, вялость, бледность и потливость.
13. потеря работоспособности: Это может быть связано со снижением мотивации, а также с физиологическими изменениями.
14. ухудшение обоняния и вкуса: Увеличение жидкости в голове вызывает заложенность, похожую на насморк.
15. потеря веса: Потеря жидкости, недостаток физических упражнений и снижение аппетита приводят к потере веса. Космические путешественники, как правило, не едят достаточно.
16. метеоризм: Пищеварительный газ не может «подниматься» ко рту и с большей вероятностью проходит через другой конец пищеварительного тракта «очень эффективно, с большим объемом и частотой».
17. искажение лица: Лицо становится одутловатым, а выражение становится трудночитаемым, особенно если смотреть сбоку или вверх ногами.
18. изменения осанки и роста: Нейтральное положение тела приближается к положению эмбриона. Позвоночник имеет тенденцию к удлинению.
19. изменения в координации: Земная нормальная координация бессознательно компенсирует собственный вес. В невесомости есть тенденция забираться слишком «высоко».

По сравнению с этими неблагоприятными эффектами невесомости, вот некоторые исследования психолога по имени Грейбил из 1977 года о влиянии вращения человека вокруг своей оси здесь, на Земле, как на косе (от https://psycnet.apa.org/record/1980-22567-001).

GRAYBIEL ВРАЩЕНИЕ ЗОНЫ КОМФОРТА

Грейбил пришел к выводу, что 
1.0 об/мин: даже у очень восприимчивых субъектов симптомы не проявлялись или почти не проявлялись.
3.0 об/мин: субъекты испытывали симптомы 
5.4 RPM, только испытуемые с низкой восприимчивостью показали хорошие результаты
10 RPM, адаптация представляла собой сложную, но интересную задачу. Даже пилоты без истории воздушной болезни не полностью адаптировались в течение двенадцати дней.

«Адаптация», о которой говорит Грейбил, — это привыкание к отсутствию вращения после того, как тело было раскручено.

Что это такое, как будто мы все помним из детства.:

Надо сказать, что вертел, вращающий человека вокруг своей оси по горизонтали под действием земного притяжения, скорее всего, очень далек от того, что может испытать человек в барабане искусственной гравитации в невесомости.

Я бы даже сказал, что зоны комфорта вращения Грейбила не имеют абсолютно ничего общего с искусственной гравитацией центростремительной силы. Все, что он доказал в своей статье «Соматосенсорное последействие движения после горизонтального вращения земли вокруг оси Z», — это то, что последствием быстрого вращения кого-либо является дезориентация вестибулярной системы уха, приводящая к головокружению, также известному как головокружение.

Но давайте посмотрим, можно ли применить эти цифры зоны комфорта Грейбила.
Ракета SpaceX Mars будет иметь диаметр 9 метров. Можно ли будет создать удобную среду обитания для сна или отдыха космонавтов в пределах этой ракеты?

9-метровый барабан должен вращаться со скоростью 14 об/мин, чтобы имитировать 1 г, или со скоростью 8 об/мин, чтобы достичь 1/3 земного притяжения. Выводы Грейбила указывают на то, что места, доступного на марсианской ракете SpaceX, будет слишком мало.

Однако я считаю, что гравитация (центростремительная сила), действующая на тело, когда оно лежит, не вращаясь вокруг себя и на одном уровне, будет удобнее, чем быстрое вращение вокруг собственной оси.

In Барабанные гравитационные кровати не было бы градиента ускорения с головы до ног.

БАРАБАННЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ БЛОКИ
Барабанные гравитационные кровати задуманы как дополнительный модуль к космическому кораблю или космической станции, будь то в пути, на орбите или на Луне, Марсе или астероидах, чтобы обеспечить большую естественную гравитацию.

Были ли построены прототипы этой концепции?

В определенном смысле: да! Первая фотография в этом посте — ярмарочная достопримечательность 1950-х годов.

Неужели человечество забыло с 50-х годов, как легко и весело наслаждаться искусственной гравитацией? Судя по всему, посетители ярмарки добровольно подверглись испытанию и получили от этого удовольствие.

Простые гравитационные устройства, подобные этому, могут помочь космонавтам сохранить свое здоровье после того, как устройство будет настроено.

БОЛЬШАЯ МОДЕЛЬ

Космическая станция с вращающимся колесом — Википедия

Вот расчеты колеса фон Брауна 1952 года, использованного в фильме «Космическая одиссея 2001 года»:

Они представляли себе вращающееся колесо с диаметр 76 метров (250 футов). Колесо с тремя палубами будет вращаться со скоростью 3 об / мин, чтобы обеспечить искусственную гравитацию на одну треть. Предполагалось, что экипаж будет состоять из 3 человек.

Перенесемся на 70 лет вперед (с 1950-х годов мало что произошло):

ЦЕНТРИФУГА ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА SAHC
Человеческая центрифуга SAHC начала испытания и эксплуатацию примерно в 2020 году. Она предназначена для изучения переносимости и использования искусственной гравитации для космонавтов и их здоровья, чтобы противостоять воздействию невесомости. Что так долго?

Диаметр машины составляет 5.6 метра. 
Этого будет достаточно, чтобы разместить ракету SpaceX Mars. Но нужно еще несколько мест.

https://www.dlr.de/me/en/desktopdefault.aspx/tabid-1961/2779_read-14523/

Центрифуга с лежащим испытуемым

С помощью Центрифуги с коротким рукавом (SAHC) в Кельне, предоставленной ЕКА, будет создана искусственная гравитация, позволяющая проводить фундаментальные исследования в области медицины и физиологии человека. Основное внимание уделяется возможности расширения, например, исследований постельного режима для проверки методов противодействия медицинским рискам, связанным с невесомостью, на основе искусственной гравитации.

Технические характеристики:

Максимум. радиус по внешнему периметру: 2,8 м
Максимум. общая полезная нагрузка: 550 кг

Максимум. центробежное ускорение
(уровень стопы, рост испытуемого 185 см): 4.5 г.
Максимум. оборот ротора центрифуги
(программное ограничение): 39 об/мин

Научные приложения

• Разработка эффективных мер противодействия нервно-мышечной и скелетной дегенерации космонавтов с использованием искусственной гравитации и т. д.…

Это статья Эриха Хабих-Траута для проекта «Контакт».
https://contactproject.org

←Предыдущая | Следующая→