인공 중력

Artificial gravity
제미니 11 아제나 테더링 운영
Nautilus-X International 우주정거장 원심분리 데모 컨셉, 2011년 제안.

인공 중력은 보통 [1]회전에 의해 중력의 효과를 모방한 관성력의 생성이다.따라서 인공중력 또는 회전중력은 등가원리에 의해 g와 구별할 수 없는 선형가속도에서 발생하는 힘과 반대로 회전기준범위(비회전기준범위에서 정상적인 힘을 통한 구심가속도의 전달)에서 원심력의 외관이다.보다 일반적인 의미에서 "인공 중력"은 로켓 엔진에 [1]의한 선형 가속의 효과를 나타낼 수도 있다.

회전 시뮬레이션 중력은 우주비행사들이 극한의 [2]조건에서 훈련하는 것을 돕기 위해 시뮬레이션에 사용되어 왔다.장기간 무중력 상태에 의해 야기되는 건강상의 악영향에 대한 해결책으로 회전 시뮬레이션 중력이 제안되었다.그러나 지구에서의 중력장 강도에 버금가는 유용한 구심력을 생산하는 데 필요한 우주선의 크기와 비용에 대한 우려로 인해 현재 인공 중력의 실질적인 적용은 없다.[3]과학자들은 그러한 시스템이 거주자의 내이에 미치는 영향에 대해 우려하고 있다.우려되는 것은 구심력을 사용하여 인공 중력을 생성하면 내이에 장애가 발생하여 메스꺼움과 방향감각을 유발할 수 있다는 것이다.이러한 부작용은 [4]탑승자에게 견딜 수 없는 것으로 판명될 수 있다.

구심력

상세 정보:Absolute rotation 및 Bucket 인수
인공중력 우주정거장입니다.1969년 NASA 콘셉트.단점은 우주 비행사들이 끝 부근의 높은 중력과 중심 부근의 낮은 중력 사이에서 움직인다는 것이다.

회전하는 우주정거장의 맥락에서 구심력으로 작용하는 것은 우주선 선체에 의해 제공되는 반경력이다.따라서 물체에 의해 느껴지는 "중력"은 선체를 향해 "아래쪽으로" 향하는 것으로 기준의 회전 프레임에서 인식되는 원심력이다.

뉴턴의 제3법칙에 따르면 작은 g(아래로 인식되는 가속)의 값은 크기가 같고 구심 가속도와 반대 방향입니다.

정상중력과의 차이

회전하는 우주선의 공

사람이 서식지와 함께 회전하는 관점에서 보면, 회전에 의한 인공 중력은 정상 중력과 비슷하게 작용하지만, 다음과 같은 차이가 있어 우주 정거장의 반지름을 증가시킴으로써 완화할 수 있다.

  • 원심력은 거리에 따라 달라집니다.실제 중력과 달리 서식지의 관찰자가 느끼는 겉으로 보이는 원심력은 축에서 방사상으로 바깥쪽으로 밀리며 원심력은 서식지의 축에서 거리에 정비례한다.회전반경이 작으면 서 있는 사람의 머리는 [5]발보다 훨씬 덜 중력을 느낄 것이다.마찬가지로, 우주정거장에서 이동하는 승객들은 신체의 [6]다른 부분에서 겉으로 보이는 몸무게의 변화를 경험한다.
  • 코리올리 효과는 회전하는 기준 프레임을 기준으로 움직이는 물체에 작용하는 명백한 힘을 제공합니다.이 겉으로 보이는 힘은 운동과 회전축에 직각으로 작용하며 서식지의 회전과 반대되는 의미로 운동을 구부리는 경향이 있습니다.회전하는 인공중력 환경 내 우주인이 회전축을 향해 또는 벗어나면 회전방향으로 밀리는 힘을 느낄 수 있다.이러한 힘은 내이의 반고리관에 작용하여 어지럼증을 [7]일으킬 수 있습니다.회전 주기를 늘리면(낮은 회전 속도) 코리올리 힘과 그 효과가 감소합니다.일반적으로 2rpm [8]이하에서는 인간이 23rpm까지 높은 속도에 적응하는 것으로 나타났지만 코리올리 힘에 의한 악영향은 발생하지 않을 것으로 생각된다.
  • 회전축이나 회전 속도의 변화는 인공 중력장에 교란을 일으키고 반고리관을 자극할 것이다.따라서, 우주정거장의 회전을 적절히 안정시킬 필요가 있을 것이고, 의도적으로 회전을 변경하는 모든 작업은 감지되지 [7]않을 정도로 충분히 천천히 이루어져야 할 것이다.
주어진 g-force를 달성하기 위해 주어진 반지름의 원심분리기 속도(rpm)

인간 우주 비행

제미니 11호는 캡슐을 36미터의 밧줄로 연결된 아제나 표적 차량 주위로 회전시켜 인공 중력을 발생시키려 했다.그들은 느린 동작의 [9]볼라 쌍처럼 천천히 결합된 우주선을 회전시키기 위해 측면 추진기를 발사함으로써 약 0.00015g의 소량의 인공 중력을 발생시킬 수 있었다.그 결과 생긴 힘은 어느 우주인도 느낄 수 없을 만큼 작았지만,[10] 캡슐의 "바닥"을 향해 움직이는 물체가 관찰되었다.

건강상의 이점

화성으로의 행성간 여행에 인공 중력이 제안되어 왔다.

인공 중력은 우주 [11]비행과 관련된 다양한 건강 위험에 대한 해결책으로 제시되어 왔다.1964년 소련의 우주 프로그램은 심장과 혈관이 무중력 [12]상태에 적응하지 못할 것을 우려하여 인간이 우주에서 14일 이상 생존할 수 없다고 믿었다.국제우주정거장에서의 임무가 보통 6개월 동안 지속되면서, 우주 비행이 현재 437일 [13]연속 지속되고 있기 때문에 이러한 두려움은 결국 근거가 없는 것으로 밝혀졌다.하지만, 우주에서의 인간의 안전에 대한 의문은 무중력 상태에 장기간 노출되는 것의 물리적 영향에 대한 조사를 시작했다.1991년 6월, 우주 연구소 생명 과학 1호 비행은 9일 동안 두 남자와 두 여자를 대상으로 18개의 실험을 수행했다.중력이 없는 환경에서는 백혈구와 근육량의 반응이 떨어진다는 결론을 내렸다.또한 무중력 환경에서 보낸 첫 24시간 동안 혈액량이 10% [14][3][1]감소했습니다.무중력 기간이 길면 뇌의 붓기와 시력 [15]문제를 일으킬 수 있다.지구로 돌아오면 체액이 하체로 고이고 심박수가 상승하며 혈압이 떨어지고 [14]운동에 대한 내성이 감소함에 따라 장기 무중력의 영향은 인체에 계속 영향을 미친다.

인체에 가해지는 중력의 행동을 모방하는 능력 때문에, 인공 중력은 무중력 환경에 내재된 물리적 영향과 싸우는 가장 포괄적인 방법 중 하나로 제안되어 왔다.증상 치료법으로 제안된 다른 방법으로는 운동, 다이어트, 펭귄복 등이 있다.그러나 이러한 방법에 대한 비판은 건강 문제를 완전히 제거하지 못하고 모든 문제를 해결하기 위해 다양한 해결책을 필요로 한다는 사실에 있다.반대로 인공 중력은 우주여행에 내재된 무중력 상태를 제거할 것이다.인공 중력을 시행함으로써, 우주 여행자들은 무중력이나 그와 관련된 [1]부작용을 경험하지 않아도 될 것이다.특히 현대의 6개월간의 화성 여행에서,[11] 인공 중력에 노출되는 것은 여행 중 우주 비행사들의 극심한 쇠약함을 방지하기 위해 지속적이거나 간헐적인 형태로 제안된다.

제안.

회전하는 화성 우주선– 1989년 NASA 컨셉.

많은 제안들이 설계에 인공 중력을 포함시켰다.

  • 디스커버리 II: 172톤급 승무원을 118일 만에 목성 궤도로 보낼 수 있는 2005년형 차량 제안서.1,690톤급 우주선의 극히 일부에는 원심형 승무원 [16]정거장이 포함될 것이다.
  • MMSEV(Multi-Mission Space Expiration Vehicle) : 2011년 NASA가 제안한 장기 승무원 우주 수송용 우주 비행체는 최대 2년 동안 임무를 수행하면서 최대 6명의 승무원의 건강을 증진하기 위한 회전식 인공 중력 우주 서식지를 포함하고 있습니다.토러스 링 원심분리기는 표준 금속 프레임과 팽창식 우주선 구조를 모두 사용하며, 40피트(12m)[17][18] 직경의 옵션으로 제작될 경우 0.11에서 0.69g의 용량을 제공합니다.
  • ISS 원심분리기 데모: 2011년 NASA가 제안한 다목적 우주 탐사선을 위한 대형 원심분리기 우주 서식지의 최종 설계를 위한 시연 프로젝트.이 구조물의 외경은 30피트(9.1m)이고 링 내부 단면 직경은 30인치(760mm)이다.그것은 0.08g에서 0.51g의 부분 중력을 제공할 것이다.이 테스트 및 평가 원심분리기는 ISS [17]승무원을 위한 슬립 모듈이 될 수 있습니다.
궤도에 있는 TEMPO in의 아티스트 뷰.
  • Mars Direct: NASA의 엔지니어 Robert Zubrin과 David Baker에 의해 1990년에 만들어진 유인 화성 임무의 계획은 후에 Zubrin의 1996년 책 The Case for Mars에서 확대되었다.화성 해비타트 유닛(Mars Habitat Unit)은 이전에 발사된 "지구 귀환선"에 탑승하기 위해 우주비행사를 화성으로 실어 나르는 것으로, 비행 중에 부스터를 사용한 상단 스테이지를 해비타트 유닛에 묶고, 둘 다 공통 [19]축을 중심으로 회전하게 함으로써 인공 중력을 발생시켰을 것이다.
  • 제안된 Tempo3 미션은 [20]화성으로 가는 유인 임무에서 중력을 시뮬레이션할 수 있는 가능성을 테스트하기 위해 테더로 연결된 우주선의 두 반을 회전시킨다.
  • 화성 중력 바이오 위성(Gravity Biosatellite)은 포유류에 대한 인공 중력의 영향을 연구하기 위해 제안된 임무였다.0.38g(화성 표면 중력에 상당)의 인공 중력장이 회전(32rpm, ca. 30cm 반경)으로 생성되었다.15마리의 쥐가 5주 동안 지구를 돌고 나서 [21]살아서 착륙했을 것이다.그러나 이 프로그램은 [22]자금 부족과 NASA의 우선순위 변경으로 2009년 6월 24일에 취소되었다.

구현에 관한 문제

오늘날 인공 중력이 우주 비행에서 사용되지 않는 이유 중 일부는 구현에 내재된 문제들로 거슬러 올라간다.인공중력을 만드는 현실적인 방법 중 하나는 회전하는 구조물의 바닥의 구심력이 사람을 밀어올리면서 생기는 원심효과이다.그러나 이 모형에서는 우주선 크기에 문제가 발생한다.John Page와 Matthew Francis에 의해 표현되었듯이, 작은 우주선일수록 필요한 회전이 더 빠르다.따라서 중력을 시뮬레이션하기 위해서는 천천히 회전하는 대형 우주선을 이용하는 것이 좋다.회전에 관한 크기에 대한 요건은 회전축으로부터 다른 거리에 있는 신체 일부에 대한 다른 힘 때문이다.회전축에 가까운 신체 부위가 축에 가까운 부위와 현저하게 다른 힘을 받는 경우, 이는 악영향을 미칠 수 있다.또한, 우주선의 전체 궤도의 안정성을 방해하지 않고 회전 운동을 처음 제 자리에 놓는 가장 좋은 방법이 무엇인지에 대한 의문이 남는다.현재 회전 요건을 충족할 수 있을 만큼 질량이 큰 배는 없으며, 이러한 배를 건조, 유지, 진수하는 데 드는 비용은 [3]막대하다.

일반적으로, 짧은 우주 비행에서 나타나는 건강상의 영향이 제한적일 뿐만 아니라 높은 연구 비용 때문에, 인공 중력의 적용은 종종 중단되고 [1][14]산발적이다.

공상과학소설에서

몇몇 공상과학 소설, 영화, 그리고 시리즈는 인공 중력 연출을 다루고 있다.영화 2001: 우주 오디세이에서 디스커버리호의 회전 원심분리기는 인공 중력을 제공한다.소설 '마션'에서 헤르메스 우주선은 인공 중력을 설계로 구현한다.그것은 지구 중력의 약 40%가 화성 중력과 비슷한 고리 모양의 구조를 가지고 있다.영화 인터스텔라는 중심축을 중심으로 회전하여 인공 중력을 만들어 낼 수 있는 내구성이라는 우주선이 등장하며, 우주선의 역추력기에 의해 제어된다.2021년 개봉된 영화 스토어웨이는 450m 길이의 테더로 선체에 연결된 발사체의 상단부를 관성 기반의 인공 [23]중력에 대한 균형추 역할을 하는 것이 특징이다.

선형 가속도

상세 정보:등가원칙

직선 가속은 우주선 엔진의 추진력을 이용하여 중력 아래 있는 듯한 착각을 만들어냄으로써 인공 중력을 발생시키는 또 다른 방법이다.직선으로 일정한 가속을 받는 우주선은 가속과 반대 방향으로 중력을 끌어당기는 것처럼 보일 것이다. 엔진으로부터의 추력은 우주선이 우주선 내부의 물체와 사람 속으로 밀려들어 무게감을 만들어 낼 것이기 때문이다.이것은 뉴턴의 제3법칙 때문이다: 직선 가속 우주선에 서 있는 사람이 느끼는 무게는 진정한 중력이 아니라 우주선이 뒤로 밀릴 때 우주선의 선체에 밀리는 자신의 반응일 뿐이다.마찬가지로, 만약 가속하지 않았다면 우주선 내에서 자유롭게 떠다닐 수 있었을 물체들은 뉴턴의 제1법칙의 결과로 가속하기 시작할 때 엔진 쪽으로 "떨어질" 것이다: 부유 물체는 정지된 채로 있을 것이고, 우주선은 그것을 향해 가속할 것이고, 우주선이 그 안에 있는 관찰자들에게 보일 것이다.t는 "displiced"였다.

지구의 인공 중력을 모방하기 위해, 선형 가속 중력을 사용하는 우주선은 맨 아래 "바닥"으로 엔진을 두고 고층 건물과 비슷하게 만들어질 수 있다.만약 우주선이 지구의 중력인 1g의 속도로 가속한다면, 안에 있는 개인들은 같은 힘으로 선체에 압입되어 마치 지구에 있는 것처럼 걷고 행동할 수 있을 것이다.

이러한 형태의 인공 중력은 기능적으로 우주선 전체에 걸쳐 균일하고 단방향인 중력장과 같은 착각을 일으킬 수 있기 때문에 바람직하다. 큰 회전 고리는 필요하지 않으며, 회전 고리는 우주선에 대해 균일하지 않을 수 있으며, 일정한 회전이 필요하다.이것은 또한 비교적 빠른 속도의 이점을 가지고 있을 것이다: 여행의 전반부에서 1g, 9.8m/s의2 속도로 가속한 후 나머지 절반 동안 감속하는 우주선은 [24]며칠 안에 화성에 도착할 수 있다.마찬가지로, 1년 동안 1g의 일정한 가속도를 사용하는 가상 우주 여행은 상대론적 속도에 도달하고 가장 가까운 별인 프록시마 센타우루스자리까지 왕복 여행을 할 수 있습니다.이와 같이, 다양한 행성간 임무에 대해 저충동은 있지만 장기적인 선형 가속이 제안되어 왔다.예를 들어, 화성으로 가는 무거운 (100톤) 화물 적재물도 27개월 안에 화성으로 운반될 수 있고 화성 궤도에 도착하자마자 LEO 차량 질량의 약 55%를 유지할 수 있어,[25] 전체 여행 동안 우주선에 낮은 중력 구배를 제공한다.

그러나 이러한 형태의 중력은 어려움이 없는 것은 아니다.현재, 지구의 중력에 버금가는 속도에 도달할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 선박을 추진시킬 수 있는 유일한 실용적인 엔진은 추력을 얻기 위해 반응 질량을 쫓아내는 화학 반응 로켓을 필요로 하며, 따라서 가속은 선박에 연료가 있을 때까지만 지속될 수 있다.또한 중력 효과를 유지하기 위해 선박은 지속적으로 가속하고 일정한 속도로 주행해야 하며, 따라서 정지 상태에서는 중력이 발생하지 않으며, 선박이 1g 이상 또는 이하로 가속할 경우 g-힘에서 상당한 변동을 경험할 수 있다.또한, 지구-화성 통과와 같은 지점 간 여정의 경우 선박은 여정의 절반 동안 지속적으로 가속하고, 엔진을 끄고, 180° 플립을 수행하고, 엔진을 다시 활성화한 다음, 목표 목적지를 향해 감속하기 시작해야 하며, 선박 내부의 모든 것이 무중력 상태를 경험해야 하며, 아마도 다음과 같습니다.공중제비를 하는 동안 계속 작동해야 합니다.

매우 높은 비임펄스를 가진 추진시스템(즉, 이동 중에 추진에 사용해야 하는 반응질량 사용의 좋은 효율성)은 보다 천천히 가속하여 장기간 유용한 수준의 인공중력을 생성할 수 있다.다양한 전기 추진 시스템이 예를 제공합니다.우주선에 실제로 사용되었거나 단기간의 우주 사용을 위해 계획되어 있는 이 장기 지속, 저추진, 고충격 추진의 두 가지 예로는 홀 효과 추진기와 가변 비충격 자기장 로켓(VASIMR)이 있습니다.둘 다 전형적인 화학 반응 로켓에 비해 매우 높은 특정 임펄스를 제공하지만 상대적으로 낮은 추력을 제공한다.따라서 우주선에 [citation needed]제한된 양의 인공 중력을 장기간 제공할 수 있는 장기 발사에 이상적입니다.

많은 공상과학 소설에서 가속은 아직 이론적이거나 가상의 수단으로 추진되는 성간 우주선을 위한 인공 중력을 생성하기 위해 사용된다.

선형 가속의 이러한 효과는 잘 알려져 있으며, 상단 [26]로켓의 발사 후(후속) 우주 발사를 위한 0g 극저온 유체 관리에 일상적으로 사용된다.

롤러코스터, 특히 출시된 롤러코스터 또는 전자기 추진에 의존하는 롤러코스터는 선형 가속 "중력"을 제공할 수 있으며, 스포츠카와 같은 비교적 높은 가속 차량을 제공할 수 있습니다.직선 가속은 롤러코스터와 다른 스릴 있는 놀이기구에서 방송 시간을 제공하기 위해 사용될 수 있습니다.

달의 중력 시뮬레이션

참고 항목: 달의 중력 sim 달의 중력 시뮬레이션

2022년 1월 사우스차이나모닝포스트는 중국이 [27][28]자석의 도움으로 낮은 달의 중력을 시뮬레이션하기 위해 작은(지름 60cm(24인치) 연구시설을 건설했다고 보도했다.보도에 따르면 이 시설은 앙드레 젬(나중에 그래핀에 대한 연구로 2010 노벨 물리학상을 공동 수상)[27][28]과 마이클 베리의 연구로 인해 부분적으로 영감을 받은 것으로 알려졌다.

미소 중력 시뮬레이션

포물선 비행

주요 기사: 저중력 항공기

Weightless Wonder는 포물선 궤도를 비행하는 NASA 항공기의 별명으로 우주인을 훈련시키고, 연구를 수행하고, 영화를 촬영할 수 있는 거의 무중력 환경을 잠깐 제공한다.포물선 궤적은 중력과 일치하는 수직 선형 가속도를 생성하며, 짧은 시간(보통 20-30초) 동안 0-g을 제공한 후 비슷한 기간 동안 약 1.8g을 제공한다.구토 혜성이라는 별명은 또한 이러한 포물선 궤적 중에 항공기 승객들에 의해 종종 경험되는 멀미를 가리키는 데 사용된다.이러한 저중력 항공기는 오늘날 전 [citation needed]세계 여러 기관에 의해 운용되고 있다.

중성 부력

주요 기사:중성부력연구소

뉴트럴 부력 연구소(NBL)는 텍사스 [29]휴스턴에 있는 NASA 존슨 우주 센터의 소니 카터 훈련 시설에 있는 우주인 훈련 시설이다.NBL은 우주 [30]비행사들이 우주 임무에 대비해 시뮬레이션된 EVA 임무를 수행할 수 있는 세계에서 가장 큰 실내 물웅덩이이다.NBL에는 우주왕복선 화물칸, 비행체 적재물, 국제우주정거장(ISS)[31]의 실물 크기 실물 실물 실물 모형들이 들어 있다.

중립 부력의 원리는 [29]우주의 무중력 환경을 시뮬레이션하기 위해 사용된다.적합한 우주 비행사들은 천장 크레인을 사용하여 수영장으로 내려가고 지지 다이버에 의해 체중을 조절하여 부력과 [29]질량 중심에 대한 회전 모멘트를 경험하지 않도록 합니다.NBL에서 착용하는 수트는 우주왕복선이나 국제우주정거장에서 사용되는 것과 같은 완전 비행 등급의 EMU 수트에 비해 낮은 등급이다.

NBL 탱크는 길이 202피트(62m), 폭 102피트(31m), 깊이 40피트 6인치(12.34m)로 620만 갤런(2350만 리터)의 [31][32]물을 담고 있다.잠수부들은 [33][34]탱크에서 일하는 동안 니트록스를 호흡한다.

수영장에서의 중성 부력은 무중력 상태가 아니다. 왜냐하면 내이의 균형 기관이 여전히 위아래로 움직이는 중력을 감지하기 때문이다.또한,[35] 물에 의해 나타나는 상당한 양의 항력이 있습니다.일반적으로 물속에서 천천히 작업을 수행함으로써 드래그 효과를 최소화합니다.수영장 내 중성 부력 시뮬레이션과 실제 우주 비행 중 EVA의 또 다른 차이점은 수영장 온도와 조명 조건이 일정하게 유지된다는 것입니다.

추측 또는 가공의 메커니즘

주요 기사: 중력 실드와 반중력

공상 과학 소설에서, 인공 중력 또는 "중력의 상쇄"[36][37]는 때때로 회전하거나 가속하지 않는 우주선에 존재한다.현재 실제 질량이나 가속도 외에 중력을 시뮬레이션할 수 있는 기술은 없다.이러한 장치가 수년 동안 많은 주장이 제기들이 있다.러시아 엔지니어 유진 포드클레트노프는 1990년대 초부터 강력한 중력 자기장을 만들어내는 회전 초전도체로 이뤄진 이 같은 장치를 만들었다고 주장했지만 제3자의 검증이나 부정적인 결과조차 없었다.2006년, ESA의 자금 지원을 받은 연구 그룹은 0.0001g의 [38]중력 자기 생성에 긍정적인 결과를 보여주는 유사한 장치를 만들었다고 주장했다.이 결과는 복제되지 않았습니다.

「 」를 참조해 주세요.

  • 비관성 기준 프레임 – 관성 프레임에 대해 가속을 수행하는 기준 프레임
  • 반중력 – 중력으로부터 자유로운 장소 또는 물체를 만드는 아이디어
  • 중력 차폐 – 물체의 중력으로부터 가상의 차폐
  • 코리올리 효과
  • 원심분리기 수용 모듈 – 국제 우주 정거장의 취소된 요소
  • 가공력 – 관성 프레임에 대해 회전하는 기준 프레임 내에서 움직이는 물체에 가해지는 힘.
  • 회전 휠 우주 정거장
  • 우주 거주지 – 영구 정착을 목적으로 하는 우주 정거장 유형
  • Stanford torus – 우주 서식지를 위한 NASA 설계 제안

레퍼런스

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