离心力睡觉

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

我一直想知道的一件事是,为什么宇航员不能睡在一种旋转的床上,而这种床旋转着创造力呢? 这将允许他们睡觉,并能够模拟地球引力。 为什么他们不考虑零克对人体的影响呢?

5 Comments
4 uhoh 07/30/2017
从共同努力的数量和讨论数量来看,你似乎提出了一个非常有趣的问题! +1!
1 Uwe 07/30/2017
@uhoh这里是一个列表en.wikipedia.org/wiki/...它看起来对我完整,据我所知
2 Arthur Dent 08/01/2017
@uhoh这是一个轶事和一个样本大小,但我的老教授是一名宇航员,并说在微重力中睡觉是他有过的最好的睡眠。

10 Answers


FKEinternet 08/01/2017.

简短的回答是它会花费很多钱。

为了获得1G的力量,你需要一些非常大的东西,或者非常快的旋转。 例如,我正在研究的空间殖民地的参考设计要求建筑物的半径900米,每分钟旋转一次。 对于国际空间站的大小,它将不得不旋转much更快。 (当我不在另一个项目的中间时,我会稍微得到实际的数字。)

除了转速问题之外,还必须考虑到为了足够强大以支持所有(离心)重量 - 并且轨道中投入的质量越多,结构的质量也会a lot大它的成本。

最重要的是,因为你可能不想让整个ISS快速旋转(为了保持质量和降低成本),你需要在旋转和非旋转之间有一组轴承车站的一部分,最好是足够大的一部分,以便为机组人员提供通道(因此他们不必穿上太空服上床),并且该轴承将会 - 猜测是什么 - 具有需要推出大量的质量 - 这意味着它会花费更多的钱。

哦,你还必须确保轴承没有泄漏,否则你将不得不发送更多的空气来替换丢失的东西 - 这会花费更多的钱。

还有很多其他问题,但我猜测我给出的列表已经让国际空间站的设计者意识到离心重力沉睡室可能不适合项目的预算。


EDIT

好的,我做了一些计算。 如果您的离心机的直径为5米,则它必须以18.9 RPM的转速旋转,以1 8G加速度在边缘以17.82 kph(11 mph)的速度移动。

由于您不希望离心机在其周围摇摆,您实际上需要two质量相同的反向旋转离心机,并且每个离心机的两个臂必须旋转相同的质量,因此一切都平衡。 这不是不可能的,例如,你可以有一个系统将平衡量的水输送到四个端点中的每一端 - 但这会增加系统的复杂性,重量和成本。 我愿意提供更好的解决方案。

正如Russell Borogove所指出的那样,这could在封闭隔间中完成以消除密封问题,但是现在您必须建造直径5.5米左右的容器,其直径为离心机吊舱宽度的两倍,以及间隙长度,数字3米。 这是一个更大的直径,但大约是Unity模块的长度的一半(4.57米长x 5.47米长),所以它不是完全不可能的。 以22英里/小时的相对速度相互传递的设备和吊舱的噪音相当大。

说到这些设备,离心机每次宇航员上床或起床时都需要电动机来启动和停止它们。 如果你不想花费整夜的时间来加速,你需要一个更大的电机,以及一个更强大的电源系统来运行它。 然后,当你放慢离心机的速度,让宇航员进出时,你不想扔掉所有用来加速它的能量,所以你需要一个储能系统。 电池可能首先出现,但快速循环的电池可以在many周期内重复储存和释放足够的能量,这将非常沉重且昂贵。 另一种方法是将能量储存的飞轮缠绕起来,但这又会变得沉重而昂贵。

哦,如果你要一次占用四个睡眠舱中的一个以上,请确保宇航员都有相同的睡眠周期:我们不希望早起者躺在床上醒来等待另一个人从梦境回来,或者因为离心机停下来让另一个人停下来,太快被唤醒的宇航员不知所措。

...并确保没有任何紧急事件需要在短时间内起床 - 是的,你could跳出时速11英里的吊舱,没有too的伤害自己的危险 - 但要确保你摆脱下一个之前的一段时间会在一秒半之后出现,并且会让你感到头疼!


数学:

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

$$ \ begin {align} v ^ 2&= 9.8 \:\ mathrm {m / s ^ 2} \ cdot 2.5 \:\ mathrm {m} = 24.5 \:\ mathrm {m ^ 2 / s ^ 2} \ \ v&= sqrt {24.5 \:\ mathrm {m ^ 2 / s ^ 2}} = 4.95 \:\ mathrm {m / s} = 17.82 \:\ mathrm {kph} = 11 \:\ mathrm {mph } \ end {align} $$

$$ \ text {circumference} = \ pi \ cdot d = \ pi \ cdot 5 \:\ mathrm {m} = 15.71 \:\ mathrm {m} $$

$$ {15.71 \:\ mathrm {m} \ over 4.95 \:\ mathrm {m / s}} = 3.17 \:\ text {sec rotation} = 18.9 \:\ text {RPM} $$


离心加速度

5 comments
Russell Borogove 07/30/2017
完全包含在非旋转压力容器内的离心机睡眠隔间可以消除密封轴承问题,并可能比普通离心机栖息地的规模更小。 但这并不能消除空间/质量/功率问题。
Callum K 07/30/2017
这真是太好了,谢谢我一直在想,为什么没有什么@RussellBorogove说某种离心机可以帮助骨骼和肌肉衰退,在他们睡觉时加入Gs。 这就是我的想法,只有一个小的独奏,但如你所说,它仍然会产生很多噪音! 感谢您的回应!
1 Chris H 07/31/2017
@Zaibis我在物理意义上使用了interia (特别是rotational inertia ,所以没有合适的替代词。 如果我以其他感官之一使用它,我会很乐意使用同义词。 实际上,当可能出现混淆时,我首先尽量不要使用技术术语的非物理意义。
1 Chris H 07/31/2017
@JollyJoker由于需要舱口,我想象的是通过离心机和外舱的清晰轴。 当然,通过中间的非旋转杆可以帮助很多。 因此,在这里建议的外鼓中的离心机将与此兼容。

uhoh 07/30/2017.

在这里输入图像描述

好吧,让我们来构建一个假想的圆柱形轨枕系统,它可以安装在当前ISS的机组区域内,并且看看你需要解决的一些问题。 我们将以着名的比尔·哈利和彗星的歌曲: Shake, Rattle and Roll.命名它Shake, Rattle and Roll.

您还可以将这里学到的知识应用到未来的,更大的结构上,以便更高的重力系统产生骨骼压力,从而减少钙质流失。

在ISS上找到一个备用或当前为空的未使用的模块,并构建一个2米直径,2米长的旋转圆柱形“ astronaut tumbler ”。 宇航员沿着内壁睡觉,平行于圆柱体的轴线,它围绕着它旋转。

使用$ \ mathbf {a} = - \ omega ^ 2 / \ mathbf {r} $获得适度的1/6地球重力所需的速度,以便提供一种“放下”而不是浮动的小而有意义的体验是$ \ omega = 1.3 \ text {s} ^ { - 1} $, 每5秒钟旋转一次,或者旋转频率为0.2 Hz

其中6个可能没有空间,所以它将成为一个共享空间,宇航员仍然需要他们的个人空间的立体空间和单独分配的时间花费在其中。 或者,他们可以拿起并移动他们的个人小孔,并将它们附着在这个旋转框架上,或者将其移回墙上。

无论你如何看待它,它都是从地球运来的更多东西,如果它能够显着增强宇航员的幸福感或对太空生活科学的贡献,那就没问题。

平衡至关重要。 如果一名宇航员想睡觉,需要将一名“ dummy astronaut ”放在相对的位置,以免以0.2Hz的机械振荡过度抖动ISS。 如果睡着的宇航员移动,虚拟人需要相应移动,或者气缸两端的伺服机构必须自动并不断地将气缸的旋转轴线转换回质量中心。 更多的东西可以打破并从地球上运送出去。 如果有两个人彼此相对排列,另一个人想要参加,则一个人必须以60度的角度"re-azimuth" themselves (或者如果他们睡得很好,被他们的同伴宇航员重新定位)或者假宇航员可以在第三人对面添加。

如果有人想“上车”或“下车”,则必须停止并开始整个事情。 这可能会唤醒任何已经“打开”的人。 那角动量从哪里来? 如果它以固定的工作周期停止并按照固定的时间表启动,也许可以通过国际空间站的微小反转来平衡,并且每个主要停止/启动周期将交替方向,以便国际空间站的净旋转是最小的。

另一种方法是同轴或至少在附近建立一个反向旋转的飞轮。 随着航天员气缸上的负载(真实+虚拟宇航员数量)发生变化,飞轮上的负载也必须进行调整。 只要飞轮同步旋转,飞轮也可以具有舵机以更好地消除结构振动的某些部件。 你可以在任何频率下清除角动量,所以你不需要改变质量,但是如果它不同步,你现在为振动添加了second exciting frequency ,使你可能会遇到特别危险的几率增加一倍!

国际空间站不需要周期性的振动源。 除非不断重新校准气缸的旋转轴线以通过鼓中宇航员的瞬时质心的伺服系统,否则周期性振动将传送到ISS框架。 这是一个必须经常与之对抗的问题,每当宇航员开始或结束睡眠时间或者过多时,都必须处理这个问题。


Low frequency periodic vibrations是之前未为其设计的大型机械结构的祸根。

来自国际空间站(ISS)研究人员指南国际空间站加速环境

Vehicle Structural Modes

车辆结构模式驻留在加速度谱的振动部分的低频端。 这些振动落在from about 0.1 hertz to about 5 hertz的频率范围内。 这些振动来自与空间站结构的大部件(例如主桁架)以及基本附属模式(例如太阳能阵列)相关的固有频率的激发。 这些结构通常会受到相对较大的冲击性事件的激发,例如在reboost期间或乘务员机车事件(如推送)时相对短暂的冲动事件。 当structural ringing衰减时,这种事件的驱动激励导致响应振动。 而且, 在正确的频率下相对较小的振动会引起结构共振 。 (强调加)

在这里输入图像描述

above:above:从国际空间站(ISS)研究者指南国际空间站加速环境图4中截取。 “图4.频谱图显示模式1与船员缓慢过渡到睡眠。” 这表明在0.1到1.0 Hz区域有几个结构共振。 请参阅原始文档以获得进一步的讨论,以及第12页上的约20种不同的已知谐振频率的列表。


2009年发生在国际空间站上的一个非常可怕和危险的事件发生在一个升压发动机上的误编程伺服开始调整升压发动机的推力方向at about 0.5 Hz

但在1月14日的射击期间,一些事情变得严重错误。 该电台的太阳能电力翅膀开始震惊地来回摆动。 更具戏剧性的是,由于摄像机本身在其安装支架上摇摆,内置摄像头捕捉到壁挂式设备和电缆来回摆动两秒钟的视图。

Buildup of gyrations

很明显,一些周期性的力量激发了空间站的结构在其共振频率之一,导致了回转的积累,而不是衰减。 与传统的“士兵在桥上行进”的故事以及1940年塔科马海峡大桥的全部倒塌事件一样,大型建筑物中的共振积累可能会迅速导致严重的后果 。 (强调加)

另见Space.com的美国宇航局称太空站过度振动

1 comments
4 uhoh 07/30/2017
under no circumstances ,你under no circumstances应该找出1990年第二部菲律宾恐怖电影系列“Shake,Rattle and Roll”的副本,并从这里开始观看

Antzi 07/30/2017.

国际空间站的目的是研究0G。 1G睡袋打败目的...人类也是实验主题:)

3 comments
1 uhoh 07/30/2017
我几乎低估了一些评论,认为不需要额外研究由于睡眠困难而导致的性能下降或者骨质流失的不可避免性,直到我意识到你的十五字的动机背后的逻辑是不可避免的正确的。 :) +1
5 Someone Somewhere 07/30/2017
@uhoh我可以看到一些问题,“如果我们把人们放在0G中会发生什么,但是在0.3-1G'时间更短”。 特别是如果看长期过境。
uhoh 07/30/2017
@SomeoneSomewhere我也对此感兴趣,并且还看到了这方面的价值,请参阅例如, 人造重力有什么方法可以避免/减少骨质流失? 您可以建议OP向该问题添加“科学研究”。 有人可能会问,为什么答案会很有趣或者有用,以及谁(可能是那些想让一百万人在低重力火星上生活的疯狂富人)。 否则,谁需要any time soon知道这一点,并且badly enough to pay for it?

Hobbes 07/30/2017.

除了其他答案外:一个小型结构(如ISS上的单个模块)需要非常快地旋转以创建1G。 这具有不希望的副作用:

  • 科里奥利部队在模块内部移动不直观。 有一个古老的苏联实验,人们在离心机内住了一段时间,在电影中(没有在网上找到它,它在BBC纪录片“ 宇航员:俄罗斯如何赢得太空竞赛 ”),你可以看到它们错开并且沿着就像他们喝醉了一样。 另一段有人在飞镖上掷飞镖,飞镖在90度的水平弧线上飞行。

  • 在小型离心机中,头部和脚之间的重力水平存在显着差异,再次使得该模块内部的运动不直观。

  • 如果您只使用离心机模块睡觉,宇航员必须每天早上习惯0 G。 这意味着完全适应0G(在目前的情况下需要大约2周)需要更长的时间,并且你失去了宝贵的时间来防止太空疾病。

5 comments
uhoh 07/30/2017
据推测,如果要安装在ISS内部或者是合理大小的附加模块,则必须将其与旋转同轴布置。 但我认为你们让他们睡着了,以增加对骨骼主要骨骼的负荷,例如脊柱,骨盆,腿? 我想知道是否有任何睡觉“站起来”的like falling down - like falling down ? 这将与我想象的宇航员真的很好地结合在一起! :)
Hobbes 07/30/2017
没有想过在睡眠时的取向。 我应该想,沉睡直立会非常不舒服。 即使有一个线束让你保持直立。
uhoh 07/30/2017
问题部分“为什么他们不考虑零克对人体的影响?” 表明拟议的“离心力睡眠”可能是解决一些零基础问题的方法。 我能想到的只有四种是骨质流失,头部流体,眼球形状改变和失眠。 只有以立场姿势接受时,人造引力才能解决前三种问题? 只有当一个人主动站立时承受骨头上的负荷(而不是某种睡眠吊索或连体裤),才会导致骨质流失?
1 FKEinternet 07/30/2017
@uhoh关于卧式睡眠的好处并不能真正达到预期的目标。
1 Hobbes 07/30/2017
我误解了纪录片的标题,请参阅bbc.co.uk/programmes/b04lcxms

Organic Marble 07/30/2017.

作为附录提供:国际空间站计划安装离心机模块,并已部分建成。 它的离心机用于科学实验,但不睡觉。 预算问题注定了它,现在它坐落在日本的一个停车场。

资源

在这里输入图像描述 在这里输入图像描述 在这里输入图像描述

上次的图像来自这里

5 comments
uhoh 07/30/2017
有什么想法计划进入内部? 科学实验之一是宇航员“离心沉睡”吗?
1 Organic Marble 07/30/2017
Wiki文章中有一位艺术家的模块内部概念。 看起来实际的离心机只有几英尺宽。 很遗憾,看起来似乎没有机组人员乘坐离心机。 我会链接到该图像。
1 Organic Marble 07/30/2017
其他地方显示离心机“有效载荷容器”作为一个几英尺的小盒子。 forum.nasaspaceflight.com/...这可能是船员可以适应这种尺寸的离心机,但计划的不是为此设计的。
1 uhoh 07/30/2017
好吧,大鼓可能是转子的外部容器。 这样可以防止空气在模块中形成涡流,减少噪音和其他物体。 好吧,这更有意义。 哦,你对宇航员安全审查问题的评论也很有意义。
1 Organic Marble 07/30/2017
在飞行时也是安全的。

aguadopd 08/01/2017.

我想在他的书的常见问题解答附录中添加克里斯·哈德菲尔德关于这个词的内容An astronaut's guide to life on earth

在ISS上睡觉舒服吗?

这是一种全新的舒适睡眠方式。 即使在最昂贵的地球床垫上,你偶尔也要翻身或调整枕头。 在轨道上,你可以放松身体的每一块肌肉。 在睡觉的时候,你可以在睡袋里漂浮(用一双鞋带松松地系在墙上),做好拉链并关掉灯。 因为没有重力将你推入床垫的效果,所以你非常放松,你的整个身体可以变得非常柔软。 你的胳膊和腿部关节有点弯曲并浮起来,你的脖子就像飞机上的一名午睡乘客一样向前倾斜; 每一块肌肉休息一下。 你可以感受到你心跳的缓慢脉动,轻微地将你移向虚无。 当太空旅行最终变得便宜时,它很可能是吸引最多人群的“太空睡眠温泉”。

克里斯Hadfield。 宇航员指导地球上的生命。 --- Pan Books Ltd. 2015

所以宇航员可能会投票选择0G睡觉。

2 comments
Uwe 08/01/2017
放松身体中的每一块肌肉是不可能的,血液循环和氧气/二氧化碳交换所需的所有肌肉也应该在睡眠中完成它们的工作。 用于消化的肌肉也有工作要做。 只有骨骼肌才可以休息,但是这两岸的肌肉用于呼吸。 宇航员应该有兴趣保持他们的肌肉质量和骨密度,但是在零度或人造重力下睡觉对于防止肌肉和骨骼的损失是无效的。
1 uhoh 08/02/2017
@aguadopd这个答案是非常丰富的,谢谢你添加它。 克里斯哈德菲尔德是国际空间站上生活和经历的极好的“解释者”。

Russell Borogove 07/30/2017.

一个足够大的旋转结构可以实现这一目标,体积大,重量大,而且操作起来非常耗电。

空间,质量和能量对于国际空间站等航天器和空间站都非常重要,因此离心床不在预算范围内。

1 comments
FKEinternet 07/30/2017
你输入得比我更快;)

即使1g睡眠室是可行的,其他职位已经证明它不是,与微重力相关的健康问题不会得到缓解。 只是在全重力下睡觉,但在微重力下工作和醒来仍然会对健康产生重大影响。

特别是钙的消耗仍然会发生 。 骨骼会因压缩应力(在骨头上)而生长,这通常是由重力对体重的影响造成的。 在国际空间站中,这种压缩应力是通过充足的运动模拟的 ,当与钙和富含维生素D的饮食相结合时,提供了一种补偿要素。

还有许多与微重力有关的其他健康问题 ,我只专注于一个问题来说明问题,但其他许多问题也不会由专门设计的睡眠室解决。


Pete Kirkham 08/02/2017.

没有理由对卧室做这些事情,因为躺在床上正常的地球重力不会减轻失重对人体的影响 - 事实上,它已被用于多个实验来研究失重对骨骼和肌肉损失:

最近在过去20年对卧床休息研究进行的回顾中,得出的结论是,头部卧床休息已被证明可用作航天大多数生理效应的可靠模拟模型。

用卧床休息模拟人类的空间生理

所以区别在于睡在水平床上,睡几下你的头。 将离心重力用于执行承重活动的宇航员的区域会更好。


Mark T 07/31/2017.

其中一个原因是,如果不是呕吐,那么在航天器上以实际速度进行旋转会导致恶心和头晕。 不利于休息。 旋转机械也会造成各种各样的风险,并且需要维护程序。 我想到的越多,我就能想到更多的理由。

一个旋转的空间站,或者一个带有旋转廊道的空间站,如果足够大以至于旋转速度不会引起恶心(毕竟这是地球所在的地方),它是实用的。

2 comments
Mike H 08/01/2017
我们如何知道旋转结构会导致恶心和呕吐? 我认为它从来没有尝试过。
FKEinternet 08/01/2017
@MikeH它没有in space试过,但如果你想要一个简单的测试,去一个操场上,并尝试骑在旋转木马上 - 这是一个“小孩动力”的旋转木马,你可以以很快的速度旋转

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