О путешествиях к звездам люди мечтали издревле, начиная с тех времен, когда первые астрономы рассмотрели в примитивные телескопы иные планеты нашей системы и их спутники. С тех пор прошло много веков, но увы, межпланетные и тем более полеты к другим звездам невозможны и сейчас. А единственным внеземным объектом, где побывали исследователи, является Луна.
Мы знаем, что силой тяжести называется сила, с которой Земля притягивает различные тела.
Сила тяжести всегда направлена к центру планеты. Сила тяжести сообщает телу ускорение, которое называется ускорением свободного падения и численно равно 9,8м/с 2 . Это значит, что любое тело, независимо от его массы при свободном падении (без сопротивления воздуха) изменяет свою скорость за каждую секунду падения на 9,8 м/с.
Используя формулу для нахождения ускорения свободного падения
Масса планет M и их радиус R известны благодаря астрономическим наблюдениям и сложным расчетам.
а G - гравитационная постоянная (6,6742 10 -11 м 3 с -2 кг -1).
Если применить эту формулу для вычисления гравитационного ускорения на поверхности Земли (масса М = 5,9736 1024 кг, радиус R = 6,371 106 м), мы получим g=6,6742 * 10 *5,9736 / 6,371*6,371 = 9,822м/с 2
Стандартное («нормальное») значение, принятое при построении систем единиц, g = 9,80665 м/с 2 , а в технических расчётах обычно принимают g = 9,81 м/с 2 .
Стандартное значение g было определено как «среднее» в каком-то смысле ускорение свободного падения на Земле, примерно равно ускорению свободного падения на широте 45,5° на уровне моря.
Благодаря притяжению к Земле течет вода в реках. Человек, подпрыгнув, опускается на Землю, потому что Земля притягивает его. Земля притягивает к себе все тела: Луну, воду морей и океанов, дома, спутники и т. п. Благодаря силе тяжести облик нашей планеты непрерывно меняется. Сходят с гор лавины, движутся ледники, обрушиваются камнепады, выпадают дожди, текут реки с холмов на равнины.
Все живые существа на земле чувствуют ее притяжение. Растения также «чувствуют» действие и направление силы тяжести, из-за чего главный корень всегда растет вниз, к центру земли, а стебель вверх.
Земля и все остальные планеты, движущиеся вокруг Солнца, притягиваются к нему и друг к другу. Не только Земля притягивает к себе тела, но и эти тела притягивают к себе Землю. Притягивают друг друга и все тела на Земле. Например, притяжение со стороны Луны вызывает на Земле приливы и отливы воды, огромные массы которой поднимаются в океанах и морях дважды в сутки на высоту нескольких метров. Притягивают друг друга и все тела на Земле. Поэтому ВЗАИМНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ ВСЕХ ТЕЛ ВСЕЛЕННОЙ НАЗЫВАЕТСЯ ВСЕМИРНЫМ ТЯГОТЕНИЕМ.
Чтобы определить силу тяжести, действующую на тело любой массы, необходимо ускорение свободного падения умножить на массу этого тела.
F = g * m ,
где m-масса тела, g – ускорение свободного падения.
Из формулы видно, что значение силы тяжести увеличивается с увеличением массы тела. Так же видно, что сила тяжести зависит также от величины ускорения свободного падения. Значит, делаем вывод: для тела неизменной массы значение силы тяжести меняется с изменение ускорения свободного падения.
Используя формулу для нахождения ускорения свободного падения g=GМ/R 2
Мы можем рассчитать значения g на поверхности любой планеты. Масса планет M и их радиус R известны благодаря астрономическим наблю¬дениям и сложным расчетам. где G - гравитационная постоянная (6,6742 10 -11 м 3 с -2 кг -1).
Планеты издавна делились учеными на две группы. Первая – это планеты земного типа: Меркурий, Венера, Земля, Марс, с недавних пор – Плутон. Для них характерны относительно небольшие размеры, малое количество спутников и твердое состояние. Оставшиеся – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун – планеты-гиганты, состоящие из газообразного водорода и гелия. Все они движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, отклоняясь от заданной траектории, если рядом проходит планета-сосед.
Наша «первая космическая станция» - Марс. Сколько же человек будет весить на Марсе? Сделать такой расчет нетрудно. Для этого необходимо знать массу и радиус Марса.
Как известно, масса "красной планеты" в 9,31 раза меньше массы Земли, а радиус в 1,88 раза уступает радиусу земного шара. Следовательно, из-за действия первого фактора сила тяжести на поверхности Марса должна быть в 9,31 раза меньше, а из-за второго - в 3,53 раза больше, чем у нас (1,88 * 1,88 = 3,53). В конечном счете она составляет там немногим более 1/3 части земной силы тяжести (3,53: 9,31 = 0,38). Она составляет 0,38 g от земной, это примерно в два раза меньше. Это значит, что на красной планете можно скакать и прыгать гораздо выше, чем на Земле, и все тяжести весить будут также значительно меньше. Таким же образом можно определить напряжение силы тяжести на любом небесном теле.
Теперь определим, напряжение силы тяжести на Луне. Масса Луны, как мы знаем, в 81 раз меньше массы Земли. Если бы Земля обладала такой маленькой массой, то напряжение силы тяжести на ее поверхности было бы в 81 раз слабее, чем теперь. Но по закону Ньютона шар притягивает так, словно вся его масса сосредоточена в центре. Центр Земли отстоит от ее поверхности на расстоянии земного радиуса, центр Луны – на расстоянии лунного радиуса. Но лунный радиус составляет 27/100 земного, а от уменьшения расстояния в 100/27 раза сила притяжения увеличивается в (100/27) 2 раз. Значит, в конечном итоге напряжение силы тяжести на поверхности Луны составляет
100 2 / 27 2 * 81 = 1 / 6 земного
Любопытно, что если бы на Луне существовала вода, пловец чувствовал бы себя в лунном водоеме так же, как на Земле. Его вес уменьшился бы в шесть раз, но во столько же раз уменьшился бы и вес вытесняемой им воды; соотношение между ними было бы такое же, как на Земле, и пловец погружался бы в воду Луны ровно на столько же, на сколько погружается он у нас.
ускорение свободного падения на поверхности некоторых небесных тел, м/с 2
Солнце 273,1
Меркурий 3,68-3,74
Венера 8,88
Земля 9,81
Луна 1,62
Церера 0,27
Марс 3,86
Юпитер 23,95
Сатурн 10,44
Уран 8,86
Нептун 11,09
Плутон 0,61
Как видно из таблицы, почти идентичное значение ускорения свободного падения присутствует на Венере и составляет 0,906 от земной.
Теперь условимся, что на Земле космонавт-путешественник весит ровно 70кг. Тогда для других планет получим следующие значения веса (планеты расположены в порядке возрастания веса):
А вот на Солнце гравитация (притяжение) в 28 раз сильнее, чем на Земле. Человеческое тело весило бы там 20000 Н и было бы мгновенно раздавлено собственной тяжестью.
Если нам предстоит космическое путешествие по планетам Солнечной системе, то нужно быть готовым к тому, что наш вес будет меняться. Сила притяжения также оказывает различные воздействия на живых существ. Попросту говоря, когда будут открыты другие обитаемые миры, мы увидим, что их обитатели сильно отличаются друг от друга в зависимости от массы их планет. К примеру, будь Луна обитаема, то ее населяли бы очень высокие и хрупкие существа, и наоборот, на планете массой с Юпитер жители были бы очень низкие, крепкие и массивные. А иначе на слабых конечностях в таких условиях попросту не выживешь при всем желании. Сила притяжения сыграет важную роль и при будущей колонизации того же Марса.
Радиация
Самой серьезной проблемой на Марсе является отсутствие магнитного поля, защищающего от солнечной радиации. Магнитное поле Марса слабее земного примерно в 800 раз. Вместе с разреженной атмосферой это увеличивает количество достигающего его поверхности ионизирующего излучения.
Радиационный фон на орбите Марса в 2,2 раза превышает радиационный фон на Международной космической станции. Средняя доза составила примерно 220 миллирадов в день. Объем облучения, полученного в результате пребывания в таком фоне на протяжении трех лет, приближается к установленным пределам безопасности для космонавтов.
Невесомость
На Марсе гравитация (притяжение) составляет всего 38% от земной (0,38 g). Степень влияния гравитации на здоровье людей при ее изменении от невесомости до 1 g не изучена, однако ничего хорошего ученые от нее не ждут. На земной орбите предполагается провести эксперимент на мышах с целью исследования влияния марсианской силы притяжения на жизненный цикл млекопитающих, тогда вопрос будет лучше прояснен.
Метеоритная опасность
Из-за своей разреженной атмосферы Марс гораздо в большей степени, чем Земля, подвержен метеоритной угрозе. В связи с этим гости Красной планеты рискуют попасть под метеоритный дождь, по сравнению с которым инцидент в Челябинске покажется детским лепетом. Поэтому и становится особенно актуальной проблема защиты строительной техники в том числе. В том числе придется решить проблему защиты строительных вышек тур http://www.versona.org/ и другого оборудования как на этапе создания поселения, так и позже, когда начнет развиваться сфера услуг, в частности предоставление технки в аренду.
Вредная пыль
На Марсе здоровью космонавтов будут угрожать гораздо более серьезные опасности, чем обычно. Например, простая пыль на Марсе намного опаснее лунной. Ученые подозревают, что эта пыль содержит в себе очень неприятные компоненты - мышьяк и шестивалентный хром, способный при контакте вызывать серьезные ожоги кожи и глаз.
Плохая погода
Скорость ветров, которые дуют над планетой на разных высотах, пока до конца не известна. Пыльные бури скрывают от глаз землян почти всю планету, и длятся они по три месяца.
Психологические моменты
Длительность перелета на и дальнейшее пребывание в замкнутом пространстве могут стать серьезным препятствием для самых сильных и здоровых любителей Марса. Даже при самом оптимальном сценарии один только путь к Марсу будет представлять собой изнурительное пятимесячное странствие.
Дело в финансах
Примерно 25 миллиардов долларов вложила Америка в лунную программу «Аполлон» в 60-70 годах XX века. Те миссии, которые осуществлялись после «Аполлона-11», обошлись немного дешевле. Дорога к Марсу будет стоить землянам гораздо дороже. Для того чтобы добраться до Красной планеты, необходимо преодолеть от 52 до 402 млн км. Это связано с особенностью орбиты Марса.
Кроме того, загадочный космос полон различных опасностей. Из-за этого существует необходимость в отправке сразу нескольких космонавтов. При этом полет всего одного человека обойдется примерно в миллиард долларов. В общем, дороговизну полета можно смело включать в список «Проблемы полета на Марс».
Люди, взаимодействующие с космической техникой и устройствами, имеют специальную одежду. Она необходима для защиты от микробов, которые способны жить в космических условиях. Довольно непростым организмом является deinococcus radiodurans, для которого 5000 грей гамма-излучения не представляет опасности. При этом смерть взрослого человека наступает от пяти грей. Для того, чтобы уничтожить данную бактерию, ее необходимо варить около 25 минут.
Средой обитания Deinococcus может быть практически любое место. Трудно предугадать, что произойдет, если бактерия окажется в космосе. Возможно, она станет настоящим бедствием. В связи с этим со стороны критиков идет бурное обсуждение вопросов, касающихся высадки человека на планеты, где может существовать жизнь.
Способ передвижения
Сегодня вся космическая деятельность осуществляется при помощи ракет. Скорость, необходимая для того, чтобы оторваться от Земли, составляет 11,2 км/с (или 40 000 км/ч). Отметим, что скорость пули составляет около 5 000 км/ч.
Летательные устройства, отправляемые в космос, работают на топливе, запасы которого отягощают ракету многократно. Более того, это сопряжено с определенной опасностью. Но в последнее время особую тревогу вызывает принципиальная неэффективность ракетных устройств.
Нам известен лишь один способ полетов – реактивный. Но горение топлива не осуществимо без кислорода. Поэтому самолеты не способны покидать земную атмосферу.
Учеными ведется активный поиск альтернативы горению. Было бы здорово создать антигравитацию!
Клаустрофобия
Как известно, человек – существо социальное. Ему сложно находиться в замкнутом пространстве без всякого общения, как и пребывать долгое время в составе одной команды. Космонавты «Аполлона» могли быть в полете около восьми месяцев. Данная перспектива соблазнительна не для всех.
Очень важно не дать космонавту в период космического путешествия почувствовать себя одиноким. Самый длинный полет осуществил Валерий Поляков, который находился в космосе 438 суток, из которых более половины он прибывал там практически в полном одиночестве. Единственным его собеседником был Центр управления космическими полетами. За весь период Поляков осуществил 25 научных опытов.
Столь длительный период полета космонавта был связан с тем, что он хотел доказать, что можно осуществлять долгие полеты и сохранять при этом нормальную психику. Правда, после высадки Полякова на Землю специалисты отметили изменения в его поведении: космонавт стал более замкнутым и раздражительным.
Думаю, теперь понятно, почему роль психологов столь важна при отправке космонавтов. Специалисты отбирают людей, способных находиться в одной группе долгий период времени. В космос попадают те, кто легко находит общий язык.
Скафандр
Основной задачей скафандра является создание внутри него повышенного давления, так как в условиях космоса легкие человека могут «взорваться», а сам он раздуться… Все скафандры обеспечивают защиту космонавтов от таких неприятностей.
Недостатком современных скафандров является их громоздкость. Как отметили космонавты, особенно неудобно было передвигаться в таком костюме на Луне. Было замечено, что лунные прогулки легче осуществлять при помощи прыжков. Гравитация Марса предполагает более свободное передвижение. Тем не менее на Земле сложно создать похожие условия, чтобы осуществить своеобразные тренировки.
Для того чтобы чувствовать себя комфортно на Марсе, человеку необходим более облегающий скафандр, вес которого составит около двух килограммов. Необходимо также предусмотреть способ охлаждения костюма и решение проблемы дискомфорта, который создает в паху у мужчин и в груди у женщин такая одежда.
Марсианские патогены
Известный писатель-фантаст Герберт Уэллс в своем романе «Война миров» поведал о том, что марсиан победили земные микроорганизмы. Именно с этой проблемой можем столкнуться и мы, попав на Марс.
Существуют предположения о наличии жизни на Красной планете. Самые простые организмы могут в действительности оказаться опасными противниками. Мы сами можем пострадать от этих микробов.
Любой патоген Марса способен убить все живое на нашей планете. В связи с этим космонавты Аполлона-11,12 и 14 пребывали в карантине 21 день, пока не было установлено, что на Луне отсутствует жизнь. Правда, Луна не имеет атмосферы в отличие от Марса. Космонавтов, собирающихся в путешествие на Марс, необходимо по возвращении на Землю поместить в долгосрочный карантин.
Искусственная гравитация
Еще одной проблемой для космонавтов является невесомость. Если принять земную гравитацию за единицу, то, к примеру, сила гравитации Юпитера окажется равной 2,528. В невесомости человек постепенно теряет костную массу, а его мышцы начинают атрофироваться. Поэтому в условиях космического полета астронавтам необходимы длительные тренировки. Пружинистые тренажеры могут помочь в этом, но не в той степени, в которой необходимо. В качестве примера искусственной гравитации можно привести центробежную силу. В летательном аппарате должна присутствовать громадная центрифуга с кольцом вращения. Оснащения кораблей такими аппаратами пока не производилось, хотя подобные планы существуют.
Находясь в космосе 2 месяца, организм космонавтов адаптируется к условиям невесомости, поэтому возвращение на Землю становится для них испытанием: им даже сложно стоять более пяти минут. Представьте себе, какое влияние на человека окажет 8-месячное путешествие на Марс, если костная масса в условиях невесомости уменьшается со скоростью 1% в месяц. Кроме того, на Марсе космонавтам необходимо будет выполнять определенные задачи, привыкая к специфической гравитации. Затем – полет в обратный путь.
Одним из способов создания искусственной гравитации является магнитизм. Но и у него есть свои недостатки, так как к поверхности примагничиваются только ноги, тело же остается вне действия магнита.
Космический корабль
В настоящее время существует достаточное количество космических кораблей, которые могут в целости добраться на Марс. Но нам необходимо учитывать тот факт, что в этих машинах будут находиться живые люди. Летательные аппараты должны быть просторными и комфортными, ведь люди будут пребывать в них длительное время.
Такие корабли еще не созданы, однако вполне возможно,что уже через 10 лет нам удастся их разработать и подготовить к полету.
Огромное количество мелких небесных тел каждый день сталкивается с нашей планетой. Большинство из этих тел не долетают до поверхности Земли благодаря атмосфере. Луна, не обладающая атмосферой, постоянно подвергается нападению всякого «мусора», о чем красноречиво свидетельствует ее поверхность. Не будет защищен от такого нападения и космический корабль, который собирается в далекое путешествие. Можно попытаться защитить летательный аппарат армированными листами, но ракета значительно прибавит в весе.
От солнечного излучения Землю защищают электромагнитное поле и атмосфера. В космосе дело обстоит иначе. Одежда космонавтов снабжена козырьками. Существует постоянная необходимость в защите лица, так как из-за прямых лучей Солнца можно ослепнуть. Программа «Аполлон» разработала блокировку ультрафиолета при помощи алюминия, но космонавты при путешествии на Луну отметили, что часто возникают различные вспышки белого и голубого цветов.
Ученым удалось разгадать, что лучи в космосе – это субатомные частицы (чаще всего протоны), которые движутся со скоростью света. Попадая в корабль, они прошивают обшивку корабля, однако утечек не происходит из-за размера частиц, существенно меньших размера атома.
С технической точки зрения полет человека на Марс представляется на нынешнем этапе развития космонавтики не более сложным мероприятием, чем в свое время экспедиция на Луну . Специалисты считают, что сама техника практически готова к организации первой межпланетной экспедиции. Но прежде чем марсианская пилотируемая миссия состоится, ученым предстоит решить многочисленные медико-биологические проблемы. Более того, сегодня уже очевидно, в разработке стратегии марсианского проекта человеческий фактор будет главным приоритетом, а человек — наиболее уязвимым звеном миссии, в значительной степени определяющим саму возможность ее реализации.
Медико-биологическое обеспечение марсианской пилотируемой экспедиции является новой задачей для ученых. Использование многих хорошо себя зарекомендовавших принципов, методов и средств медико-биологического обеспечения орбитальных пилотируемых полетов для марсианской миссии неприемлемо. Среди особенностей межпланетного полета — в частности, иные условия коммуникации с Землей, чередование гравитационных воздействий и ограниченный период адаптации к гравитации перед началом деятельности на поверхности Марса, повышенная радиация, отсутствие магнитного поля.
Выполненный еще в конце прошлого века 438-суточный орбитальный полет на станции «Мир » врача-космонавта Валерия Полякова показал отсутствие принципиальных медико-биологических ограничений для длительных космических миссий. В настоящее время не выявлено существенных изменений в организме человека, которые могли бы препятствовать дальнейшему планомерному увеличению продолжительности космических полетов и выполнению марсианской экспедиции, — подчеркивает директор Института медико-биологических проблем академик Анатолий Григорьев .
Иное дело проблема защиты космонавтов от галактического и солнечного космического излучения, которые значительно возрастут за пределами земной магнитосферы. За два года полета суммарная доза радиации может в два раза превысить допустимую. Поэтому предстоит разработать специальную противорадиационную защиту. В настоящее время разработчики склонны отдать приоритет конструкционной защите: баки с топливом, водой и другими запасами располагаются вокруг жилого отсека. При этом обеспечивается защита примерно в 80—100 г/см 2 .
Космонавты могут серьезно облучиться и когда будут находиться на поверхности Марса. Измерения, выполненные российским прибором ХЕНД, установленным на американском аппарате Mars Odyssey , показали, что во время солнечных вспышек интенсивность потока нейтронов, отраженных от поверхности планеты, может возрастать в несколько сотен раз и достигать смертельных для космонавтов доз. Следовательно, они могут высаживаться на марсианскую поверхность только в периоды солнечного «затишья».
Другая проблема — питание космонавтов. Казалось бы, практика отработана годами. Экипаж космического корабля ждут те же, что и сегодня, сублимированные (высушенные) продукты. Достаточно добавить воды, разогреть — и на стол. Однако, как бы ни были хороши и вкусны эти продукты, их необходимо разнообразить более привычной пищей. Идея завести на корабле птиц, чтобы космонавты питались яйцами, отпала. Как показали эксперименты, новорожденные птенцы так и не смогли адаптироваться к невесомости. Проще оказалось с рыбами и моллюсками, но они растут слишком медленно, и вряд ли космонавты смогут питаться свежей рыбой на пути к Марсу. Что можно сказать с полной уверенностью — на борту межпланетного корабля будет оранжерея. Правда, небольшая.
Специалистами Института медико-биологических проблем сконструирован прототип «космического огорода». Он представляет собой цилиндр, в котором помещена связка валиков, пропитанных удобрениями. Внутренняя его поверхность покрыта сотнями красных и синих диодов, играющих роль солнечных лучей. Валики поворачиваются по мере роста растений, приближая их верхушки к источнику света. Пока на одних валиках зелень только прорастает, с других уже можно снимать урожай. Опытный образец установки позволяет получать около 200 граммов зелени каждые четыре дня. С увеличением числа валиков и источников света производительность машины возрастает. Помимо обеспечения едой «космическое сельское хозяйство» поможет решить и проблему регенерации атмосферы на борту межпланетного корабля.
Далее, — проблемы воды. Подсчитано, что в сутки космонавту требуется 2,5 литра воды. Так что несколько ее тонн на борту должно быть. Часть воды с помощью систем регенерации будет возвращаться в оборот. Идеальный вариант — создание на корабле замкнутых физико-химических систем, с помощью которых достигается полный круговорот веществ. Но, по-видимому, это — дело достаточно отдаленного будущего.
Есть задачи и психологического характера. Из-за большого расстояния до Марса радиосигнал только в одну сторону будет распространяться 20—30 мин. Центру управления просто не хватит времени, чтобы вмешаться при возникновении нештатных ситуаций. Земля, в лучшем случае, станет консультантом, а основной процесс принятия решений переместится на борт корабля.
И, прежде чем стартует марсианская пилотируемая экспедиция, многие из этих проблем ученые попытаются разрешить в ходе российского эксперимента «Марс-500». Это будет не настоящий полет, но очень точная его имитация: экипаж из шести человек проведет 520 дней в наземном комплексе, состоящем из пяти герметичных, сообщающихся между собой модулей. Один из них будет имитировать поверхность Марса.
Модули напичканы аппаратурой, регистрирующей всевозможные параметры внутри них и отслеживающей медицинские показатели у испытателей. Для ученых важно будет понять, как действуют люди в команде в обстановке, приближенной к условиям марсианского полета. Все результаты — от того, как складывались отношения в коллективе, до рациона питания — будут анализироваться специалистами. Это позволит учесть максимум возможных ситуаций, которые могут возникнуть в реальном полете, и способствовать их разрешению.
На сегодняшний день желающих участвовать в «наземном межпланетном полете» набралось уже достаточно много — в основном мужчины. В какой-то степени это объяснимо: уже выяснилось, что у женщин по физиологическим и психологическим качествам гораздо меньше шансов, чем у мужчин, первыми ступить на Марс. В эксперименте будут участвовать шесть человек, хотя в реальном полете к планете в состав экспедиции войдут только четыре человека.
Примечательно, что вскоре, после того как в России было объявлено об эксперименте «Марс-500», в США также стали набирать добровольцев для имитационного полета. Правда, испытатели проведут в нем лишь четыре месяца.