Итак, поговорим об этих невероятных космических станциях с точки зрения упрощенной физики.
Давняя история
Идею орбитальной станции выдвинул инженер-словенец Герман Поточник (1892–1929), специалист по ракетной технике и пионер космонавтики. В своей книге Das Problem der Befahrung des Weltraums («Проблема космического полета»), изданной в 1928 году, он первым описал орбитальную станцию в форме вращающегося колеса, которую предложил поместить на геостационарной орбите.
В 1950-е Вернер фон Браун (1912–1977) и Вилли Лей (1906–1969) вернулись к этой идее в статье, опубликованной в журнале «Кольер»[28], где говорилось о полете на Марс[29]. Они придумали колесо диаметром 76 м, вращающееся вокруг своей оси со скоростью 3 оборота в минуту для создания на внешнем периметре искусственной гравитации, равной трети земной и эквивалентной той, что существует на поверхности Марса[30]. Вернер фон Браун, проявляя дальновидность, уточняет: «Космическая станция будет также отелем, астронавты смогут жить там месяц-два подряд. Они станут курсировать между Землей и станцией для проведения специальных работ». Следуя этому предложению, комитет НАСА пришел в 1959 году к мнению, что логическим продолжением программы «Меркурий», запущенной вскоре после создания американского космического агентства, станет такая космическая станция. Тем не менее конкретного воплощения эта идея не получила.
В 1975 году небольшой коллектив ученых и студентов под руководством Джерарда О'Нила (1927–1992) из Стэнфордского университета разработал более продвинутую версию концепции фон Брауна. Их станция представляла собой колесо диаметром 1,8 км, вращение которого со скоростью 1 оборот в минуту создавало бы центробежное ускорение, эквивалентное земному тяготению. Такая станция могла бы вмещать до 10 000 постоянных обитателей! Она, без сомнения, послужила прототипом станции «Элизиум» и для объекта в видеоиграх Halo. В дальнейшем О'Нил развил эту концепцию во впечатляющий проект Island Three («Остров Три»), орбитальную колонию из двух вращающихся цилиндров диаметром 3 км и длиной 30 км каждый. Для динамической стабильности всего комплекса цилиндры должны вращаться в противоположные стороны. Стабильность вращения объекта достигается его обращением вокруг свой главной оси инерции, той, у которой самый высокий инерционный момент[31]. В случае цилиндра требуется также, чтобы соотношение между его длиной и радиусом было меньше 1,66. Цилиндр, стабильно вращающийся вокруг своей оси симметрии, имеет форму огромной банки с арахисом, внутренней площади которой недостаточно для размещения значительного населения. С точки зрения увязывания динамической стабильности вращения и большой внутренней площади два цилиндрических модуля, вращающиеся в разные стороны, — это удачное решение.
Принцип цилиндрической станции неоднократно использовался в научной фантастике. В частности, в романе Артура Кларка «Свидание с Рамой» описано обследование землянами огромного пустого межзвездного корабля (цилиндра длиной 50 км с радиусом 10 км), пересекающего Солнечную систему. В кино станция «Купер» из фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар» (2014), вращающаяся вокруг Сатурна, — тоже цилиндр вроде о'ниловского. Идея строительства огромной орбитальной станции не умерла: французские инженеры Оливье Буазар и Пьер Маркс предложили в 2009 году проект космического города на 10 тыс. жителей «Апогейос» (в переводе с греческого «далеко от Земли»).
НАСА никогда не пыталось строить ни такую крупную космическую станцию, ни станцию меньших размеров как по техническим причинам (ограниченная возможность запуска, трудности сборки, стоимость), так и из научных соображений, потому что считает, что невесомость позволяет заниматься интересными экспериментами, невозможными на Земле. Тем не менее в 2011 году НАСА опубликовало проект космического корабля «Наутилус X» с вращающимся жилым отсеком, где экипаж будущей экспедиции, к примеру, на Марс имел бы лучшие условия жизни. Прототип этой «центрифуги» можно было бы разместить на МКС для натурных испытаний и для обеспечения космонавтам сна при уменьшенной, но все же не нулевой гравитации. Великолепный космический корабль «Авалон» из фильма «Пассажиры» (Мортен Тилдум, 2016) тоже имеет три вращающихся отсека, три «крыла», образующих «тройной пропеллер» и создающих искусственную гравитацию, полезную для 5000 пассажиров, пребывающих в состоянии заморозки.
Что чувствуют люди на вращающейся орбитальной станции
Цель вращения — создание внутри станции искусственной гравитации, но ее обитателям все же надо двигаться с осторожностью. Чтобы понять это, начнем с простого и посмотрим на орбитальную станцию в форме уплощенного цилиндра (что-то вроде огромной банки арахиса), вращение которого вокруг собственной оси симметрии является, как мы видели, динамически стабильным. Внутри пассажир может ставить занятные физические эксперименты.
Первоначально станция находится в состоянии покоя или совершает единообразное прямолинейное движение, называемое также инерционным. Еще со времен Галилея (1564–1642) известно, что пассажир не может различать эти состояния[32]. Он пребывает в невесомости и должен хвататься за внутреннюю боковую стенку, то есть за элемент станции-банки. Если он запустит по этой стенке самоходную машинку, то произойдет вот что. Машинка, принуждаемая следовать по кривой, задаваемой формой стенки, под действием центробежной инерции «прилипает» к этой поверхности. То же самое происходит в ярмарочном аттракционе «Стена смерти», где мотоциклисты гоняют на большой скорости по почти вертикальной стене. Но на станции происходит кое-что еще. Вращающиеся колеса прилагают силу к поверхности, и та толкает машинку вперед. На взгляд внешнего наблюдателя, машинка остается на месте, а станция вращается. На взгляд пассажира станции, на месте остается станция, а машинка движется по внутренней стенке. По тому же принципу хомяк бесконечно бегает в колесе. Отношение между угловой скоростью станции и скоростью колес равно частному от деления радиуса колес на радиус диска. Радиус диска колеса очень мал по сравнению с радиусом станции, поэтому угловая скорость последней тоже очень мала. Ввиду вращения станции пассажир должен ощущать центробежную силу, очень слабую из-за медленности вращения. Когда машинка тормозит и останавливается, то же самое происходит с вращением диска, и невесомость возвращается.
Перейдем ко второму эксперименту. Двигатели, обычно установленные в периферийных частях станции, тангенциально действуют на ее окружность и приводят к вращению[33]. Работа двигателей ускоряет это движение. Ввиду отсутствия в космическом вакууме трения скорость вращения остается постоянной даже после выключения двигателей. Перед началом вращения станции пассажир находится в инерционном движении. После ее запуска он должен следовать вращательному движению опоры, на которой стоит, — неподвижному по отношению к нему полу. Поэтому пассажир испытывает на себе действие со стороны опоры и, реагируя, оказывает воздействие такой же интенсивности, но в противоположную сторону: это центробежная сила, которую он ощущает как силу тяготения[34] (рис. 1). Эквивалентность между ускорением и тяготением есть выражение принципа эквивалентности, согласно которому тела падают в гравитационном поле одинаково. Этот принцип основан на экспериментальной констатации, что инерционная и гравитационная[35] массы равны[36], и представляет собой краеугольный камень эйнштейновской теории гравитации, она же общая теория относительности. Так как значение центробежного ускорения фиксировано по отношению к радиусу и к угловой скорости станции, два эти параметра можно выбирать так, чтобы они были равны, например, ускорению земного тяготения. Отметим, что центробежное ускорение пропорционально расстоянию до оси вращения. Это означает, что голова и ноги будут испытывать разное ускорение и, значит, по-разному ощущаемое тяготение[37]. Во избежание неприятных желудочных ощущений нужно добиться, чтобы радиус станции сильно превышал рост пассажира. С этой точки зрения цилиндры О'Нила с радиусом 3 км вполне подходят. Вращение цилиндра вокруг своей оси создает искусственную гравитацию, позволяющую преспокойно прогуливаться по боковой поверхности (рис. 2). Правда, в отличие от поверхности Земли, на станции опора изогнута не «вниз», а «вверх».
