Centrifugalkraft sova

Callum K 08/13/2017. 10 answers, 5.326 views
iss mission-design sleep

En sak som jag alltid undrat är varför inte astronauterna sover i en sorts roterande säng som snurrar med att skapa kraft? Detta skulle låta dem sova och skulle kunna simulera jordens gravitation. Varför gör de inte detta med tanke på de effekter noll g har på människokroppen?

5 Comments
4 uhoh 07/30/2017
Att döma av antalet svar och mängden gemensam ansträngning och diskussion sätta in dem, du verkar ha ställt en ganska intressant fråga! +1!
1 Uwe 07/30/2017
@uhoh Här är en lista en.wikipedia.org/wiki/... Det ser fullständigt ut för mig, så långt jag kan berätta
2 Arthur Dent 08/01/2017
@uhoh Det här är anekdotiskt och en provstorlek på en, men min gamla professor var en astronaut och sa att han sov i mikrogravity var den bästa sömnen han någonsin haft.

10 Answers


FKEinternet 08/01/2017.

Det korta svaret är att det skulle kosta mycket pengar.

För att få en 1G kraft, skulle du antingen behöva något riktigt stort eller rotera mycket snabbt. Exempelvis arbetar referensdesignen för rymdkolonierna på samtal för en struktur med en 900 meter radius som roterar en gång i minuten. För någonting storleken på ISS, skulle det behöva rotera much snabbare. (Jag kommer att få de faktiska siffrorna lite när jag inte är mitt i ett annat projekt.)

Förutom problem med rotationshastigheten måste du också ta hänsyn till att strukturen skulle ha a lot massa för att vara tillräckligt stark för att stödja all den (centrifugal) vikten - och ju mer massa du sätter i banan, desto mer det kostar.

Dessutom, eftersom du förmodligen inte vill göra hela ISS roterande så snabbt (för att hålla massan - och kostnaderna - ner), behöver du ha en uppsättning lager mellan roterande och icke roterande delar av stationen, helst en som är tillräckligt stor för att ge en passage för besättningen att gå igenom (så de behöver inte lägga på sina rymddrag att gå och lägga sig) - och det bäret kommer att - gissa vad - har mycket massa som behöver lanseras - vilket innebär att det skulle kosta mer pengar.

Åh, och du måste också se till att lageret inte läcker ut, eller så måste du skicka mer luft för att ersätta det som gick vilse - vilket skulle kosta mer pengar.

Det finns en mängd andra problem, men jag gissar listan jag redan har gett ISS-designerns insikt om en centrifugal gravitationskammare var förmodligen inte något som skulle passa projektets budget.


EDIT

OK, jag gjorde några beräkningar. Om din centrifuge är 5 meter i diameter måste den rotera vid 18,9 RPM för en 1G acceleration vid fälgen som kommer att röra sig vid 17,82 km / h.

Eftersom du inte vill att centrifugen ska vrida stationen runt den, behöver du faktiskt two motrotationscentrifuger med samma massa och båda armarna i varje centrifug måste ha samma massa som roteras så att allt är i balans . Det är inte omöjligt, du kan till exempel ha ett system som pumpar en balanserad mängd vatten i var och en av de fyra ändarna - men det ökar systemets komplexitet, vikt och kostnad. Jag är öppen för förslag på en bättre lösning.

Som Russell Borogove har påpekat kan detta göras i ett omslutande fack för att eliminera förseglingsproblemet, men nu måste man bygga ett fartyg med en diameter på 5,5 meter som är dubbelt så stor som en centrifugbrygga, plus avstånd i längd, figur 3 meter. Det är en större diameter men ungefär hälften av Unity-modulens längd (4,57 m dia x 5,47 m lång), så det är inte helt ur frågan. Bullret från utrustningen och bågarna som passerar varandra vid 22 mph relativ hastighet skulle vara ganska betydande.

Med tanke på utrustningen kommer centrifugerna att behöva motorer att starta och stoppa dem varje gång en astronaut går och lägger sig eller lägger sig upp. Om du inte vill spendera hela natten, kommer du att behöva en större motor, tillsammans med ett bitterare kraftsystem för att köra det. Då, när du saktar centrifugen ner så kan astronauterna komma in eller ut, du vill inte kasta bort all energi som användes för att accelerera det, så du behöver ett energilagringssystem. Batterier kan komma ihåg först, men batterier med snabbcykel som upprepade gånger kan lagra och släppa tillräckligt med energi över many cykler skulle vara mycket tunga och dyra. Ett alternativ skulle avveckla ett svänghjul för energilagring, men igen kommer det att bli tungt och dyrt.

Åh, och om du ska ha mer än en av de fyra sovande bågarna upptagna i taget, se till att astronauterna alla har samma sömncykler: Vi vill inte ha en tidig stigare som måste ligga i sängen vaken och vänta på den andra killen att komma tillbaka från drömland eller astronauter som är vrida från att ha vaknat för tidigt eftersom centrifugen slutade att släppa den andra.

... och se till att det inte finns några nödsituationer som kräver att du går ut ur sängen med kort varsel - ja, du could hoppa ut ur en pod som rör sig vid 11 mph utan att too mycket riskera att skada dig själv - men se till att du går ur Vägen före nästa kommer tillsammans en halv och en halv senare och böjer dig i huvudet!


Matten:

$$ \ begin {align} a & = v ^ 2 / r = 1G = 9.8 \: \ mathrm {m / s ^ 2} \\ d & = 5 \: \ mathrm m \\ r & = 2.5 \: \ mathrm m \\ \ end {align} $$

$$ \ start {align} v ^ 2 & = 9.8 \: \ mathrm {m / s ^ 2} \ cdot 2.5 \: \ mathrm {m} = 24,5 \: \ mathrm {m ^ 2 / s ^ 2} \ \ v & = \ sqrt {24.5 \: \ mathrm {m ^ 2 / s ^ 2}} = 4.95 \: \ mathrm {m / s} = 17,82 \: \ mathrm {kph} = 11 \: \ mathrm {mph } \ end {align} $$

$$ \ text {circumference} = \ pi \ cdot d = \ pi \ cdot 5 \: \ mathrm {m} = 15,71 \: \ mathrm {m} $$

$ {15.71 \: \ mathrm {m} \ över 4.95 \: \ mathrm {m / s}} = 3,17 \: \ text {sek per rotation} = 18,9 \: \ text {RPM} $$


Centrifugal acceleration

5 comments
Russell Borogove 07/30/2017
Ett centrifugersfack innehållet helt i ett icke roterande tryckkärl skulle eliminera ditt förseglade lager problem, såväl som potentiellt användbart i en väsentligt mindre skala än en allmän centrifug habitat. Detta eliminerar dock inte utrymme / massa / strömproblem.
Callum K 07/30/2017
Det är bra tack jag har alltid undrat varför det inte var något @RussellBorogove sa en sorts spinning centrifuge inuti för att hjälpa till med ben och muskelförfall genom att lägga till Gs medan de sov. Det var vad jag tänkte och bara en liten solo men men som du säger kommer det fortfarande att skapa mycket ljud! Tack för svaret!
Uwe 07/30/2017
1 Chris H 07/31/2017
@Zaibis Jag använder interia i fysikalisk bemärkelse (speciellt rotational inertia ) , så det finns inget lämpligt alternativt ord. Om jag använde det i en av de andra sinnena skulle jag gärna använda en synonym. Faktum är att jag försöker att inte använda icke-fysiska betydelser av tekniska termer i första hand när det finns risk för förvirring.
1 Chris H 07/31/2017
@JollyJoker Jag föreställde mig en klar axel genom centrifugen och ytterkammaren på grund av behovet av luckor. Visst kan en icke-roterande pol genom mitten hjälpa till mycket. Så centrifugen (erna) i en yttre trumma föreslog någonstans här skulle vara förenlig med detta.

uhoh 07/30/2017.

skriv in bildbeskrivningen här

OK, låt oss bygga ett hypotetiskt cylindriskt sovningssystem som kan passa inuti det befintliga området för nuvarande ISS och titta på några av de problem du behöver adressera. Vi kommer att namnge den efter den berömda Bill Haley och Comets sången: Shake, Rattle and Roll.

Du kan också tillämpa vad som lärs här till en futuristisk, mycket större struktur för ett högre g-force-system för att producera skelettstress med hopp om att minska kalciumförlusten.

Hitta en reserv, eller tom tom, oanvänd modul på ISS och bygg en 2 meter lång, 2 meter lång roterande cylindrisk " astronaut tumbler ". Astronauterna sova längs insidan väggar, som ligger parallellt med cylinderns axel, runt vilken det roterar.

Använda $ \ mathbf {a} = - \ omega ^ 2 / \ mathbf {r} $ den hastighet som krävs för att få en blygsam 1/6 av jordens gravitation för att ge en liten men meningsfull upplevelse av att "lägga ner" snarare än flytande är $ \ omega = 1,3 \ text {s} ^ {- 1} $ som fungerar till en revolution var 5: e sekund eller en rotationsfrekvens på 0,2 Hz .

Det kan inte finnas utrymme för sex av dessa, så det kommer att bli ett gemensamt utrymme och astronauterna behöver fortfarande sina cubbyhål för personligt utrymme och en separat tilldelning av tid att spendera i den. Alternativt kan de hämta och flytta sina personliga cubbyhål och antingen fästa dem på den här roterande ramen eller flytta den tillbaka till väggen.

Oavsett hur du ser det ut, det är fler saker som skickas från jorden, vilket är okej om det ger en betydande förbättring av astronauternas välbefinnande eller bidrag till vetenskapen om att leva i rymden.

Balansen är kritisk. Om en astronaut vill sova, måste en " dummy astronaut " placeras mitt emot för att inte otillbörligt skaka ISS med 0,2 Hz mekanisk svängning. Om den sovande astronauten rör sig måste dumman röra sig i enlighet därmed, eller en servomekanism vid varje ände av cylindern måste automatiskt och kontinuerligt översätta cylinderns rotationsaxel tillbaka till mitten av massan. Fler saker att bryta och massa att skicka från jorden. Om det finns två personer som är ordnade mot varandra och en tredjedel vill gå med, måste en person "re-azimuth" themselves med 60 grader (eller om de sover ljuvt, bli azimuterade av sin med astronaut) eller dummy astronauten kan läggas till motsatsen till den tredje personen.

Om någon vill "gå på" eller "gå av" måste hela saken stoppas och startas. Det kan väcka någon redan "på". Var kommer det vinkelmomentet från? Om det slutade och startade på ett regelbundet schema med en fast arbetscykel, kanske den kunde balanseras av en liten motrotation av ISS och varje större stopp / startcykel skulle alternera riktningen så att ISS: s nätrotation var minimal.

Alternativet är att bygga ett motvroterande svänghjul antingen koaxiellt eller åtminstone i närheten. När lasten (antalet riktiga + dummy astronauter) på astronauternas cylinder ändrades, skulle belastningen på svänghjulet också behöva justeras. Svänghjulet kan också ha servo för att bättre nollställa vissa komponenter i strukturvibrationerna så länge som det snurrade synkront. Du kan nollställa vinkelmomentet vid vilken som helst frekvens, så du behöver inte byta massa, men om det inte är synkront lägger du nu till en second exciting frequency för dina vibrationer, vilket fördubblar chansen att du kan slå en särskilt farlig!

ISS behöver inte en periodisk vibrationskälla. Om inte det servosystemet som ständigt inriktar cylinderns rotationsaxel för att passera genom astronauternas momentana centrum i trumman, kommer en cyklisk vibration att överföras till ISS-ramen. Detta är ett problem som ständigt måste slåss och måste hanteras varje gång en astronaut börjar eller slutar en sömnperiod eller rullar för mycket.


Low frequency periodic vibrations är banan av stora mekaniska konstruktioner som inte tidigare är konstruerade för dem.

Från International Space Station (ISS) Forskarguide International Space Station Acceleration Environment :

Vehicle Structural Modes

Fordonsstrukturerna ligger vid lågfrekvensänden av vibrationsdelen av accelerationsspektrumet. Dessa vibrationer faller inom frekvensområdet from about 0.1 hertz to about 5 hertz . Dessa vibrationer härrör från excitering av naturliga frekvenser som är förknippade med rymdstationens stora komponenter, såsom huvudkroppen och med grundläggande appendagesätt, såsom soluppsättningar. Dessa strukturer uppskattas typiskt av relativt stora storlekar, relativt korta impulsiva händelser som under en reboost eller genom besättningsmoment händelser som push-offs. Den drivande exciteringen av sådana händelser resulterar i svarvibrationer som structural ringing ringdämpning ut. Även relativt små vibrationer vid just rätt frekvens ger upphov till strukturell resonans . (läggning läggs till)

skriv in bildbeskrivningen här

above: Beskuren från Figur 4 i International Space Station (ISS) Researchers Guide International Space Station Acceleration Environment . "Figur 4. Spectrogram Visar läge En med Crew långsam övergång till sömn." Detta föreslår att det finns flera strukturella resonanser i området 0,1 till 1,0 Hz. Se original dokument för vidare diskussion, och en lista med cirka 20 olika kända resonansfrekvenser på sidan 12.


En mycket skrämmande och farlig händelse inträffade ombord på ISS 2009 när en felprogrammerad servo på en boostermotor började justera boostermotorns tryckriktning at about 0.5 Hz .

Men under firandet den 14 januari gick något allvarligt fel. Stationens solkraftvingar började svänga fram och tillbaka alarmerande. Mer dramatiskt slår en inbyggd kamera upptagen synpunkter på väggmonterad utrustning och kablar fram och tillbaka till en två sekunders takt , eftersom kameran själv svängde på fästet.

Buildup of gyrations

Det var snabbt uppenbart att en viss periodisk kraft hade upphetsat rymdstationens struktur vid en av dess resonansfrekvenser, vilket ledde till en uppbyggnad av gyrationer snarare än en dämpning. Som med de traditionella "soldaterna som marscherar över en bro", och den alltför verkliga Tacoma Narrows-broen bryter samman 1940, kan resonansuppbyggnad i en stor struktur snabbt leda till allvarliga konsekvenser . (läggning läggs till)

Se även Space.com: s NASA väger överdriven vibrationer på rymdstationen

1 comments
4 uhoh 07/30/2017
under no circumstances bör du söka en kopia av 1990-filmen av filippinska skräckfilmserien "Shake, Rattle and Roll" och börja titta på härifrån .

Antzi 07/30/2017.

Pointen för ISS är att studera 0G. 1G sovsäckar besegra syftet ... Människorna är experimentämnen också :)

3 comments
1 uhoh 07/30/2017
Jag nästan nekade - röstade med lite kommentar om att det inte behövdes ytterligare studier om prestationsnedbrytning på grund av svårigheter att sova, eller oundvikligheten av benförlust, tills jag insåg att logiken bakom din femton ordssångare är oundvikligen korrekt. :) +1
5 Someone Somewhere 07/30/2017
@uhoh Jag kan se lite värde på att fråga "vad händer om vi sätter människor i 0G, men med kortare perioder i 0.3-1G". Särskilt om man tittar på långsiktiga transiter.
uhoh 07/30/2017
@SomeoneNågot liknande har jag varit intresserad av det här och ser värdet där också, se till exempel På vilket sätt förväntas artificiell gravitation att undvika / minska benförlust? Du kan föreslå till OP att lägga till "vetenskaplig studie" på frågan. Man kan fråga varför svaret skulle vara intressant eller användbart och till vem (eventuellt den galen rika killen som vill flytta en miljon människor till att leva med låg gravitation mars). Annars vem behöver det här any time soon och badly enough to pay for it?

Hobbes 07/30/2017.

Förutom de andra svaren: En liten struktur (som en enda modul på ISS) behöver rotera riktigt snabbt för att skapa 1G. Detta har oönskade biverkningar:

  • Coriolis styrkor gör att man rör sig inuti modulen inte-intuitiv. Det finns ett gammalt sovjetiskt experiment där människor bodde i en centrifuge en stund, på filmen (har inte hittat det här på nätet, det finns i BBC-dokumentären Cosmonauts: Hur Ryssland vann rymdloppet), du kan se dem sväva och lura längs en korridor som om de är fulla. Ett annat segment har någon kasta pilar på en dartboard, med pilarna flyger i en 90º horisontell båge.

  • I en liten centrifug finns det en signifikant skillnad i gravitationsnivåerna mellan huvudet och fötterna, vilket gör att rörelsen i denna modul inte är intuitiv.

  • Om du bara använder centrifugemodulen för att sova i, måste astronauterna vänja sig till 0 G varje morgon. Detta skulle innebära att man anpassar sig helt till 0 G (tar ungefär 2 veckor i den nuvarande situationen) tar mycket längre tid och du förlorar värdefull tid till rymdsjuka.

5 comments
uhoh 07/30/2017
Förmodligen måste man ligga koaxialt till rotationen om den kommer att passa inuti ISS eller vara en rimlig storlek tilläggsmodul. Men jag tror att du sover dem som står upp för att öka belastningen på skelettets stora ben, t.ex. ryggraden, bäcken, benen? Jag undrar om det finns några nackdelar att sova "stå upp" - like falling down till exempel? Det kommer att gå över riktigt bra med astronauterna som jag skulle kunna föreställa mig! :)
Hobbes 07/30/2017
Hade inte tänkt på orientering under sömnen. Att sova upprätt skulle vara mycket obekväma, jag borde tänka. Även med en sele för att hålla dig upprätt.
uhoh 07/30/2017
Den del av frågan "Varför gör de inte detta med tanke på de effekter noll g har på människokroppen?" föreslår att den föreslagna "Centrifugal Force Sleep" kan vara en lösning på några av noll-givproblemen. De enda fyra jag kunde tänka på är benförlust, vätskor i huvudet, förändringar i ögonformen och sömnlöshet. Skulle inte artificiell gravitation adressera de tre första endast när de mottas i stående position? Och benförlusten bara om man stod aktivt och bär belastningen på benen (i stället för i någon form av sovsling eller jumpsuit)?
1 FKEinternet 07/30/2017
@uhoh Bra poäng om att sova horisontellt inte verkligen uppnå det avsedda målet.
1 Hobbes 07/30/2017
Jag misremembered dokumentärtiteln lite, se bbc.co.uk/programmes/b04lcxms

Organic Marble 07/30/2017.

Erbjuder som tillägg: En centrifugmodul planerades för ISS, och byggdes delvis. Dess centrifuge var för vetenskapliga experiment, men inte sovande. Budgetproblem dömde det, och det sitter nu på en parkeringsplats i Japan.

Källa

skriv in bildbeskrivningen här skriv in bildbeskrivningen här skriv in bildbeskrivningen här

sista bilden härifrån

5 comments
uhoh 07/30/2017
Någon aning om vad som var planerat att gå på insidan? Kan ett av vetenskapliga experimenten ha varit astronauter "centrifugalt sova"?
1 Organic Marble 07/30/2017
Det finns en konstnärs koncept för modulens insida i Wiki-artikeln. Det verkar som om den faktiska centrifugen var bara några meter bred. Så tyvärr ser det ut att det inte hade varit några centrifuger för besättningen. Jag länkar till den bilden.
1 Organic Marble 07/30/2017
Andra platser visar centrifugen "nyttolastbehållare" som en liten låda ett par fötter på en sida. forum.nasaspaceflight.com/... Det är möjligt att besättningen kunde passa i en centrifug i den här storleken men den planerade var inte avsedd för det.
1 uhoh 07/30/2017
OK så den stora trumman kan vara den yttre inneslutningen för rotorn. Det håller den svängande luften från att bygga en virvel i modulen, reducerar brus och andra saker. OK det här är mer meningsfullt. Åh, din kommentar till astronautens säkerhetsutvärderingsfrågor gör fullständig mening också.
1 Organic Marble 07/30/2017
Också säkerhet om det flyger isär.

aguadopd 08/01/2017.

Jag skulle vilja lägga till Chris Hadfields ord om detta, från FAQ-bilagan till hans bok An astronaut's guide to life on earth :

Är det bekvämt att sova på ISS?

Det är en helt ny typ av bekväm att sova i viktlöshet. Även på den dyraste jordmadrassen behöver du ibland rulla över eller anpassa din kudde. I omlopp kan du slappna av varje muskel i kroppen. Vid sänggåendet fyller du i din sovsäck (som är löst knuten till väggen med ett par skosnören), gör upp den långa dragkedjan och stäng av ljuset. Eftersom det inte finns någon effekt av tyngdkraften som skjuter dig in i din madrass, är du helt avslappnad och hela din kropp kan gå gott. Armarna och benfogarna böjer sig lite och flätar upp, dina nackspaltar springer fram som en nappande passagerare på ett plan; varje muskel tar vila. Du kan känna den långsamma pulsen i ditt hjärtslag, förflyttar dig något mot ingenting. När rymdresor blir så småningom billigt kan det vara bra att vara "space sleep spa" som lockar den största publiken.

Chris Hadfield. En astronauts guide till livet på jorden. --- Pan Books Ltd. 2015

Så astronauterna skulle förmodligen rösta för att sova i 0 G.

2 comments
Uwe 08/01/2017
Avkoppling av varje muskel i kroppen är inte möjligt, alla muskler som behövs för blodcirkulation och syre / koldioxidutbyte bör göra sitt arbete under sömnen också. Musklerna som används för matsmältning fick också arbete att göra. Bara skelettmusklerna kunde vila, men de intercoastala musklerna används för andning. En astronaut borde vara intresserad av att hålla sin muskelmassa och bendensitet, men att sova både i noll eller artificiell gravitation är inte effektiv för att förhindra förlust av muskler och ben.
1 uhoh 08/02/2017
@aguadopd detta svar är väldigt informativt, tack för att du lägger till det. Chris Hadfield är en utmärkt "förklarare" av liv och erfarenheter ombord på ISS.

Russell Borogove 07/30/2017.

En roterande struktur som är tillräckligt stor för att åstadkomma det skulle vara skrymmande, tungt och mycket kraft-hungrig att driva.

Rymd, massa och kraft är alla på en skarp premie på rymdfarkoster och rymdstationer som ISS, så en centrifugalsäng ligger inte i budgeten.

1 comments
FKEinternet 07/30/2017
Du skrev snabbare än jag gjorde;)

Även om ett 1g sovande fack var möjligt, vilket de andra inläggen har visat det inte är, skulle hälsofrågorna associeras med mikro gravitation inte lindras. Bara sova i full gravitation men att arbeta och vakna i mikro gravitation skulle fortfarande ha betydande hälsoeffekter.

I synnerhet skulle kalciumutarmning fortfarande uppstå . Skelett växer som ett svar på kompressionsspänningar (på benen), vilket vanligen orsakas av vikt vilket är effekten av tyngdkraften på kroppsmassan. I ISS simuleras denna kompressionsspänning med riklig övning som i kombination med en kalcium- och vitamin D-berikad diet ger ett kompensationselement.

Det finns många andra hälsoproblem i samband med mikrogravity och jag har bara fokuserat på en för att illustrera problemet, men många av de andra skulle inte heller lösas av en speciellt konstruerad sovkammare.


Pete Kirkham 08/02/2017.

Det finns ingen anledning att göra detta för sovrummet, eftersom man ligger i sängen vid normal jord. Tyngdkraften minskar inte effekterna av viktlöshet på människokroppen. Det har faktiskt använts i flera experiment för att studera effekterna av viktlöshet på förlust av ben och muskler:

I en nyligen granskad studie om bäddstudier under de senaste 20 åren slogs slutsatsen att nedre sängstöd har visat sin användbarhet som en tillförlitlig simuleringsmodell för de flesta fysiologiska effekterna av rymdflugten.

Simulering av mänsklig rymdfysiologi med sängstöd

Så skillnaden skulle vara mellan att sova i en våningsbädd och sova med huvudet några grader ner. Det skulle vara bättre att använda centrifugal gravitation för zoner där astronauterna utför bärande aktiviteter.


Mark T 07/31/2017.

En orsak är att rotation vid de hastigheter som är praktiska i rymdfarkoster skulle orsaka illamående och yrsel, om inte kräkningar. Inte bidrar till vila. Även roterande maskiner skulle orsaka ett stort antal risker av olika slag och behovet av ett underhållsprogram. Ju mer jag tänker på det här är ju fler skäl jag kan tänka på.

En roterande rymdstation, eller en med ett roterande galleri, är praktiskt, om det är tillräckligt stort för att rotationshastigheten inte orsakar illamående (trots allt det är vad jorden är).

2 comments
Mike H 08/01/2017
Hur vet vi att roterande strukturer skulle orsaka illamående och kräkningar? Jag trodde att det aldrig hade varit försökt.
FKEinternet 08/01/2017
@MikeH Det har inte blivit provat in space , men om du vill ha ett enkelt test, gå till en lekplats och försök åka på en god tur - en av de "kid powered" som du kan snurra upp till en bra hastighet

Related questions

Hot questions

Language

Popular Tags