Игорь Бубнов - Обитаемые космические станции
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.
НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
Необходимость обеспечения длительной и надежной работы конструкции ОКС и ее многочисленного оборудования выдвигает перед учеными и инженерами ряд специфических задач, которые до сих пор почти не встречались в инженерной практике. Из этих задач мы рассмотрим лишь некоторые, постановка которых в технической литературе представляется сейчас наиболее интересной.
Нагрузки и демпфирование. С точки зрения строительной механики конструкция выведенной на орбиту ОКС представляет собой изолированную систему, лишенную поддерживающего фундамента и практически свободную от обычного для самолетных конструкций действия гравитационных сил, которые уравновешены центробежными силами, и аэродинамических нагрузок, пренебрежимо малых из-за чрезвычайной разреженности атмосферы.
Все это говорит о том, что конструкции космических аппаратов должны быть принципиально отличными от конструкций обычных летательных аппаратов, предназначенных для полетов в атмосфере. При этом главную роль для конструкции ОКС играют два типа статических нагрузок. Нагрузки первого типа возникают от внутреннего давления — наддува. Наддуву воздухом подвергаются жилые и рабочие отсеки ОКС. Создание таких отсеков достаточного объема требует разработки легких и прочных оболочек, хорошо воспринимающих внутреннего давление, близкое к нормальному атмосферному. Появление нагрузок второго типа — от центробежных сил — возможно тогда, когда всей конструкции или части ее сообщается постоянная скорость собственного вращения для создания искусственной силы тяжести. Максимальная нагрузка при этом будет равна по величине создаваемой силе тяжести.
Динамические нагрузки на конструкцию ОКС будут несравнимо меньшими по величине, нежели нагрузки на атмосферный летательный аппарат.
Тем не менее проблема демпфирования колебаний конструкции ОКС, нуждающейся в точной ориентации и стабилизации, считается очень важной. Между гашением колебаний в обычных строениях и демпфированием в орбитальной конструкции существует принципиальная разница. Большая часть энергии динамических нагрузок, воспринимаемых наземным сооружением при землетрясении или сильных порывах ветра, передается фундаменту и затем рассеивается в грунте, а также идет на возбуждение колебаний окружающих воздушных масс. Вся энергия динамического возбуждения конструкции ОКС, являющейся изолированной механической системой, должна быть поглощена и рассеяна внутри самой конструкции.
Демпфирование должно произойти за счет деформации элементов конструкции или за счет трения при относительном сдвиге деталей соединения (например, заклепочного). Последний тип демпфирования называется скользящим.
Смазка. Смазывание трущихся элементов машин в космосе необходимо не только для уменьшения трения, а следовательно, и энергии, потребной для перемещения и охлаждения движущихся деталей, но и для предотвращения взаимного схватывания (сваривания) трущихся элементов. В условиях космического вакуума это явление может возникнуть из-за отсутствия между трущимися поверхностями обычной в земных условиях тонкой пленки водяного пара в несколько молекул толщиной.
Отсутствие такой пленки в условиях космоса способствует, кроме того, повышенному испарению смазки и сублимации (испарению с твердой поверхности) самих металлов. Это явление представляет известную опасность для механических элементов — шестерен, подшипников, кулачков, а также для электрических контактов реле и переключателей.
Применение обычных нефтяных и жировых смазок для ОКС в условиях низкого вакуума чрезвычайно затруднено. В известном смысле задача обеспечения надежной смазкой в вакууме подобна проблеме смазки при нормальных давлениях, но повышенных температурах. Как нагрев, так и уменьшение давления увеличивают скорость испарения нефтяного масла или жировой смазки, в результате чего увеличивается сила трения в движущихся деталях. При этом температура деталей повышается, что еще больше способствует испарению смазки. Поэтому для смазки наружных агрегатов ОКС должны применяться специальные жиры и масла с низким давлением паров, в частности такие, которые разработаны в настоящее время для вакуумных насосов и высокотемпературных нагруженных деталей.
Трудность при конструировании системы смазки, предназначенной для работы в вакууме, состоит еще и в том, что необходимо учитывать возможность выдувания смазочных материалов из подшипников и других смазываемых деталей в процессе выведения космической станции на орбиту, когда наружное давление быстро уменьшается.
А как будет влиять на смазку деталей и механизмов OKC отсутствие кислорода в космической среде? С одной стороны, это обстоятельство можно считать благоприятным, поскольку в, смазке не будет образовываться вредный отстой вследствие реакции масла или жира с кислородом. С другой стороны, без кислорода на трущихся поверхностях не образуется окисная пленка. Между тем экспериментально установлено, что смазка осуществляется благодаря химической реакции между металлом поверхности и входящими в состав масла жирными кислотами. Эти реакции протекают только при наличии окисной пленки и усиливаются в присутствии кислорода и воды. Невозможность протекания таких реакций в условиях космической среды будет также ухудшать процесс смазки.
