Почему астронавты парят в космосе: физика невесомости и ее влияние на организм

Причина парения в космическом корабле — не отсутствие силы тяжести. Экипаж корабля «Орион» начинает испытывать состояние, называемое «микрогравитацией», с момента выключения двигателей ракеты-носителя и выхода на орбиту. Парение происходит не из-за исчезновения гравитации, а из-за того, что корабль и экипаж находятся в состоянии постоянного свободного падения вокруг Земли, подобно тому, как это происходит с астронавтами на Международной космической станции. Как именно это работает и чем отличается от условий на Луне?

Когда астронавты начинают парить внутри корабля? Ответ прост технически, но сложен с точки зрения ощущений. В момент, когда двигатели ракеты-носителя прекращают работу и корабль достигает необходимой орбитальной скорости, ощущение веса мгновенно исчезает. Это происходит через несколько минут после запуска, когда отключается основной двигатель и корабль отделяется от последней ступени ракеты. В этот миг астронавты чувствуют, что лишились веса, и начинают парить в своих креслах, даже будучи пристегнутыми ремнями безопасности.

Это ощущение — не результат выхода за пределы гравитационного поля Земли, а следствие физического равновесия между скоростью движения вперед и притяжением Земли. Фактически астронавты теряют ощущение веса уже в первые секунды выхода на орбиту, и это состояние сопровождает их на протяжении всей миссии до момента возвращения в атмосферу.

Важно развеять распространенное заблуждение: многие полагают, что на Международной космической станции парят из-за отсутствия гравитации. Однако на высоте около 400 километров над уровнем моря земное притяжение составляет 90% от того, что мы чувствуем на поверхности. Причина парения заключается в том, что станция находится в состоянии постоянного свободного падения.

Представьте лифт, трос которого оборвался: все, кто находится внутри, будут парить относительно кабины. Космическая станция «падает» в сторону Земли, но из-за огромной скорости — 28 000 километров в час — она постоянно «промахивается» мимо планеты, двигаясь по круговой орбите. Астронавты внутри падают вместе со станцией, поэтому не чувствуют силы пола, толкающей их вверх. Это состояние микрогравитации существует в любом космическом аппарате, находящемся на орбите.

Ситуация на Луне кардинально иная, так как там существует реальная сила тяжести, хотя она значительно слабее земной. Масса Луны намного меньше, поэтому притяжение на ее поверхности составляет всего 16% от земного — примерно одну шестую. Человек, который весит 60 килограммов на Земле, на Луне будет ощущать себя так, будто весит всего десять килограммов.

На Луне не парят, как в корабле, а передвигаются прыжками. Если астронавт попытается подпрыгнуть, он достигнет высоты в шесть раз большей, чем на Земле. Человек, способный прыгнуть на полметра дома, легко поднимется на три метра на Луне, а падение обратно будет медленным и мягким. Именно поэтому астронавты миссий «Аполлон» передвигались скачками: каждый шаг превращался в значительный прыжок.

Пребывание в невесомости оказывает драматическое влияние на организм, вызывая ряд физиологических изменений. Первое и самое заметное — перемещение жидкостей к голове. На Земле гравитация тянет кровь к ногам, но в космосе жидкости распределяются равномерно. Результатом становится отек лица, называемый «лунным лицом», и истончение ног из-за потери жидкости.

Астронавты часто сообщают о заложенности носа и головных болях в первые дни миссии, пока организм адаптируется. Сердцу не нужно работать с прежней интенсивностью, чтобы качать кровь вверх, поэтому оно имеет тенденцию сокращаться и ослабевать, несмотря на ежедневные тренировки. Кроме того, общий объем крови снижается, так как мозг интерпретирует избыток жидкости в голове как переизбыток крови в организме и отдает почкам команду вывести ее.

Другая серьезная проблема — потеря плотности костей и быстрая атрофия мышц. На Земле наши кости и мышцы постоянно противостоят гравитации, что сохраняет их прочность. В космосе, когда тело не несет собственного веса, мозг получает сигнал, что кости больше не нужны, и начинает их разрушение в ходе химического процесса.

Астронавты теряют от 1% до 2% костной массы каждый месяц пребывания в космосе — это гораздо быстрее, чем при остеопорозе на Земле. Мышцы, особенно поддерживающие позвоночник и ноги, быстро ослабевают. Чтобы предотвратить это, участники миссии «Артемида-2» и других полетов должны выполнять интенсивные упражнения не менее двух часов в день на специальных тренажерах с искусственным сопротивлением. Ослабевающие кости выделяют кальций в кровоток, что повышает риск образования камней в почках.

Система равновесия во внутреннем ухе также подвергается встряске. Она полагается на гравитацию, чтобы сообщать мозгу, где верх, а где низ, с помощью маленьких кристаллов. В космосе, при отсутствии силы тяжести, система перестает функционировать должным образом, что вызывает у многих астронавтов тошноту, головокружение и рвоту в первые два дня полета. Это явление, известное как космическая болезнь, очень похоже на морскую, но протекает гораздо тяжелее. Мозг со временем учится полагаться только на зрение, но до этого момента астронавты часто испытывают дезориентацию, из-за чего даже простые действия, такие как еда или сон, становятся сложной задачей.

Зрение также меняется из-за длительного парения и накопления жидкостей. Исследования на Международной космической станции показали, что повышенное внутричерепное давление давит на глазное яблоко, меняя его форму. Это вызывает снижение остроты зрения, и иногда ущерб не исчезает полностью после возвращения на Землю. Астронавты «Артемиды-2» будут проходить регулярные проверки зрения. Хотя нынешняя миссия относительно коротка, полученные данные помогут разработать решения для будущих многомесячных полетов на Марс.

До какой высоты парят? Это вопрос не высоты, а скорости и орбитального состояния. В глубоком космосе парение продолжается до тех пор, пока нет тяги двигателя или сильного притяжения планеты. При приближении к Луне астронавты начнут чувствовать ее притяжение, но внутри корабля, вращающегося вокруг Луны, они будут продолжать парить из-за орбитального свободного падения. Только приземлившись на поверхность, они снова почувствуют вес.

Когда возвращается ощущение силы тяжести на обратном пути? В момент входа в атмосферу. Когда корабль «Орион» сталкивается с верхними слоями воздуха, трение начинает его замедлять. Это создает силу, вжимающую астронавтов в кресла. Сначала это ощущается как легкий вес, но по мере погружения в атмосферу сила нарастает. На пике торможения астронавты испытают перегрузку от 4 до 5 G — их вес будет казаться в пять раз больше обычного. Это изнурительный этап, знаменующий конец парения и возвращение к реальности.

После десяти дней невесомости возвращение к 100% земной гравитации заставляет астронавтов чувствовать себя «свинцовыми». Они часто страдают от сильных головокружений при попытке встать, так как кровеносная система должна заново учиться качать кровь против силы тяжести.

Астронавтам «Артемиды-2» потребуется помощь спасателей при выходе из корабля, а также курс физиотерапии для восстановления стабильности и мышечной силы. Хотя процесс занимает время, человеческий организм обладает высокой адаптивностью. Сердце вернется к исходному размеру, плотность костей постепенно улучшится, однако некоторые изменения в зрении или позвоночнике могут сохраняться дольше.

Исследование влияния невесомости — одна из важнейших областей современной науки, необходимая для достижения более далеких целей. Чем лучше мы поймем, как предотвратить истощение костей и повреждение зрения, тем ближе день, когда мы сможем отправлять экипажи в длительные путешествия к Марсу. Миссия «Артемида-2» предоставит ценные данные о том, как четыре разных человека реагируют на эти условия. Парение — самая волшебная часть полета, но для астронавтов и врачей это вызов здоровью, требующий творческих инженерных и медицинских решений каждый день.