От Циолковского до «Марсианина»: зачем космическим кораблям «вращающиеся кольца»

Если вы смотрели «Интерстеллар», «Марсианина» или играли в Mass Effect, вы наверняка их видели. Огромные, медленно вращающиеся кольца, пристыкованные к корпусу межпланетного корабля. Это один из ключевых и проработанных образов научной фантастики. Но что это — просто красивый элемент дизайна или за ним стоит реальная наука?

Ответ: и то, и другое. За этим эффектным образом скрывается наиболее проработанное и реалистичное с точки зрения физики решение одной из главных проблем долгого пребывания в космосе. И имя этой проблемы — гравитация. Вернее, ее отсутствие.

Физиология человека и невесомость

Длительное пребывание в невесомости губительно для человеческого организма, спроектированного для жизни в гравитационном поле в 1 g (читается «один же») — стандартном ускорении свободного падения на поверхности Земли. Основные негативные эффекты:

• Мышечная атрофия. Без постоянной нагрузки мышцы, особенно опорно-двигательного аппарата, начинают стремительно деградировать.

• Деминерализация костной ткани. Скелет теряет кальций, кости становятся хрупкими. Этот процесс схож с остеопорозом, но протекает гораздо быстрее.

• Перераспределение жидкости. В отсутствие гравитации кровь и другие жидкости устремляются в верхнюю часть тела и голову, создавая постоянную нагрузку на сердечно-сосудистую систему.

• Нейровестибулярные нарушения. Вестибулярный аппарат теряет привычные ориентиры, что приводит к проблемам с координацией и ориентацией в пространстве.

Частично эти проблемы решаются изнурительными многочасовыми тренировками на специальных тренажерах, но единственным кардинальным решением для многомесячных или многолетних миссий (например, на Марс) является создание постоянной искусственной силы тяжести.

Физика вращения

Самый энергоэффективный способ создать аналог гравитации — использовать центростремительную силу. Представьте, что вы вращаете ведро с водой на веревке. Вода не выливается, потому что на нее действует сила, направленная к центру вращения, а дно ведра (реакция опоры) давит на воду, создавая эффект «веса».

Вращающийся модуль корабля — это то же самое ведро. Его внешняя оболочка — это «пол». Находясь внутри, астронавт постоянно стремится улететь по прямой (по касательной), но пол модуля мешает ему это сделать, постоянно «подталкивая» его к центру. Эта сила давления пола на ступни астронавта и воспринимается его телом как вес, то есть гравитация.

Радиус, скорость и эффект Кориолиса

Величина этой искусственной гравитации (ускорения a) зависит от двух параметров: радиуса модуля r и угловой скорости его вращения ω. Формула выглядит так: a = ω²r. И здесь начинается зона жесточайших компромиссов.

Для комфорта человека угловая скорость вращения не должна превышать 1-2 оборота в минуту. При более высоких скоростях возникает эффект Кориолиса — паразитная сила, действующая на движущиеся объекты. Проще говоря, брошенный прямо мяч полетит в сторону, а жидкость из стакана будет выливаться по кривой. Вестибулярный аппарат получает противоречивые сигналы, вызывая сильнейшую морскую болезнь.

Теперь посчитаем. Чтобы создать комфортную земную гравитацию (a ≈ 9.8 м/с²) при очень комфортной скорости вращения в 1 оборот в минуту (ω ≈ 0.105 рад/с), радиус модуля должен составлять: r = a / ω² = 9.8 / (0.105)² ≈ 890 метров.

Диаметр такого кольца должен быть почти 1.8 километра. Это колоссальное сооружение, построить и, главное, раскрутить которое в космосе — титаническая инженерная задача.

Если уменьшить радиус до 100 метров, то для достижения 1 g придется вращать модуль со скоростью почти 3 оборота в минуту, что уже находится на грани физиологической переносимости. Именно поэтому в серьезных научно-фантастических произведениях («Интерстеллар», «Марсианин», «2001: Космическая одиссея») корабли имеют огромные вращающиеся секции. А в играх и фильмах, где показывают маленькое и быстро вертящееся колечко, — это грубое научное допущение.

История и реальность

Идея создания искусственной гравитации с помощью вращения не нова.

• Константин Циолковский еще в 1903 году описывал «космический отель-бублик».

• Вернер фон Браун в 1950-х детально проектировал «космическое колесо» диаметром 76 метров.

• США в рамках миссии Gemini XI в сентябре 1966 года провели первый в истории успешный эксперимент по созданию искусственной гравитации. Астронавты Пит Конрад и Ричард Гордон соединили свой корабль 30-метровым тросом со ступенью-мишенью «Аджена» и придали связке медленное вращение. В результате была достигнута и зафиксирована стабильная микрогравитация на уровне ~0.00015 g, что доказало принципиальную работоспособность концепции.

Итог всех этих проектов был один: физика работала, но упиралась в экономику. Для создания комфортной гравитации требовались колоссальные конструкции, чья масса и стоимость вывода на орбиту делали их практически нереализуемыми для технологий XX века.

Научно, но пока нереально

Так что же в итоге? Вращающийся модуль-«бублик» с точки зрения физики является рабочей системой, которую просчитали еще пионеры космонавтики. Это честный и наиболее реалистичный на сегодня способ спасти человека от разрушительного влияния невесомости. Вот только между идеей и ее реальным воплощением лежит пропасть из инженерных компромиссов, колоссальных затрат и человеческой физиологии, которую не обманешь. И пока эта пропасть не будет преодолена, настоящая, комфортная искусственная гравитация так и останется там, где мы ее привыкли видеть — на экранах кинотеатров и мониторов, в далеком и прекрасном мире научной фантастики.