Космическая станция с искусственной гравитацией с одного запуска
Устойчивое присутствие человека в космосе было главной целью НАСА на протяжении десятилетий, будь то освоение Луны или Марса. Однако человеческое тело должно преодолеть множество препятствий разного рода, чтобы путешествовать в космосе в течение длительного времени. Для решения этих проблем американское космическое агентство учредило программу Innovative Advanced Concepts (NIAC) для финансирования проектов по новым аэрокосмическим технологиям. Один из таких проектов получил новое финансирование для перехода ко второй фазе. Он будет имитировать гравитацию на космической станции размером более одного километра. Кроме того, благодаря своей уникальной конструкции для развертывания в 150 раз больше исходного размера потребуется только один запуск ракеты SpaceX Falcon Heavy.
Целями НАСА являются постоянное изучение и освоение Луны, долгосрочное исследование человеком окололунного пространства (сферического пространства вокруг Земли до края орбиты Луны) и освоение Марса. Артемида - это пилотируемая космическая программа НАСА, цель которой - доставить экипаж на Луну к 2025 году.
Однако длительные космические полеты создают серьезные проблемы для человеческого организма, включая атрофию мышц, потерю костной ткани (в среднем потеря от 1 до 1,5% минеральной плотности в месяц), ухудшение зрения (из-за смещения жидкостей к голове) и иммуносупрессию. Многие из этих эффектов связаны с отсутствием гравитации.
Хотя был достигнут значительный прогресс в облегчении отдельных симптомов, связанных с воздействием нулевой g (отсутствие гравитации) или длительной микрогравитации, способность генерировать искусственную гравитацию устранила бы первопричину многих проблем и могла бы значительно улучшить здоровье экипажа в длительных полетах.
Мы не говорим об искусственной гравитации как таковой, которая остается в области научной фантастики. Скорее, это будет "имитация" гравитации, с использованием вращающейся структуры для создания центробежной силы, которая будет оказывать на тело такое же воздействие, как и гравитация. Решит ли это полностью проблемы, вызванные отсутствием гравитации, пока неизвестно. По этой причине НАСА выделило грант в размере 600 000 долларов на Фазу II группе специалистов из Университета Карнеги-Меллона (CMU) и Университета Вашингтона (UW) для разработки конструкции, которая имитирует полную земную гравитацию и может быть запущена на одной ракете. Эта фаза II позволит исследователям продолжить ранее начатую работу, которая началась в феврале 2021 года в рамках фазы I, за которую они получили грант в размере 175 000 долларов США на инновационные передовые концепции (NIAC).
Новая конструкция для имитации гравитации
Существует два варианта достижения земной гравитации, равной 1g, с помощью центробежной силы. Первый - это очень быстрое вращение небольшой конструкции, а второй - вращение конструкции на большой оси вращения (в данном случае в километровом масштабе) с гораздо меньшей скоростью. Тем не менее при скорости вращения более 1 или 2 оборотов в минуту в течение длительного времени мы будем испытывать дискомфорт и укачивание.
Однако для небольших структур такие скорости все равно недостаточны для создания земной гравитации. Чтобы обойти это, т.е. уменьшить необходимую скорость вращения, необходимо строить очень большие конструкции, или конструкции, расположенные поперек очень большой оси. Опять же, существует еще один ряд препятствий: нам пришлось бы отправлять бесчисленные миссии, пока конструкция не будет собрана.
Проект под руководством доцента UW ME Джеффри Липтона и доцента Университета Карнеги-Меллон Закари Манчестера в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) под названием "Космические конструкции километрового масштаба с одного запуска" направлен на решение этих проблем. В нем будет внимательно изучен вопрос о том, можно ли увеличить размеры конструкции, достаточно маленькой, чтобы поместиться в обтекатель тяжелой ракеты Falcon Heavy, до размеров, необходимых для создания искусственной гравитации, подобной земной, посредством вращения, не вызывая при этом у пассажиров укачивания.
Исследование основано на последних достижениях в области механических метаматериалов, включая HERDS (High Expansion Rate Deployable Structure), связывающих две механические инновации: сдвиговую ауксетику и разветвленные ножничные механизмы. С одной стороны, сдвиговые ауксетики - это новый тип метаматериала, который расширяется при растяжении в хиральный узор (не накладывающийся на свое изображение в зеркале). Уровень хиральности также может контролировать жесткость материала. С другой стороны, разветвленные ножничные механизмы - это еще один способ разворачивания более крупной структуры из компактной. Разработанные художником Генри Сегерманом, ветвящиеся ножничные механизмы могут использоваться для создания гораздо более крупных конструкций из более компактных.
Манчестер, Липтон и их команда считают, что они могут использовать эти технологии для создания трубчатых структур, которые могут расширяться до 150-кратного первоначального размера (упакованного в обтекатель ракеты).
Их исследование NIAC на этапе I продемонстрировало жизнеспособность этого подхода и указало на несколько технических проблем, которые необходимо решить на этапе II, по четырем конкретным направлениям. Во-первых, им нужно будет смоделировать и детально понять сложную динамику развертывания расширяющейся структуры. Во-вторых, с помощью моделирования и оптимизации они попытаются смягчить последствия блокировок во время развертывания - из-за производственных ошибок или внешних помех. Затем они выполнят быстрое прототипирование для калибровки моделей. Наконец, они достигнут этапа экспериментальной проверки прототипов метрового масштаба.
Но это не первый проект NIAC, в котором рассматривается идея больших структур в космосе. Джим Рейтер, помощник администратора Управления космических технологий (STMD) в штаб-квартире агентства в Вашингтоне, говорит: "Миссия НАСА по исследованию Вселенной требует новых технологий и новых способов работы. Изучение этих творческих идей - первый шаг на пути превращения научной фантастики в научную реальность". Таким образом, март 2022 года знаменует собой прибытие новых стипендиатов NIAC. Из отобранных проектов 12 - это новые предложения по Фазе I, а также пять грантов Фазы II, которые позволят исследователям продолжить ранее начатую работу над инновационными концепциями.
Среди новых проектов Фазы I - новая конструкция пилотируемого космического корабля, которая обеспечивает большую защиту от радиации во время длительных путешествий, чем обычные модули для экипажа. Есть также проект абсолютно бесшумного электрического самолета и идея космического корабля, который мог бы использовать солнечное тепло для перемещения за пределы Солнечной системы.
Майкл Лапойнт, исполняющий обязанности директора программы NIAC в штаб-квартире НАСА, говорит: "Как и в прошлые годы, наша новая группа стипендиатов NIAC демонстрирует креативность и видение широкого космического сообщества".
Однако НАСА не одиноко в своем стремлении развернуть крупномасштабные космические конструкции. Национальный научный фонд Китая поддержал усилия по созданию километровой структуры, выделив 2,3 миллиона долларов. Согласно плану проекта, опубликованному китайским фондом, который цитирует газета South China Daily Mail, компоненты космического корабля будут построены на Земле, а затем по отдельности запущены на орбиту для сборки в космосе. Однако к этому предложению относятся скептически. Для сравнения, Международная космическая станция (МКС) является крупнейшей рукотворной конструкцией, когда-либо собранной на орбите. Тем не менее на его сборку ушли десятки запусков и многие годы.
Проект Липтона и Манчестера окажет немедленное и долгосрочное влияние на достижение целей НАСА. В краткосрочной перспективе такая структура сделает возможным устойчивое обитание человека в окололунном пространстве, например, в рамках проекта Lunar Gateway. В средне- и долгосрочной перспективе такие структуры будут необходимы для поддержания жизни человека в дальнем космосе. Наконец, крупные структуры также будут способствовать развитию астрономии, поддерживая крупномасштабные массивы телескопов.