VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование возможности создания искусственной гравитации в условиях длительных космических перелетов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Притяжение Земли настолько естественно, что мы его почти не замечаем. Да и как можно заметить силу, которая действует всегда и практически постоянна по величине? Тем не менее, гравитация «учтена» практически во всех функциональных системах организма, на всех уровнях, от клеток до скелета.
Чтобы человек наконец-то обратил на гравитацию внимание, потребовался прыжок в космос. Конечно, догадку о невесомости высказал еще Жюль Верн, а идею орбитальной станции предложил Циолковский, но все же только после первых запусков на орбиту животных и человека люди впервые по-настоящему осознали, насколько сильно функционирование живого организма зависит от величины гравитационных сил [9].
Невесомость — это чуждая для человека среда, адаптация к которой происходит ценой снижения устойчивости организма к привычным условиям земной гравитации. Пребывание в условиях невесомости вызывает изменения двигательного аппарата и мышечной системы; гормонального статуса организма; водно-солевого обмена и систем его регуляции и другие неблагоприятные сдвиги.
Начиная с К. Э. Циолковского, многие ученые считали, что лучшей защитой космонавта от неблагоприятного действия невесомости может служить искусственная гравитация. Решение вопроса создания искусственной гравитации во время космического перелета позволит реализовать длительные космические путешествия к окраинам нашей Солнечной системы. В этом мы видим актуальность нашего исследования.
Цель исследования: изучение физических методов создания искусственной гравитации в условиях космического перелета. Объект исследования - состояние гравитации, предмет исследования – физические методы, обеспечивающие восприятие человеком состояния гравитации (ощущение собственного веса).
Задачи исследования:
Определить понятие «земное тяготение» или «гравитация», ощущаемые человеком;
Изучая литературу по теме исследования, выяснить способы создания искусственной гравитации в условиях космического корабля.
Выполнить математические расчеты для моделирования состояния гравитации в условиях космического корабля;
Обобщить результаты исследования.
В процессе исследования нами выдвинута гипотеза: проблемы создания искусственной гравитации являются препятствием для освоения космического пространства.
При выполнении исследования нами использовались следующие методы: анализ и синтез, сравнение, моделирование, изучение и обобщение.
Глава 1. Теоретические основы гравитации и невесомости
Сила тяжести, вес тела, невесомость
Одна из фундаментальных сил, сила гравитации, проявляется на Земле в виде силы тяжести – силы, с которой все тела притягиваются к Земле. Отсюда вытекает, что в системе отсчета, связанной с Землей, на всякое тело действует сила тяжести F=mg. Она приблизительно равна силе гравитационного притяжения к Земле (различие между силой тяжести и гравитационной силой обусловлено тем, что система отсчета, связанная с Землей, не вполне инерциальная).
Гравитация – это тяготение, которое испытывают все материальные тела. Термин «гравитация» в переводе с латинского означает «тяжесть». Именно гравитация удерживает всех нас на Земле, именно благодаря ей мы чувствуем свою массу.
Человек ощущает гравитацию как собственный вес. Вес тела – это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес. При статическом действии веса, его действие на тело уравновешивается силой реакции со стороны других тел (опоры или подвеса), удерживающих тело в неподвижном относительно Земли состоянии (рис.1).
Физиологическое ощущение веса связано с тем, насколько трудно поднять руку или голову: давление внутренних органов человека на скелет пропорционально весу человека.
Если упругое тело мысленно разбить на горизонтальные слои (рис.2,а), то вследствие действия гравитационных и упругих сил тело, находящееся на опоре, оказывается деформированным так, что наибольшая деформация возникает у нижнего слоя: деформация сжатия слоев возрастает сверху вниз (рис.2,б). У тела, покоящегося на подвесе, возникает иное распределение деформаций: деформации растяжения убывают сверху вниз (рис.2,в). Таким образом, одновременное действие гравитационных и упругих сил приводит возникновению в телах внутренних сил. Такое состояние называют «состоянием весомости».
Если на тело действуют лишь гравитационные силы, то оно находится в состоянии невесомости (рис.2,а). В этом случае в теле отсутствуют деформации и внутреннее напряжение. Иногда можно слышать другое название этого эффекта - микрогравитация. Состояние невесомости на космическом корабле возникает за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью, то есть космонавты постоянно «падают вперед» со скоростью 7,9 км/с.
Один из способов получения «невесомости» в земных условиях – иммерсия, т.е. погружение тела в жидкость с плотностью, равной плотности тела. В этом случае вес тела уравновешивается архимедовой силой, тело становится «невесомым», приобретая способность свободно перемещаться в любом направлении. Именно таким образом тренируются космонавты.
1.2. Понятие «искусственная гравитация»
Искусственная гравитация - это изменение (уменьшение или увеличение) ощущаемой гравитации с помощью искусственных способов. Создание искусственной гравитации считается желательным для долгосрочных космических путешествий с целью упрощения передвижения людей, более удобного оперирования жидкостями и для избежания неблагоприятного воздействия невесомости на организм человека.
Практически иллюзия гравитации может создаваться различными физическими силами. При этом движение космического корабля может быть либо прямолинейным, либо он будет вынужден двигаться по окружности, чтобы возникло центростремительное ускорение, как следствие проявления центростремительной силы.
Если корабль будет двигаться прямолинейно, то для создания «искусственной гравитации» он должен будет разгоняться с большим ускорением и с таким же ускорением тормозить. При этом космонавты будут испытывать перегрузки до 4000g. При этом на разгон и торможение потребуется большое количество топлива.
Е сли искусственную тяжесть невозможно создать при линейном ускорении корабля, следовательно, его нужно заставить вращаться, причем вокруг некоторой точки, расположенной за его пределами (рис.3). Как мы знаем, при вращении тела в инерциальной системе отсчета возникает центростремительное ускорение. Если тело расположено на диске, то центростремительной силой, удерживающей тело, является сила трения.
Так как в принципе вращающаяся система не является инерциальной, то для выполнения законов Ньютона в неинерциальных системах отсчета вводится искусственная сила – сила инерции, равная по величине центростремительной и направленная против ускорения. Эту силу мы еще называем центробежной. Тогда при вращении корабля человек будет чувствовать, как его «притягивает корпус корабля». Центробежная сила прижмет его к полу, так же как сила тяжести прижимает человека к Земле. Все части человеческого тела обретут вес, так же как и все предметы, находящиеся на космическом корабле. Основанием, на котором стоит человек, будет являться внутренняя стенка космического корабля.
Глава 2. Методы создания искусственной гравитации
2.1. Идея искусственной гравитации С.П.Королева
Первую орбитальную станцию «спроектировал» американский священник Эдвард Хейл в 1869-1870 годах в рассказе «Кирпичная Луна». Это был огромный навигационный спутник, который должен был вращаться вокруг Земли по круговой орбите на высоте 6500 км.
Типичный представитель чистых «бубликов» - военное космическое поселение с гарнизоном в триста человек, предложил в 1953 году немец Вернер фон Браун, автор первой баллистической ракеты Фау-2. «Бублик» у Брауна имеет шарообразную ступицу и две спицы. На длинной ступице, соединенной тремя спицами с «бубликом», помещались и солнечная электростанция, и обсерватория, и причалы для космических кораблей.
Но фантазии оставались фантазиями, пока К.Э.Циолковский не создал свою теорию «эфирных поселений». Именно в ней он высказывал идею создания искусственной силы тяжести путем вращения станции.
В Советском Союзе идеями создания искусственной гравитации занимался инженер-конструктор, основоположник практической космонавтики, главный конструктор ОКБ Сергей Павлович Королев. Он думал о полетах на Луну и даже к Марсу: в ОКБ-1 уже разрабатывались проекты межпланетных кораблей.
Размеры корабля слишком малы, чтобы вращать его для создания центробежной силы; требовался противовес - система связанных между собой тел, вращающихся в космосе. Для орбитального корабля нашелся идеальный противовес - последняя ступень ракеты-носителя, которая выходит на орбиту и отделяется, отбрасывается от него как ненужная, уже бесполезная пустая «бочка». Первые оценки показали, что необходимы большие, почти космические размеры карусели. Чтобы достичь лунной перегрузки, то есть центробежного ускорения в 1,5 м/с2, требовался трос длиной в 300 м. Сразу раскрутить «карусель» до такой скорости не удавалось, и вообще разведение корабля с последней ступенью оказалось наиболее тонким и опасным этапом образования вращающейся системы. Подготовили следующий космический сценарий (рис. 4):
После выхода на орбиту «Восход» отделялся от ракеты-носителя, оставаясь связанным с ним тросом. Пустая, без топлива и окислителя последняя ступень РН «Восток» весила около 3 тонн. Через несколько секунд после расхождения включались два пороховых реактивных двигателя, которые сообщали дополнительный импульс, увеличивая скорость расхождения до 10 м/с, сматывая трос с барабана лебедки. Ракетный блок удалялся от корабля, пока расстояние не увеличилось до 1000 м. Погасив скорость расхождения, лебедка выдавала сигнал на включение еще одной пары пороховых реактивных двигателей, на этот раз, чтобы закрутить систему. Система из двух связанных тросом тел начинала вращаться относительно общего центра масс со скоростью в 2 оборота в минуту, а центр масс, в свою очередь, продолжал вращаться по орбите вокруг Земли.
Под действием центробежной силы трос натягивался, создавая перегрузку в 1/300 земной. Следующим шагом становилась так называемая перецепка. Чтобы искусственная сила тяжести действовала на сидящего в кресле космонавта правильно, чтобы она прижимала его к креслу, а не вынуждала висеть на привязных ремнях, требовалось отцепить нижнюю точку крепления на приборно-агрегатном отсеке «Восхода»; корабль перевертывался и после нескольких колебаний оставался висеть вверх ногами, зато это положение вполне устраивало космонавтов.
На следующем этапе развертывания требовалось увеличить перегрузку до лунного значения, то есть до 1/6 земной. Если стягивать два вращающихся тела, то, подчиняясь этому закону, скорость вращения начинает возрастать, как у вращающегося на льду фигуриста, складывающего руки. Лебедка стягивала трос с километрового расстояния до 300 м, увеличивая скорость вращения до требуемой величины - 7 град/с. В результате на корабле «Восход» с массой около 6 тонн действовала перегрузка, равная лунной тяжести.
После окончания эксперимента трос предполагалось отстрелить от корабля, иначе спуск на Землю становился невозможным.
Однако полет на «Восходе» так и не состоялся. В начале 1966 года умер С.П.Королев. «Восход-3», предназначенный для длительного полета, был вывезен в марте 1966 на полигон, а позже новый главный конструктор В.П. Мишин приказал прекратить работы над всеми «Восходами». Еще долго космические лебедки и другие узлы никем до сих пор не воспроизведенной системы хранились в приборном производстве, пока их не сдали на металлолом. От всего проекта остались одни воспоминания.
2.2. Экспериментальное изучение изменение веса вращающихся тел
В земных условиях без особого оборудования достаточно сложно изучать искусственную гравитацию. Поэтому в своих экспериментах мы стремились к изучению возникающих при вращении тела перегрузок. Тогда в условиях космоса, при вращении корабля, значение перегрузки, равной 1g, даст космонавту ощущение земной тяжести.
Опыт 1. Прикрепим к диску П-образную дугу, к дуге подвесим три маятника (рис.5). При вращении диска мы наблюдали, что чем дальше маятник от оси вращения, тем больше отклонение маятника. Следовательно, сила натяжения нити увеличивается при увеличении радиуса вращения. Сила натяжения нити является центростремительной силой, ей противодействует сила инерции (центробежная сила), которая способна создать у тела ощущение тяжести.
Опыт 2. Измерим величину центробежной силы. Для этого на диск установили П-образную дугу и желоб с блоком. К центральному крючку дуги подвесили динамометр, к которому короткой нитью, перекинутой через блок, прикрепили гантель, лежащую на желобе. При вращении диска наблюдали изменение показаний динамометра (рис.6). Частоту вращения мы измеряли с помощью оптометрического датчика.
Так как гантель расположена практически горизонтально, следовательно, показания динамометра соответствуют значению центробежной силы. По ее значению можно рассчитать центробежное ускорение:
Результаты измерений и расчётов представлены в Таблице 1:
|
№ п/п |
Частота вращения, ν, Гц |
m= 200г=0,2 кг |
m= 100г=0,1 кг |
||||
|
F, Н |
a |
a/g |
F, Н |
a |
a/g |
||
|
1 |
0,58 |
1 |
5 |
0,5g |
0,2 |
2 |
0,2g |
|
2 |
0,81 |
1,2 |
6 |
0,6g |
0,5 |
5 |
0,5g |
|
3 |
1,00 |
2,2 |
11 |
1,1g |
0,9 |
9 |
0,9g |
|
4 |
1,30 |
2,5 |
12,5 |
1,25g |
1,2 |
12 |
1,2g |
Таким образом, для тела небольшой массы (100-200г) получить центробежное ускорение, равное ускорению свободного падения, нам удалось при частоте вращения диска 1 Гц, т.е при вращении установки 1 оборот в секунду.
Опыт 3. Мы решили рассмотреть систему вращающихся тел и выяснить основные характеристики этой системы. Для эксперимента были взяты две пластиковые бутылки, связанные веревкой, продетой через трубку (рис.7,а).
Маленькая бутылка массой 150г является моделью космического корабля, большая – противовесом. Изменяя массу большой бутылки, приводим систему во вращение. При этом радиус окружности, по которой вращается маленькая бутылка, будет изменяться в зависимости от массы противовеса (веревка движется в трубке свободно).
Измеренные параметры системы приведены в Таблице 2:
|
№ п/п |
m, кг |
М, кг |
N |
R, м |
t, с |
L=2πR м |
с-1 |
м/с |
м/с2 |
|
1 |
0,15 |
0,50 |
10 |
1,85 |
11,0 |
11,618 |
0,909 |
10,561 |
60,290≈6,0g |
|
2 |
0,15 |
0,75 |
10 |
1,30 |
9,0 |
8,164 |
1,111 |
9,070 |
63,281≈6,3g |
|
3 |
0,15 |
1,00 |
10 |
0,87 |
6,7 |
5,464 |
1,493 |
8,158 |
76,498≈7,6g |
|
4 |
0,15 |
1,25 |
10 |
0,68 |
6,5 |
4,270 |
1,538 |
6,567 |
63,420≈6,3g |
|
5 |
0,15 |
1,50 |
10 |
0,56 |
6,0 |
3,517 |
1,667 |
5,863 |
61,384≈6,1g |
В таблице представлены следующие данные:
m =0,150кг – масса «ракеты»;
М – масса противовеса, которую мы изменяем от 0,5 до 1,5кг;
N – количество оборотов «ракеты» (N=10);
R,м – радиус вращения «ракеты»;
t, с – время, за которое тело делает 10 оборотов;
L=2πR – длина окружности;
ν – частота, с-1;
V, м/с – скорость движения тела по окружности;
а, м/с2- ускорение, характеризующее перегрузку тела.
В результате проведенного эксперимента мы убедились, что при вращении центробежная сила может сообщать телу ускорение, достаточное для создания «искусственной гравитации». Вращающийся груз растягивает веревку с силой почти в 7 раз больше собственного веса. Чем меньше радиус окружности, тем больше частота вращения тела.
В условиях космоса нам необходимо получить ускорение, равное ускорению свободного падения, при этом человек в космическом корабле не должен ощущать себя дискомфортно. При слишком малом радиусе будет существенным разброс в значениях ускорения голова-ноги, поэтому радиус вращения корабля должен быть достаточно большим.
2.3. Расчет создания искусственной «силы тяжести» путем вращения космического объекта
При изучении научной литературы, мы выяснили, что современная наука рассматривает два основных направления для исследований в области создания искусственной гравитации: создание искусственной гравитации за счет вращения космической станции и использование специальных тренажеров, моделирующих состояние земного тяготения для поддержания здоровья космонавтов во время длительных перелетов.
Постановка задачи: провести оценку угловой скорости вращения космического корабля цилиндрической формы радиусом 1 км, при которой на внутренней оболочке корабля будет получено центростремительное (центробежное) ускорение, равное ускорению свободного падения ац.с. = g ?
Решение: будем считать, что космонавт находится в корабле в состоянии невесомости, оболочка корабля достаточно тонкая. Тело является материальной точкой.
Линейная скорость V(м/с) – скорость отдельной точки вращающегося тела, зависящая от угловой скорости и расстояния от точки до оси вращения.
Угловая скорость ω(рад/с) - векторная величина, характеризующая скорость вращения тела.
Рассмотрим силы, действующие на космонавта (рис. 8.):
по третьему закону Ньютона ; .
При R=1000м и aц.с. =g =9,8м/с2 угловая скорость вращения корабля
. Частота вращения составит ≈ 0,016 об/с ≈ 1об/мин.
Это значение невелико. Многочисленными экспериментами на центрифугах выявлено, что уже при скорости, большей 4 об/мин, у испытуемых возможно нарушение нормального функционирования вестибулярного аппарата.
Оценим, в какой зоне должен находиться человек, чтобы не ощущать сильный перепад гравитации. Ученые установили, что для отсутствия потери ориентации в пространстве необходимо, чтобы минимальное значение составляло 15% притяжения Земли (0,15g). Кроме того, уровень гравитации, в три-четыре раза меньший земного (0.25−0.3g), переносится человеком вполне нормально.
Мы предполагаем, что в пределах космического корабля «разброс» значения g не должен ощущаться в разных его точках. Поэтому для нормального ощущения гравитации отклонение должно составлять не более 3% (0,97g). Исходя из этих данных, определим размер полезного объема космического корабля (рис. 9). Полный объем корабля:
Vполез = Vполн - Vвнутр =
Доля полезного объема:
0,0591≈ 6%
При радиусе корабля 1000м, ширина полезной зоны составит всего 30 метров.
Мы убедились, что с учетом полезной зоны форма космического корабля действительно является «бубликом» - тором (рис. 10).
Таким образом можно сделать следующие выводы: оптимальная форма космического корабля с искусственной гравитацией – тор; рассчитанная скорость вращения космического корабля не должна существенным образом влиять на вестибулярный аппарат космонавта; объем, тяготение в котором является близким к земному – занимает всего 6% объема космического корабля.
2.4. Центрифуга короткого радиуса как модель земной гравитации
При изучении литературы мы обнаружили, что практических экспериментов в условиях космического пространства по созданию искусственной гравитации ни в России, ни в других странах не проводится. Либо результаты проводимых экспериментов не оглашаются.
Таким образом, мы сделали вывод, что на данный момент космонавтика располагает только устройством, имитирующим состояние гравитации – центрифугой короткого радиуса (ЦКР).
В связи с появлением реальной возможности осуществления в недалеком будущем межпланетных экспедиций, для сохранения хорошей физической формы, здоровья и высокой работоспособности космонавтов ЦКР может использоваться как новое профилактическое средство неблагоприятного влияния невесомости. Один из рассмотренных нами проектов ЦКР создан Научно-производственной фирмой «Энергия-Сервис» (рис.11). Сравнительные характеристики различных моделей приведены в Приложении 1. Центрифуга может монтироваться на борту космического корабля. ЦКР создает ускорение в направлении «голова-ноги», что позволяет моделировать перемещение жидких сред организма, характерное для вертикальной позы человека, создавать деформации и механическое напряжение структур тела, что создает близкую к земной афферентную импульсацию. Это имеет важное значение для профилактики детренированности организма, развивающейся в условиях невесомости.
Проведем анализ влияния ЦКР на гидростатику человека [6]:
Гидростатический компонент давления крови при вертикальной позе человека возрастает в сосудах нижней половины и уменьшается в сосудах верхней половины тела в связи с тем, что продольная ось тела человека параллельна вектору земной гравитации.
Гидростатическое давление, оказываемое столбом крови на сосудистую систему у человека в этих условиях (рис. 12), является постоянно действующим естественным фактором его существования [5].
Р1 = ρgh , где ρ– плотность человеческого организма, в рамках модели взятая 1000кг/м3 , g – ускорение свободного падения 9,8м/с2 , h – расстояние от макушки головы до точки измерения, в наших расчетах принимает значения от 0 до 1,75 м.
Аналогичным образом можно вывести уравнение гидростатического давления в условиях вращения на ЦКР в невесомости, если человек лежит, и ось вращения проходит через его макушку (рис. 6.2): P2 = ρah = ρ·ω2 ·h2 = , где ρ– плотность человеческого организма, в рамках модели взятая 1000кг/м3, а- ускорение, создаваемое центрифугой при вращении со скоростью ω (рад/с), n – число оборотов в минуту.
Возможен также случай, если ось вращения ЦКР проходит на расстоянии L(3) (рис.11) от макушки испытуемого (благодаря этому возможно уменьшение числа оборотов).
Однако выбор режимов вращения человека на ЦКР, как нового перспективного средства профилактики неблагоприятного воздействия невесомости при межпланетном перелете, будет базироваться на оценке устойчивости человека и их эффективности.
Заключение
Проблема создания искусственной гравитации в настоящее время стоит достаточно остро. Одним из основных препятствий к длительным полетам (например, на Марс) является отсутствие гравитации. Как показали медицинские исследования, процесс восстановления человека занимает в 2−3 раза больше времени, чем длится космический полет, и после продолжительных космических экспедиций растягивается на годы.
В работе рассмотрена возможность создания искусственной гравитации в условиях космоса. Идею искусственной гравитации, создаваемой с помощью вращения, впервые выдвинул еще К.Э. Циолковский. В России исследования по созданию искусственной гравитации проводились под руководством С.П.Королева в 60-е годы 20 столетья. Однако исследования носили теоретический характер и на практике испытания системы на основе корабля «Восход» не были проведены.
Как правило, ученые придерживаются мнения, что искусственную гравитацию можно создать путем вращения космического корабля вокруг некоторой оси.
В результате проведенных расчётов мы пришли к выводу, что оптимальная форма космического корабля с искусственной гравитацией – тор, полезный объем, тяготение в котором является близким к земному – занимает всего 6% объема вращающейся станции.
На данный момент современная космонавтика располагает только устройством, имитирующим состояние гравитации – центрифугой короткого радиуса (ЦКР). Она создает ускорение в направлении «голова-ноги», что позволяет моделировать перемещение жидких сред организма, характерное для вертикальной позы человека, создавать деформации и механическое напряжение структур тела, что создает близкую к земной афферентную импульсацию. Малые размеры центрифуги могут позволить монтировать ее на борту корабля, что позволит поддерживать организм космонавта в «земных условиях» в течение длительных перелетов.
Литература
Акулов В.А. Нелинейная модель гемодинамики нижних конечностей с учетом искусственной гравитации//Обозрение прикладной и промышленной математики. – 2001,№8. – с .1
Валеев А.Р., Зотов А.Н., Имаева Э.Ш., Тихонов А.Ю.Создание искусственной гравитации при помощи колебательных систем с квазинулевой жесткостью//Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, -2011, № 4 (5), с. 2051–2052
Виль-Вильямс И.Ф. Основные подходы к выбору режимов применения центрифуги короткого радиуса в длительных космических полетах//Авиакосмическая и экологическая медицина, - 1993. №5-6, - с. 46-51.
Котовская А.Р., Шипов А.А., Виль-Вильямс И.Ф. Медико-биологические аспекты проблемы создания искусственной силы тяжести. – М.: Слово. - 1996г. - 203 с.
Осадчий Л.И. Положение тела и регуляция кровообращения. – Ленинград: Наука. 1982г. – 215 с.
Пичулин В.С., Лукьянюк В.Ю., Соболева А.Ю. Центрифуга короткого радиуса (ЦКР) как гидростатическая модель земной гравитации //Космическая техника и технология, - Выпуск №32.
Сыромятников В.С. 100 рассказов о стыковке и о других приключениях в космосе и на Земле. Часть 1: 20 лет назад. -М.: Логос, 2003.-568 с.:ил
Электронный ресурс: http://www.astronaut.ru/bookcase/books/golovanov 02/text/03
Электронный ресурс: http://www.nkj.ru/archive/articles/1808/ (Наука и жизнь, Жизнь с гравитацией и без нее)
Приложение 1.