Зачем космические аппараты вращаются

Стабилизация вращением

Когда мы смотрим на автомобиль, мы знаем, в какую сторону он едет. Управление им происходит благодаря взаимодействию с внешней средой - сцеплению колёс с дорогой. Куда поворачивают колёса - туда и весь автомобиль. Но если мы лишим его этого сцепления, если мы отправим машину на лысой резине кататься по льду, то она закружится в вальсе, что будет крайне опасно для водителя. Такой тип движения возникает редко на Земле, но в космосе это норма.

Б. В. Раушенбах, академик и лауреат Ленинской премии, писал в "Управлении движением космических аппаратов" о трёх основных типах задач управления движением космического аппарата:
- Получение нужной траектории (управление движением центра масс),
- Управление ориентацией, то есть получение нужного положения корпуса космического аппарата относительно внешних ориентиров (управление вращательным движением вокруг центра масс);
- Случай, когда эти два типа управления реализуются одновременно (например, при сближении космических аппаратов).

Вращение аппарата осуществляется для того, чтобы обеспечить стабильную позицию космического аппарата. Это наглядно демонстрирует эксперимент на видео ниже. Колесо, закреплённое на тросе, примет положение, параллельное полу. Но если это колесо предварительно раскрутить - оно сохранит своё вертикальное положение. И этому не будет мешать гравитация. И даже двухкилограммовый груз, закреплённый на втором конце оси, не очень сильно изменит картину.



Пример такого вращения приводит Роберт Фрост, инструктор и оператор в НАСА: это автоматическая межпланетная станция "Юнона", запущенная в 2011 году для исследования Юпитера и вышедшая на орбиту планеты 5 июля 2016 года. Вращение - один из способов ориентации и стабилизации, основным преимуществом которого является экономичность. Стоит раскрутить аппарат один раз, и затем можно будет крутиться столетиями, не используя лишнее топливо и не заботясь об управлении аппаратом с помощью электроники. Если электроника аппарата откажет - "Юнона" сохранит вращение.



Сохранение направления для приборов

По видеороликам заметить сложно, но Международная космическая станция постоянно вращается по Y-оси со скоростью 4 градуса в минуту. Такая угловая скорость выбрана, чтобы синхронизировать вращение станции вокруг своей оси с её вращением вокруг Земли. Антенны смотрят GPS-спутники и спутники связи, а из окон наблюдения за Землёй желательно видеть планету, чтобы снимать её. Вращение и ускорение также используются для того, чтобы избегать столкновений с космическим мусором.

Некоторые космические аппараты используют вращение для теплового контроля, чтобы не перегревать одну сторону, что может привести к поломкам. Международная космическая станция так не делает, в отличие от других аппаратов, которые равномерно прогреваются.

На видео ниже можно рассмотреть, как станция сохраняет свою ориентацию относительно Земли.



При межпланетных перелётах на первый план выступают моменты сил, создаваемые давлением солнечного света, и это давление может помогать аппарату поддерживать нужную ориентацию. Космические аппараты "Венера" и "Марс" использовали следующую схему ориентации: после того, как система управления придавала аппарату нужное положение относительно Солнца, корпусу сообщалось вращение вокруг собственной оси. Затем его движение вокруг центра масс происходило под действием двух эффектов: эффекта волчка и момента сил, создаваемого давлением солнечного света. Аппарат приобретал свойства флюгера. Такая сложная схема позволяла обеспечить постоянное направление солнечных батарей к Солнцу.




Создание искусственной гравитации

Приспособленный к жизни в условиях земного притяжения организм умудряется выжить и без него. И не только выжить, но и активно работать. Но это маленькое чудо обходится не без последствий. Опыт, накопленный за десятилетия полётов человека в космос, показал: человек испытывает в космосе много нагрузок, которые оставляют след на теле и психике.




На Земле наш организм борется с гравитацией, которая тянет кровь вниз. В космосе этоа борьба продолжается, но сила гравитации отсутствует. Поэтому космонавты одутловаты. Внутричерепное давление растёт, растёт давление на глаза. Это деформирует зрительный нерв и влияет на форму глазных яблок. Снижается содержание плазмы в крови, и из-за уменьшения количества крови, которую нужно качать, атрофируются мышцы сердца. Дефект костной массы значителен, кости становятся хрупкими.

Чтобы побороть эти эффекты, люди на орбите вынуждены ежедневно заниматься физическими тренировками. Поэтому создание искусственной силы тяжести считают желательным для долговременных космических путешествий. Такая технология должна создать физиологически естественные условия для обитания людей на борту аппарата. Еще Константин Циолковский считал, что искусственная гравитация поможет решить многие медицинские проблемы полёта человека в космос.

Сама идея основана на принципе эквивалентности силы гравитации и силы инерции, который гласит: "Силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационной массе тела, силы инерции же пропорциональны инертной массе тела. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить, какая сила действует на данное достаточно малое тело - гравитационная или сила инерции".

У такой технологии есть недостатки. В случае с аппаратом небольшого радиуса разная сила будет воздействовать на ноги и на голову - чем дальше от центра вращения, тем сильнее искусственная гравитация. Вторая проблема - сила Кориолиса, из-за воздействия которой человека будет укачивать при движении относительно направления вращения. Чтобы этого избежать, аппарат должен быть огромным. И третий важный вопрос связан со сложностью разработки и сборки такого аппарата. При создании такого механизма важно продумать, как сделать возможным постоянный доступ экипажа к отсекам с искусственной гравитацией и как заставить этот тор двигаться плавно.

В реальной жизни такую технологию для строительства космических кораблей ещё не использовали. Для МКС предлагали надувной модуль с искусственной гравитацией для демонстрации прототипа корабля Nautilus-X. Но модуль дорог и создавал бы значительные вибрации. Делать всю МКС с искусственной гравитацией с текущими ракетами трудноосуществимо - пришлось бы собирать всё на орбите по частям, что в разы усложнило бы размах операций. А ещё эта искусственная гравитация перечеркнула бы саму суть МКС как летающей микрогравитационной лаборатории.




Зато искусственная гравитация живёт в воображении фантастов. Корабль "Гермес" из фильма "Марсианин" имеет в центре вращающийся тор, который создаёт искусственную гравитацию для улучшения состояния экипажа и снижения воздействия невесомости на организм.



Национальное аэрокосмическое агентство США разработало шкалу уровней готовности технологии TRL из девяти уровней: с первого по шестой - развитие в рамках научно-исследовательских работ, с седьмого и выше - опытно-конструкторские работы и демонстрация работоспособности технологий. Технология из фильма "Марсианин" соответствует пока лишь третьему или четвёртому уровню.

В научно-фантастической литературе и фильмах есть много применений этой идеи. В серии романов Артура Кларка "Космическая Одиссея" описывался "Discovery One" в форме гантели, смысл которой - отделить ядерный реактор с двигателем от жилой зоны. Экватор сферы содержит в себе "карусель" диаметром 11 метров, вращающуюся со скоростью около пяти оборотов в минуту. Эта центрифуга создаёт уровень гравитации, равный лунному, что должно предотвращать физическую атрофию в условиях микрогравитации.




В аниме-сериале Planetes космическая станция ISPV-7 имеет огромные помещения с привычной земной гравитацией. Жилая зона и зона для растениеводства размещены в двух торах, вращающихся в разных направлениях.



Даже твёрдая фантастика игнорирует огромную стоимость такого решения. Энтузиасты взяли для примера корабль "Элизиум" из одноимённого фильма. Диаметр колеса - 16 километров. Масса - около миллиона тонн. Отправка грузов на орбиту стоит 2700 долларов за килограмм, SpaceX Falcon позволит сократить эту цифру до 1650 долларов за килограмм. Но придётся осуществить 18382 запуска, чтобы доставить такое количество материалов. Это 1 триллион 650 миллиардов американских долларов - почти сто годовых бюджетов НАСА.



До реальных поселений в космосе, где люди могут наслаждаться привычными 9,8 м/с^2 ускорения свободного падения, ещё далеко. Возможно, повторное использование частей ракет и космические лифты позволят приблизить такую эпоху.