Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Мечты инженеров. Архитектура в космосе

Архитекторы Б. Зайончковский, Л. Лавренов, В. Тарасевич. Рисунки авторов

Прежде всего что такое архитектура? Это отнюдь не украшение фасадов и не выдумывание эстетически выразительной формы здания. Задача архитектуры — в широком и правильном смысле этого слова — создание искусственной пространственной среды для деятельности человека, материальная организация пространства. До сегодняшнего дня проблема освоения космического пространства еще не требовала от архитекторов решения каких-либо конкретных практических вопросов. Кабины космических кораблей, на которых совершены первые полеты в космос, мало отличаются от кабины современного самолета. Но ведь сегодня человек сделал лишь первый шаг в космос. Следующий же шаг потребует роста размеров космических объектов и дифференциации внутренних помещений их: выделятся спальные места, санитарные узлы, кухня, рабочие и вспомогательные помещения и т. д. Решение этого вопроса — задача архитекторов.

Конечно же, в космосе архитекторов подстерегают многие неожиданности. Специфика пространства, в котором нет атмосферы, нет тяжести, поставит перед ними много новых проблем, в том числе и таких, которые сегодня даже невозможно предвидеть. Но остановимся на предвидимом. Попробуем представить себе, как будут решаться ближайшие задачи завтрашнего дня: архитектура околоземных космических и исследовательских лабораторий на Луне.

«Дом» в невесомости

Первые полеты в космос подтвердили, что человек может жить и работать в условиях невесомости. Но это относится пока к сроку меньше недели. О периоде в несколько месяцев ничего определенного сказать нельзя.

Но как бы то ни было, при длительном пребывании человека в космосе желательно создать для него привычную, похожую на земную обстановку, мир, в котором есть и верх и низ. И не случайно, что идея создания искусственной тяжести зародилась почти одновременно с самыми первыми трудами об освоении космоса.

Силу земного притяжения может заменить центробежная сила, ибо по биологическому действию инерциальные и гравитационные силы не отличаются друг от друга.

Величина центробежной силы зависит от скорости вращения и радиуса. Исходя из этого, можно подумать, что идеальной формой для космического объекта было бы тело, имеющее форму тора — «бублика».

Если космическая станция такой формы вращается вокруг собственной оси тора, то все ее помещения находятся в зоне, где искусственная сила тяжести имеет наибольшую величину.

Однако при более тщательном рассмотрении оказывается, что «бублик» весьма далек от идеала. Прежде всего при относительно небольших размерах космической станции нагрузка на различные части тела космонавта будет неодинаковой. Известно, что центробежная сила, имитирующая в нашем случае силу тяжести, зависит от радиуса вращения. Пусть, например, внешний радиус тора (радиус «пола», на котором стоят ноги космонавта) равен 10 метрам. Пусть достигнута определенная скорость вращения станции, при которой ноги будут испытывать центробежное ускорение, равное 0,5 земного ускорения силы тяжести. При этом голова — а она во вращательном движении расположена на окружности с меньшим радиусом: 10 метров минус рост человека — испытывает ускорение, равное лишь 0,42 земного. Разница между весом ног и головы существенна —17 процентов! Когда космонавт нагнется, присядет или ляжет в постель, например, голова становится тяжелее... Не приведет ли это к каким-то вредным последствиям?

Впрочем, та же самая неприятность ожидает и обитателей космических станций при почти любой другой конструкции. У «бублика» же есть специфическая особенность. Искусственная сила тяжести на нашей станции получена путем вращения. Но при вращении на космонавта будет действовать не только центробежное ускорение, но и так называемое кориолисово проявляющееся при любом перемещении внутри станции. Причем далеко не безразлично направление, в котором совершается это перемещение. Аппарат равновесия и координации движений человека — вестибулярный аппарат — приспособлен к определенному направлению силы тяжести и постоянной величине ее. Если космонавт движется параллельно оси вращения, постоянство направления и величины искусственной силы тяжести не нарушается — никаких неприятностей не происходит. Хуже, если космонавт перемещается в направлении вращения или против него. В первом случае искусственная сила тяжести — центробежная сила — будет возрастать, во втором — убывать. Самое же неприятное — передвижение в радиальном направлении. В этом случае сила тяжести будет непрерывно убывать до 0, а затем, после того как человек минует центр вращения, начнет возрастать в противоположном направлении.

Можно строить космическую станцию из отдельных цилиндрической формы помещений, собирая их в рамы, крестовины или иной формы сооружения. Такая конструкция хуже, чем «бублик». В этом случае не все помещения находятся в зоне максимальной величины искусственной силы тяжести. Зато в каждой «перекладине» рамки, например, человек сможет перемещаться в параллельном оси вращения направлении, В этом случае вестибулярные нарушения будут наименьшими. Но связь между жилыми отсеками должна осуществляться по самому неприятному направлению — радиальному.

Вообще пространство, в котором создана искусственная сила тяжести, таит много непривычных и неожиданных сюрпризов для проектировщиков. Посмотрите, например, на рисунок, где изображена лестница, ведущая к центру станции-«бублика». Она имеет вид спирали. Но это лишь для глаза. Вестибулярный аппарат человека, идущего по этой лестнице, не чувствует ее спиральной формы; ведь плоскость каждой ступени перпендикулярна силе тяжести, и вестибулярные ощущения остаются такими же, как и при ходьбе по обыкновенной «земной» лестнице, исключая разве уменьшение силы тяжести по мере поднятия по ступенькам. Однако зрительные ощущения у находящихся на лестнице будут довольно-таки непривычными: ведь два человека, одинаково твердо стоящие на ее верхних и нижних ступенях, обращены друг к другу головами. Каждый из них видит товарища, висящего над ним вверх ногами.

Кстати, а какие ступени должна иметь лестница? Обычная ступенька «земной» лестницы имеет размер 15X30 см. Если мы хотим, чтобы человек мог подниматься по лестнице с меньшей затратой сил, мы увеличиваем ширину ступени и уменьшаем высоту. Конструируя всякого рода вспомогательные лестницы, мы обычно поступаем наоборот.

Соотношение ширины и высоты ступени для любой лестницы определяется обычно по эмпирической формуле, которая учитывает такие факторы, как средний размер стопы, усилия, человека при подъеме на определенную высоту, ширина шага, координация движений.

Но если величина искусственной тяжести не такая, как на Земле, а, например, втрое меньшая?

Размер стопы, понятно, не изменится. А три остальных фактора — как отразится на них уменьшение силы тяжести? Во всяком случае, длина лестничного марша наверняка может быть большей.

А какие ступени будут лучше, когда сила тяжести по мере подъема по лестнице убывает, — одинаковые или разные?

Надо подумать и над тем, устроят ли человека привычные, «земные» габариты помещений в условиях необычной силы тяжести,

Всемирно известный французский архитектор Шарль ле Корбюзье, исходя из анализа пропорций человеческого тела, утверждал, что минимальный размер помещения, в котором может нормально чувствовать себя человек,— куб размером 2,28X2,28X2,28 м. Но сохранятся ли размеры этого куба при изменившейся силе тяжести? Например, если эта сила втрое меньше земной? Ведь характер движений человека изменится. Привычный толчок ноги, необходимый для того, чтобы сделать шаг по Земле, окажется достаточным для прыжка.

Работая на Земле, архитекторы привыкли компоновать здания и помещения в плане. Отсюда и произошло понятие «планировка». Космическая станция не имеет плана. Компоновка помещений должна вестись в непривычной проекции — в развертке криволинейных поверхностей в плоскость, перпендикулярную направлению искусственной силы тяжести.

С точки зрения изготовления и монтажа отдельных элементов «бублик» удобнее делать не кругом, а многогранником. Но вот ведь какой казус: в таком «бублике» человек будет ходить словно бы по кривому полу! (См. рисунок.) По-видимому, психологически это обстоятельство будет не очень приятным. Так же, как и обратное, когда кривой пол будет казаться горизонтальным, И перед архитектором встанет очень сложная и деликатная задача: смягчить эти неприятности, зрительно успокоить человека. Это можно сделать, если выбрать форму помещений так, чтобы не подчеркивались неправильные углы и отражения. Понадобится использовать для этой цели физические свойства материалов, различные приемы освещения.

Свои требования к форме и конструкции космических станций предъявляет и механика вращения. Предположим, человек внутри «бублика» перешел из одного отсека в другой. Последний стал тяжелее, и в его сторону сместился центр тяжести. Это, в свою очередь, изменяет положение центра тяжести всей станции. В станции-«рамке» перемещения человека, движущегося параллельно оси вращения, приводят к некоторому наклону оси в пространстве. Каждое такое изменение сказывается на характере движения станции. Поэтому с точки зрения механики выгодно, чтобы основная масса была вблизи оси вращения, то есть там, где центробежная сила близка к нулю. Помещение для людей, напротив, следует размещать по периферии, там, где сила максимальна. Архитектор, компонуя помещения станции, должен учитывать и то и другое требование: размещать людей у наружного края, а тяжелое оборудование — в центре.

Все помещения станции должны иметь удобную взаимосвязь. Наиболее просто решается эта задача в «бублике»: здесь можно попасть в любое помещение самым простым путем, хотя при этом и будут возникать некоторые неприятные ощущения, о которых говорилось выше. А вот, к примеру, в крестовине (см. рисунок) связь и усложнена и очень неудобна, так как проходит через центр вращения — точку невесомости.

Поселок на луне

Наверное, совсем не за горами время, когда на Луне возникнут поселки исследовательских экспедиций, подобные, например, антарктическому «Мирному».


Случайная статья


Детальное описание иллюстрации

- На рисунке изображены отдельные элементы, из которых будут собираться лунные поселения. 1. Крупные надувные оболочки из эластичных материалов. Они, очевидно, будут использованы как временные сооружения. По окончании строительства лунного поселка «лунопроходцы» поселятся в капитальных «домах», а оболочку можно будет использовать в других экспедициях. 2. Разрез «подлунного» трехэтажного сооружения. В нижнем этаже размещается оборудование для регенерации воздуха, очистки воды, удаления отходов. Средний этаж — жилой. В верхнем этаже находятся пункт связи, лаборатории и оборудование для научных исследований. 3. Экспериментальные оранжереи и боксы для подопытных животных. Они могут быть построены в виде отдельных «пеналов» со светофильтрами в верхней части. Каждый такой «пенал» может быть отделен от остальных и внесен в помещение для проведения исследовательской работы или ремонта. 4. Переносный суставчатый переход для связи между отдельными сооружениями. 5. Сферическая оранжерея-лаборатория, предназначенная для изучения замкнутого экологического цикла (атмосфера — животные — растения — атмосфера). Внешняя оболочка сферы покрыта металлической чешуей. С помощью пневматических устройств чешуйки могут подниматься и пускаться. Этим регулируется теплоотдача.
- Здесь изображено несколько схем космических станций, в разное время предложенных конструкторами. Первая из схем — «бублик» — имеет самые простые связи между отсеками. Однако, по медико-биологическим соображениям, это не лучшая из схем. Остальные проекты примерно равны по достоинствам. Предпочтительнее все-таки рама с раскосами: здесь удобнее устроить лестницы, ведущие в центральный отсек, расположенный в зоне невесомости.
- Возможно, что именно в такой последовательности из отдельных элементов, доставляемых на временную орбиту, будет собираться космическая станция. Количество «ветвей», отходящих от центрального ствола, будет постепенно увеличиваться. Наконец их объединят в сплошной цилиндр, и сооружение будет завершено.
- Иная картина в многограннике. В каждой секции его пол прямолинеен. Однако прямолинеен он лишь для глаза, но не для ног. От угла к углу многогранника величина силы искусственной тяжести непрерывно меняется и во всех точках поверхности, кроме одной, неперпендикулярна полу. Космонавт будет чувствовать себя так, словно идет по выпуклой кривой, которая изображена внизу.
- На Луне сила тяжести в шесть раз меньше земной. Там нет атмосферы, а следовательно, не бывает ветров. Не страшен и снег, который ложится па крыши наших домов, немалым весом своим испытывал на прочность их конструкцию. Все это могло бы упростить сооружение высотных зданий, сделать их конструкции легкими и ажурными. Но метеорная и радиационная опасность заставляет отказаться от соблазнительной мечты о лунных «небоскребах». Надежнее всего будет убрать жилые помещении лунного поселка под грунт. Подрывники с помощью взрывчатки сумеют сделать и лунном грунте объемистые полости, в которых расположатся жилые и подсобные помещения.
- Внутреннее давление создает очень большие усилия. Даже при небольших пролетах они велики и опасны: и прочность самой оболочки и прочность удерживающего его грунта могут быть недостаточны. Поэтому усилия следует равномерно распределить, передав их на некоторое количество «колонн». В отличие от колонн земных сооружений они будут работать не на сжатие, а на растяжение.
- Наверное, на Луне можно будет наладить производство бетона из местных материалов. Вот предполагаемая конструкция сооружения из бетонных блоков. Как это ни странно на первый взгляд, но и их вес несравним с величиной внутреннего давления. «Колонны» будут по-прежнему работать на растяжение. Между прочим, при шаге в 10 м на каждую из них будет действовать растягивающее усилие, равное примерно 1 000 кг.