Сделаны: краткий анализ истории, периодизация, классификация, приведены важные примеры идей, технологий, проектов. Описаны реалии и перспективы. Сформулированы основные выводы и рекомендации.

Введение

Рассмотрим проблему создания и применения искусственной гравитации (ИГ) в космосе как краткую историю и эволюцию идей, технологий и проектов XIX–XXI веков в парадигме освоения космоса, экспансии человека за пределы Земли, длительной и постоянной жизни людей в космосе [ 1-24 ]. (*1)

125 лет назад, в 1895 году, К. Э. Циолковский в книге «Грёзы о Земле и небе» предложил идею создания в невесомости искусственной тяжести центробежной силой, сообщая объекту вращательное движение, затем описал это 100 лет назад, в 1920 году, в повести «Вне Земли» (по: [ 1; 2, с. 84-86; 3, с. 127 ]).

В XX–XXI веках в России и мире разработаны теоретические основы, множество идей, технологий и проектов создания ИГ в космических полётах.

Парадоксально, но почти 60 лет люди летают в космос без систем ИГ. Причём первые системы ИГ в виде центрифуг начали применяться в космосе с 70-х годов XX века в США, СССР / РФ и других странах на борту автоматических биоспутников для исследований земных биообъектов (растений, животных и др.), моделирования, изучения эффектов и последствий ИГ, чтобы затем создавать и применять системы ИГ и для людей в космосе [ 3, с. 148-149; 4-6, 14, 24 ].

Достигнуты пределы безопасного постоянного пребывания человека в космосе в условиях невесомости (микрогравитации): год-полтора в околоземном космическом пространстве (ОКП) на орбитальных станциях (ОС) «Мир» и Международной космической станции (МКС) [ 5, 6, 8 ]. Для выхода за эти пределы необходимо внедрение ИГ, начиная с центрифуг короткого радиуса (ЦКР) [ 3-6 ] в полётах до года, с переходом к полноценным системам ИГ для обеспечения людей в космосе на полном цикле их жизни.

Проблема ИГ имеет теоретические и практические аспекты, накоплены знания, опыт исследований, экспериментов. Особое значение ИГ имеет для безопасной, достойной жизни, эффективной деятельности людей вне Земли в длительных околоземных и межпланетных полётах, для успешной экспансии человека в космос, репродукции, создания космического человека и человечества. В XXI веке растёт количество публикаций об ИГ, о новых идеях, технологиях и проектах, но есть и критика ИГ, значительное противодействие её внедрению по медико-биологическим, техническим, экономическим и другим причинам [ 3-17, 20, 21, 23, 24 ]. Подробнее – в разделах 1-4.

1. Основания, свойства и режимы искусственной гравитации

Искусственная гравитация (тяжесть, сила тяжести) – искусственно создаваемая сила в условиях космического полёта, вне Земли, которая по своему действию близка к гравитационной силе (силе тяжести), с применением знаний, технологий и техники. ИГ необходима для снижения и предотвращения неблагоприятных воздействий невесомости на здоровье, жизнедеятельность, эффективность работы человека в космосе, а также на функционирование, надёжность и безопасность техники.

Основные способы создания ИГ:

1. Вращение объекта и создание ИГ за счёт центробежной силы [ 1-3 ]. Возможные схемы реализации ИГ см.: [ 3, с. 128; 13, с. 178 ]) и рис. 1.
2. Разгон и торможение в течение длительного времени в космическом полёте, «весомая космонавтика» (по В. М. Юровицкому) [ 15, с. 110 ].
3. При помощи вибраций, колебательных систем и т.п. [ 16, 17 ].

Возможно, в будущем появятся принципиально новые технологии ИГ на основе новых знаний о природе гравитации.

Воздействия ИГ на человека в космосе:

1. Позитивные: ИГ «является наиболее радикальным средством защиты от невесомости» [ 4, c. 9 ]; профилактика и «гравитационная терапия», восстановление, в том числе после травм и т.д.
2. Негативные: вестибулярные и другие расстройства, психологический дискомфорт из-за длительного вращения; кумулятивные эффекты частого и длительного использования ЦКР; коллизии адаптации и дезадаптации из-за поочерёдного пребывания в зонах невесомости и ИГ, частой и быстрой смены зон; индивидуальные особенности реакций организма и психики на ИГ и т.д. [ 3-6, 13 ].

Основные режимы ИГ

Ключевая задача при разработке проблемы ИГ – определение оптимальных режимов действия перегрузок с позиции их переносимости и эффективности (по: [ 5, с. 18 ]). Для определения оптимальных режимов, минимальных эффективных величин ИГ, длительности и так далее предстоит выполнить большой объём исследований в космосе на МКС и иных пилотируемых объектах, с применением ЦКР и других систем ИГ.

Оптимальные режимы ИГ можно формализовать, например, в виде предлагаемого варианта, включающего четыре основных режима:

Первый режим. Полная невесомость, то есть отсутствие ИГ (0,0 G) при пребывании людей в космосе допустима на ограниченное время: а) штатно, на срок до одного месяца (30 суток); б) для научных экспериментов и испытаний, а также в аварийных ситуациях (при отказе систем ИГ) – на срок до одного года.

Второй режим. Пониженные уровни ИГ (от 0,1 до 0,9 G), конкретные значения и длительность (время) действия устанавливать для различных категорий людей и индивидуально с учётом возраста, заболеваний, других факторов и особенностей.

Третий режим. Постоянная ИГ ~ 1,0 G (как на Земле) – при репродукции людей в космосе от зачатия до рождения и для дальнейшего развития ребёнка до пяти (?) лет (*2), а также при ряде заболеваний людей и т.д.

Четвёртый режим. Повышенные уровни ИГ (от 1,1 до 2,0 G), конкретные значения и длительность (время) действия устанавливать для различных категорий людей и индивидуально с учётом возраста, заболеваний, других факторов и особенностей.

2. Краткая история идей, технологий, проектов

Существует множество идей, технологий, проектов, патентов ИГ для космических полётов и жизни людей вне Земли, в околоземном космическом пространстве (ОКП), на Луне, для межпланетных кораблей и т.д. Их авторы – писатели, учёные, инженеры, биологи, медики: К. Э. Циолковский, Г. Оберт, Г. Поточник (Г. Ноордунг), А. А. Штернфельд, Р. Бартон, В. фон Браун, В. Вайт, Д. Кардус, А. Кларк, Дж. О’Нил, С. П. Королёв, Б. А. Адамович, И. Ф. Виль-Вильямс, О. Г. Газенко, А. Р. Котовская, В. Ю. Лукьянюк, А. О. Майборода, С. Л. Морозов, О. И. Орлов, А. А. Шипов и др. [ 1-24 ].

Рис. 3. Обитаемая космическая станция Г. Оберта, Германия (1923)

Рис. 4. Вращающаяся космическая станция фон Брауна. NASA concept (1952)

Периодизация истории исследований и перспектив работ по проблеме ИГ

Эволюцию процесса исследований и работ по проблеме ИГ, развития идей, технологий, проектов представим в виде трёх основных периодов:

Первый период. Теоретические исследования проблемы ИГ – с конца XIX в.

Второй период. Разработка, испытания на Земле систем ИГ на людях – с 70-х гг. XX в.

Третий период. Использование ИГ для жизни людей в космосе: а) локальных, «внутренних» систем – ЦКР на МКС ~ с 2021–2024 гг.; б) переход к полноценным «внешним» системам на перспективных вращающихся космических станциях, поселениях в ОКП, межпланетных полётах, на Луне, Марсе, в том числе в сочетании с пунктом а), ~ с 2030-2040 гг. (прогноз).

Классификация идей, технологий, проектов ИГ

Существуют десятки идей, технологий, проектов, патентов, посвящённых ИГ для людей в космосе (примеры см. в разделе 3), их общую классификацию можно представить в следующем виде:

1. Цели: 1.1. – локальная и периодическая компенсация негативных воздействий и последствий невесомости; 1.2. – полная и постоянная защита от невесомости.
2. Физические и технические способы создания ИГ.
3. Конструкции систем ИГ: 3.1. – локальные, внутренние, «местные» (ЦКР, колебательные и другие системы); 3.2. – полноценные, «внешние» системы, с вращением всего объекта или его частей; 3.3. – сочетание пп. 3.1 и 3.2. См. разделы 1 и 3.

3. Примеры идей, технологий и проектов

Приведём, кратко опишем и проиллюстрируем ряд важных примеров.

3.11. ОС Nautilus-X с ИГ, NASA, США (2011) [ 24 ], рис. 8.

 

3.12. Центрифуга «Грависити» для Луны, О. А. Майборода, ООО «АВАНТА-Консалтинг», Россия (2014) [ 9 ].

 

3.13. Космический город в форме гриба с ИГ в ОКП, NASA, США (2015) [ 11, с. 55 ].

 

3.14. Концепция новой российской космической базы «Мир-2» с ИГ, проект группы авторов, Россия (2016), рис. 9.

 

3.15. Космический гомеостатический ковчег, Асгардия, С. Л. Морозов (2018) [ 10 ].

 

3.16. ОС Von Braun Space Station – отель для туристов с ИГ в ОКП, Gateway Foundation, США (2019), переименована в Voyager Station (2020), рис. 10.

 

3.17. «ЭкоКосмоДом» с ИГ в ОКП, А. С. Юницкий, Беларусь (2019) [23, с. 56], рис. 11.

 

Рис. 6. Первый эксперимент по ИГ в космосе, пилотируемый корабль «Джемини-11» и ступень ракеты «Аджена», NASA, США (1966)

 

Рис. 7. ЦКР для ИГ: 1 – вид ЦКР 1-го поколения, СССР (1978); 2 – перспективный трансформируемый модуль для новой ЦКР, РКК «Энергия» имени С. П. Королёва, Россия (2016), по: Орлов, Колотева, 2017 [6, с. 15,16]

 

Реалии и перспективы

Для дальнейшей экспансии [ 8 ] необходимо внедрение систем ИГ в сочетании с другими известными средствами профилактики [ 4, 5 ], начиная с назревшего применения ЦКР на МКС [ 6 ], в том числе в полётах до одного года, с дальнейшим переходом к полноценным системам ИГ для жизни людей вне Земли. Существует комплекс сложных медико-биологических, инженерных, технических, экономических и других вопросов, их необходимо исследовать и решать в процессе создания и применения систем ИГ в космосе.

Создание и внедрение систем ИГ в космосе чрезмерно затянулось. Пришло время изменить парадигму, выйти за достигнутые пределы и продолжить освоение космоса, экспансию вне Земли в новой ИГ-парадигме. Необходимо создавать в космосе среду, благоприятную для жизни и работы человека, сочетая зоны невесомости, ИГ и естественной гравитации (ЕГ) в открытом космосе и на небесных телах: ИГ в ОКП и межпланетных полетах; ЕГ + ИГ на Луне, Марсе и т.д.

Вопрос ИГ актуален с начала длительных полётов в 70-80-х годах XX века. Однако радикальное практическое решение висит, откладывается более 40 лет (!). Его необходимо и важно принять и исполнить. Для этого следует задать новые цели, сроки и правила игры. Пора перейти от исследований на Земле к исследованиям и практике ИГ для людей в космосе.

Около 25 лет назад академики РАН О. Г. Газенко и А. И. Григорьев написали в предисловии к книге о медико-биологических аспектах ИГ: «…мы не должны оказаться безоружными, если отсутствие земной силы тяжести будет служить… препятствием для развития пилотируемой космонавтики в третьем тысячелетии» [ 4, с. 5 ].

Время искусственной гравитации пришло.

Рис. 8. ОС «Наутилус-Икс», NASA, США (2011)

Рис. 9. Концепция новой российской космической базы «Мир-2». Проект группы авторов, Россия (2016)

Основные выводы и рекомендации

1. Существует длительная история исследований проблемы ИГ, разработки идей, технологий, проектов в России и мире в XIX–XXI веках. Сделан краткий анализ их эволюции, произведены периодизация, общая классификация, приведены важные примеры.
2. Без ИГ безопасное и эффективное освоение космоса, экспансия в космос, создание «космического» человека, длительная и постоянная безопасная и достойная жизнь людей вне Земли – невозможны. Целесообразно стимулировать и ускорить процесс внедрения технологий и систем ИГ: 2.1. осуществлять длительные полёты людей в космос с 2030 года (оптимистичный вариант) только с системами ИГ; 2.2. поставить сверхзадачу экспансии – достижения постоянной жизни людей в космосе в XXI веке, включая репродукцию, с полноценным применением ИГ.
3. Необходимо разработать новые требования и стандарты для жизни людей в космосе с обязательным применением ИГ и установить основные режимы с учётом целей пребывания в космосе, статуса людей (возраст, состояние здоровья, диапазон ИГ, время) и других факторов. Предложен вариант, включающий четыре основных режима ИГ.
4. Предстоит создать и применять новую космическую технику с ИГ для людей в космосе с учётом пп. 2 и 3.
5. Необходимо проводить национальные и международные конкурсы технологий и проектов ИГ с дальнейшей реализацией наилучших.
6. Предлагается создать международный центр (лабораторию) проблем ИГ с участием национальных космических агентств, организаций и других сообществ.
7. Целесообразно продолжать исследования, использовать знания об истории идей, технологий, проектов ИГ для развития науки, образования и практики освоения космоса.

Литература

1. Циолковский К. Э. Грёзы о Земле и небе // Циолковский К. Э. Путь к звёздам. М.: Изд-во АН СССР, 1961. С. 38‑112.

2. Циолковский К. Э. Вне Земли: повесть. Калуга: Золотая аллея, 2008. 256 с.

3. Шипов А. А. Искусственная гравитация // Космическая биология и медицина. Т. 3. Человек в космическом полёте. Кн. 2. С. 127‑154.

4. Котовская А. Р., Шипов А. А., Виль-Вильямс И. Ф. Медико-биологические аспекты проблемы создания искусственной силы тяжести. М.: Слово, 1996. 204 с.

5. Котовская А. Р. Переносимость человеком перегрузок в космических полётах и искусственная гравитация // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2017. Т. 51. № 5. С. 5 ‑ 21. DOI: 10.21687/0233-528X-2017-51-5-5-21

6. Орлов О. И., Колотева М. И. Центрифуга короткого радиуса как новое средство профилактики неблагоприятных эффектов невесомости и перспективные планы по разработке проблемы искусственной силы тяжести применительно к межпланетным полётам // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2017. Т. 51. № 7. С. 11‑18. DOI: 10.21687/0233-528X-2017-51-7-11-18

7. Кричевский С. В. Аэрокосмическая деятельность: междисциплинарный анализ. М.: ЛИБРОКОМ, 2012. 384 с.

8. Кричевский С. В. «Космический» человек: идеи, технологии, проекты, опыт, перспективы // Воздушно-космическая сфера. 2020. № 1. С. 26‑35. DOI: 10.30981/2587- 7992-2020-102-1-26-35

9. Майборода А. О. Долговременная лунная база с искусственной гравитацией и минимальной массой конструкции // Воздушно-космическая сфера. 2019. № 3. С. 36‑43. DOI: 10.30981/2587–7992–2019–100–3-36–43

10. Морозов С. Л. Гомеостатический ковчег как главное средство в стратегии освоения космоса // Воздушно-космическая сфера. 2018. № 3. С. 28-37. DOI: 10.30981/2587–7992– 2018–96–3-28–3

11. Морозов С. Л. Идеология космической экспансии // Воздушно-космическая сфера. 2019. № 1. С. 50‑61. DOI: 10.30981/2587-7992-2019-98-1-50-61

12. Эдельброк Эгберт К. А. Компания SpaceBorn United: планируемые миссии по зачатию человека и родам в космосе // Воздушно-космическая сфера. 2019. № 4. С. 26-36. DOI: 10.30981/2587-7992-2019-101-4-26-36

13. Цыганков О. С. Искусственная тяжесть в межпланетном полёте: конструктивно- технологическое и социомедицинское измерение // Полёт. 2013. № 4. С. 20‑25.

14. Адамович Б. А., Горшенин В. А. Жизнь вне Земли. М.: Технология-индустрия, 1997. 591 с.

15. Космонавтика XXI века: попытка прогноза развития до 2001 года / Под ред. Б. Е. Чертока. М.: РТСофт, 2010. 864 с.

16. Патент № 2160692C2 РФ. Способ уменьшения отрицательного воздействия невесомости на живые организмы / Корабельников А. Т. Заявлено: 29.03.1995. Опубликовано: 20.12.2000. 6 с.

17. Валеев А. Р., Зотов А. Н., Имаева Э. Ш., Тихонов А. Ю. Создание искусственной гравитации при помощи колебательных систем с квазинулевой жёсткостью // Вестник ННГУ. 2011. № 4‑5. С. 2051‑2052.

18. Ноордунг Г. Проблема путешествия в мировом пространстве / сокр. пер. Б. М. Гинзбурга. Л.: ОНТИ НКТИ СССР, 1935. 96 с.

19. Штернфельд А. А. Полёт в мировое пространство. М.; Л.: Гос. изд-во техн.-теорет. лит., 1949. 140 с.

20. Кричевский С. В. Экологичные аэрокосмические технологии и проекты: методология, история, перспективы // Воздушно-космическая сфера. 2018. № 3. С. 78‑85. DOI: 10.30981/2587-7992-2018-96-3-78-85

21. Сыромятников В. С. 100 рассказов о стыковке и о других приключениях в космосе и на Земле. Часть 1: 20 лет назад. М.: Логос, 2003. 568 с.

22. Патент 2088491C1 РФ. Долговременный пилотируемый орбитальный тросовой комплекс / Веселова Т. К. Григорьев Ю. И., Демина Е. А. и др. Заявлено: 31.08.1993. Опубликовано: 28.08.1997. 12 с.

23. Юницкий А. Э. Особенности проектирования жилого космического кластера «ЭкоКосмоДом» – миссия, цели, назначение // Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты. Сб. материалов II Межд. научно-практич. конференции, 2019. Минск: Парадокс, 2019. С. 51‑57.

24. NASA (США) [Электронный ресурс]. URL: nasa.gov (Дата обращения: 17.07.2020).

References

1. Tsiolkovskiy K.E. Grezy o Zemle i nebe. Put' k zvezdam. Moscow, Academy of Sciences USSR, 1961, pp. 38-112.

2. Tsiolkovskiy K.E. Vne Zemli. Kaluga, Zolotaya alleya, 2008. 256 p.

3. Shipov A.A. Iskusstvennaya gravitatsiya. Kosmicheskaya biologiya i meditsina, vol. 3, Chelovek v kosmicheskom polete, book 2, pp. 127‑154.

4. Kotovskaya A.R., Shipov A.A., Vil'-Vil'yams I.F. Mediko-biologicheskie aspekty problemy sozdaniya iskusstvennoy sily tyazhesti. Moscow, Slovo, 1996. 204 p.

5. Kotovskaya A.R. Perenosimost' chelovekom peregruzok v kosmicheskikh poletakh i iskusstvennaya gravitatsiya. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2017, vol. 51, no. 5, pp. 5‑21. DOI: 10.21687/0233-528X-2017-51-5-5-21

6. Orlov O.I., Koloteva M.I. Tsentrifuga korotkogo radiusa kak novoe sredstvo profilaktiki neblagopriyatnykh effektov nevesomosti i perspektivnye plany po razrabotke problemy iskusstvennoy sily tyazhesti primenitel'no k mezhplanetnym poletam. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2017, vol. 51, no. 7, pp. 11 ‑ 18. DOI: 10.21687/0233-528X-2017-51-7-11-18

7. Krichevskiy S.V. Aerokosmicheskaya deyatel'nost': mezhdistsiplinarnyy analiz. Moscow, LIBROKOM, 2012. 384 p.

8. Krichevskiy S.V. "Kosmicheskiy" chelovek: idei, tekhnologii, proekty, opyt, perspektivy. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2020, no. 1, pp. 26‑35. DOI: 10.30981/2587- 7992-2020-102-1-26-35

9. Mayboroda A.O. Dolgovremennaya lunnaya baza s iskusstvennoy gravitatsiey i minimal'noy massoy konstruktsii. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2019, no. 3, pp. 36‑43. DOI: 10.30981/2587–7992–2019–100–3-36–43

10. Morozov S.L. Gomeostaticheskiy kovcheg kak glavnoe sredstvo v strategii osvoeniya kosmosa. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2018, no. 3, pp. 28-37. DOI: 10.30981/2587–7992– 2018–96–3-28–3

11. Morozov S.L. Ideologiya kosmicheskoy ekspansii. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2019, no. 1, pp. 50‑61. DOI: 10.30981/2587-7992-2019-98-1-50-61

12. Edel'brok Egbert K.A. Kompaniya SpaceBorn United: planiruemye missii po zachatiyu cheloveka i rodam v kosmose. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2019, no. 4, pp. 26-36. DOI: 10.30981/2587-7992-2019-101-4-26-36

13. Tsygankov O.S. Iskusstvennaya tyazhest' v mezhplanetnom polete: konstruktivno- tekhnologicheskoe i sotsiomeditsinskoe izmerenie. Polet, 2013, no. 4, pp. 20‑25.

14. Adamovich B.A., Gorshenin V.A. Zhizn' vne Zemli. Moscow, Tekhnologiya-industriya, 1997. 591 p.

15. Kosmonavtika XXI veka: popytka prognoza razvitiya do 2001 goda. / Ed. B. E. Chertok. Moscow, RTSoft, 2010. 864 p.

16. Korabel'nikov A.T. Sposob umen'sheniya otritsatel'nogo vozdeystviya nevesomosti na zhivye organizmy. Pat. RF no. 2160692C2 (2000).

17. Valeev A.R., Zotov A.N., Imaeva E.Sh., Tikhonov A.Yu. Sozdanie iskusstvennoy gravitatsii pri pomoshchi kolebatel'nykh sistem s kvazinulevoy zhestkost'yu. Vestnik NNGU, 2011, no. 4-5, pp. 2051‑2052.

18. Noordung G. Problema puteshestviya v mirovom prostranstve. Leningrad, ONTI NKTI USSR, 1935. 96 p.

19. Shternfel'd A.A. Polet v mirovoe prostranstvo. Moscow, Leningrad, Gosudarstvennoe izdatel'stvo tekhniko-teoreticheskoi literatury, 1949. 140 p.

20. Krichevskiy S.V. Ekologichnye aerokosmicheskie tekhnologii i proekty: metodologiya, istoriya, perspektivy. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2018, no. 3, pp. 78‑85. DOI: 10.30981/2587-7992-2018-96-3-78-85

21. Syromyatnikov V.S. 100 rasskazov o stykovke i o drugikh priklyucheniyakh v kosmose i na Zemle. Part 1: 20 let nazad. Moscow, Logos, 2003. 568 p.

22. Veselova T.K. Grigor'ev Yu.I., Demina E.A. et al. Dolgovremennyy pilotiruemyy orbital'nyy trosovoy kompleks. Patent RF no. 2088491C1 (1997).

23. Yunitskiy A.E. Osobennosti proektirovaniya zhilogo kosmicheskogo klastera "EkoKosmoDom" – missiya, tseli, naznachenie. Bezraketnaya industrializatsiya kosmosa: problemy, idei, proekty. Materialy 2 Mezhdunarodnoi. nauchno-prakticheskoi. konferentsii, 2019. Minsk, Paradoks, 2019, pp. 51‑57.

24. NASA: official website. Available at: nasa.gov (Retrieval date: 17.07.2020).

© Кричевский С.В., 2020

***

История статьи:

Поступила в редакцию: 18.07.2020

Принята к публикации: 09.08.2020

Модератор: Гесс Л.А.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования: Кричевский С. В. Искусственная гравитация для людей в космосе: эволюция идей, технологий, проектов // Воздушно-космическая сфера. 2020. № 3. С. 10-21.

Скачать статью в формате PDF >>