La gravité artificielle dans la science-fiction. Nous recherchons la vérité. Pourquoi nous n'avons pas de gravité artificielle dans l'espace

Placez une personne dans l'espace, loin des liens gravitationnels de la surface terrestre, et elle fera l'expérience de l'apesanteur. Et pourtant, ils nous ont montré à la télévision que l'équipage d'un vaisseau spatial marche avec succès les pieds sur le sol. À cette fin, la gravité artificielle est utilisée, créé par des installationsà bord d'un navire fantastique. Est-ce proche de la vraie science ?


Le capitaine Gabriel Lorca sur le pont du Discovery lors d'une simulation de bataille avec les Klingons. L'ensemble de l'équipage est attiré par la gravité artificielle, et c'est pour ainsi dire déjà canon.

Concernant la gravité. La grande découverte d'Einstein fut le principe d'équivalence : lorsque accélération uniforme le référentiel est impossible à distinguer du champ gravitationnel. Si vous étiez sur une fusée et ne pouviez pas voir l'univers à travers la fenêtre, vous n'auriez aucune idée de ce qui se passe : étiez-vous attiré vers le bas par la gravité, ou la fusée accélérait-elle dans une certaine direction ? C’est l’idée qui a conduit à la théorie de la relativité générale. 100 ans plus tard, c'est pareil description correcte la gravité et l'accélération telles que nous les connaissons.


Le comportement identique d'une balle tombant au sol dans une fusée en vol (à gauche) et sur Terre (à droite) démontre le principe d'équivalence d'Einstein.

Il existe une autre astuce, comme l'écrit Ethan Siegel, que nous pouvons utiliser si nous le voulons : nous pouvons forcer vaisseau spatial tourner. Au lieu d’une accélération linéaire (comme la poussée d’une fusée), l’accélération centripète peut fonctionner de manière à ce que la personne à bord sente le corps extérieur du vaisseau spatial le pousser vers le centre. Cette technique a été utilisée dans 2001 : L'Odyssée de l'espace, et si votre vaisseau spatial était suffisamment grand, la gravité artificielle serait impossible à distinguer de la gravité réelle.
Il y a juste une chose. Ces trois types d’accélération – gravitationnelle, linéaire et rotationnelle – sont les seules que nous pouvons utiliser pour simuler les effets de la gravité. Et c'est un énorme problème pour vaisseau spatial.


Le concept de 1969 de la station, qui devait être assemblée en orbite à partir des étapes achevées du programme Apollo. La station a dû tourner toute seule Axe central pour créer une gravité artificielle.

Pourquoi? Car si vous souhaitez vous rendre dans un autre système stellaire, vous devrez accélérer votre vaisseau pour y arriver, puis le ralentir une fois arrivé. Si vous ne parvenez pas à vous protéger de ces accélérations, la catastrophe vous attend. Par exemple, pour accélérer à plein régime dans Star Trek, à quelques pour cent de la vitesse de la lumière, il faudrait subir une accélération de 4 000 g. C'est 100 fois l'accélération qui commence à entraver la circulation sanguine dans le corps.


Lancement navette spatiale Columbia en 1992 a montré que l'accélération se produit tout au long longue période. L'accélération du vaisseau spatial sera plusieurs fois supérieure, et corps humain ne pourra pas faire face à lui.

À moins que vous souhaitiez rester en apesanteur pendant un long voyage - afin de ne pas vous soumettre à une terrible usure biologique comme une perte musculaire et osseuse - il doit y avoir une force constante sur le corps. Pour toute autre force, c’est assez simple à faire. En électromagnétisme, par exemple, on pourrait placer un équipage dans une cabine conductrice et de nombreux champs électriques externes disparaîtraient tout simplement. Il serait possible de placer deux plaques parallèles à l’intérieur et de créer un champ électrique constant qui pousse les charges dans une certaine direction.
Si seulement la gravité fonctionnait de la même manière.
Il n’existe tout simplement pas de conducteur gravitationnel et il n’est pas non plus possible de se protéger de la force gravitationnelle. Il est impossible de créer un champ gravitationnel uniforme dans une région de l’espace, par exemple entre deux plaques. Pourquoi? Car contrairement à la force électrique générée par les charges positives et négatives, il n’existe qu’un seul type de charge gravitationnelle, à savoir la masse-énergie. La force gravitationnelle attire toujours et il n’y a aucun moyen d’y échapper. Vous ne pouvez utiliser que trois types d’accélération : gravitationnelle, linéaire et rotationnelle.


La grande majorité des quarks et des leptons de l’Univers sont constitués de matière, mais chacun d’eux possède également des antiparticules constituées d’antimatière dont les masses gravitationnelles n’ont pas été déterminées.

La seule façon de créer une gravité artificielle qui vous protégerait des effets de l'accélération de votre vaisseau et vous fournirait une poussée constante « vers le bas » sans accélération serait de débloquer des particules de masse à gravité négative. Toutes les particules et antiparticules que nous avons trouvées jusqu'à présent ont une masse positive, mais ces masses sont inertielles, ce qui signifie qu'elles ne peuvent être jugées que lorsque la particule est créée ou accélérée. La masse inertielle et la masse gravitationnelle sont les mêmes pour toutes les particules que nous connaissons, mais nous n'avons jamais testé notre idée sur l'antimatière ou les antiparticules.
Actuellement, des expériences sont menées dans ce domaine. L'expérience ALPHA au CERN a créé de l'antihydrogène : une forme stable d'antimatière neutre, et s'efforce de l'isoler de toutes les autres particules. Si l’expérience est suffisamment sensible, nous pourrons mesurer comment une antiparticule entre dans un champ gravitationnel. S'il tombe, comme la matière ordinaire, alors il a une masse gravitationnelle positive et peut être utilisé pour construire un conducteur gravitationnel. S’il tombe vers le haut dans un champ gravitationnel, cela change tout. Un seul résultat, et la gravité artificielle pourrait soudainement devenir possible.


La possibilité d’obtenir une gravité artificielle nous semble incroyablement attractive, mais repose sur l’existence d’une masse gravitationnelle négative. L'antimatière constitue peut-être une telle masse, mais nous ne l'avons pas encore prouvé.

Si l’antimatière a une masse gravitationnelle négative, alors en créant un champ de matière normale et un plafond d’antimatière, nous pourrions créer un champ de gravité artificiel qui vous tirerait toujours vers le bas. En créant une coque gravitationnellement conductrice sous la forme de la coque de notre vaisseau spatial, nous protégerions l’équipage des forces d’accélération ultra-rapides qui seraient autrement mortelles. Et mieux encore, les gens dans l’espace ne subiraient plus les effets physiologiques négatifs qui frappent aujourd’hui les astronautes. Mais jusqu’à ce que nous trouvions une particule avec une masse gravitationnelle négative, la gravité artificielle ne sera obtenue que par accélération.

Pour les objets dans l’espace, la rotation est une chose courante. Lorsque deux masses se déplacent l’une par rapport à l’autre, mais sans se rapprocher ou s’éloigner l’une de l’autre, leur force gravitationnelle crée un couple. En conséquence, dans système solaire toutes les planètes tournent autour du soleil.

Mais c’est quelque chose que l’homme n’a pas influencé. Pourquoi les vaisseaux spatiaux tournent-ils ? Pour stabiliser la position, pointez constamment les instruments dans la bonne direction et dans le futur - pour créer une gravité artificielle. Examinons ces questions plus en détail.

Stabilisation rotationnelle

Quand nous regardons une voiture, nous savons dans quelle direction elle va. Il est contrôlé par l'interaction avec environnement externe- traction des roues avec la route. Là où les roues tournent, toute la voiture y va. Mais si on le prive de cette adhérence, si on envoie la voiture sur des pneus chauves rouler sur la glace, alors elle partira en valse, ce qui sera extrêmement dangereux pour le conducteur. Ce type de mouvement se produit rarement sur Terre, mais constitue la norme dans l’espace.

B.V. Rauschenbach, académicien et lauréat du prix Lénine, a écrit dans « Spacecraft Motion Control » sur trois principaux types de problèmes de contrôle de mouvement des engins spatiaux :

1. Obtention de la trajectoire souhaitée (contrôle du mouvement du centre de masse),
2. Contrôle d'orientation, c'est-à-dire réception position souhaitée corps du vaisseau spatial par rapport à des points de référence externes (contrôle mouvement de rotation autour du centre de masse);
3. C'est le cas lorsque ces deux types de contrôle sont mis en œuvre simultanément (par exemple, lorsque des engins spatiaux se rapprochent).

La rotation du dispositif est effectuée afin d'assurer une position stable de l'engin spatial. Ceci est clairement démontré par l’expérience présentée dans la vidéo ci-dessous. La roue attachée au câble prendra une position parallèle au sol. Mais si cette roue tourne pour la première fois, elle conservera sa position verticale. Et la gravité n’interférera pas avec cela. Et même une charge de deux kilogrammes fixée à la deuxième extrémité de l’essieu ne changera pas beaucoup la donne.

Un organisme adapté à la vie dans des conditions de gravité parvient à survivre sans elle. Et pas seulement pour survivre, mais aussi pour travailler activement. Mais ça petit miracle non sans conséquences. L'expérience accumulée au fil des décennies de vols spatiaux habités a montré qu'une personne subit beaucoup de stress dans l'espace, ce qui laisse une marque sur le corps et le psychisme.

Sur Terre, notre corps combat la gravité, qui fait descendre le sang. Dans l’espace, cette lutte continue, mais il n’y a pas de force gravitationnelle. C'est pourquoi les astronautes sont gonflés. La pression intracrânienne augmente et la pression sur les yeux augmente. Cela déforme le nerf optique et affecte la forme des globes oculaires. La teneur en plasma du sang diminue et, en raison de la diminution de la quantité de sang à pomper, les muscles cardiaques s'atrophient. Le défaut de masse osseuse est important et les os deviennent fragiles.

Pour lutter contre ces effets, les personnes en orbite sont obligées de faire de l’exercice quotidiennement. Par conséquent, la création d’une gravité artificielle est considérée comme souhaitable pour les voyages spatiaux à long terme. Une telle technologie devrait créer physiologiquement conditions naturelles pour l'habitation humaine à bord du véhicule. Konstantin Tsiolkovsky pensait également que la gravité artificielle aiderait à résoudre de nombreux problèmes médicaux liés aux vols spatiaux habités.

L’idée elle-même repose sur le principe d’équivalence entre la force de gravité et la force d’inertie, qui stipule : « Forces interaction gravitationnelle sont proportionnelles à la masse gravitationnelle du corps, tandis que les forces d'inertie sont proportionnelles à la masse d'inertie du corps. Si les masses d'inertie et de gravitation sont égales, il est alors impossible de distinguer quelle force agit sur un corps donné plutôt petit : la force gravitationnelle ou la force d'inertie.

Cette technologie présente des inconvénients. Dans le cas d'un appareil à petit rayon, différentes forces affecteront les jambes et la tête - plus on s'éloigne du centre de rotation, plus la gravité artificielle est forte. Le deuxième problème est la force de Coriolis, sous l'influence de laquelle une personne sera secouée lorsqu'elle se déplace par rapport au sens de rotation. Pour éviter cela, l'appareil doit être énorme. Et le troisième question importante associé à la complexité de développement et d’assemblage d’un tel dispositif. Lors de la création d'un tel mécanisme, il est important de réfléchir à la manière de permettre à l'équipage d'avoir un accès constant aux compartiments grâce à la gravité artificielle et de faire en sorte que ce tore se déplace en douceur.

DANS vrai vie Cette technologie n’a pas encore été utilisée pour la construction de vaisseaux spatiaux. Un module gonflable à gravité artificielle a été proposé pour l'ISS afin de démontrer le prototype du vaisseau spatial Nautilus-X. Mais le module coûte cher et créerait des vibrations importantes. Il est difficile de réaliser l'ensemble de l'ISS avec une gravité artificielle avec les fusées actuelles - tout devrait être assemblé en orbite en plusieurs parties, ce qui compliquerait grandement la portée des opérations. Et cette gravité artificielle nierait l’essence même de l’ISS en tant que laboratoire volant en microgravité.

Concept d'un module gonflable en microgravité pour l'ISS.

Mais la gravité artificielle vit dans l’imagination des écrivains de science-fiction. Le vaisseau Hermès du film Le Martien a un tore rotatif au centre, qui crée une gravité artificielle pour améliorer la condition de l'équipage et réduire les effets de l'apesanteur sur le corps.

L'Agence nationale aérospatiale des États-Unis a développé une échelle de niveaux de préparation technologique TRL de neuf niveaux : du premier au sixième - développement dans le cadre de travaux de recherche et développement, à partir du septième et au-dessus - travaux de développement et démonstration des performances technologiques. La technologie du film « Le Martien » ne correspond jusqu’à présent qu’au troisième ou quatrième niveau.

Il existe de nombreuses utilisations de cette idée dans la littérature et les films de science-fiction. La série A Space Odyssey d'Arthur C. Clarke a décrit Discovery One comme une structure en forme d'haltère conçue pour séparer le réacteur nucléaire propulsé de la zone habitable. L'équateur de la sphère contient un « carrousel » d'un diamètre de 11 mètres, tournant à une vitesse d'environ cinq tours par minute. Cette centrifugeuse crée un niveau de gravité égal à celui de la Lune, ce qui devrait empêcher l’atrophie physique en conditions de microgravité.

"Découverte 1" de "L'Odyssée de l'espace"

Dans la série animée Planetes, la station spatiale ISPV-7 possède d'immenses pièces avec la gravité terrestre habituelle. Secteur vivant et une zone de production agricole sont placées dans deux tores tournant dans des directions différentes.

Même la science-fiction dure ignore le coût énorme d’une telle solution. Les passionnés ont pris comme exemple le navire « Elysium » du film du même nom. Le diamètre des roues est de 16 kilomètres. Poids - environ un million de tonnes. L'envoi de marchandises en orbite coûte 2 700 dollars par kilogramme ; SpaceX Falcon réduira ce chiffre à 1 650 dollars par kilogramme. Mais 18 382 lancements devront être effectués pour livrer cette quantité de matériels. Cela représente 1 650 milliards de dollars américains, soit près d'une centaine de budgets annuels de la NASA.

Vers de véritables implantations dans l'espace, où les gens peuvent profiter de l'accélération habituelle de 9,8 m/s² chute libre, encore loin. Peut être, réutilisation pièces de missiles et ascenseurs spatiaux nous permettra de rapprocher une telle ère.

Gennady Brajnik, 23 avril 2011
En regardant le monde, ouvrez les yeux... (épopée grecque antique)
Comment créer une gravité artificielle ?
Le cinquantième anniversaire de l’exploration spatiale, célébré cette année, a montré l’énorme potentiel de l’intelligence humaine dans la compréhension de l’Univers qui l’entoure. Station spatiale internationale (ISS) - habitée station orbitale- articulation projet international, auquel participent 23 pays,
prouve de manière convaincante l'intérêt des programmes nationaux pour le développement des pays proches et lointains. Cosmos. Cela s'applique à la fois aux aspects scientifiques, techniques et commerciaux de la question considérée. Dans le même temps, le principal obstacle à l’exploration spatiale de masse est le problème de l’apesanteur ou de l’absence de gravité sur les objets spatiaux existants. "La gravité ( gravité universelle, gravitation) est l’interaction fondamentale universelle entre tous les corps matériels. Dans l’approximation des faibles vitesses et des faibles interactions gravitationnelles, elle est décrite par la théorie de la gravité de Newton, dans le cas général elle est décrite par la théorie de la relativité générale d’Einstein » - c’est la définition donnée par science moderne Ce phénomène. La nature de la gravité n’est actuellement pas claire. Développements théoriques au sein de différents théories gravitationnelles je ne trouve pas le leur confirmation expérimentale, ce qui suggère une approbation prématurée paradigme scientifique par la nature de l'interaction gravitationnelle, comme l'un des quatre interactions fondamentales. Conformément à la théorie de la gravité de Newton, la force gravitationnelle de l'attraction terrestre est déterminée par l'expression F=m x g, où m est la masse du corps et g est l'accélération de la gravité. "L'accélération de la gravité g est l'accélération conférée à un corps dans le vide par la gravité, c'est-à-dire somme géométrique l'attraction gravitationnelle d'une planète (ou autre corps astronomique) et les forces d'inertie provoquées par sa rotation. Selon la deuxième loi de Newton, l’accélération due à la gravité est égale à la force de gravité agissant sur un objet de masse unitaire. La valeur de l’accélération gravitationnelle de la Terre est généralement considérée comme étant de 9,8 ou 10 m/s╡. La valeur standard (« normale ») adoptée lors de la construction de systèmes d’unités est g = 9,80665 m/s╡, et dans les calculs techniques, ils prennent généralement g = 9,81 m/s╡. La valeur de g a été définie comme la « moyenne » dans. ce qui signifie que l’accélération de la gravité sur Terre est approximativement égale à l’accélération de la gravité à 45,5° de latitude au niveau de la mer. L'accélération réelle due à la gravité à la surface de la Terre dépend de la latitude, de l'heure de la journée et d'autres facteurs. Elle varie de 9,780 m/s╡ à l'équateur à 9,832 m/s╡ aux pôles." Cette incertitude scientifique soulève également un certain nombre de questions liées à la constante gravitationnelle dans la théorie générale de la relativité. Est-elle si constante si, selon les conditions de la gravité, nous avons une telle diversité de paramètres. Les principaux arguments de presque toutes les théories gravitationnelles sont les suivants : « L’accélération de la gravité se compose de deux composantes : l’accélération gravitationnelle et l’accélération centripète. Les différences sont dues à : l’accélération centripète dans le référentiel associé à la Terre en rotation ; inexactitude de la formule due au fait que la masse de la planète est répartie sur le volume, qui a Forme géométrique, différent d'une boule idéale (géoïde) ; " L'hétérogénéité de la Terre, qui sert à rechercher des minéraux par anomalies gravitationnelles. " À première vue, ce sont des arguments assez convaincants. À y regarder de plus près, il devient évident que ces arguments n'expliquent pas la nature physique du phénomène. référentiel, associé à l'accélération centripète dans chaque point géographique tous les composants de la mesure de l'accélération de chute libre sont localisés. Par conséquent, l'objet de mesure et l'équipement mesuré sont soumis à la même influence, y compris la masse distribuée de la Terre et les anomalies gravitationnelles. Par conséquent, le résultat de la mesure devrait être constant, mais ce n’est pas le cas. De plus, l'incertitude de la situation est causée par les valeurs théoriques calculées de l'accélération de la chute libre à l'altitude de vol de l'ISS - g=8,8 m/s(2). La valeur réelle de la gravité locale sur l'ISS est déterminée dans la plage de 10(−3)...10(−1) g, ce qui détermine l'apesanteur. Déclarations selon lesquelles l'ISS se déplace dès le premier vitesse d'échappement et est en chute libre. Qu’en est-il alors des satellites géostationnaires ? À cette valeur calculée de g, ils seraient tombés sur Terre depuis longtemps. De plus, la masse de tout corps peut être définie comme une caractéristique quantitative et qualitative de sa propre charge électrique. Toutes ces considérations conduisent à la conclusion que la nature de la gravité terrestre ne dépend pas du rapport des masses des objets en interaction, mais est déterminée par les forces coulombiennes de l'interaction électrique du champ gravitationnel terrestre. Si nous effectuons un vol horizontal sur un avion, à une altitude de dix km, alors les lois de la gravité sont pleinement satisfaites, mais lors du même vol sur l'ISS à une altitude de 350 km, il n'y a pratiquement aucune gravité. Cela signifie qu'à l'intérieur de ces hauteurs, il existe un mécanisme qui permet de déterminer la gravité comme la force d'interaction des corps matériels. Et la valeur de cette force est déterminée par la loi de Newton. Pour une personne pesant 100 kg, la force d'attraction gravitationnelle au niveau du sol, à l'exclusion pression atmosphérique , devrait être F = 100 x 9,8 = 980 n. Conformément aux données existantes, l'atmosphère terrestre est une structure électriquement inhomogène dont la stratification est déterminée par l'ionosphère. « L'ionosphère (ou thermosphère) est une partie de la haute atmosphère terrestre qui est fortement ionisée en raison de l'irradiation par les rayons cosmiques provenant principalement du Soleil. L'ionosphère est constituée d'un mélange d'atomes et de molécules neutres (principalement de l'azote N2 et de l'azote). oxygène O2) et plasma quasi neutre (le nombre de particules chargées négativement n'est qu'approximativement égal au nombre de particules chargées positivement). Le degré d'ionisation devient déjà significatif à une altitude de 60 kilomètres et augmente régulièrement avec la distance de la Terre. la densité des particules chargées N, les couches D, E et F se distinguent dans l'ionosphère Couche D Dans la région D (60-90 km), la concentration de particules chargées est Nmax ~ 10(2)-10(3) cm. −3 - c'est une région de faible ionisation. La principale contribution à l'ionisation de cette région est apportée par les rayons X solaires. Des sources supplémentaires de faible ionisation jouent également un petit rôle : les météorites brûlant à des altitudes de 60 à 100 km. des rayons, ainsi que des particules énergétiques de la magnétosphère (apportées dans cette couche lors des orages magnétiques). La couche D se caractérise également par une forte diminution du degré d'ionisation la nuit. Couche E La région E (90-120 km) est caractérisée par des densités de plasma allant jusqu'à Nmax~ 10(5) cm−3. Dans cette couche, une augmentation de la concentration électronique est observée pendant la journée, puisque la principale source d'ionisation est le rayonnement solaire à ondes courtes. De plus, la recombinaison des ions dans cette couche se déroule très rapidement et la nuit, la densité ionique peut chuter jusqu'à 10(3) cm−3. Ce processus est contrecarré par la diffusion de charges depuis la région F, située au-dessus, où la concentration d'ions est relativement élevée, et par des sources d'ionisation nocturnes (rayonnement géocorone du Soleil, météores, rayons cosmiques, etc.). Sporadiquement, à des altitudes de 100-110 km, apparaît une couche ES, très fine (0,5-1 km), mais dense. Une caractéristique de cette sous-couche est la forte concentration d’électrons (ne~10(5) cm−3), qui ont un impact significatif sur la propagation des ondes radio moyennes et même courtes réfléchies par cette région de l’ionosphère. La couche E, en raison de la concentration relativement élevée de porteurs de courant libres, joue un rôle important dans la propagation des ondes moyennes et courtes. Couche F La région F est désormais appelée l'ensemble de l'ionosphère au-dessus de 130 à 140 km. La formation maximale d'ions est atteinte à des altitudes de 150 à 200 km. Pendant la journée, on observe également la formation d'une « marche » dans la distribution de la concentration électronique provoquée par un puissant rayonnement solaire. rayonnement ultraviolet. La région de cette étape est appelée région F1 (150-200 km). Cela affecte considérablement la propagation des ondes radio courtes. La partie supérieure de la couche F jusqu'à 400 km est appelée couche F2. Ici, la densité des particules chargées atteint son maximum - N ~ 10(5)-10(6) cm−3. À haute altitude, les ions oxygène plus légers prédominent (à une altitude de 400 à 1 000 km), et même plus haut, les ions hydrogène (protons) et en petites quantités les ions hélium." Deux principaux théories modernes l'électricité atmosphérique a été créée au milieu du XXe siècle par le scientifique anglais Charles Wilson et le scientifique soviétique Ya I. Frenkel. Selon la théorie de Wilson, la Terre et l'ionosphère jouent le rôle de plaques d'un condensateur chargé par les nuages ​​​​d'orage. La différence de potentiel apparaissant entre les plaques conduit à l'apparition champ électrique atmosphère. Selon la théorie de Frenkel, le champ électrique de l'atmosphère s'explique entièrement par des phénomènes électriques se produisant dans la troposphère - la polarisation des nuages ​​​​et leur interaction avec la Terre, et l'ionosphère ne joue aucun rôle rôle important au cours de processus électriques atmosphériques. Généraliser ces concepts théoriques d'interaction électrique dans l'atmosphère implique de considérer la question de la gravité terrestre du point de vue de l'électrostatique. Sur la base des faits généralement connus ci-dessus, il est possible de déterminer les valeurs de l'interaction électrique gravitationnelle des corps matériels dans des conditions de gravité. Pour ce faire, considérons le modèle suivant. Tout corps énergétique matériel, étant dans un champ électrique, réalisera une certaine interaction coulombienne. En fonction de la organisation interne charge électrique, elle sera soit attirée vers l'un des pôles électriques, soit être en état d'équilibre au sein de ce champ. Le degré de charge électrique de chaque corps est déterminé par sa propre concentration électrons libres(pour l'homme, concentration en globules rouges). Ensuite, le modèle d'interaction gravitationnelle de l'attraction terrestre peut être représenté sous la forme d'un condensateur sphérique constitué de deux sphères creuses concentriques dont les rayons sont déterminés par le rayon de la Terre et la hauteur de la couche ionosphérique F2. Il y a une personne ou une autre personne dans ce champ électrique corps matériel. La charge électrique de la surface terrestre est négative, l'ionosphère est positive par rapport à la Terre. La charge électrique d'une personne par rapport à la surface de la Terre est positive, par conséquent, la force coulombienne d'interaction à la surface attirera toujours une personne vers la Terre. La présence de couches ionosphériques implique que la capacité électrique totale d'un tel condensateur est déterminée par la capacité totale de chaque couche à connexion série: 1/Comm = 1/C(E)+1/C(F)+1/C(F2). Puisqu'un calcul d'ingénierie approximatif est en cours, nous prendrons en compte les principales couches énergétiques de l'ionosphère, pour lesquelles nous prendrons les données initiales suivantes : couche E - hauteur 100 km, couche F - hauteur 200 km, couche F2 - hauteur 400 km. Par souci de simplicité, nous ne considérerons pas la couche D et la couche sporadique Es formées dans l’ionosphère lors d’une activité solaire accrue ou diminuée. En figue. La figure 1 montre un schéma de la répartition des couches ionosphériques de l’atmosphère terrestre et un schéma électrique du processus considéré.
Le circuit électrique de la figure 1.a montre une connexion en série de trois condensateurs, auxquels une tension constante Etotal est fournie. Conformément aux lois de l'électrostatique, la répartition des charges électriques sur les armatures de chaque condensateur C1, C2 et C3 est représentée conditionnellement +/-. Sur la base de cette répartition des charges électriques, des intensités de champ locales apparaissent dans le réseau, dont les directions sont opposées à la tension globale appliquée. Dans ces tronçons du réseau, le mouvement des charges électriques se fera en sens inverse, par rapport au Total. La figure 1.b montre un diagramme des couches ionosphériques de l'atmosphère terrestre, qui est entièrement décrit schéma électrique connexion en série de condensateurs. Les forces d'interaction coulombiennes entre les couches ionosphériques sont désignées par Fg. Selon le niveau de concentration des charges électriques, couche supérieure L'ionosphère F2 est électriquement positive par rapport à la surface terrestre. Du fait que les particules vent solaire, ayant différent énergie cinétique, pénètrent dans toute la profondeur de l'atmosphère, la force totale de l'interaction coulombienne de chaque couche sera déterminée par la somme vectorielle force totale gravité Fg totale et la force gravitationnelle d’une couche ionosphérique distincte. La formule pour calculer la capacité d'un condensateur sphérique est : C = 4x(pi)x e(a)x r1xr2/(r2-r1), où C est la capacité du condensateur sphérique ; r1 - rayon sphère interne, égal à la somme du rayon terrestre de 6 371,0 km et de la hauteur de la couche ionosphérique inférieure ; r2 est le rayon de la sphère extérieure, égal à la somme du rayon de la Terre et de la hauteur de la couche ionosphérique supérieure ; e(a)=e(0)x e - constante diélectrique absolue, où e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Ensuite, les valeurs calculées arrondies pour la capacité de chaque couche ionosphérique auront la valeurs suivantes : C (E)=47 µF, C(F)=46 µF, C(F2)=25 µF. La capacité totale totale de l'ionosphère, en tenant compte des couches principales, sera d'environ 12 μF. La distance entre les couches ionosphériques est bien inférieure au rayon de la Terre, donc le calcul de la force coulombienne agissant sur la charge peut être effectué à l'aide de la formule d'un condensateur plat : Fg= e(a) x A x U (2) /(2xd(2)), où A est la surface des plaques (pi x (Rз+ h)(2)) ; U - tension ; d - distance entre les couches ; e(a)=e(0)x e - constante diélectrique absolue, où e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Ensuite, les valeurs calculées des forces d'interaction coulombiennes de chaque couche ionosphérique auront les valeurs suivantes : Fg (E)= 58x10(-9)x U(2) ; Fg(F)= 59x10(-9)xU(2); Fg(F1)= 15x10(-9)xU(2); Fgtot = 3,98x10(-9)x U(2). Déterminons la valeur du stress atmosphérique pour un corps pesant 100 kg. Formule de calcul aura vue suivante: F=m x g= Fg(E) + Fgtot. Remplacement valeurs connues dans cette formule, on obtient la valeur U = 126 kV. Par conséquent, les forces d'interaction coulombienne des couches ionosphériques seront déterminées par les valeurs suivantes : Fg(E)= 920n ; Fg(F)= 936n; Fg(F1)= 238n; Fgtotal= 63n. Après avoir recalculé l'accélération de chute libre de chaque couche ionosphérique, en tenant compte de l'interaction newtonienne, nous obtenons les valeurs suivantes : g(E)= +9,83 m/s(2) ; g(F)= -8,73 m/s(2); g(F1)= - 1,75 m/s(2). Il est à noter que ces valeurs calculées ne tiennent pas compte des paramètres intrinsèques de l'atmosphère, à savoir la pression et la résistance de l'environnement, provoquées par la concentration de molécules d'oxygène et d'azote dans chaque couche de l'ionosphère. À la suite d'un calcul technique approximatif, la valeur obtenue g(F1) = -1,75 m/s(2), ce qui est en bon accord avec la valeur réelle de la gravité locale sur l'ISS - 10(−3)...10 (−1)g. Les divergences dans les résultats sont dues au fait que les balances de torsion utilisées pour mesurer l'accélération de la gravité ne sont pas calibrées sur des valeurs négatives - ce à quoi la science moderne ne s'attendait pas. Pour créer une gravité artificielle, deux conditions doivent être remplies. Créer un système électriquement isolé conformément à l'exigence du théorème de Gauss, à savoir assurer la circulation du vecteur d'intensité du champ électrique dans une sphère fermée et fournir à l'intérieur de cette sphère l'intensité du champ électrique nécessaire pour créer une force d'interaction coulombienne de 1000 N. L'intensité du champ peut être calculée à l'aide de la formule : F= e(a) x A x E(2) /2, où A est la surface de la plaque ; E - intensité du champ électrique ; e(a)=e(0)x e - constante diélectrique absolue, où e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. En substituant les données dans la formule, pour 10 m², nous obtenons la valeur de l'intensité du champ électrique, égale à E = 4,75 x 10(6) V/m. Si la hauteur de la pièce est de trois mètres, alors pour garantir la tension calculée, il est nécessaire d'appliquer une tension constante au sol-plafond avec une valeur de U = E x d = 14,25 MV. Avec un courant de 1 A, il faut assurer une résistance des armatures d'un tel condensateur de 14,25 MOhm. En modifiant la valeur de tension, vous pouvez obtenir différents paramètres la gravité. L'ordre des valeurs calculées montre que le développement des systèmes gravitaires artificiels est vraie affaire. Les Grecs de l’Antiquité avaient raison : « En regardant le monde, ouvrez les yeux… ». Seule une telle réponse peut être donnée concernant la nature de la gravité terrestre. Depuis 200 ans maintenant, l’humanité étudie activement les lois de l’électrostatique, notamment la loi de Coulomb et le théorème de Gauss. La formule d'un condensateur sphérique est pratiquement maîtrisée depuis longtemps. Il ne reste plus qu'à ouvrir les yeux sur le monde et commencez à l'utiliser pour expliquer ce qui semble impossible. Mais lorsque nous comprendrons tous que la gravité artificielle est une réalité, se poseront alors les questions de son utilisation commerciale. vols spatiaux deviendra pertinent et sera transparent pour la compréhension.
Moscou, avril 2011 Brajnik G.N.

L'apesanteur affecte négativement le corps humain. Ainsi, l'une des conséquences de son impact est l'atrophie rapide des muscles et la diminution ultérieure de tous indicateurs physiques corps. Pour résoudre ce problème, des simulateurs spéciaux sont installés sur l'ISS, sur lesquels les astronautes s'entraînent plusieurs heures par jour. Mais les simulateurs sont ennuyeux ; il serait bien plus intéressant de créer une gravité artificielle.

L'un des moyens de créer une gravité artificielle, constamment rappelé dans les œuvres des écrivains de science-fiction et des scientifiques, consiste à créer une station spatiale qui tournerait autour de son axe. Une telle rotation aurait pour conséquence que les astronautes ou les résidents de la station seraient constamment affectés par une force centrifuge, qu'ils ressentiraient comme une force gravitationnelle. Il existe de nombreux projets similaires ; pour avoir une idée rapide de ce type de stations, vous pouvez lire plusieurs petits articles sur Wikipédia : celui-ci, celui-ci et celui-ci.

Station tournante de l’intérieur. Source : Wikipédia Commons

Pourquoi ces solutions ne sont-elles pas appliquées dans la pratique ? Essayons de le comprendre.

L'idée de la gravité artificielle due à la rotation repose sur le principe d'équivalence entre la force de gravité et la force d'inertie ; qui dit : si masse inerte et la masse gravitationnelle sont égales, il est impossible de distinguer quelle force agit sur le corps - force gravitationnelle ou inertielle. En mots simples: si vous créez un vaisseau spatial tournant autour de son axe, la force centrifuge qui en résulte « poussera » l'astronaute vers côté éloigné du centre de rotation, et il peut facilement se tenir debout sur le « sol ». Plus le vaisseau tourne vite et plus l’astronaute est éloigné du centre, plus la gravité artificielle sera forte. La force de la gravité" F sera égal à :

F = m*v 2 /r, Où m- la masse de l'astronaute, v— vitesse linéaire de l'astronaute, r— distance du centre de rotation (rayon).

La vitesse linéaire est égale à v = 2π*R/T, Où T- le temps d'une révolution.

Voyons quels problèmes peuvent rencontrer les développeurs d'une station tournante.

Comme vous pouvez le constater, la force d'attraction artificielle dépend directement de la distance au centre de rotation, il s'avère que pour les petits r la force de gravité sera considérablement différente pour la tête et les jambes de l'astronaute, ce qui peut rendre les mouvements très difficiles. Mais il sera possible de s'adapter à cela.

Il est beaucoup plus difficile de s'adapter aux effets de la force de Coriolis, qui se produiront à chaque fois que notre astronaute se déplacera par rapport au sens de rotation (Force de Coriolis, Wikipédia). Sous l'influence de cette force, l'astronaute aura constamment le mal des transports, et ce n'est pas si amusant. Pour se débarrasser de cet effet, la vitesse de rotation de la station doit être égale à deux tours par minute ou moins, et ici un autre problème se pose - à une fréquence de rotation de deux tours par minute, pour obtenir une gravité artificielle de 1g (comme sur Terre ), le rayon de rotation doit être égal à 224 mètres. Imaginez une station spatiale en forme de cylindre d'un diamètre de près d'un demi-kilomètre ! Bien sûr, il est possible de construire, mais cela sera très difficile et très, très coûteux.

Cependant, des efforts sont déjà en cours pour commencer à travailler dans cette direction. Ainsi, en 2011, la NASA a proposé un projet de station spatiale dont l'un des modules tournerait, fournissant une gravité artificielle de 0,11 à 0,69 g. Le projet s'appelait "Nautilus-X". Le diamètre du module rotatif sera de 9,1 ou 12 mètres, et le module lui-même servira de lieu de couchage pour 6 astronautes.

La station devrait être utilisée comme base intermédiaire pour les vols spatiaux longue distance. L'une des étapes du projet consiste à tester la partie tournante de l'ISS, ce qui coûtera à la NASA 150 millions de dollars et trois ans de travail. La construction d'une station entière selon le projet Nautilus-X coûtera environ 4 milliards.

Les vaisseaux spatiaux à gravité artificielle approchent à grands pas, les gars !

Centrifugeuse à l'usine centrale de traitement (Star City)

Il était une fois, dans l'un des locaux du CPC, un centrifuger pesant 300 tonnes et d'un diamètre de 18 m, il permet de simuler des surcharges en conditions terrestres et permet notamment de faire l'expérience de l'apesanteur physiologique. Quiconque souhaite tester la puissance d'une centrifugeuse de 300 tonnes est vêtu d'une combinaison pressurisée, puis assis sur une chaise spéciale, à laquelle de nombreux capteurs sont d'abord connectés. Une chaise entièrement équipée avec un volontaire assis est amenée à la centrifugeuse et, après avoir roulé à l'intérieur, le moteur est allumé. La rotation dans une centrifugeuse dure trois minutes, l'apesanteur en dans ce cas obtenu grâce à la redistribution des fluides dans le corps. Les médecins et un instructeur surveilleront les lectures du capteur pendant les trois minutes. Mais il existe également un moyen d'alerte d'urgence en cas de surcharge insupportable : à l'intérieur de la centrifugeuse, une personne doit tenir fermement un levier spécial. S'il est libéré, les médecins et les spécialistes recevront un signal d'urgence indiquant que la personne a perdu connaissance et éteindront immédiatement la centrifugeuse.

Coût des prestations : 55 000 roubles par personne

Tél. :

Hydrolab (Cité des étoiles)

Cette année, cela fait trente ans qu'ils ont commencé à entraîner les astronautes avant les vols dans l'hydrolab Star City. Le laboratoire est une immense piscine de 23 m de long et 12 m de profondeur, au fond de laquelle se trouve une maquette de l'ISS. C’est ici que les astronautes s’entraînent avant de se rendre pour la première fois dans l’espace. Comme dans les autres attractions du CPC, tout le monde passe un examen médical obligatoire, puis écoute un cours théorique, et après cela - et cela prend au moins une demi-heure - ils enfilent une combinaison spatiale complexe, lourde et extrêmement maladroite, équipée de poids spéciaux en plomb. (l'ensemble pèse environ 200 kg) . Et alors seulement, à l'aide d'une grue, les volontaires sont soigneusement descendus au fond. La plongée s'effectue avec un instructeur, qui donne simultanément pour tâche de déplacer une partie du modèle sous l'eau d'un endroit à un autre. C'est à la profondeur maximale qu'apparaît une sensation d'apesanteur, semblable à celle ressentie par un astronaute travaillant dans Cosmos. L'ensemble du processus dure quatre heures ; une personne en passe deux sous l'eau. Attention : les commandes ne sont acceptées qu'en juin.

Coût des prestations : 182 000 roubles par personne

Tél. : 526 38 42, 526 38 79, 526 78 55

Vol sur le MiG-29

Une autre façon de découvrir l'apesanteur est de participer à un vol sur MiG-29. En exécutant les figures acrobaties aériennes ceux qui se trouvent dans la cabine font l'expérience de l'apesanteur, même si ce n'est que pour quelques secondes. Des vols similaires pour les civils sont organisés en Nijni Novgorod. L'événement dure toute la journée et commence tôt le matin : il est recommandé d'arriver et de s'enregistrer à l'hôtel la veille. Dans ce cas, un moniteur viendra à l'hôtel et vous informera du programme à venir. Il est nécessaire de s'inscrire un mois et demi à l'avance pour que le service de sécurité ait le temps de vérifier si le nouveau venu est un espion. Toute personne reconnue honnête citoyen est invitée à choisir l'un des trois programmes possibles : un vol vers la troposphère à 12 km d'altitude, à 18 km d'altitude et un vol vers la stratosphère à 21 km d'altitude. Dans ce dernier cas, depuis le hublot, le ciel étoilé sera visible d'un côté, et le contour arrondi de la Terre de l'autre côté. Selon l'altitude, les vols durent de 25 à 50 minutes. Avant le vol, tout le monde subit un examen médical sommaire : les médecins vérifient la tension artérielle et le pouls.

Coût des prestations : vol à une altitude de 12 km - 380 000 roubles/personne ; vol à une altitude de 18 km - 480 000 roubles/personne ; vol à une altitude de 21 km - 595 000 roubles/personne.

Tél. : 645 07 02

Vols sur l'Il-76

S'il semble que Star City ait le monopole de la véritable apesanteur spatiale, il existe une autre façon de découvrir la vie quotidienne des astronautes : un vol à bord de l'Il-76, un avion de transport militaire soviétique. Toutes les règles du Centre d'Entraînement des Cosmonautes s'appliquent ici : un examen médical approfondi, puis une préparation avant le vol. Un vol dure jusqu'à une heure et demie, et pendant ce temps, comme le disent les organisateurs, « jusqu'à dix modes d'apesanteur sont exécutés » pendant 25 secondes chacun. L'apesanteur retrouve 15 casse-cous à bord lors d'un vol le long de la courbe dite de Kepler. Selon les organisateurs, les touristes peuvent commander des tournages vidéo à bord, mais ici, vous devez vous préparer à certains incidents - de nombreuses personnes ont la nausée par habitude. Attention : les vols ont été temporairement suspendus, mais ils devraient reprendre prochainement.

Coût des prestations : 1 800 000 pour un groupe de 15 personnes

Soufflerie

Une soufflerie vous permet de vous sentir comme un aéronaute : le flux d'air soulève une personne et vous suspend dans les airs, vous jetant dans différents côtés. Ces sensations ne sont bien sûr pas de l'apesanteur au sens strict du terme, mais une soufflerie permet de s'envoler jusqu'à 10 m de hauteur avec une largeur d'écoulement de 4 m. Le principal avantage d'une soufflerie par rapport à. toutes les méthodes ci-dessus sont son faible coût relatif et l’absence d’examens médicaux. De plus, c'est totalement sûr. De nombreux parachutistes, par exemple, s’entraînent dans des souffleries. Dans la zone de vol, tous les murs ont rembourrage doux, il n'y a pas d'objets durs et un treillis de protection spécial adoucit la chute après avoir éteint le moteur. De plus, il y a toujours un instructeur expérimenté à proximité qui contrôle le vol toutes les minutes. La durée de vol recommandée pour une fille est de cinq minutes ; pour un homme - jusqu'à dix. Même les enfants (à partir de 5 ans) peuvent voler dans une soufflerie, car cela ne nécessite pas d'être un athlète avec un faible seuil d'auto-préservation. Selon l'horaire, les personnes intéressées doivent écouter attentivement le moniteur, qui leur expliquera en détail comment séjourner. flux d'air. Ensuite, il faut s'habiller avec une combinaison spéciale, enfiler un casque, puis un peu d'entraînement et - c'est parti pour l'envol ! Attention : la vitesse du vent dans la soufflerie atteint 200 km/h.

Coût des prestations : 4 minutes - 3 500 roubles par personne ; 10 minutes - 6500 roubles

Chambre de privation sensorielle (flottante)

Une autre occasion de vous retrouver en apesanteur conditionnelle est de vous allonger pendant une heure ou deux dans une chambre de privation sensorielle (chambre flottante). On promet aux clients que « la flottabilité que le corps acquiert grâce à la solution saline annule les effets de la gravité, rapprochant ainsi la personne de l'expérience de l'apesanteur totale ». Le réservoir flottant, d'une profondeur d'environ 30 cm, est légèrement plus large qu'un lit double ; il contient une solution aqueuse préparée à partir de 400 kg de sel. Un thermostat maintient une température constante d'environ 35 degrés Celsius. Ceci est considéré comme optimal régime de température, dans lequel la plupart des gens ne ressentent ni chaleur ni froid et cessent rapidement de ressentir le contact de l'eau avec le corps. À l'intérieur de la chambre à flotteur, une personne se retrouve isolée des stimuli extérieurs : aucun son, aucune lumière, aucune odeur n'y pénètre.

Coût des prestations : 2000 roubles par procédure en 1 heure