Невесомость как фактор космических полетов
Невесомостью называется состояние, при котором действующие на тело гравитационные силы не вызывают взаимных давлений его частей друг на друга.
Прежде, чем раскрыть содержание этого феномена, зададим себе такой вопрос: какими должны быть динамические характеристики нашей планеты, чтобы на ее поверхности возникло это состояние, когда сумма всех сил (F), действующих на материальную точку, будет равна нулю?
![](/images/weightlessness_f1.gif)
где:
m — масса материальной точки;
R3 — радиус Земли;
r0 — расстояние материальной точки от центра Земли;
ω0 — угловая скорость вращения Земли;
V — скорость движения материальной точки относительно земной поверхности;
Φ — географическая широта.
В этом уравнении первые два слагаемых определяют гравитационные (со знаком "+") и центробежные (со знаком "-") ускорения.
Третье слагаемое определяет ускорение Кориолиса, появляющееся при движении точки относительно вращающейся Земли.
Здесь следует сделать небольшое отступление. Дело в том, что это уравнение составлено исходя из известного из общей физики постулата тождественности силы инерции и силы тяготения, т.е. силы тяготения и силы инерции равны по величине и противоположны по направлению. В действительности это не так. Дело в том, что эти силы имеют различную конфигурацию. В качестве примера можно привести морские приливы и отливы, наглядно показывающие, что там, где эти силы не равны, происходит колебание уровня воды. Другой пример: явление физической либрации Луны и синхронность ее вращения и обращения, которые свидетельствуют, что каждая их этих сил имеет свой центр, а на образовавшемся плече возникают длительно действующие моменты сил, искажающие наше представление о тождественности массы инертной и массы инерционной. Это искажение весьма заметно для системы Луна-Земля и бесконечно мало для рассматриваемого нами случая.
При естественных скоростях движения человека ускорение Кориолиса в 30 тысяч раз меньше гравитационного ускорения, и поэтому им можно также пренебречь. Можно также принять, что r0 = R, тогда:
![](/images/weightlessness_f2.gif)
Отсюда следует, что на полюсах Земли (Φ = 90°)
![](/images/weightlessness_f3.gif)
на экваторе (Φ = 0°)
![](/images/weightlessness_f4.gif)
Чтобы материальная точка, находящаяся на экваторе, оказалась в невесомости, необходимо, чтобы Fmin = 0. Из закона тяготения следует:
![](/images/weightlessness_f5.gif)
т.е.
![](/images/weightlessness_f6.gif)
Vkp — круговая скорость вращения Земли.
Подставляя в это уравнение известные величины, получим значение круговой скорости Земли, равное 30 тыс.км в час, при котором материальная точка окажется в состоянии невесомости.
А действительная круговая скорость Земли равна 1500 км/час.
Если бы Земля вращалась с круговой скоростью в 20 раз больше действительной, смена дня и ночи чередовалась бы примерно через один час, а мы бы жили в состоянии невесомости.
Такая же картина наблюдается и вне Земли во вращающейся орбитальной системе координат.
В этом случае:
![](/images/weightlessness_f7.gif)
![](/images/Weightlessness_2.gif)
где:
g — ускорение силы тяжести на высоте орбиты;
r — расстояние от орбиты до центра Земли.
Определим Vkp на орбите. Для этого рассмотрим рис. 1.
Материальная точка А находится на орбите, удаленной от центра Земли на расстояние r, и движется с круговой скоростью Vkp. Если бы силы тяжести не существовало, материальная точка, двигаясь по касательной к траектории, за элементарный отрезок времени dt прошла бы путь Vkpdt. Но за этот же промежуток времени при наличии тяготения она должна "упасть" по направлению к центру Земли на расстояние ½g(dt)².
Образовался прямоугольный треугольник, где сумма квадратов катетов равна квадрату гипотенузы:
![](/images/weightlessness_f8.gif)
разделим левую и правую часть этого уравнения на (dt)²:
![](/images/weightlessness_f9.gif)
Пренебрегая бесконечно малыми величинами 2-го порядка и, произведя простейшие преобразования, получим:
Подставляя это выражение для Vkp в ранее полученное уравнение для F, получим F = 0, т.е. на орбите материальная точка не подвергается действию никаких сил и находится в состоянии невесомости.
Таким образом, невесомость проявляется, как свойство сложного движения материальной точки (тела) в поле центральных сил, подчиняющееся законам Кеплера, при этом силы, вызываемые движением тела (например, корабля с выключенными двигателями), уравновешивают гравитационные силы.
Круговая скорость тела на орбите (Vkp) называется первой космической скоростью. Для Земли она равна 7,91 км/сек.
При превышении первой космической скорости круговая орбита становится эллиптической и, когда скорость превысит некоторое значение (Vn), называемое второй космической скоростью, эллипс превращается в гиперболу и тело покидает сферу действия тяготения планеты.
Теперь вернемся к проблемам невесомости.Невесомость — это биологически высокозначимый фактор космического полета. При длительном пребывании человека в состоянии невесомости:
- нарушается функция сохранения формы и положения тела;
- устраняется роль внутрисосудистого гидростатического давления в распределении крови и других биологических жидкостей;
- нарушается механизм определения положения тела в пространстве в связи с невозможностью ориентации на гравитационную вертикаль;
- снижается роль тепловой конвекции в теплообмене организма со средой обитания.
Все эти процессы протекают на различных фазах полета со специфическими особенностями.
На начальной фазе полета наблюдаются:
- нарушения пространственной ориентации;
- иллюзорные ощущения падения, переворотов, вращения тела;
- эмоциональные реакции;
- нарушение координации движений;
- отечность мягких тканей лица;
- ощущение тяжести в голове.
Все эти и другие особенности определяют космическую форму болезни движения.
Затем наступают приспособительные реакции (адаптация), и тем быстрее, чем лучше тренированность космонавтов и качество их отбора.
В процессе дальнейшего пребывания в невесомости возникают (как приспособительная реакция) следующие нарушения механизмов регуляции физиологических функций:
- возрастает диурез (мочеотделение), т.е. уменьшается объем циркулирующей плазмы крови (рефлекс Генри-Гауэра), при этом смягчаются неприятные ощущения прилива крови к голове;
- в ответ на сгущение крови уменьшается масса ее форменных элементов и количество гемоглобина, что весьма нежелательно и вызывает ряд новых нарушений физиологически значимых функций;
- уменьшение усилий для поддержания позы тела приводит к явлениям гиподинамии, выражающимся деструктивными процессами в костях и мышцах, изменением обменных процессов, детренированностью сердечнососудистой системы.
Последнее нарушение является причиной похудания, уменьшения силы, выносливости, устойчивости к другим экстремальным воздействиям, т.е. астенизации организма.
Опыт космических полетов свидетельствует о том, что указанные перестройки в организме сильно не мешают дальнейшему продолжению полета, однако в усложненных условиях могут вызвать новые нарушения, увеличивающие вероятность заболевания.
Для исключения этих нарушений необходимо проведение профилактических мероприятий, чтобы адаптационные перестройки не заходили слишком далеко, либо избавление от невесомости путем создания на корабле искусственной силы тяжести.
Практически в ходе всех советских и американских космических пилотируемых полетов проводились обширные медицинские исследования влияния невесомости на физиологические функции организма, позволившие выработать методики и эффективные средства купирования и профилактики, разработать физиологические требования к системам жизнеобеспечения и к средствам спасения членов экипажа при возникновении аварийных ситуаций. Однако, по-прежнему серьезной проблемой оставалось изучение длительного влияния невесомости и реадаптации организма при переходе от невесомости к нормальной силе тяжести при возвращении экипажа на Землю. Здесь потребовалось привлечение наиболее информативных методов космической биологии для изучения тонких физиологических механизмов на клеточном и субклеточном уровнях.
В связи с этим в СССР и США были начаты работы по созданию специализированных биологических спутников, предназначенных для проведения физиологических и морфологических исследований с использованием низших и высших организмов. В СССР была создана серия биологических спутников "Бион", в США - "Биос".
В многочисленных экспериментах, проведенных на этих биологических спутниках с использованием самых разнообразных биологических объектов (семена, водоросли, высшие растения, бактерии, жуки, черепахи, тритоны, мыши, крысы, обезьяны и др.) пока не обнаружено повреждающего влияния длительной невесомости на элементарные внутриклеточные процессы, в том числе на процессы водно-солевого обмена, передачи наследственной информации при размножении организмов.
Правда, при этом выявлены структурные и функциональные перестройки в эндокринных железах, лимфоидных органах и опорно-двигательном аппарате, которые не носят патологический характер, но требуют дальнейшего изучения. Это необходимо, т.к. длительное пребывание человека на внеземной станции должно быть безусловно безопасным.
Космонавт Валерий Поляков летал в космосе в общей сложности один год и три месяца. Значит ли это, что полет к Марсу, продолжающийся от 2-х до 3-х лет, будет таким же безопасным?
В качестве защитных мероприятий от отрицательного влияния невесомости используют следующие средства и методики:
- предполетные средства и меры (отбор, физическая тренировка);
- профилактика неблагоприятного влияния невесомости на организм;
- создание искусственной тяжести как наиболее радикального средства защиты (об этом мы поговорим более подробно в следующем разделе).
Профилактика невесомости осуществляется по специально разрабатываемым программам с учетом конкретных особенностей полета (длительность, режим труда и отдыха, количество операций выхода в космос и т.д.) и основана на оптимальном выборе мероприятий и средств из следующего перечня:
- тренажеры для ежедневных физических упражнений (бегущая дорожка, велоэргометр, эспандеры, устройства для декомпрессии нижней половины тела и др.);
- водно-солевые добавки к пище перед возвращением на Землю для восстановления дегидратированного организма;
- послеполетные профилактические костюмы, препятствующие депонированию крови в ногах;
- электростимуляция мышц;
- дыхание под избыточным давлением;
- надувные манжеты, препятствующие венозному оттоку крови из конечностей;
- фармакологические и гормональные препараты;
- комфортные условия обитания и питания.
При подготовке космических полетов используются различные способы имитации и моделирования невесомости.
В медицинской практике чаще всего используются методы, обеспечивающие снятие гидростатического давления крови путем "мокрого" и "сухого" погружения человека в водную среду (водная иммерсия), постельного режима с соответствующим углом наклона продольной оси тела к горизонту, пережатия кровеносных сосудов надувными манжетами и создания условий гипокинезии (снижение двигательной активности).
Моделирование невесомости применяется как в целях подготовки космонавтов, так и в целях проведения кратковременных технологических экспериментов в условиях так называемой микрогравитации.
Оно осуществляется в специально оборудованных самолетах - летающих лабораториях, где состояние невесомости достигается после пологого пикирования и плавного набора высоты с выходом на параболическую траекторию "зависания" в течение нескольких секунд; либо в башнях невесомости, где имитация невесомости достигается в течение 10 сек в режиме свободного падения специальной капсулы.
Сегодня в мире имеется несколько летающих лабораторий, созданных на базе самолетов Ил-76, С-131В и др.
Что касается башен невесомости, то только в последнее время можно говорить о их практическом применении. Так, например, Японский центр микрогравитации создал в 1991 году, на базе старой шахты в городе Камисунагава глубиной 710 метров, башню невесомости и специальную капсулу массой в несколько тонн. Капсула в режиме свободного падения достигает скорости 100 м/сек и на конечном участке с помощью магнитных тормозов при допускаемых для испытуемого оборудования перегрузках останавливается.
Капсула оборудована средствами дистанционного изменения технологических параметров, средствами связи, телевидения и обеспечения безопасности.
Источники
См. также