Искусственная тяжесть

Человек выходит в космос не для прогулки, а для того, чтобы работать. В будущем, например, предполагается проведение планомерных исследований космического пространства на протяжении многих месяцев. Вот что рассказал академик В. В. Парии о трудностях и особенностях жизни за порогом планеты на вопросы корреспондента газеты "Комсомольская правда".

Вопрос. Не так много времени прошло с тех пор, как советские ученые и инженеры создали первую в мире орбитальную станцию, а теперь уже наметилось новое направление в исследовании космоса, основанное на строительстве таких станций. Судя по высказываниям ученых различных специальностей, все возлагают на них большие надежды. Скажите, Василий Васильевич, чем особенно интересны такие станции для космических врачей и биологов?

Ответ. Орбитальные станции как раз то, что не только нужно, по и необходимо для всестороннего изучения космического пространства. Ведь только долгие, постоянные наблюдения могут дать обширный научный материал, без которого немыслимо знание закономерностей мира, окружающего нашу планету. Сами понимаете - одно дело ненадолго заглянуть в этот мир и совсем иное - жить в нем, наблюдая изо дня в день, из месяца в месяц. Мне кажется, что в этом - одно из основных достоинств таких станций. И для нас, специалистов по космической медицине и биологии, именно это обстоятельство играет крайне 'важную роль: ведь мы получаем прекрасную возможность наблюдать человека в вечной лаборатории невесомости. Вечной в том смысле, что это состояние человек будет испытывать не ограниченное время, а сколько нужно для исследований. Быть может, это покажется странным, но о самом главном свойстве космоса - о невесомости мы знаем не только далеко не все, но, я бы даже сказал, сравнительно немного. Пока еще человек не был в невесомости больше четырнадцати суток, да и животные недалеко отодвинули этот барьер. Собаки на советском спутнике "Космос-110" летали двадцать один день. С одной стороны, много, а с другой - мало...

Таким образом, академик В. В. Парин подтверждает, что в настоящее время еще нет достаточного количества опытных данных о возможности длительного (в течение нескольких месяцев или даже лет) пребывания человека в состоянии невесомости. Никто не может гарантировать, что она рано или поздно не отразится на здоровье космонавта. Но если даже и окажется, что невесомость не сказывается на человеке, то все равно конструкторы космических кораблей будут стремиться для их экипажей создать наиболее благоприятные условия жизни, приближающиеся к земным. Одно из наиболее серьезных условий, которые пока что трудно выполнить, - это создание тяжести. Науке не известны способы создания тяжести в корабле в том виде, как ее образует природа. В настоящее время ее без всяких трудностей создают только писатели-фантасты. Но технике известен заменитель тяжести - это центробежная сила, для использования которой необходимы космические корабли специальной конструкции. В одних случаях их представляют в виде гантели. В утолщенных частях гантели могут располагаться жилые помещения экипажа, а в ее ручке - приборное хозяйство, двигатели, оборудование и т. д. При вращении гантели вокруг оси, перпендикулярной оси ручки, возникнут центробежные силы, ощущаемые человеком как силы тяжести. Вместо жесткой гантели может быть применена конструкция, состоящая из двух отсеков, соединенных между собой тросом. В одном из отсеков может располагаться экипаж, а в другом - различное оборудование. При вращении этой системы трос будет постоянно натянут. В других случаях предполагается построить космический корабль в виде громадного колеса или обода колеса. Вращение его вокруг осп приведет к возникновению центробежной силы, направленной от оси вращения к периферии. Обод его может быть выполнен в виде пустотелой трубы аналогично камере колеса автомобиля и экипаж может прогуливаться по всей ее длине, постоянно ощущая действие тяжести.

Одним из недостатков такого способа создания искусственной тяжести является необходимость постоянного вращения корабля. К чему это приведет? Чтобы ответить на поставленный вопрос, вспомним формулу перегрузки, возникающей при вращении корабля:

где - окружная скорость движения космонавта относительно оси вращения корабля, r - расстояние от оси вращения до центра масс космонавта, g = 9,81 м/сек². Величина перегрузки показывает отношение центробежной силы к силе веса. Когда n = 1, эти силы будут равны и космонавт, находящийся в космическом корабле, будет ощущать себя точно так же, как если бы находился на Земле. При n = 0 наступит состояние невесомости.

Пусть, например, радиус гантели составит 100 м и она вращается со скоростью 2 об/мин. Тогда n - 0,45, т. е. космонавт станет весить почти вполовину меньше, чем на Земле, но больше, чем на Луне. Чтобы космонавт весил столько же, как и на Луне, он должен вращаться со скоростью примерно один оборот за 3 мин. Если, далее, радиус гантели (т. е. связывающий трос) увеличить до одного километра, то для достижения земного веса гантель должна совершать примерно 1 оборот за время 3 мин, а для достижения лунного веса - 1 оборот за 8 мин.

Любопытно ответить на следующий вопрос: какой длины должен быть радиус гантели, чтобы при вращении ее со скоростью 1 оборот за сутки космонавт весил столько же, как и на Земле (в этом случае создаются истинно земные условия)? Оказывается, что потребуется трос длиной 520 км! Конечно, oбескрайние просторы космоса позволят разместить в нем космический корабль длиной 1040 км. Однако едва ли имеет смысл строить корабль такой длины. По-видимому, человек совершенно не почувствует увеличения скорости вращения, скажем, в 10 раз, т. е. он будет совершать оборот за 2 час 24 мин вместо суток. Но это приведет к стократному уменьшению длины троса, т. е. он сократится до 10 км. Однако дать окончательный ответ на вопрос о том, до какой степени можно все-таки сокращать длину троса, мы сейчас не можем. Для этого необходимо знать минимально допустимое значение перегрузки и скорости вращения, которые космонавт может безболезненно перенести в условиях длительного полета.

Мы не ставим перед собой задачу получить рекомендации, обеспечивающие решение поставленных проблем. Быть может, это сделаете вы. Наша цель значительно скромнее - ответить на чисто технический вопрос: каким образом можно закрутить систему, состоящую из двух частей, корабля и противовеса, соединенных между собой тросом?

Напрашивается следующий способ: надо на корабле установить ракетный двигатель, развернуть его соответствующим образом и с помощью его раскрутить систему. Просто и понятно. А нельзя ли закрутку системы достичь иными путями, без двигателей, используя закономерности относительного движения? Если вы внимательно прочли раздел "Пешеход в космосе", то ответ может быть утвердительным. Причем эта операция может быть выполнена несколькими способами.

Способ 1. Представим себе, что вторая часть корабля или противовес находится впереди или позади корабля и совершает полет по той же самой орбите, что и корабль. Положение этой системы в пространстве не будет оставаться стационарным; она вращается по отношению к звездам с постоянной угловой скоростью, совершая один оборот за время одного витка вокруг Земли. (Вот, кстати говоря, загадка для любителей парадоксов: несмотря на то, что система вращается, центробежные силы, действующие в направлении соединяющей их прямой линии, почему-то не проявляются. В этом нас убеждает тот факт, что обе части системы могут находиться на одном и том же расстоянии друг от друга без соединения их тросом. В противном случае, т. е. при наличии центробежных сил, они должны были бы разойтись друг от друга, в то время как теория и опыт это отрицают.) Теперь попытаемся сблизить корабль и противовес, сматывая трос. Для определенности положим, что перед сближением противовес находился впереди корабля, а массы их одинаковы. В момент натяжения троса корабль получит некоторое приращение скорости своего орбитального полета, тогда как противовес - уменьшение ее. Трос после этого ослабнет, а корабль и противовес начнут уходить с первоначальной орбиты полета, описывая в относительном движении сложные пространственные кривые (рис. 66). Если спустя некоторое время выбрать слабину троса, то за счет возникших составляющих относительных скоростей, перпендикулярных линии натяжения троса, система начнет самостоятельно вращаться. Дальнейшее сокращение длины троса в соответствии с законом сохранения момента количества движения приведет к увеличению скорости вращения системы и, свою очередь, к возрастанию центробежных сил. Значит, длина троса выступает в роли регулятора силы искусственной тяжести. Система стала вращаться без применения ракетных двигателей.

Описанный способ закрутки неудобен тем, что ему предшествует установление корабля и противовеса на одной и той же орбите и последующие соединения их тросом. Как же поступить, когда до начала закрутки корабль и противовес находятся вплотную друг к другу? Вот здесь уже целесообразнее использовать другой способ.

Рис. 66. Закрутка системы по первому способу: 1 - 1 - положение системы в момент натяжения троса; 2 - 2 - положение системы после начала движения; 3 - направление полета по орбите; V1, V2 - скорости относительного движения, приводящие к закрутке системы

Рис. 67. Закрутка системы по второму способу: 1 - положение системы в начальный момент; 2 - 2 - положение системы спустя почти половину периода обращения; 3 - направление полета; 4 - вытянутый трос

Способ 2. Оттолкнем противовес в направлении радиуса Орбиты. В относительном движении корабль и противовес начнут описывать критические траектории, удаляясь друг от друга (рис. 67). По мере их расхождения трос должен разматываться. При достижении наибольшего расстояния между ними, что произойдет через половину витка, относительная скорость движения корабля будет направлена вверх, а противовеса - вниз, Образовалась как бы сама по себе закрученная в плоскости орбиты пара тел, причем направление ее вращения противоположно вращению при полете по орбите вокруг Земли. Однако если эти тела предоставить самим себе, то через половину витка, описав вторые ветви критических траекторий, они снова сойдутся. Значит, для закрутки системы необходимо, сматывая трос, сблизить корабль и противовес. Скорость их вращения начнет увеличиваться, что приведет к возникновению центробежных сил и, следовательно, искусственной тяжести. При разделении со скоростью 1 м/сек (в случае полета по орбите ИСЗ высотой 200 - 300 км) потребуется трос длиной около 4 км. Если длину троса уменьшить после этого в 10 раз (т. е. сократить его до длины 400 м), то за счет центробежных сил возникнет перегрузка, равная 1/200. Это, конечно, малая величина. Чтобы увеличить ее, потребуются либо большие скорости разделения, либо дальнейшее сокращение конечной длины троса.

Ранее было показано, что при любом направлении отделения космонавта от корабля или какой-либо части корабля (в данном случае противовеса), за исключением случая строго бокового направления отделения, обязательно возникают составляющие относительной скорости движения, перпендикулярные прямой линии, соединяющей разделившиеся части. При насильственном сближении этих частей друг к другу с помощью троса за счет влияния указанных составляющих скоростей система обязательно начнет вращаться в ту или иную сторону. Чем меньше останется троса, тем выше будет скорость вращения. Конечно, эта особенность относительного движения будет способствовать созданию искусственной тяжести, но одновременно усложнит процесс сближения кораблей. Если один из кораблей во время свободного полета взял на буксир летящий в стороне другой корабль, то это может привести к закрутке обоих кораблей вокруг их общего центра масс и сделать невозможным их сближение. Для ликвидации вращения могут потребоваться специальные ракетные двигатели.

Вам приходилось удить рыбу? Представьте себе, что вам удалось подцепить на крючок серебристого окунька. Как лучик солнца, он трепещет и раскачивается на вытянутой леске. Возьмите теперь леску в руку и, не останавливая раскачивание окуня, потяните его к себе. Раскачивание окуня увеличится и, если только он не сорвется с крючка, начнет наматываться на руку и в конце концов ударится о вас. Нечто аналогичное может произойти и при сближении кораблей с помощью троса и по этой причине операцию сближения необходимо производить со всей осторожностью. С точки зрения безопасности предпочтительнее может оказаться сложный двигатель, чем столь простой и, казалось бы, удобный трос.