Мечты инженеров. Архитектура в космосе

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

До сегодняшнего дня проблема освоения космического пространства еще не требовала от архитекторов решения каких-либо конкретных практических вопросов.

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.

На рисунке изображены отдельные элементы, из которых будут собираться лунные поселения.
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.
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.
Лестница в «бублике», ведущая к оси станции, имеет вид спирали. Но это не должно смущать космонавта: сила тяжести на каждой ступеньке направлена вниз. Космонавт, поднимающийся по лестнице, будет чувствовать себя на ней вполне устойчиво.
Впрочем, у лестницы, ведущей к оси вращения, — и в «бублике» и в «рамке» — есть одна любопытная особенность. Искусственная сила тяжести на ней уменьшается с каждой ступенькой. Чем выше поднимается космонавт, тем легче ему идти.
Поверхность пола в «бублике» на взгляд криволинейна. Но это только на взгляд. Сила искусственной тяжести в любой точке поверхности пола нормальна к поверхности и одинакова по величине. Кривой пол «бублика» эквивалентен плоскому полу вашей комнаты.
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.
На Луне сила тяжести в шесть раз меньше земной. Там нет атмосферы, а следовательно, не бывает ветров.
Конечно же, стенками этих помещений будет не пористый лунный грунт, а плотная, воздухонепроницаемая оболочка. Изнутри ее распирает давление воздуха. А снаружи конструкция разгружается сопротивлением грунта.
Чтобы развернуть работы по строительству лунного поселка, нужно обеспечить условия для жизни первых строителей. Очевидно, в этом случае поможет оболочка, прикрепленная к грунту и поддерживаемая изнутри давлением воздуха.
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.
Под такой оболочкой можно будет построить многоэтажное — уходящее этажами под грунт — сооружение.
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.
Впрочем, при сводчатой конструкции, изображенной вверху, мы не полностью используем прочностные свойства материалов: ведь своды у нас работают «по-земному» — на сжатие. Очевидно, лучшей будет такая вот конструкция — из многослойных оболочек.

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

Статьи по теме


Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки