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Warum drehen sich Raumschiffe?

Bei Objekten im Raum ist Rotation eine häufige Sache. Wenn sich zwei Massen relativ zueinander bewegen, jedoch nicht aufeinander zu oder voneinander weg, erzeugt ihre Gravitationskraft ein Drehmoment . Infolgedessen drehen sich im Sonnensystem alle Planeten um die Sonne.

Aber das hat eine Person nicht beeinflusst. Warum drehen sich Raumfahrzeuge? Um die Situation zu stabilisieren, richten Sie die Geräte ständig in die richtige Richtung und in die Zukunft - um künstliche Schwerkraft zu erzeugen. Schauen wir uns diese Probleme genauer an.



Rotationsstabilisierung


Wenn wir uns ein Auto ansehen, wissen wir, in welche Richtung es geht. Das Management beruht auf der Interaktion mit der äußeren Umgebung - der Haftung der Räder an der Straße. Wo sich die Räder drehen - das ganze Auto fährt dorthin. Aber wenn wir ihm diese Kupplung entziehen, wenn wir das Auto auf kahlen Reifen schicken, um auf Eis zu fahren, dreht es sich in einem Walzer, was für den Fahrer äußerst gefährlich ist. Diese Art von Bewegung kommt auf der Erde selten vor, aber im Weltraum ist dies die Norm.

B. V. Rauschenbach, Akademiker und Preisträger des Lenin-Preises, schrieb in „Spacecraft Motion Control“ über drei Haupttypen von Aufgaben zur Steuerung der Bewegung eines Raumfahrzeugs:
  1. Erhalten der gewünschten Flugbahn (Steuern der Bewegung des Massenschwerpunkts),
  2. Orientierungssteuerung, dh Erhalten der gewünschten Position des Raumfahrzeugkörpers relativ zu externen Orientierungspunkten (Steuerung der Rotationsbewegung um den Massenmittelpunkt);
  3. Der Fall, wenn diese beiden Steuerungsarten gleichzeitig realisiert werden (z. B. wenn sich Raumfahrzeuge einander nähern).

Die Drehung der Vorrichtung wird durchgeführt, um eine stabile Position des Raumfahrzeugs sicherzustellen. Dies wird durch das Experiment im folgenden Video deutlich. Das am Kabel montierte Rad nimmt eine Position parallel zum Boden ein. Wenn dieses Rad jedoch zuvor nicht gedreht wurde, behält es seine vertikale Position bei. Und die Schwerkraft wird dies nicht stören. Und selbst eine am zweiten Ende der Achse befestigte Last von zwei Kilogramm wird das Bild nicht sehr verändern.



Ein Beispiel für eine solche Rotation gibt Robert Frost , Ausbilder und Betreiber bei der NASA: Dies ist die automatische interplanetare Juno-Station, die 2011 gestartet wurde, um Jupiter zu untersuchen und am 5. Juli 2016 in die Umlaufbahn zu bringen . Rotation ist eine der Methoden zur Orientierung und Stabilisierung , deren Hauptvorteil die Rentabilität ist. Es lohnt sich, das Gerät einmal zu drehen, und dann wird es möglich sein, sich jahrhundertelang zu drehen, ohne überschüssigen Kraftstoff zu verbrauchen und sich nicht um die elektronische Steuerung des Geräts zu kümmern. Wenn die Elektronik des Geräts ausfällt, behält der Juno die Rotation bei.



Anweisungen zum Speichern von Geräten speichern


Aus den Videos ist es schwer zu erkennen, aber die Internationale Raumstation dreht sich ständig mit einer Geschwindigkeit von 4 Grad pro Minute entlang der Y-Achse. Diese Winkelgeschwindigkeit wird gewählt, um die Drehung der Station um ihre Achse mit ihrer Drehung um die Erde zu synchronisieren. Antennen werden von GPS-Satelliten und Kommunikationssatelliten überwacht, und es ist ratsam, den Planeten aus Erdbeobachtungsfenstern zu sehen, um ihn aufzuzeichnen. Rotation und Beschleunigung werden auch verwendet, um Kollisionen mit Weltraummüll zu vermeiden .

Einige Raumfahrzeuge verwenden die Rotation zur Wärmekontrolle, um eine Seite nicht zu überhitzen, was zu Ausfällen führen kann. Die Internationale Raumstation tut dies nicht, im Gegensatz zu anderen Fahrzeugen, die sich gleichmäßig erwärmen.

Im Video unten können Sie sehen, wie die Station ihre Ausrichtung relativ zur Erde beibehält.



Während interplanetarer Flüge treten die Momente der Kräfte in den Vordergrund, die durch den Druck des Sonnenlichts erzeugt werden, und dieser Druck kann dem Gerät helfen, die gewünschte Ausrichtung beizubehalten. Die Raumfahrzeuge "Venus" und "Mars" verwendeten das folgende Orientierungsschema: Nachdem das Steuerungssystem dem Gerät die gewünschte Position relativ zur Sonne gegeben hatte, wurde der Körper über die Rotation um seine eigene Achse informiert. Dann erfolgte seine Bewegung um den Massenschwerpunkt unter der Wirkung von zwei Effekten: dem Top-Effekt und dem Moment der Kräfte, die durch den Druck des Sonnenlichts erzeugt werden. Die Vorrichtung erwarb die Eigenschaften einer Wetterfahne. Ein solch komplexes Schema ermöglichte es, eine konstante Richtung der Sonnenkollektoren zur Sonne sicherzustellen.


Raumschiff "Venus-3"

Künstliche Schwerkraft erzeugen



Nautilus-X- Konzept .

Angepasst an das Leben unter Schwerkraftbedingungen schafft es der Körper, ohne sie zu überleben. Und nicht nur um zu überleben, sondern auch um aktiv zu arbeiten. Aber dieses kleine Wunder ist nicht ohne Konsequenzen. Die Erfahrung, die über Jahrzehnte bemannter Flüge in den Weltraum gesammelt wurde, hat gezeigt: Eine Person erlebt viele Belastungen im Weltraum, die Spuren in Körper und Psyche hinterlassen .

Auf der Erde kämpft unser Körper mit der Schwerkraft, die Blut nach unten zieht. Im Weltraum geht dieser Kampf weiter, aber die Schwerkraft fehlt. Daher sind die Astronauten geschwollen. Der Hirndruck steigt, der Druck auf die Augen steigt. Dies verformt den Sehnerv und beeinflusst die Form der Augäpfel. Der Plasmagehalt im Blut nimmt ab, und aufgrund einer Verringerung der Menge an Blut, die gepumpt werden muss, verkümmern die Herzmuskeln. Der Knochenmassendefekt ist signifikant, die Knochen werden zerbrechlich.

Um diese Effekte zu überwinden, müssen Menschen im Orbit täglich Sport treiben. Daher wird die Erzeugung künstlicher Schwerkraft für eine langfristige Raumfahrt als wünschenswert angesehen. Eine solche Technologie sollte physiologisch natürliche Bedingungen für die Behausung von Personen an Bord des Geräts schaffen. Sogar Konstantin Tsiolkovsky glaubte, dass künstliche Schwerkraft helfen würde, viele der medizinischen Probleme der bemannten Raumfahrt zu lösen.



Die Idee selbst basiert auf dem Prinzip der Äquivalenz von Schwerkraft und Trägheit, das besagt: „Die Kräfte der Gravitationswechselwirkung sind proportional zur Gravitationsmasse des Körpers, während die Trägheitskräfte proportional zur Trägheitsmasse des Körpers sind. Wenn die Trägheits- und Gravitationsmassen gleich sind, ist es unmöglich zu unterscheiden, welche Kraft auf einen bestimmten ausreichend kleinen Körper wirkt - Gravitation oder Trägheit. “

Diese Technologie hat Nachteile. Bei einem Gerät mit kleinem Radius wirken sich unterschiedliche Kräfte auf Beine und Kopf aus - je weiter vom Rotationszentrum entfernt, desto stärker ist die künstliche Schwerkraft. Das zweite Problem ist die Coriolis-Kraft , aufgrund deren Aufprall eine Person die Bewegung erschüttert, wenn sie sich relativ zur Drehrichtung bewegt. Um dies zu vermeiden, muss das Gerät riesig sein. Das dritte wichtige Thema betrifft die Komplexität der Entwicklung und Montage eines solchen Geräts. Bei der Schaffung eines solchen Mechanismus ist es wichtig zu überlegen, wie die Besatzung ständig mit künstlicher Schwerkraft auf die Abteile zugreifen kann und wie sich dieser Torus reibungslos bewegen kann.

Im wirklichen Leben wurde eine solche Technologie noch nicht für den Bau von Raumfahrzeugen verwendet. Für die ISS wurde ein aufblasbares Modul mit künstlicher Schwerkraft vorgeschlagen, um den Prototyp des Nautilus-X-Raumfahrzeugs zu demonstrieren. Das Modul ist jedoch teuer und würde erhebliche Vibrationen erzeugen . Es ist schwierig, die gesamte ISS mit künstlicher Schwerkraft mit aktuellen Raketen durchzuführen - es wäre notwendig, alles in der Umlaufbahn in Teilen zu sammeln, was manchmal den Umfang der Operationen erschweren würde. Und auch diese künstliche Schwerkraft würde die Essenz der ISS als fliegendes Mikrogravitationslabor durchkreuzen.


Das Konzept eines aufblasbaren Moduls mit Schwerelosigkeit für die ISS.

Die künstliche Schwerkraft lebt jedoch in der Vorstellung von Science-Fiction-Autoren. Das Hermes-Schiff aus dem Film The Martian hat einen rotierenden Torus in der Mitte, der künstliche Schwerkraft erzeugt, um den Zustand der Besatzung zu verbessern und die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf den Körper zu verringern.



Die US National Aerospace Agency hat eine TRL-Technologiebereitschaftsskala von neun Stufen entwickelt: von der ersten bis zur sechsten - Entwicklung im Rahmen der Forschung, von der siebten bis zur höheren - Entwicklungsarbeit und Demonstration der Funktionsfähigkeit der Technologie. Die Technologie aus dem Film "The Martian" entspricht bisher nur der dritten oder vierten Ebene.

Es gibt viele Verwendungsmöglichkeiten dieser Idee in Science-Fiction-Literatur und Filmen. In einer Reihe von Romanen von Arthur Clarke "Space Odyssey" wurde "Discovery One" in Form einer Hantel beschrieben, deren Bedeutung darin besteht, den Kernreaktor mit dem Motor vom Wohnbereich zu trennen. Der Äquator der Kugel enthält ein "Karussell" mit einem Durchmesser von 11 Metern, das sich mit einer Geschwindigkeit von etwa fünf Umdrehungen pro Minute dreht. Diese Zentrifuge erzeugt eine Schwerkraft, die der des Mondes entspricht und eine physikalische Atrophie der Mikrogravitation verhindern soll.

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"Discovery One" aus der "Space Odyssey"

In der Planetes-Anime-Serie verfügt die ISPV-7-Raumstation über riesige Räume mit bekannter Erdgravitation. Der Wohnbereich und die Pflanzenwachstumszone befinden sich in zwei Tori, die sich in verschiedene Richtungen drehen.

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Selbst harte Science-Fiction ignoriert die bloßen Kosten einer solchen Lösung. Enthusiasten nahmen zum Beispiel das Schiff "Elysium" aus dem gleichnamigen Film. Der Durchmesser des Rades beträgt 16 Kilometer. Masse - ungefähr eine Million Tonnen. Das Senden von Waren in die Umlaufbahn kostet 2.700 USD pro Kilogramm. SpaceX Falcon wird diese Zahl auf 1.650 USD pro Kilogramm reduzieren. 18382 müssen jedoch Starts durchgeführt werden, um eine solche Menge an Material zu liefern. Dies sind 1 Billion 650 Milliarden US-Dollar - fast einhundert Jahresbudgets der NASA.



Zu realen Siedlungen im Weltraum, in denen Menschen die bekannte 9,8 m / s² Erdbeschleunigung genießen können, ist noch weit entfernt. Vielleicht bringt die Wiederverwendung von Raketenteilen und Weltraumaufzügen diese Ära näher.

Source: https://habr.com/ru/post/de396029/

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