III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИСКУССТВЕННАЯ ГРАВИТАЦИЯ И КОСМИЧЕСКИЕ ПОСЕЛЕНИЯ.
Чуйко Н.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Цели и задачи исследования

Целью моей научно исследовательской работы является рассмотрение такого фундаментального взаимодействия как гравитация, его явлений и проблема космических поселений с искусственным притяжением, рассмотрение особенностей использования различного вида двигателей для создания искусственной гравитации, развитие представлений о жизни в космосе в условия искусственной гравитации и решение проблем, возникающих при создании этого проекта, интеграция патентов передовых технологий к решению проблем искусственной гравитации.

Актуальность исследования.

Космические поселения представляют собой вид космических станций, на которых человек смог бы проживать в течение длительного периода времени или даже всю жизнь. Для создания подобных поселений нужно продумать все необходимые условия для оптимальной жизнедеятельности — систему жизнеобеспечения, искусственную силу тяжести, защиту от космических воздействий и т.д. И хотя реализовать все условия довольно сложно, ряд писателей-фантастов и инженеров уже создали несколько проектов, по которым, возможно, в будущем будут созданы удивительные космические поселения.

Значимость и новизна исследования.

Искусственная гравитация является перспективным направлением для исследований, ведь она обеспечит долговременное пребывание в космосе и возможность дальних космических перелетов. Постройка космических поселений может дать средства для дальнейших исследований; если запустить программу космического туризма, что будет являться весьма дорогим удовольствием, космические корпорации получат дополнительный поток финансирования, и исследования можно будет проводить по всем направлениям, не ограничиваясь возможностями.

Гравитация. Гравитационные явления. Гравитация.

Гравитация – один из четырех типов фундаментальных взаимодействий, или иными словами - такая сила притяжения, направленная к центру массы любого объекта и к центру масс скопления объектов; чем больше масса, тем выше гравитация. При удалении от объекта сила притяжения к нему стремится к нулю, но в идеальных условиях совсем не исчезает никогда. То есть, если представить себе абсолютный вакуум без единой лишней частицы любого происхождения, то в этом пространстве любые объекты, обладающие хоть бесконечно малой массой, при отсутствии любых других внешних сил будут притягиваться друг к другу на любом бесконечно далеком расстоянии.

При малых скоростях гравитация описывается механикой Ньютона. А при скоростях сопоставимых со скоростью света гравитационные явления описываются СТО

А. Эйнштейна.

В рамках механики Ньютона гравитация описывается законом всемирного тяготения, который гласит, что два точечных (или сферических) тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной произведению масс этих тел, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и действующей вдоль прямой соединяющей эти тела.

В приближении больших скоростей гравитация объясняется СТО, которая имеет два постулата:

  1. Принцип относительности Эйнштейна, говорящий о том, что природные явления одинаково протекают во всех инерциальных системах отсчета.

  2. Принцип постоянства скорости света, говорящий о том, что скорость света в вакууме постоянна (противоречит закону сложения скоростей).

Для описания гравитации разработано особое расширение теории относительности, в котором допускается кривизна пространства-времени. Тем не менее, динамика даже в рамках СТО может включать гравитационное взаимодействие, пока потенциал гравитационного поля намного меньше. Следует также заметить, что СТО перестаёт работать в масштабах всей Вселенной, требуя замены на ОТО.

Далее мы будем рассматривать взаимодействия, описываемые в ОТО.

Гравитационные явления.

Самым ярким гравитационным явлением считается притяжение. Также существует иное явление, связанное с гравитацией – невесомость.

Благодаря гравитационным силам мы ходим по земле, и наша планета существует, как и вся Вселенная. Но что случится если мы покинем планету? Мы будем испытывать одно из ярких гравитационных явлений – невесомость. Невесомость – такое состояние тела, при котором на него не действуют никакие силы кроме гравитационных, либо эти силы скомпенсированы.

Астронавты, пребывающие на МКС, находятся в состоянии невесомости, что негативно сказывается на их здоровье. При переходе из условий земной гравитации к условиям невесомости (в первую очередь, при выходе космического корабля на орбиту), у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации. При длительном (более недели) пребывании человека в космосе отсутствие гравитации начинает вызывать в организме определённые изменения, носящие негативный характер. Первое и самое очевидное последствие невесомости — стремительное атрофирование мышц: мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате ухудшаются все физические характеристики организма. Кроме того, следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода, и из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего его. Также есть основания полагать, что ограничение подвижности нарушает фосфорный обмен в костях, что приводит к снижению их прочности.

Для того чтобы избавиться от негативных эффектов невесомости необходимо создать искусственное тяготение в космосе.

Искусственная гравитация и космические поселения. Ранние исследования XX в.

Циолковский предложил теорию эфирных поселений, которые представляли собой тор, который медленно вращается вокруг своей оси. Но в то время такие идеи были утопией и все его проекты остались на эскизах.

Первый проработанный проект был предложен австрийским ученым Германом Нордрунгом в 1928 году. Это также была станция в форме тора, включающая в себя жилые модули, электрогенератор и астрономический обсерваторный модуль.

Следующий проект был предложен Вернером фон Брауном, ведущим специалистом американской космической программы, он также представлял собой торообразную станцию, где люди бы жили и работали в помещениях, соединённых в один большой коридор. Проект Вернера был одним из приоритетных направлений НАСА до появления проекта Skylab в 60-х.

Skylab – первая и единственная национальная орбитальная станция США, предназначалась для технологических, астрофизических, медико-биологических исследований, а также для наблюдения Земли. Запущена 14 мая 1973 года, приняла три экспедиции на кораблях «Аполлон» с мая 1973 по февраль 1974 года, сошла с орбиты и разрушилась 11 июля 1979 года.

Далее в 1965 году Американским космическим обществом было выдвинуто предположение, что идеальной формой для космических поселений будет тор, так как все модули расположены вместе, то сила тяжести будет иметь максимальную величину. Проблема искусственной гравитации представлялась во многом решеной.

Следующим проект выдвинул Джерард О’Нилл, он предполагал создание колоний, для которых предлагается использовать два гигантских размеров цилиндра, заключённых в раму и вращающихся в разные стороны. Эти цилиндры вращаются вокруг собственной оси со скоростью около 0,53 оборота в минуту, за счёт чего в колонии создаётся привычная для человека сила тяжести.

В 1975 г. Паркер выдвинул проект создания колонии диаметром 100 м и длиной в 1 км, удалённой на расстояние около 400 000 км от Земли и Луны и рассчитанного на 10 000 человек. Вращение вокруг продольной оси со скоростью 1 оборота за 21 секунду создаст в нём близкую к земной гравитацию.

В 1977 г. научным сотрудником Исследовательского центра Эймса (НАСА) Ричардом Джонсоном и профессором Чарльзом Холброу из Университета Колгейта вышла работа «Космические поселения», в которой рассматривались перспективные исследования поселений в форме тора.

В 1994 году под руководством д-ра Родни Гэлловэя при участии научных сотрудников и лаборантов Лаборатории Филлипса и Лаборатории Сандия, а также других исследовательских центров ВВС США и Космического исследовательского центра Аризонского университета, было составлено объёмное руководство для проектирования космических поселений в форме тора.

Современные исследования.

Одним из современных проектов в области космических поселений является Стэндфордский тор, который является прямым потомком идей Вернера фон Брауна.

Стэнфордский тор был предложен НАСА в течение лета 1975 года студентами Стэнфордского университета с целью осмыслить проект будущих космических колоний. Позже Джерард О’Нил представил свой «Остров Один» или «Сферу Бернала», как альтернативу тору. «Стэнфордский тор», только в более детальной версии, представляющей собой концепцию кольцевидной вращающейся космической станции, был представлен Вернером фон Брауном, а также австрийским инженером словенского происхождения Германом Поточником.

Он представляет собой тор диаметром около 1,8 километра (для проживания 10 тысяч человек, как описывалось в работе 1975 года) и вращается вокруг своей оси (оборот в минуту), создавая на кольце искусственную гравитацию в 0,9 — 1 g за счёт центробежной силы.

Солнечный свет поступает внутрь через систему зеркал. Кольцо соединяется со ступицей через «спицы» -коридоры для движения людей и грузов до оси и обратно. Ступица — ось вращения станции — лучше всего подходит для стыковочного узла приёма космических кораблей, так как искусственная гравитация тут ничтожна: здесь находится неподвижный модуль, пристыкованный к оси станции.

Внутреннее пространство тора является жилым, оно достаточно большое для создания искусственной экосистемы, природного окружения и внутри подобно длинной узкой ледниковой долине, чьи концы, в конечном счете, изгибаются вверх, чтобы сформировать круг. Население живёт здесь в условиях, подобных густонаселенному пригороду, причем, внутри кольца имеются отделения для занятия сельским хозяйством, и жилая часть. (Приложение 1)

Космические поселения и искусственная гравитация в культуре. Elysium

Миры-кольца, какими они представлены, например, в фантастическом боевике «Элизиум» или видеоигре «Halo», являются, пожалуй, одними из самых интересных идей для космических станций будущего. В «Элизиуме» станция находится близко к Земле и, если игнорировать ее размеры, обладает определенной долей реалистичности. Однако самая большая проблема здесь заключается в ее «открытости», что уже только по виду — чистая фантастика.

«Возможно, самым спорным вопросом по поводу станции «Элизиум» является ее открытость для космической среды».

«В фильме показано, как космический корабль просто садится на лужайку после того, как прилетает из открытого космоса. Здесь нет никаких стыковочных шлюзов и тому подобного. А ведь такая станция должна быть полностью изолирована от внешней среды. В противном случае атмосфера здесь долго не задержится. Возможно, открытые участки станции можно будет защитить каким-то невидимым полем, которое позволит солнечному свету проникать внутрь и поддерживать жизнь в высаженных здесь растениях и деревьях. Но пока это всего лишь фантастика. Таких технологий нет».

Самая идея станции в форме колец замечательная, но пока нереализуемая.

Star Wars

Практически каждый любитель научно-фантастических фильмов знает, что такое «Звезда смерти». Это такая большая серая и круглая космическая станция из киноэпопеи «Звездные войны», внешне очень напоминающая Луну. Это межгалактический уничтожитель планет, который по сути сам является искусственной планетой, состоящей из стали и населенной штурмовиками.

Можем ли мы в реальности построить такую искусственную планету и бороздить на ней просторы галактики? В теории — да. Только на это потребуется невероятное количество человеческих и финансовых ресурсов.

Вопрос строительства «Звезды смерти» поднимался даже американским Белым домом, после того как общество отправило соответствующую петицию для рассмотрения. Официальный ответ властей гласил, что только на сталь для строительства потребуется 852 000 000 000 000 000 долларов.

Но даже если вопрос финансов не был бы приоритетным, то у человечества нет технологий чтобы воссоздать «Звезду смерти», так как необходимо огромное количество энергии для ее движения.

(Приложение 2)

Проблемы в реализации проекта космических поселений.

Космические поселения являются перспективным направление в космической отросли будущего, но как всегда есть трудности, которые необходимо преодолеть для выполнения этой задачи.

  1. Начальные капитальные затраты;

  2. Внутренние системы жизнеобеспечения;

  3. Создание искусственной силы тяжести;

  4. Защиту от враждебных внешних условий:

    1. от радиации;

    2. обеспечение тепла;

    3. от инородных объектов;

Решение проблем искусственной гравитации и космических поселений.
  1. Начальные капитальные затраты – данную проблему можно решить сообща, если люди отложат свои личные амбиции и будут работать во благо великой цели. Ведь только от нас зависит будущее человечества.

  2. Внутренние системы жизнеобеспечения – уже сейчас на МКС присутствуют системы для повторного использования воды, но этого мало, при условии достаточности места на орбитальной станции можно найти место для оранжереи в которой будут произрастать растения, выделяющие максимум кислорода, также имеет место быть создание гидропонических лабораторий для выращивание ГМО, которые смогут снабжать продовольствием все население станции.

  3. Создание искусственной силы тяжести не такая уж сложная задача, как доставка огромного количество топлива необходимого для вращения станции.

    1.  
      1. Есть несколько путей решения проблемы.

        1.  
          1. Если нужно сравнить эффективность различных типов двигателей, инженеры обычно говорят об удельном импульсе. Удельный импульс определяется как изменение импульса на единицу массы израсходованного топлива. Таким образом, чем эффективнее двигатель, тем меньше топлива требуется для вывода ракеты в космос. Импульс, в свою очередь, есть результат действия силы в течение определенного времени. Химические ракеты, хотя и обладают очень большой тягой, работают всего несколько минут, а потому характеризуются очень низким удельным импульсом. Ионные двигатели, способные работать годами, могут иметь высокий удельный импульс при очень низкой тяге.

Использовать стандартный подход и применить к решению проблемы реактивные двигатели. Расчеты показывают, что при использовании любого известного реактивного двигателя потребуются огромные количества топлива, чтобы содержать станцию хотя бы год.

  • Удельный импульс I(ЖРД) = 4,6

  • Удельный импульс I(РДТТ) = 2,65

  • Удельный импульс I(ЭРД) = 10

  • Удельный импульс I(Плазменный двигатель) = 290

Таков расход топлива за 1 год, следовательно, использовать реактивные двигатели неразумно.

  1.  
    1.  
      1.  
        1.  
          1. Моя идея заключается в следующем.

Рассмотрим элементарный случай.

Пусть у нас есть карусель, которая неподвижна. Тогда, если мы закрепим n число однополярных электромагнитов по краю карусели так, чтобы сила их взаимодействия была максимальной, получим следующее: если мы включим электромагнит №1 так что он будет действовать на электромагнит №2 с силой в x раз больше чем, второй действует на первый, то согласно III закону Ньютона сила действия электромагнита №1 на №2 со стороны №2 будет компенсирована силой реакции опоры карусели, что выведет карусель из состояния покоя. Теперь выключим №1, поднимем силу №2 до №1 и включим №3 с силой равной №2 на предыдущим этапе и если продолжать данную процедуру, то добьемся вращения карусели. Применив данный способ к космической станции мы получим решение проблемы искусственной гравитации.

(Приложение 3).

  1. Защита от враждебных условий среды

  1.  
    1. Защита от радиации патент № 2406661

патентообладатель Ребеко Алексей Геннадьевич

Изобретение относится к методам и средствам защиты экипажа и оборудования от ионизирующего излучения (заряженных частиц высокой энергии) при космических полетах. Согласно изобретению вокруг космического аппарата создают защитное статическое электрическое или магнитное поле, которое локализуют в пространстве между двумя вложенными друг в друга замкнутыми несоприкасающимися поверхностями. Защищаемое пространство космического аппарата ограничено внутренней поверхностью, а внешняя поверхность изолирует аппарат и защищаемое пространство от межпланетной плазмы. Форма поверхностей может быть произвольной. При использовании электрического защитного поля на указанных поверхностях создают заряды одной величины и противоположного знака. В таком конденсаторе электрическое поле сосредоточено в пространстве между поверхностями-обкладками. В случае магнитного поля по поверхностям пропускают токи противоположного направления, а соотношение силы токов подбирают так, чтобы минимизировать значение остаточного поля снаружи. Желательная форма поверхностей в этом случае - тороидальная, для обеспечения сплошной защиты. Под действием силы Лоренца заряженные частицы будут двигаться по отклоняющим криволинейным траекториям или замкнутым орбитам между поверхностями. Возможно одновременное применение электрического и магнитного поля между поверхностями. При этом в пространство между поверхностями может быть помещен подходящий материал для поглощения заряженных частиц: например, жидкий водород, вода или полиэтилен. Технический результат изобретения направлен на создание надежной, сплошной (геометрически непрерывной) защиты от космической радиации, на упрощение конструкции средств защиты и снижение энергозатрат на поддержание защитного поля.

  1.  
    1. Обеспечение тепла патент №2148540

патентообладательОткрытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"

Система терморегулирования космического аппарата и орбитальной станции, содержащая замкнутые контуры охлаждения и обогрева, связанные через, по крайней мере, один промежуточный жидкостно-жидкостный теплообменник, системы управления и измерения, клапанно-распределительную и дренажно-заправочную арматуру, при этом контур обогрева содержит побудитель циркуляции, газожидкостные и змеевиковые теплообменники и термоплаты, а в контуре охлаждения последовательно установлены, по крайней мере, один побудитель циркуляции, регулятор расхода жидкости, один выход которого подключен через первый обратный клапан ко входу смесителя потоков теплоносителя, а другой через второй обратный клапан - ко входу радиационного теплообменника, выход которого подключен ко второму входу смесителя потоков, выход смесителя потоков связан соединительным трубопроводом с теплоприёмной полостью промежуточного жидкостно-жидкостного теплообменника, выход из которой подключен к побудителю циркуляции, на соединительном трубопроводе установлены датчики температуры, электрически связанные через систему управления с регулятором расхода жидкости, отличающаяся тем, что в контур охлаждения дополнительно введены два электронасосных агрегата, причем вход первого электронасосного агрегата через фильтр подключен к выходу теплоносителя из теплоприемной полости промежуточного жидкостно-жидкостного теплообменника, а его выход подключен ко второму обратному клапану и параллельно, через фильтр ко входу второго электронасосного агрегата, выход которого подключен к первому обратному клапану, при этом каждый электронасосный агрегат снабжен датчиком перепада давления, а на трубопроводе, соединяющем выход смесителя потоков с теплоприемной полостью жидкостно-жидкостного теплообменника, установлен дополнительный датчик температуры, электрически связанный через систему управления с первым электронасосным агрегатом.

  1.  
    1. Защита от инородных объектов

Существует множество способов защиты от инородных тел.

  • Использовать нестандартные двигатели, такие как электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом;

  • Обернуть астероид отражающим пластиковымсолнечным парусом, используя покрытую алюминием пленку типа PET;

  • «Покрасить» или посыпать объект диоксидом титана (белый цвет) или сажей (черный), с тем, чтобы вызвать эффект Ярковского и изменить его траекторию;

  • Ученый-планетолог Юджин Шумейкер в 1996 году предложил выпускать облако пара на пути объекта для его осторожного замедления. Ник Забо в 1990 году нарисовал похожий замысел, «аэродинамическое торможение кометы»: комета или ледовая конструкция нацеливается на астероид, после чего ядерные взрывы испаряют лед и формируется временная атмосфера на пути астероида;

  • Прикрепить к астероиду тяжелый балласт, чтобы с помощью смещения центра тяжести изменить его траекторию;

  • Использовать лазерную абляцию;

  • Использовать ударно-волновой излучатель;

  • Ещё один «бесконтактный» метод был недавно предложен учеными Ц. Бомбардели и Дж. Пелез из Технического университета Мадрида. В нём предлагается использовать ионную пушку с низкой дивергенцией, направленную на астероид с находящегося рядом корабля. Кинетическая энергия, передающаяся через доходящие до поверхности астероида ионы, как и в случае с гравитационным буксиром создаст слабую, но постоянную силу, способную отклонить астероид, и при этом будет использоваться более легкий корабль.

  • Подрыв ядерного устройства над, на или под поверхностью астероида является потенциальным вариантом отражения угрозы. Оптимальная высота взрыва зависит от состава и размера объекта. В случае угрозы со стороны груды обломков, чтобы избежать их рассеивания, предлагается произвести радиационную имплозию, то есть подрыв над поверхностью. При взрыве высвободившаяся энергия в виде нейтронов и мягких рентгеновских излучений (которые не проникают сквозь вещество) превращается в тепло при достижении поверхности объекта. Тепло превращает вещество объекта в выброс, и он сойдет с траектории, следуя третьему закону Ньютона, выброс направится в одну сторону, а объект — в противоположную.

  • Электромагнитная катапульта — это автоматическая система, располагающаяся на астероиде, выпускающая вещество, из которого он состоит, в космос. Тем самым он медленно сдвигается и теряет массу. Электромагнитная катапульта должна работать в качестве системы с низким удельным импульсом: использовать много топлива, но мало энергии.

Смысл заключается в том, что если использовать вещество астероида в качестве топлива, то количество топлива не так важно, как количество энергии, которая, вероятнее всего, будет ограничена.

Ещё один возможный способ — расположить электромагнитную катапульту на Луне, нацелив её на околоземный объект, с тем, чтобы воспользоваться орбитальной скоростью естественного спутника и его неограниченным запасом «каменных пуль».

Вывод.

Проанализировав представленную информацию становится понятно, что искусственная гравитация — это вполне реальное явление, которое будет иметь широкое применение в космической отросли, как только мы преодолеем все трудности, связанные с этим проектом.

Космические поселения я вижу в том виде, который предложил фон Браун: торообразные миры с оптимальным использованием пространства и с применением передовых технологий для обеспечения продолжительной жизнедеятельности, а именно:

  •  
    • Вращение станции будет происходить по принципу, который я описал в разделе Создание искусственной гравитации. Но ввиду того, что помимо вращения будет совершаться движение в пространстве, целесообразно установить на стацию корректировочные двигатели.

  • Использование передовых технологий для обеспечения нужд станции:

    • Гидропоника

      • Растения не нужно поливать много. Воды израсходуется намного меньше, чем при выращивании на грунте в огороде. Несмотря на это, при правильном подборе минеральных веществ и компонентов растения не будут пересыхать или гнить. Это происходит за счет получения достаточного количества кислорода.

      • Большим плюсом является то, что такой метод позволяет оградить растения от множеств болезней и вредителей. Сами растения не будут впитывать в себя вредные вещества из грунта.

      • Следовательно, будет максимальная урожайность, что полностью покроет нужды обитателей станции.

    • Регенерация воды

      • Конденсация влаги из воздуха.

      • Очистка использованной воды.

      • Переработка урины и твердых отходов.

  • За энергообеспечение будет отвечать кластер ядерных реакторов, которые будут экранированы согласно патенту № 2406661 адаптированному на вытеснение радиоактивных частиц за пределы станции.

Задача по созданию космических поселений трудна, но выполнима. Я надеюсь, что в ближайшем будущем, ввиду быстрого развития науки и техники, все необходимы предпосылки для создания и развития космических поселений на основе искусственной гравитации будут выполнены. Мой посильный вклад в это нужное дело будет оценен. Будущее человечества лежит в освоении космоса и перехода на новый, более перспективный, экологически чистый виток спирали развития человечества.

Приложения

Приложение 1. Стэнфордский тор

Приложение 2. Звезда смерти, Эллизиум.

Приложение 3. Схема вращательного движения.

Магниты

Равнодействующая сил в первом приближении (только взаимодействие магнитов). В итоге станция совершает вращательное движение. Что нам и требуется.

Список литературы

АЛЯКРИНСКИЙ. Человек живёт в космосе. Невесомость: плюс или минус?

Баррер, М. Ракетные двигатели.

Добровольский, М. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования.

Дорофеев, А. Основы теории тепловых ракетных двигателей.

Матвеев. Механика и теория относительности: Учебник для студентов вузов.

Мякишев. Молекулярная физика и термодинамика.

Мякишев. Физика. Механика.

Мякишев. Физика. Электродинамика.

Рассел, Д. Гидропоника.

Санько. Астрономический словарь.

Сивухин. Общий курс физики.

Фейнман. Фейнмановские лекции по гравитации.

Циолковский. Труды по ракетной технике.

Шилейко. В океане энергии.

Голубев И.Р. и Новиков Ю.В. Окружающая среда и ее охрана

Захлебный А.Н. Книга для чтения по охране природы

Зверев И. Охрана природы и экологическое воспитание школьников.

Иванов А.Ф. Физический эксперимент с экологическим содержанием.

Киселев С.В. Демонстрация парникового эффекта.

Интернет-ресурсы:

http://festival.1september.ru/physics

https://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница

http://www.roscosmos.ru

http://allpatents.ru

http://www.freepatent.ru