ИСКУССТВЕННАЯ СИЛА ТЯЖЕСТИ
Над проблемой человек в невесомости давно работают многие специалисты космической медицины, но, несмотря на наличие экспериментальных данных, много вопросов, связанных с влиянием невесомости на человека, остаются пока неразрешенными. Главное в этой проблеме — переносимость человеком длительного пребывания в невесомости и перехода затем к нормальным условиям.
До полетов человека в космос с помощью лабораторных исследований не удавалось даже сколько-нибудь приблизиться к разрешению этих вопросов. Объясняется это прежде всего трудностью получения невесомости в наземных условиях. Известно, например, что наибольшая продолжительность состояния невесомости, достигаемая обычными, некосмическими средствами (при полете самолета по специальной параболической траектории), составляет всего около 1,5 мин. Однако даже в этих условиях удалось установить, что состояние невесомости неодинаково переносится разными людьми. Одни вполне удовлетворительно чувствуют себя в невесомости, испытывая приятное ощущение необычайной легкости, другие, наоборот, испытывают состояние непрерывного падения, ощущая при этом тошноту и головокружение.
Полет первого космонавта Ю.А.Гагарина был одним из самых смелых экспериментов в мировой науке. Ведь до него никто не мог сказать вполне определенно, как будет вести себя человек после полуторачасового пребывания в невесомости.
Полет Титова — это 25 часов, а полет Быковского — это почти пять суток в состоянии невесомости. Значение этих полетов для создания будущих ОКС трудно переоценить.
Здесь мы не будем останавливаться на психико-физиологических воздействиях невесомости на человека***. Скажем только, что нормальная жизнь и работа на борту ОКС могут быть вполне возможны и в условиях невесомости, но лишь в том случае, если все члены экипажа пройдут специальную тренировку. В противном случае уже через некоторое время возможна полная или частичная потеря пространственной ориентировки и координации движений. Причина этого — нарушение функционирования вестибулярного аппарата и прекращение поступления обычных рецепторных сигналов от мышц и сухожилий после «исчезновения» веса тела. Возможно, что длительная весовая разгрузка скелетных мышц отрицательно скажется на их тонусе, а следовательно, и на состоянии всего организма.
Только длительной специальной тренировкой можно достичь известной приспособляемости организма человека к необычным условиям полета в невесомости и добиться хорошей ориентировки в пространстве, координации движений.
Такая тренировка не понадобится лишь в том случае, если конструкция ОКС позволит получить постоянно действующую искусственную силу тяжести в рабочих и жилых помещениях ОКС. Создание искусственной гравитации на орбите возможно с помощью центробежных сил, возникающих при равномерном вращении элементов конструкции, отнесенных на некоторое расстояние от центра вращения. Величина создаваемой гравитации определится этим расстоянием и скоростью вращения.
Технические проблемы осуществления искусственной силы тяжести на больших ОКС не являются непреодолимыми. Энергетические затраты будут также невелики. Первоначальный момент вращения может быть создан кратковременным включением небольших ракетных двигателей, а энергетические затраты на поддержание заданной угловой скорости будут ничтожно малыми. Если вращаться будет вся конструкция ОКС целиком, то единственное и очень слабое тормозящее действие будут оказывать лишь остатки атмосферы; если же вращение будет сообщено лишь расположенным на периферии жилым отсекам, а центральная часть конструкции будет неподвижна, то торможение будет вызываться также и трением в соединениях и подшипниках.
Однако в физиологическом отношении преимущества искусственной тяжести, создаваемой вращением, перед состоянием невесомости во многом являются пока спорными.
Уровень гравитации на Земле определяется ускорением силы тяжести, равным в среднем 9,81 м/сек2 («перегрузка» 1 g). Значение необходимого уровня гравитации на орбитальной станции нуждается еще в серьёзных экспериментальных исследованиях. Однако уже сейчас можно сказать, что особой необходимости в создании ускорения, эквивалентного нормальной земной гравитации, нет, так как уровень гравитации, в три — четыре раза меньший земного (0,25-0,3 g), переносится человеком вполне нормально. Каким же образом можно получить подобный уровень гравитации?
Из механики известно, что центростремительное ускорение равно радиусу вращения, умноженному на квадрат угловой скорости. Очевидно, желаемый уровень искусственной гравитации можно создать либо быстрым вращением на малом радиусе, либо медленным вращением на большом радиусе. Физиологические возможности человеческого организма накладывают вполне определенное ограничение на величину допустимой угловой скорости. Многочисленными экспериментами на центрифугах выявлено, что уже при скорости, большей 4 об/мин, у испытуемых возможно нарушение нормального функционирования вестибулярного аппарата.
С другой стороны, при уменьшении радиуса вращения уменьшается окружная скорость и, следовательно, увеличивается процентное ее изменение по направлению от ног к голове стоящего человека. Испытаниями на центрифугах установлено, что это изменение не должно превышать 10-15%; в противном случае при движениях космонавта будут возникать неблагоприятные для его самочувствия кориолисовы ускорения. Ориентируясь на средний рост человека, легко подсчитать нижний предел, для окружной скорости вращения кабины. Он оказывается равным примерно 6,7 м/сек. При угловой скорости 4 об/мин такая окружная скорость может быть получена на радиусе 16 м, а развиваемое при этом центростремительное ускорение составит всего одну треть от земного ускорения силы тяжести.
Поскольку величина 16 м есть минимально допустимая для радиуса вращения кабины, для небольших ОКС предпочтение будет отдано, видимо, состоянию невесомости (по конструктивным соображениям), тем более что эффект невесомости весьма интересен для выполнения многих физических, химических и биологических экспериментов. Более того, проведение большинства геофизических и астрономических исследований, выполнение задач навигации и управления требуют наличия стабилизированной невращающейся платформы. Что касается экипажа, то ученые теперь не без основания считают, что для натренированного человека пребывание в состоянии невесомости по крайней мере в течение двух — четырех недель не представит большой сложности.
Кабина ОКС без искусственной тяжести будет иметь некоторые особенности. Все предметы в ней должны быть надежно закреплены, а внутренние стенки покрыты мягкой обивкой, чтобы обезопасить «плавание» космонавтов. Расположение в кабине приборов и оборудования, а также их окраска должны способствовать быстрой ориентации оператора, невольно ослабленной невесомостью. Кресла для работы и отдыха должны быть удобными и снабжены привязными ремнями. Для облегчения передвижения и работы внутри кабины и вне ее можно применить слегка намагниченные обувь и перчатки или снабдить космонавтов воздушными реактивными пистолетами.
Крупные ОKС будущего с экипажем в несколько десятков и сотен человек и длительным непрерывным прерыванием на орбите, несомненно, будут иметь искусственную тяжесть. Неподвижные отсеки таких станций, расположенные над осью вращения, могут использоваться в качестве причалов, а также как рабочие помещения — в них будет располагаться оборудование, нуждающееся в постоянной ориентации. Условия для жизни и работы космонавтов на больших станциях будут максимально приближены к обычным условиям земного существования.