Создание центрифуги
Ученые китайского Чжэцзянского университета завершили строительство уникальной центрифуги Centrifugal Hypergravity and Interdisciplinary Experiment Facility (CHIEF), которая, как утверждают разработчики, является самой мощной в мире. Об этом пишет издание South China Morning Post (SCMP).
Проект CHIEF стартовал в 2020 г., и его финальная цель - создание трех центрифуг с 18 экспериментальными блоками для исследований в геологии, материаловедении, строительстве и фундаментальной науке. Ожидается, что установка сможет создавать ускорение до 500 g, что на 50% превышает возможности американской центрифуги, размещенной в центре Инженерного корпуса Армии США, где максимальное ускорение составляет 350 g. Для сравнения, у поверхности Земли тела испытывают ускорение 1 g.
В непосредственной связи с числом оборотов центрифуги находится величина центробежного ускорения, называемая также числом g. Это важный параметр для определения мощности разделения в процессе центрифугирования. Чем выше скорость вращения или число оборотов, тем, как правило, лучше результат разделения. CHIEF поддерживает центробежную мощность в 1,9 тыс. g-t (ускорение силы тяжести, умноженное на тонны) при максимальной загрузке до 32 тонн.
В сердце комплекса CHIEF находится гигантское вращающееся устройство, напоминающее исполинскую руку. При высокоскоростном вращении механизм создает центробежную силу, многократно превышающую естественную гравитацию Земли. Ученые называют такое состояние гипергравитацией. В состав CHIEF входят три центрифуги, первая из которых уже запущена, а еще две остальные машины вместе с десятью бортовыми модулями находятся в процессе изготовления. Уникальное оборудование размещено в шести экспериментальных камерах, каждая из которых предназначена для исследований в определенной области.
Назначение проекта CHIEF
Со слов китайских инженеров, установка CHIEF позволяет наблюдать процессы, которые в природе заняли бы десятки тысяч лет. Например, перемещение загрязняющих веществ в почве или воздействие многолетней нагрузки на плотины можно смоделировать всего за несколько часов. Представьте себе карнавальные аттракционы, где вы становитесь на стенку большой тарелки, и она начинает вращаться так быстро, что вы прилипаете к стене. Это та же самая основная идея - центробежная сила. Только здесь вместо гигантской тарелки - две гигантские руки, которые вращаются, и на каждом конце - контейнеры. В эти контейнеры можно помещать предметы и смотреть, как они реагируют на увеличенную силу тяжести.
Центрифуга также CHIEF позволит воспроизводить многократно увеличенные гравитационные нагрузки для тестирования моделей инженерных решений, включая механизмы и строительные конструкции. Это будет способствовать предотвращению ошибок и аварий при реализации сложных проектов, таких как дамбы и тоннели.
В фундаментальной же физике установка CHIEF откроет новые горизонты: за счет высокой гравитации ученые смогут изучать эффекты искривления пространства и замедления времени. Предполагается, что эффект замедления времени будет заметен при использовании атомных часов.
Американская центрифуга
В Инженерном корпусе армии США, где расположен Научно-исследовательский комплекс центрифуг (CRC) есть крупная центрифуга. Центробежная мощность 1,2 тыс.g-t, радиусом 6,5 м, с регулируемым противовесом, аэродинамическим обтекателем и 100 кг автоматическим противовесом для точной настройки и изменения полезной нагрузки при работе. На момент ввода в эксплуатацию в 1995 г., первоначальные разработчики имели видение расширить использование методов физического моделирования за пределами геотехнической инженерии, что соответствовало разнообразными задачами Экспериментальной станции водных путей (WES).
В 1998 г. все лаборатории USACE в Миссисипи, Иллинойсе, Нью-Гэмпшире и Вирджинии были объединены в Инженерный исследовательский и Центр инженерных исследований и разработок (ERDC), организацию, которая могла бы использовать центрифугу для решения уникальных задач, которые соответствовали целям семи лабораторий. В настоящее время ERDC работает над пятью основными направлений исследований и разработок, которые включают в себя военное строительство, гражданские работы, инженерные устойчивые системы, сооружения и операционная среды и геопространственное проектирование.
В 2017 г. после выхода из строя блоков управления двигателем и ухода на пенсию имеющегося персонала, центрифуга простояла 32 месяца, прежде чем руководство ERDC реинвестировало средства в полноценную работу CRC. Объем и масштаб запланированной реконструкции соответствовал первоначальному замыслу, поскольку центрифуга и сопутствующие объекты не изменятся. Такая комплексная реконструкция - редкость, ведь обычно новая центрифуга создается раз в два десятилетия, а модернизация установки осуществляется лишь по мере необходимости.
Тенденции к физическому моделированию больших прототипов и более сложных явлений раздвигают границы возможностей. Ведь вначале интерес к исследовательским применениям центрифуг обусловил стремление к разработке более крупных полезных нагрузок и более высокие ускорения (от 10 до 350 g).
Более десяти лет ушло на планирование и строительство CRC. Последняя реконструкция длилась 2,5 года и началась в 2019 г. Расширение возможностей физического моделирования центрифуг за последние 30 лет привело к необходимости существенного обновления и модернизации устройств. Для начала было выявлено несколько лучших практик, которые были выявлены на предприятиях по всему миру и сопоставлены с исследовательской стратегией ERDC на 2020-2030 гг. После этого были определены основные критерии проектирования, а решения принимались путем сочетания предыдущих спецификаций, описанных в литературе, с учетом раннего опыта американских инженеров.
Российская разработка для искусственной гравитации
Разработку центрифуги короткого радиуса действия (ЦКР), которая позволит создавать искусственную гравитацию на борту Российской орбитальной станции (РОС), планируется завершить к 2030 г. Об этом сообщила ведущий научный сотрудник, заведующая лабораторией физиологии ускорения и искусственной силы тяжести Института медико-биологических проблем Российская академия наук (ИМБП РАН) Милена Колотева.
По словам специалиста, в 2023 г. формировалось медико-технические требования для создания бортовой ЦКР, а также проводятся исследования на наземном, экспериментальном стенде центрифуги. По сути, на Земле сейчас идет разработка проблемы создания искусственной гравитации в условиях орбитального полета.
По словам заведующей лабораторией физиологии ускорения и искусственной силы тяжести ИМБП РАН, конструкция бортовой центрифуги для РОС будет проще и легче, чем экспериментальный образец. Под нее будут разрабатываться специальные материалы для того, чтобы уменьшить чисто технические вопросы, связанные с вибрацией, энергопотреблением и так далее. Макет бортовой центрифуги будет создан в ИМБП чуть позже. На нем ученые будут отрабатывать медико-технические требования к реальной бортовой центрифуге, медицинские вопросы, а также возможность ее конструктивной сборки на борту РОС. Вопрос транспортировки центрифуги на орбиту остается открытым: либо она будет доставлена сразу в составе модуля как некая полноценная установка, либо будет собираться уже как пазл, конструктор космонавтами на борту РОС самостоятельно.
Со слов ученых, в связи с тем, что ЦКР предназначается для профилактики негативных последствий длительной невесомости, необходимо в наземных условиях оценить возможность ее проведения с помощью этого средства неблагоприятного влияния длительной модельной гипогравитации на организм человека.
Заместитель генерального конструктора Ракетно-космической корпорации «Энергия» (входит в «Роскосмос»), главный конструктор РОС Владимир Кожевников сообщал в феврале 2024 г. ТАСС, что срок запуска первого научно-энергетического модуля РОС планируется на конец 2027 г., а узлового, шлюзового, базового и целевого модулей - на период 2028-2030 гг.
Поделиться
