Вопрос создания искусственной силы тяжести был актуален на протяжении всей истории освоения космоса, тем более принципы её создания известны человечеству уже давно.
Впервые искусственную гравитацию (искусственную силу тяжести) обосновал и рассчитал ещё Константин Эдуардович Циолковский. Это было необходимым условием при разработке орбитальных станций и аппаратов для межзвёздных полётов.
Согласно идеям Циолковского, искусственная гравитация должна создаваться во вращающеёся вокруг своей оси торообразной космической станции.
И этому есть наглядное подтверждение, ведь при вращении любого тела в инерциальной системе отсчёта возникают силы инерции, совокупность которых принято называть «центробежной силой». Центробежная сила воздействует на объекты, «прижимая» их к периферии вращающегося тела, тем самым создавая эффект гравитационного притяжения.
Собственно, вот и весь рецепт создания искусственной силы тяжести, который известен уже более 100 лет.
Но что-то с реализацией этой вполне осуществимой идеи, которая нам известна более века мы "немного" затянули.
Одно дело - реализовать искусственную гравитацию путём интерференции гравитационных волн, или изменения плотности поля Хиггса (чего сегодня человечество делать не умеет, хотя теоретически обосновывать может), и совсем другое дело - создать условный «волчок», который прост до безобразия, но который поможет с комфортом проводить время на околоземной орбите без риска пострадать от последствий долгого нахождения в невесомости.
Многим непонятно, в чём тут проблема.
И правда - в чём?
Эксперименты по созданию искусственной гравитации на орбите Земли действительно были запланированы. Этим вопросом занимался лично Сергей Павлович Королёв, особенно много внимания он уделил этому в своих проектах полёта к Марсу.
К концу 1964 года было подготовлено всё техническое описание эксперимента, а к 1966 году были изготовлены необходимые узлы и агрегаты. Началась подготовка к эксперименту, в котором будет создана искусственная сила тяжести на орбите Земли.
На космическом корабле «Восток» предполагалась отработка методов создания искусственной гравитации в связке с отработанной ступенью ракета-носителя.
Однако преждевременная кончина Королёва не позволила этим планам воплотиться в жизни, впрочем, как и многим другим.
Но эксперименты на земле продолжались: при помощи вращающейся камеры "МВК-1" проводились эксперименты по изучению воздействия на человека вращающейся среды, начатые ещё в 1960-х годах.
Далее стартовал более грандиозный эксперимент - «Орбита», в ходе которого на центрифуге с плечом длиной 20 м был смонтирован целый жилой отсек, рассчитанный на двух человек, которым предстояло провести там до 35 суток.
Конструкция центрифуги была такова, что её не нужно было останавливать для пополнения запасов. Учёные могли посещать испытуемых в любое время, снимать показания и проводить эксперименты. Исследования проводились с 1965 по 1973 годы.
Однако подобные работы проводились не для создания эффекта искусственной гравитации, с которым и так было всё понятно, а для исследования как физического, так и психического воздействия центробежной силы на здоровье человека.
Эксперименты однозначно показывали, что нахождение человека во вращающейся среде приводит к возникновению в вестибулярном аппарате эффекта укачивания. При высокой скорости вращения начинают развиваться клинической формы болезни движения, в результате чего человек теряет координацию и становится недееспособным. В первую очередь страдает наш вестибулярный аппарат.
Эксперимент «Орбита» дал много ценной информации касательно воздействия непрерывного вращение на самочувствие людей, на их здоровье, работоспособность и разного рода психологические акценты
(например, взаимодействие друг с другом).
То есть в нашем распоряжении имеются наработки для обоснования и создания кораблей и станций, внутри которых искусственная гравитация будет достигаться за счёт вращения всей конструкции. Однако, учитывая энергозатраты и инженерные решения, которые требуются для создания близкого аналога центрифуги «Орбита», становится очевидно, что сегодня такое конструктивно невозможно, потому что современная космическая инженерия не достигла такого уровня, чтобы выводить на орбиту или строить там столь сложные динамические конструкции.
Решить эту проблему была призвана центрифуга следующего поколения - «Юпитер-2».
Установка «Юпитер-2» появилась в 1989 году. Она представляла собой металлический цилиндр диаметром 4,6 метра и высотой 2,2 м, внутри которого созданы условия для активного и достаточно комфортного пребывания одновременно двух испытуемых.
На этой установке были подтверждены результаты, полученные в эксперименте «Орбита», а именно - зависимость самочувствия человека от частоты вращения центрифуги, а не от радиуса, описываемого ею в ходе вращения.
Например, практически никому не удавалось выдержать частоту вращения выше 12 об/мин. Это была настоящая пытка для человека. Даже для более-менее сносной переносимости частоты вращения около 9 об/мин требовалось принимать большой спектр фармакологических процедур и препаратов, однако и это зачастую не помогало.
При частоте вращения 6 об/мин подготовленные испытуемые уже могли адаптироваться к условиям за несколько часов, а затем провести в такой обстановке до нескольких суток.
Работоспособность и общее самочувствие человека резко начинало ухудшаться про частоте вращения выше 4 об/мин.
По итогу этих экспериментов выяснили ещё одну особенность человеческого организма, помещённого в непривычные условия. Речь о перепаде в величине силы тяжести, когда стопы ног условно притягиваются сильнее, чем голова. Так стало ясно, что для имитации земной силы тяжести направление действия перегрузок в невесомости должно быть вдоль продольной оси тела от головы к ногам.
Именно такое расположение тела человека создаёт гидростатическое давление крови, аналогичное тому, что испытывает человек, стоящий на Земле. Поэтому, для минимизации последствий негативного влияния на организм невесомости, можно в качестве профилактической терапии использовать центрифуги даже с относительно малым диаметром корпуса.
Для того, чтобы человек в условиях вращения не испытывал каких-либо эффектов, а его физическое и психологическое состояние в космосе не было отличимо от состояния в земных условиях, требуется частота вращения меньше 4 об/мин и максимальный перепад в силе тяжести по всему телу не более 3%.
Для этого требуется увеличивать радиус всей конструкции. А это большие динамические нагрузки на конструкцию. Сегодня создать такие конструкции возможно только на Земле, в космосе создание даже медленно вращающейся центрифуги малого диаметра технически затруднительно.
Конструкция для имитации земных условий существования и схожей силы тяжести должна быть со следующими характеристиками: диаметр - 412 метров, частота вращения - 2,08 об/мин.
Разумеется, создать нечто подобное ещё долго будет невозможно. Скорее всего, к тому времени, когда начнётся постройка в космосе первой космической станции с искусственной гравитацией аналогичной по величине земной силе тяжести, на Луне уже будут базы с несколькими поселениями и тысячами колонистов.
Условия невесомости слишком пагубно влияют на здоровье человека, и тот же полёт на Марс будет представлять чрезмерную опасность для здоровья человека, что сделает большую часть экипажа недееспособной в условиях гравитации Марса. А если добавить сюда ещё и фоновое космическое излучение, или наведённую вторичную радиацию в корпусе самого корабля, то вообще получается смертельный риск.
Собственно глава американской компании "SpaceX" Илон Маск в интервью фонду "Xprize" по поводу полёта и освоения Марса так и сказал: «Честно говоря, куча людей, вероятно, умрёт вначале. Добраться туда непросто».
Да, сегодня мы не можем создать на орбите Земли станцию с искусственной гравитацией, имитирующую земные условия хотя бы отчасти. Но вот проводить так называемую гравитационную терапию, благодаря которой космонавты смогут свести к минимуму пагубные воздействия невесомости, вполне реально.
С 2014 года начали проводиться новые испытания на усовершенствованной центрифуге короткого радиуса.
РКК «Энергия» с 2012 года работает над технологией надувных модулей с размещением в них бортовой центрифуги короткого радиуса. В 2016 году прошли сертификацию все необходимые материалы, изготовлены и отработаны фрагменты оболочки, создан и испытан полномасштабный макет модуля.
Не все работы пока завершены: по состоянию на 2021 год требуется создание независимых подвесок, гасящих вибрацию в условиях космического пространства.
Однако работы ведутся, и новая национальная космическая станция "РОСС" будет уже с модулем искусственной гравитации. И это даже логично, так как опыт и конструкторские решения СССР и России существенно опередили мировые наработки, в части систем изучения и влияния искусственной гравитации на человека.
Как сказал ранее Дмитрий Рогозин, станция "РОСС" станет платформой для отработки технологий полёта на Марс и на остальные планеты солнечной системы.
На последнем поколении центрифуги уже выяснено, что для существенного снижения последствий воздействия невесомости на организм человека за время полёта, например, к Марсу требуется совершить от 50 до 150 полных оборотов внутри центрифуги.
В любом случае подобная гравитационная терапия будет необходима для длительных (больше месяца) космических путешествий наряду с прочими мерами профилактики, используемыми сегодня на МКС, и тогда «куча людей, вероятно, выживет».
Постскриптум.
К вопросу создания искусственной гравитации подходят крайне осторожно, десятилетиями изучая воздействие вращающихся систем на организм и здоровье человека. Ведь когда технологии позволят создавать подобные модули и космические сооружения, мы должны быть к этому готовы во всех аспектах.
