遠心力睡眠

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

私がいつも疑問に思っていたことの1つは、宇宙飛行士が力を作り出している一種の回転ベッドで眠れない理由です。 これにより、彼らは眠ることができ、地球の重力をシミュレートすることができます。 なぜゼロgが人体に及ぼす影響を考慮して、彼らはこれをしないのですか?

5 Comments
4 uhoh 07/30/2017
答えの数や、共同作業や議論の量から判断すると、あなたはかなり興味深い質問をしたようです。 +1!
1 Uwe 07/30/2017
@uhohここにen.wikipedia.org/wiki /...というリストがあります
2 Arthur Dent 08/01/2017
@ uhohこれは事例と1のサンプルサイズですが、私の古い教授は宇宙飛行士であり、マイクログラビティでの睡眠は、今まで経験したことのない最高の睡眠だったと言いました。

10 Answers


FKEinternet 08/01/2017.

短い答えは、それはたくさんのお金を要するということです。

1Gの力を得るためには、本当に大きなものが必要か、非常に速く回転するものが必要です。 例えば、私が取り組んでいる宇宙コロニーのリファレンスデザインでは、1分に1回転する900メートルの半径を持つ構造が必要です。 ISSの大きさについては、 much速く回転する必要があります。 (私は別のプロジェクトの途中ではなく、実際の数字をちょっと見ていきます。)

回転速度の問題に加えて、すべての(遠心力)重量をサポートするのに十分なほど強力な構造にするためにa lot 、構造体にa lotの質量が必要であることを考慮する必要があります。それは費用がかかります。

さらに、ISS全体を速く回転させたくないので(質量とコストを抑えるため)、回転と非回転の間に一連のベアリングが必要です駅の一部、好ましくは乗組員が通過するための通路を提供するのに十分な大きさのもの(宇宙の服を着て寝る必要はない) - そのベアリングは - それはより多くのお金を要することを意味します。

ああ、ベアリングが漏れていないことを確認しなければならないか、失われたものを取り替えるために空気を送る必要があります。

他にも多くの問題がありますが、ISSのデザイナーが遠心重力睡眠室を実現したことは、プロジェクトの予算に合ったものではなかったと私は考えています。


EDIT

OK、私は計算をしました。 遠心分離機の直径が5メートルの場合、リムでの1G加速のために18.9 RPMで回転する必要があります。これは17.82 Kph(11 mph)で動くことになります。

遠心分離機がその周りのステーションにトルクをかけることを望まないので、実際には等しい質量のtwo逆回転遠心分離機が必要になります。そして、各遠心分離機の両アームは同じ質量を回転させなければならないので、 。 それは不可能ではありません。たとえば、バランスの取れた量の水を4つの端のそれぞれに汲み上げるシステムを持つことができます。しかし、システムの複雑さ、重量およびコストが増加します。 私はもっ​​と良い解決策を提案しています。

Russell Borogoveが指摘しているように、これはシールの問題を解消するために囲いの区画で行うcouldcouldが、今度could遠心分離機ポッドの幅の2倍の5.5メートルほどの直径の容器を建設しなければなりません。長さ、フィギュア3メートル。 これは直径が大きいがUnityモジュールの長さの約半分(直径4.57m×長さ5.47m)であるため、完全に問題にはならない。 相対速度22mphでお互いに行き来している機器とポッドの騒音は、かなり大きいでしょう。

この装置について言えば、遠心分離機は、宇宙飛行士が就寝するか起きるたびに、遠心分離機を起動して停止するためのモーターが必要になります。 あなたが一晩中過ごす時間を費やしたくなければ、より大きなモーターが必要になります。 次に、遠心分離機を減速して宇宙飛行士が出入りできるようになると、加速するために使用されたすべてのエネルギーを捨てる必要はないので、エネルギー貯蔵システムが必要です。 電池は最初に気になるかもしれませんが、 manyサイクルで十分なエネルギーを繰り返し蓄積し、放出することができる急速サイクル電池は、実際に重く高価になります。 代わりに、エネルギー貯蔵のためにフライホイールを巻くことがありますが、それは重く高価になるでしょう。

ああ、あなたが一度に4つの眠っているポッドの1つ以上を占有するつもりなら、宇宙飛行士のすべてが同じ睡眠サイクルを持っていることを確認してください:私たちは早起きが寝るのを待つ遠心分離機が停止してもう片方を止めるためにすぐに目を覚まされなかったため、夢の国から戻ってくるもう1人の男、

...緊急時にベッドから出なければならない緊急事態がないことを確認してください。 - ええ、11mphで動いているポッドから飛び降りて、自分を傷つける危険はあまりありませんが、次のものが2番目と3番目の半分に沿って来る前に、頭の中であなたを殴る!


数学:

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

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

\ mathrm {m} = 15.71 \:\ mathrm {m} $$

\ text {RPM} $$ {15.71 \:\ mathrm {m} \ 4.95 \:\ mathrm {m / s}} = 3.17 \:\


遠心加速度

5 comments
Russell Borogove 07/30/2017
回転しない圧力容器内に完全に収容された遠心分離睡眠室は、密閉ベアリングの問題を排除するだけでなく、潜在的に一般的な遠心分離機の生息地よりも実質的に小さい規模で有用である。 しかしこれは、空間/質量/電力の問題を排除するものではありません。
Callum K 07/30/2017
私はいつも@RussellBorogoveが眠っている間にGを追加して骨や筋肉の衰えを助けるために何らかの回転遠心分離機を内部に設置したと言いました。 それは私が思っていたもので、小さなソロなものですが、あなたが言うようにそれはまだ多くの騒音を作り出しています! レスポンスありがとう!
Uwe 07/30/2017
短いアームの遠心分離機についての読書をいくつか行います。いくつかのリンク: dlr.de/envihab/en/desktopdefault.aspx/tabid-8667/#gallery/23 780 medes.fr/en/the-space-clinic/the-equipments / ...
1 Chris H 07/31/2017
@ Zaibis私は物理的意味(特にrotational inertiaでinteriaを使用しているので、適切な代替語はありません。 私が他の感覚の1つでそれを使用していたなら、私は喜んで同義語を使用します。 実際、混乱の可能性があるときは、最初は技術用語の非物理的な意味を使わないようにしています。
1 Chris H 07/31/2017
@JollyJoker私は、ハッチの必要性のために、遠心分離機と外側のチャンバーを通して明確な軸を想像していました。 確かに、回転していないポールが中央を通って走っていると、大いに役立つでしょう。 したがって、ここのどこかに示唆された外側のドラムの遠心分離機は、これと互換性があります。

uhoh 07/30/2017.

ここに画像の説明を入力

たとえば、現在のISSのクルーエリアに収まる仮想の円筒形のスリーパーシステムを構築し、対処する必要があるいくつかの問題を見てみましょう。 有名なBill HaleyとCometsの曲「 Shake, Rattle and Roll.後に名前をつけますShake, Rattle and Roll.

ここで学んだことを未来的ではるかに大きな構造に適用して、より高いg-forceシステムがカルシウム損失を減らすことを期待して骨格のストレスを作り出すようにすることもできます。

予備の、または空の未使用のモジュールをISSで探し、直径2メートル、長さ2メートルの回転シリンダー「 astronaut tumbler 」を建設する。 宇宙飛行士は、内側の壁に沿って眠り、シリンダーの軸に平行に横たわり、その周りに回転します。

地球上の重力の中の1/6を得るために必要な速度は、浮動ではなく「敷設」するという意味があるが小さくても意味のある経験を提供するために必要とされる速度である$ \ mathbf {a} = - \ omega ^ 2 / \ mathbf {r} 5秒ごと1回転するか、または0.2Hzの回転周波数になる $ \ omega = 1.3 \ text {s} ^ { - 1} $です。

これらのうち6つのスペースがないかもしれないので、共有スペースとなり、宇宙飛行士は個人空間用のキュービーホールとそれに費やす時間を別々に割り当てる必要があります。 あるいは、彼らは自分の個人的な空洞を拾い上げて動かすことができ、それをこの回転するフレームに取り付けるか、壁に戻すことができます。

どのように見ても、地球から出荷されるものが増えます。宇宙飛行士の幸福や宇宙生活の科学への貢献を大きく向上させることができればOKです。

バランスが重要です。 1人の宇宙飛行士が眠りたい場合、0.2 Hzの機械振動でISSを不当に振り回さないために、「 dummy astronaut 」を反対に配置する必要があります。 睡眠中の宇宙飛行士が移動する場合、ダミーはそれに応じて移動する必要があります。または、シリンダーの両端にあるサーボ機構は、シリンダーの回転軸を質量中心に自動的かつ常に移動させる必要があります。 地球から壊れて質量が増えるほどのもの。 互いに向かい合っている2人の人がいて、3人が参加したい人は、60度の角度で"re-azimuth" themselvesなければなりません(まったく眠っていれば、仲間の宇宙飛行士によって再整列されます)第三者の反対側に追加することができます。

誰かが "乗り降り"したい場合は、すべてを止めて始める必要があります。 それは既に誰かを起こすかもしれません。 その角運動量はどこから来ますか? 停止して一定のデューティサイクルで定期的に開始した場合、おそらくISSの小さな逆回転によってバランスがとられ、各主要な停止/開始サイクルが交互になり、ISSの正味の回転が最小。

これとは別に、逆回転のフライホイールを同軸に、または少なくとも近くに構築することです。 宇宙飛行士のシリンダーの荷重(実数+ダミー宇宙飛行士数)が変化したので、フライホイールの負荷も調整する必要がありました。 フライホイールは、サーボが同期して回転している限り、構造振動のいくつかの成分をよりよく消滅させることができます。 どの周波数でも角運動量をゼロにすることができますので、質量を変更する必要はありませんが、同期していない場合は、振動にsecond exciting frequencyを追加して、特に危険second exciting frequencyに遭遇する可能性が倍増します。

ISSは定期的な振動源を必要としません。 そのサーボシステムが、シリンダーの回転軸をドラム内の宇宙飛行士の瞬時質量中心を通過するように絶えず再調整しない限り、周期的な振動がISSフレームに伝達される。 これは絶え間なく戦わなければならない問題であり、宇宙飛行士が睡眠期間を開始するか終了するたびに処理する必要があります。


Low frequency periodic vibrationsは、それらのために以前は設計されていなかった大きな機械的構造の傷です。

国際宇宙ステーション(ISS)研究者の手引き国際宇宙ステーション加速環境

Vehicle Structural Modes

車両構造モードは、加速度スペクトルの振動部分の低周波端に存在する。 これらの振動はfrom about 0.1 hertz to about 5 hertzの周波数範囲内に入る。 これらの振動は、主トラスのような宇宙ステーション構造の大きなコンポーネントに関連する固有周波数の励起、およびソーラーアレイのような基本的な付加モードを伴うことから生じる。 これらの構造は、典型的には、再ブースト中またはプッシュオフのような乗組員の機関車事象のような、比較的大きな振幅、比較的短い衝撃的な事象によって励起される。 そのような事象の駆動励起は、 structural ringing減衰する際の応答振動をもたらす。 また、 ちょうど正しい周波数での比較的小さな振幅の振動は、構造的共鳴を引き起こす 。 (強調が加えられた)

ここに画像の説明を入力

above:国際宇宙ステーション(ISS)研究者ガイド国際宇宙ステーション加速環境の図4から切り取った。 「図4.クルーがスリープ状態に移行するモード1を示すスペクトログラム」 これは、0.1〜1.0Hz領域にいくつかの構造的共鳴が存在することを示唆している。 さらなる議論のための元の文書、および12ページの約20の異なる既知の共振周波数のリストを参照してください。


ブースターエンジンの誤ってプログラムされたサーボがブースターエンジンのスラスト方向at about 0.5 Hz微調整し始めた2009年、ISSには非常に恐ろしい危険な出来事が起こった。

しかし、1月14日の発砲の間に、何かが真剣に失敗しました。 駅の太陽光発電の翼は、驚くほど前後に揺れ始めました。 より劇的に、カメラ自体がマウンティングブラケットに揺れているので、内部カメラが壁に取り付けられた機器やケーブルの視界を2秒のビート往復するようにキャプチャしました

Buildup of gyrations

いくつかの周期的な力がその共鳴周波数の1つで宇宙ステーションの構造を励起し、制動よりむしろ旋回の蓄積をもたらすことが素早く明らかになった。 伝統的な「橋を渡って行進する兵士」の物語や、1940年のタコマ・ナローズ崩壊のように、大きな構造物の共鳴はすぐに深刻な結果につながります。 (強調が加えられた)

Space.comのNASAは宇宙ステーションで過度の振動を重く見ます

1 comments
4 uhoh 07/30/2017
フィリピンのホラー映画シリーズ "Shake、Rattle and Roll"の1990年第2回作品のコピーを探して、 ここから視聴してはいけません。

Antzi 07/30/2017.

ISSのポイントは0Gを勉強することです。 1G寝袋は目的を打ち負かす...人間も実験の対象です:)

3 comments
1 uhoh 07/30/2017
私はあなたの15単語ジンジャーの背後にある論理が不可避的に正しいことに気付くまで、睡眠の困難さに起因するパフォーマンスの低下または骨の損失の不可避性に関する追加の研究の必要性がないということに関するコメントをほとんど断った。 :) +1
5 Someone Somewhere 07/30/2017
私は0Gに人を入れるとどうなるのか、0.3-1Gにはもっと短い時間を使って何が起こるのかを尋ねるには何か価値があると思う。 特に、長期間の移動を見ている場合。
uhoh 07/30/2017
@誰か私はこれにも興味を持ち、そこにも価値を見てきました。例えば、 人工重力がどのようにして骨の損失を避ける/減らすことが期待されていますか? あなたは質問に「科学的研究」を加えるようにOPに提案することができます。 なぜ答えが興味深いのか有用であるのか、そして誰に(おそらく百万人を低重力火星で生活させようとしているクレイジーな男) それ以外の人はany time soonにこれを知る必要がありますbadly enough to pay for it?

Hobbes 07/30/2017.

他の答えに加えて、小さな構造(ISS上の単一のモジュールのような)は、1Gを作るために本当に速く回転する必要があります。 これには望ましくない副作用があります:

  • コリオリの力は、モジュール内を直感的に動かすことができません。 BBCドキュメンタリーの「 宇宙飛行士:ロシアがどのように宇宙競争で勝ったか 」には、映画の中で、遠心分離機の中に人が住んでいた古いソビエトの実験があります。まるで彼らが酔っているかのような廊下。 別のセグメントでは、ダーツボードをダーツボードに投げ、ダーツは90度の水平円弧で飛んでいます。

  • 小さな遠心分離機では、頭と足の重力レベルに大きな違いがあり、このモジュール内の動きも直感的ではありません。

  • あなたが眠るためだけに遠心機モジュールを使用する場合、宇宙飛行士は毎朝0Gに慣れなければなりません。 これは、0 G(現在の状況では約2週間かかる)に完全に適応することは、はるかに時間がかかり、病気を救うための貴重な時間を失うことを意味します。

5 comments
uhoh 07/30/2017
おそらく、ISSの内部に収まるか、合理的なサイズのアドオンモジュールであれば、回転と同軸に配置する必要があります。 しかし、私は骨格の主要な骨、例えば背骨、骨盤、脚の負荷を増やすために、彼らが起立していると思う? 私は、「立っている」という眠りに苦しんでいる人がいるかと思います。 それは私が想像することができる宇宙飛行士と本当にうまく行くつもりです! :)
Hobbes 07/30/2017
睡眠中の姿勢について考えなかった。 直立した寝心地は非常に不快なものになるはずです。 あなたをまっすぐに保つハーネスでさえ。
uhoh 07/30/2017
「ゼロgが人体に及ぼす影響を考慮して、なぜ彼らはこれをしないのですか? 提案されている「遠心力睡眠」がゼロジ問題の解決策になるかもしれないことを示唆している。 私が考えることができる唯一の4つは、骨の損失、頭の体液、眼の形の変化、不眠症です。 起立姿勢で受け取った場合にのみ、人工重力が最初の3つに対処しないだろうか? そして骨が失われるのは、積極的に立っていて、(何らかの睡眠スリングやジャンプスーツではなく)骨に負荷がかかる場合だけですか?
1 FKEinternet 07/30/2017
@uhoh実際に意図した目標を達成していない水平睡眠に関する良い点。
1 Hobbes 07/30/2017
ドキュメンタリーのタイトルを少し忘れました.bbc.co.uk/programmes/b04lcxmsを参照してください。

Organic Marble 07/30/2017.

補遺として提供:ISSのために遠心分離機モジュールが計画され、部分的に建設された。 その遠心分離機は科学実験のためのもので、眠らないものでした。 予算の問題でそれは破滅し、現在は日本の駐車場に座っている。

ソース

ここに画像の説明を入力 ここに画像の説明を入力 ここに画像の説明を入力

ここからの最後の画像

5 comments
uhoh 07/30/2017
どのようなアイデアが内部に行く予定ですか? 科学実験の1つが「遠心式に眠っている」宇宙飛行士でしたか?
1 Organic Marble 07/30/2017
Wikiの記事には、モジュールの内部についてのアーティストのコンセプトがあります。 実際の遠心分離機は数フィートの幅しかなかったようです。 悲しいことに、クルーのための遠心分離機の乗り物がなかったように見える。 私はそのイメージにリンクします。
1 Organic Marble 07/30/2017
他の場所には、遠心分離機「ペイロードコンテナ」が側面に数フィートの小さな箱として示されています。 forum.nasaspaceflight.com/...クルーがこのサイズの遠心分離機に収まる可能性はありますが、計画されたものはそのために設計されていない可能性があります。
1 uhoh 07/30/2017
大型のドラムはロータのための外側の封じ込めです これにより、スウィッシュエアーはモジュール内に渦を作り、騒音などを低減します。 OKこれは理にかなっています。 ああ、宇宙飛行士の安全レビューに関するあなたのコメントは完全な意味合いも持っています。
1 Organic Marble 07/30/2017
それが離れて飛ぶ場合にも安全。

aguadopd 08/01/2017.

彼の本An astronaut's guide to life on earth FAQ付録からクリス・ハドフィールドの言葉を追加したいと思います。 An astronaut's guide to life on earth

ISSで寝るのは楽ですか?

それは無重力で眠るのにまったく新しいタイプの快適です。 最も高価な地球のマットレスでさえ、あなたはたまに転がしたり、枕を調整しなければならないことがあります。 軌道上では、体のすべての筋肉をリラックスさせることができます。 あなたが眠っている寝袋(靴紐をいくつか使って壁に緩く繋がれている)に就寝したら、長いジッパーをして光を遮断してください。 あなたのマットレスにあなたを押し込む重力の効果がないので、あなたは完全にリラックスして、あなたの全身を美味しく痛めつけることができます。 あなたの腕と脚の関節は少し曲がって浮き上がっています。 すべての筋肉が休養します。 あなたは心の鼓動のゆっくりした脈拍を感じることができます。 宇宙旅行が結局安価になると、最大の群衆を引き付ける「宇宙睡眠スパ」になるかもしれません。

クリスハドフィールド 地球上の人生への宇宙飛行士のガイド。 --- Pan Books Ltd. 2015

だから、宇宙飛行士はおそらく0 Gで寝ると投票するだろう。

2 comments
Uwe 08/01/2017
あなたの体のすべての筋肉をリラックスさせることは不可能です。血液循環に必要なすべての筋肉と酸素/二酸化炭素交換は、睡眠中にも自分の仕事をするべきです。 消化に使われた筋肉も働くようになった。 骨格筋のみが休息することができるが、腹腔内の筋肉は呼吸に使用される。 宇宙飛行士は、筋肉量と骨密度を維持することに関心があるが、零または人工重力の両方で眠ることは、筋肉や骨の喪失を防ぐのに有効ではない。
1 uhoh 08/02/2017
@aguadopdこの答えは本当に有益です、それを追加していただきありがとうございます。 クリス・ハドフィールドは、ISSに乗った人生と経験の優れた「説明者」です。

Russell Borogove 07/30/2017.

これを達成するのに十分な大きさの回転構造は、かさばり、重く、非常に電力を消費して動作します。

ISSのような宇宙船や宇宙ステーションでは、スペース、質量、電力のすべてが高いプレミアムなので、遠隔地のベッドは遠隔地にはありません。

1 comments
FKEinternet 07/30/2017
あなたは私がしたよりも速く入力しました;)

たとえ1グラムの睡眠室が実現可能であったとしても、他の柱がそうではないことが証明されていても、微少重力に関連する健康問題は緩和されないであろう。 ただ完全な重力で眠っていても、微視的な重力で働くことや起きることは依然として重大な健康上の影響を与えます。

特に、 カルシウム枯渇が依然として起こるであろう 。 骨格は、体重に対する重力の影響である体重によって通常引き起こされる圧縮ストレス(骨に対する)に応答して成長する。 ISSでは、この圧縮ストレスは、カルシウムとビタミンDの豊富な食事と組み合わせて補償の要素を提供する十分な運動シミュレートされます

微小重力に関連する他の多くの健康問題があり、私はその問題を説明するために焦点を絞っただけですが、他の多くのものも特別に設計された睡眠室によって解決されません。


Pete Kirkham 08/02/2017.

通常の地球重力でベッドに横たわって人体に無重力の影響を減らさないので、睡眠四分の一のためにこれを行う理由はありません - 実際には、無重力の影響を研究するために複数の実験で使用されています骨および筋肉損失:

過去20年間のベッドレスト研究に関する最近のレビューでは、ヘッドダウンベッドレストは、宇宙飛行のほとんどの生理学的効果に対する信頼できるシミュレーションモデルとしての有用性を証明していると結論づけられました。

人間の宇宙生理をベッドレストでシミュレート

だから違いは、レベルベッドで寝ることと、あなたの頭を数度下に寝ることの間にあるでしょう。 宇宙飛行士が耐荷重活動を行っている地域では、遠心重力を使用する方が良いでしょう。


Mark T 07/31/2017.

1つの理由は、宇宙船で実用的なスピードの回転が吐き気やめまいの原因になるということです。 休息するのに役立ちません。 また、機械の回転は、さまざまな種類のリスクと保守プログラムの必要性を引き起こします。 これについてもっと考えると、私が考えることができるより多くの理由があります。

回転する宇宙ステーション、または回転するギャラリーを持つものは、回転速度が吐き気を引き起こさないほど十分な大きさであれば実用的です(すべてのものが地球と同じです)。

2 comments
Mike H 08/01/2017
回転する構造が吐き気や嘔吐の原因になることは、どのようにわかりますか? 私はそれが一度も試みられていないと思った。
FKEinternet 08/01/2017
@MikeH in spaceで試しin spaceことはありませんが、簡単なテストが必要な場合は、遊び場に行き、メリーゴーラウンドで試乗してみてください。

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