Новости. Варианты создания искусственной силы тяжести в космосе
07 мая 2021, 16:12
Варианты создания искусственной силы тяжести в космосе
Искусственная гравитация — популярная тема научной фантастики. Но она давно уже вышла за рамки книг и фильмов, став практической задачей ученых. Технологии искусственной гравитации, создающие эффект силы притяжения, разрабатываются и исследуются в Институте медико-биологических проблем (ИМБП) РАН в интересах предстоящих полетов в дальний космос. Чтобы лететь на Марс
Зачем создавать искусственную гравитацию? Ведь сейчас экипажи Международной космической станции обходятся привычными средствами профилактики, чтобы справиться с влиянием невесомости. Человек может нормально существовать, когда на весь его организм действует знакомая сила притяжения Земли. В условиях невесомости этого воздействия нет, что чревато возникновением проблем со здоровьем. И если мускулатуру и суставы можно поддерживать в тонусе, занимаясь на специальных тренажерах, то внутренние органы таким образом не натренируешь. Чтобы полет, например, на Марс не представлял чрезмерного риска для здоровья, необходимо разработать установку, которая создавала бы искусственную гравитацию на космическом корабле.
Эквивалентом земной гравитации может быть центробежная сила, возникающая благодаря равномерному вращению всего объекта или его части. Первым идею создания в невесомости искусственной силы тяжести центробежной силой предложил К. Э. Циолковский. Об этом говорится в его книге "Грезы о Земле и небе" (1895 г.) и повести "Вне Земли" (1920 г.). Идея ученого заключается в построении тороидальной (тор — геометрическая фигура, имеющая форму баранки или спасательного круга) космической станции, напоминающей велосипедное колесо. Если колесо вращается в пространстве вокруг своей оси, то инерция и центробежная сила могут создать своего рода искусственную гравитацию, которая прижмет предметы к внешней поверхности. Это позволит людям и роботам ходить по полу, как на Земле, а не плавать в воздухе, как на МКС. Однако этот способ подойдет скорее нашим потомкам, так как в нем много нерешенных фундаментальных вопросов.
Когда голова идет кругом
Наземные эксперименты проводились в ИМБП начиная с 1960-х годов. Они показали, что перемещение человека во вращающейся среде неизбежно приводит к возникновению в вестибулярном аппарате эффекта укачивания — вплоть до развития клинической формы болезни движения. И чем больше скорость вращения, тем сильнее воздействие на вестибулярный аппарат. В разные годы изучалось влияние на организм человека длительного (до одного месяца) пребывания во вращающихся системах.
Итак, сначала была создана медленно вращающаяся камера МВК-1. Она имела кабину цилиндрической формы с осью вращения, проходящей через центр пола. Привод установки обеспечивал равномерное вращение с угловой скоростью от 0.9 до 6 оборотов в минуту. Сравнительно небольшие размеры МВК-1 (площадь около 3 м²) были рассчитаны на двух испытателей в сидячем положении. Продолжительность непрерывного пребывания в ней ограничивалась одной неделей.
Позднее была введена в строй более совершенная установка "Орбита", смонтированная на центрифуге с плечом длиной 20 м. Здесь уже был жилой отсек на двух человек, обеспечивающий бытовые удобства и проведение исследований.
В 1989 г. в ИМБП появилась медленно вращающаяся наземная установка "Юпитер-2", где созданы условия для активного и достаточно комфортного пребывания одновременно двух испытателей. Установка представляет собой металлический цилиндр диаметром 4.6 м и высотой 2.2 м. Ось вращения проходит через центр кабины, скорость вращения может быть от 1 до 15 оборотов в минуту. "Мы проводили исследования в установке "Юпитер-2", или, как ее называют, "медленно вращающейся комнате", — рассказал директор ИМБП, академик РАН
Олег Орлов. — Когда она вращалась со скоростью 6 об/мин, испытуемые, как правило, адаптировались к вращению в течение нескольких часов и потом относительно успешно проводили в таком объекте несколько суток. При вращении 9 об/мин уже требовались специальные средства фармакологической профилактики, что, однако, не гарантировало успех. Редко кому удавалось перенести вращение со скоростью 12 об/мин. Для того чтобы при низкой скорости вращения поддержать уровень гравитации, близкий к земным условиям, надо увеличивать радиус вращения. Получаются большие динамические конструкции, создание которых сейчас технически затруднительно".
В настоящее время стенд "Юпитер-2" передан в дар Государственному музею истории космонавтики имени К. Э. Циолковского в Калуге, где он станет частью новой экспозиции, открытие которой запланировано к 60-летию полета Ю. А. Гагарина. А ИМБП вплотную занялся наиболее реальной сегодня концепцией, подразумевающей использование на борту орбитальной станции центрифуги короткого радиуса для создания кратковременных, но периодически повторяющихся гравитационных нагрузок.
Гравитационная терапия
В СССР первая полноценная наземная центрифуга короткого радиуса была зарегистрирована в 1978 г. Она имела одно плечо длиной до 2 м и была оборудована ложементом. Ось вращения проецировалась на уровне глаз, примерно на уровне переносья. Предусматривалось создание перегрузки "голова — ноги" на уровне стоп до 4g. Исследования проводились, когда человек находился в положении лежа только на спине. На ножном конце ложемента центрифуги располагался велоэргометр для физической тренировки во время вращения. Врачебный пульт был оснащен комплексом аппаратуры для оперативного медицинского контроля за состоянием испытуемого во время вращения.
В результате исследований был решен вопрос о направлении действия перегрузок при вращении на центрифуге короткого радиуса в невесомости, а именно направление должно быть вдоль продольной оси тела от головы к ногам. Только этот вектор действия перегрузок создает гидростатическое давление крови, аналогичное тому, что испытывает человек стоя на Земле, и исчезающее в невесомости. В модельных исследованиях была доказана принципиальная возможность эффективного применения искусственной гравитации в профилактических целях. "Эффективность вращения на центрифуге для профилактики отрицательного влияния невесомости была подтверждена на биообъектах в ходе реального космического полета по программе БИОН в 1977 г., — отметил
Олег Орлов. — Однако дальнейшие исследования в этом направлении были прекращены, поскольку считалось, что для орбитальных станций создание искусственной гравитации избыточно. Документация на стенд была передана в Самару, где позже на ее основе был создан ряд центрифуг клинического назначения. Так появился новый клинический метод — гравитационная терапия".
К проблеме искусственной гравитации с использованием центрифуги короткого радиуса вернулись уже в наши дни в связи с тематикой перспективных межпланетных полетов. Современный лабораторный стенд центрифуги был создан в РКК "Энергия" по заказу специалистов ИМБП. Он вобрал в себя как опыт отечественной школы, так и практику зарубежных коллег (центрифуги короткого радиуса есть в Германии, США, Японии, Франции и Китае. — Ред.). В 2014 г. на центрифуге ИМБП нового поколения прошли первые медицинские испытания с участием четырех мужчин (в возрасте от 30 до 34 лет) с перегрузками направления "голова — таз" до (1.5–2) g на уровне стоп. После испытаний была проведена практически полная модернизация стенда.
Лежа стоять на Земле
"В результате кабина стала закрытой, более функциональной и комфортной для испытуемых, например в части внешних оптокинетических раздражителей. Моменты разгона и торможения кабины также минимизированы. Ход центрифуги такой плавный, что человек в закрытой кабине не ощущает вращения. Изменение геометрии ложемента из положения лежа в положение сидя производится с пульта инженера и самим испытуемым по команде. Использование специальной конструкции ложементов, позволяющей проводить вращения в позе "полусидя", должно существенно облегчить переносимость человеком продольных перегрузок при направлении воздействия от головы к ногам. Изменение позы позволяет существенно сократить радиус центрифуги, что важно при разработке ее бортового варианта, где модуль может иметь ограниченные размеры по радиусу", — рассказала заведующая лабораторией ИМБП
Милена Колотева.
Центрифуга нового поколения была введена в эксплуатацию в 2015 г., но и сейчас стенд продолжает совершенствоваться. Например, ведутся работы по созданию в закрытой кабине элементов виртуальной реальности. То есть, находясь в ложементе, человек будет не только ощущать земную или, скажем, марсианскую "тяжесть в ногах", но и сможет видеть образы поверхности планеты, на которой он будто бы стоит.
Испытания на новой центрифуге короткого радиуса с участием мужчин проводились в 2014–2019 гг. В 2019 г. три человека находились 21 день в условиях "сухой" иммерсии и периодически подвергались вращению на центрифуге короткого радиуса. Первое вращение было на второй день после закладки в иммерсионную ванну, дальше — через два дня на третий. Всего было восемь вращений. В прошлом году был сделан вынужденный перерыв из-за пандемии коронавируса, но в наступившем 2021 г. серия экспериментов будет продолжена. Запланировано такое же исследование с участием еще двух испытателей.
Женщины давно стали полноправными членами экипажей МКС, и их участие в будущих межпланетных космических миссиях не вызывает вопросов. Поэтому и искусственную гравитацию представительницы прекрасного пола также испытывают на себе. Впервые в исследованиях на центрифуге короткого радиуса женщины (шестеро добровольцев) участвовали в рамках эксперимента "Луна-2015". Результаты вращения по тестовым режимам подтвердили возможность лучшей половины человечества переносить перегрузки вполне благоприятно, наряду с мужчинами. Но есть особенности реакций женского организма, которые не позволяют полностью экстраполировать результаты мужской группы на женщин. "В перспективе возможно участие женщин не только в контрольной серии, где они вращались на центрифуге короткого радиуса, но и в моделированной невесомости с помощью антиортостатической гипокинезии (АНОГ). Надо подобрать такую модель невесомости, где могли бы участвовать одновременно группы и мужчин, и женщин, — рассуждает
Милена Колотева. — Затем сравнить их по результатам, режимам. Посмотреть, кому нужно чаще давать нагрузку, у кого дольше сохраняется "гравитационный" эффект, каковы критерии переносимости. Это отдельная большая работа".
Модуль с гравитацией Исследования и экспериментальная отработка технологии трансформируемых (надувных) модулей с размещением в них бортовой центрифуги короткого радиуса проводились в РКК "Энергия" с 2012 по 2015 год. В результате были выбраны и сертифицированы материалы, изготовлены и отработаны фрагменты оболочки, создан и испытан масштабный макет модуля. Проведенный анализ показал принципиальную возможность создания надувного модуля средней размерности с центрифугой короткого радиуса. Такой модуль запускается в сложенном виде и должен развернуться после стыковки к станции. Аналогичный надувной модуль BEAM уже несколько лет испытывается в составе американского сегмента МКС. "Вопрос, когда будет создаваться данный модуль, на сегодняшний день открыт, — подчеркнул
Олег Орлов. — Вероятнее всего, он просматривается в конфигурации новой российской орбитальной станции. На этапе создания макета бортового варианта центрифуги короткого радиуса мы совместно с коллегами из РКК "Энергия" должны отработать медико-технические требования и решить вопросы не только габаритов изделия для проектируемого модуля, эргономики эксплуатации, но и ряд других: например, энергопотребление, образование воздушных потоков при вращении и т. п.
Среди важных вопросов — динамические характеристики стенда: скорость и время вращения, допустимые скорости разгона и торможения. Возможная передача вибрации на корпус модуля — тоже важный вопрос. У наших конструкторов есть опыт создания независимых подвесок для динамических медицинских стендов (в первую очередь бегущей дорожки), который может быть полезен и в перспективной работе. Ограничения, накладываемые на конструкцию и эксплуатационные характеристики изделия особенностями конкретного модуля и условиями эксплуатации в составе космической станции, должны быть проработаны на этапе создания макета установки, а затем уже окончательно решены на этапе проектирования бортовой центрифуги".
Не вместо, а вместе Специалисты ИМБП отмечают: не следует рассматривать центрифугу короткого радиуса в качестве универсального профилактического средства от всех возможных неблагоприятных проявлений невесомости. "Та система профилактики, которая сейчас есть на борту МКС, не будет отброшена, — пояснила
Милена Колотева. — Центрифуга короткого радиуса должна быть интегрирована в алгоритм имеющихся профилактических мер. Исчезновение гидростатического давления крови, отсутствие весовой нагрузки на костно-мышечный аппарат и изменение функционирования афферентных систем нельзя нивелировать имеющимися средствами профилактики. Восполнить отсутствие гравитационных стимулов возможно лишь путем создания искусственной силы тяжести на борту станции. Результаты исследований показывают, что сочетание воздействия центрифуги и традиционных профилактических средств, например тренировки на велоэргометре, способствует поддержанию гравитационной устойчивости в большей мере, чем использование этих средств в отдельности".
В ИМБП идет разработка периодичности использования центрифуги короткого радиуса. Возможно, она будет применяться в ранние сроки космического полета, начиная буквально со 2–3-го дня пребывания в невесомости и до окончания миссии. "Сейчас мы ведем речь о дневном использовании центрифуги, потому что должны получать осознанные результаты, — подчеркнула
Милена Колотева. — У нас есть возможность общаться во время вращения с испытуемым и фиксировать его ощущения, наблюдения. Но вполне возможно, что у каждого участника экспедиции в дальний космос будет свой протокол использования центрифуги короткого радиуса. У кого-то за время полета, например, к Марсу будет 50 вращений, у кого-то — 150. Это зависит от индивидуальных особенностей человека и реакции физиологической системы. Все это еще подлежит определению".
Сила притяжения искусства
Искусственная гравитация фигурирует во многих книгах, фильмах, сериалах, комиксах и компьютерных играх. Например, в фильме Стэнли Кубрика "2001: Космическая одиссея" и одноименном романе Артура Кларка вращающаяся центрифуга космического корабля Discovery создает искусственную гравитацию. Люди там могут ходить по изогнутому "полу", который постоянно вращается внутри внешней оболочки корабля.
В фильме "Интерстеллар", созданном режиссером Кристофером Ноланом, космическая станция и Endurance образуют искусственную гравитацию, вращаясь с определенной частотой, чтобы имитировать гравитацию, аналогичную земной.
В романе Энди Вейра "Марсианин" и одноименном фильме космический корабль "Гермес" намеренно создает искусственную гравитацию. В нем используется кольцевая структура, на периферии которой действуют силы, равные около 40 % силы тяжести Земли. Такая искусственная гравитация похожа по силе на марсианскую. В центре кольцевой конструкции отсутствие гравитации делает космонавтов практически невесомыми.
Во вселенной телесериала "Звездный путь" искусственная гравитация достигается за счет использования "гравитационной пластины", встроенной в палубу звездолета. А в телесериале "Вдали", премьера которого состоялась в прошлом году, искусственная сила тяжести есть только в каютах экипажа, которые вращаются вокруг основной части космического корабля, не имеющей гравитации.
Продолжается подписка на журнал "Русский космос" на 2021 год. Вы можете найти нас в каталоге агентства "Урал-пресс" Наш индекс: 013856