Искусственная гравитация

Невесомость! Что может лучше отражать романтику и экзотичность космоса? В реальности это явление доставляет космонавтам и организующим полёт инженерам множество проблем: множество элементарных бытовых действий превращается в требующие особой изобретательности задачи. К счастью, в уютной космоопере есть простое решение — искусственная гравитация.

Зачем?

Ватсонианский обоснуй

• Во-первых, даже при постоянной нагрузке мышцы космонавта за недели и месяцы в невесомости теряют тонус, и известны случаи, когда космонавтов из спускаемого аппарата выносили на руках (а потом для прессы снимали постановочное видео, как они выходят оттуда твёрдым шагом, улыбаясь и помахивая публике). Тем более это важно, если речь о том, чтобы в космосе не просто передвигаться, а жить.
• Во-вторых, многое, обычное в мире на дне гравитационного колодца, выглядит в невесомости совершенно иначе. Например, жидкость нельзя хранить в открытых ёмкостях, а отсутствие конвекции делает банальное кипячение воды намного более сложным технически процессом. А уж что там приходится творить с сантехникой… Нет, тренированный человек с этим вполне может справиться, но, если нужно возить изнеженных планетных крыс, создание близких им условий окупится.

Дойлистские обоснуи

• Во многих жанрах космическая экзотика идёт повествованию во вред, если её слишком много. Расписывать, как именно старший лейтенант флота Её Величества фон Берн передвигается между отсеками и чистит зубы? Нет, кому-то это, конечно, интересно. Но для тех, кто жаждет от приключений старшего лейтенанта драмы и экшена, а всякие списки кораблей пропускает, поминая недобрым словом зануду-автора — не слишком. Так что просто вводим искусственную гравитацию, и всё ОК: ходит лейтенант, громко стуча по рифлёному полу каблуками подкованных сапог и пригибаясь в низких проёмах переборок, а зубы чистит тайно и в обход устава протащенной на борт пастой «Новая Саксония» взамен положенного «Индекса 3-2» с его отвратительным металлическим привкусом.
• В кино и сериалах (не говоря уж о театре, хотя, конечно, спектаклей, действие которых происходит на борту космического аппарата, не слишком много) невесомость — это спецэффект, дополнительные затраты бюджета и угроза получить спецдефект на выходе. Очевидный низкобюджетный флеботинум — искусственная гравитация, которую изобразить не стоит ни копейки.

Как?

Хочешь земную силу тяжести — например тащи в космос груз массой с Землю. Даже если удастся сделать его достаточно компактным — это же надо разгонять (и тормозить)! Так что, чтобы создать искусственную гравитацию, нужно с помощью некоего флеботинума научиться получать гравитационную массу отдельно от инерционной — так, чтобы взаимодействовала с массой других тел, притягивая их, но при этом не влияла на импульс корабля. Для этого нужно, чтобы инерционная и гравитационная масса в сеттинге были принципиально разными явлениями (в нашей вселенной учёные до сих пор спорят, это просто два проявления одного и того же, или по счастливой случайности где-то в суперструнах они равны при нормальных условиях, но их можно как-то разделить; автор этой правки слышал об экспериментах, подтверждавших последнюю точку зрения).

Применение

Самый простой вариант, используемый подавляющим большинством всех космоопер - наличие некого магического устройства, генерирующего силу тяжести в ограниченном объеме и позволяющего строить корабли в такой привычной форме морских лодок с крыльями и продольно ориентированными палубами. Принципы действия и даже устройства этого механизма редко когда освещаются, и ещё реже это устройство ломается, создавая ситуации когда на корабле катастрофически отказывает буквально все, от реактора до систем жизнеобеспечения - но не система искуственной гравитации. Если хочется более приблеженный к реализму вариант, подходящий к искусственной гравитации ближе всего — вместо силы тяжести использовать ускорение. Либо разгонять (а во второй половине пути — развернуть корабль хвостом вперёд и тормозить) космический аппарат тягой двигателей так, чтобы создать нужную силу реакции опоры, т. е. вес, либо сделать жилую зону космического аппарата вращающейся: возникнет центробежная сила, которая так же сможет имитировать гравитацию (на практике доказывается попыткой раскрутить ведро с водой над головой). Второе удобно тем, что не требует траты топлива и рабочего тела, но, если аппарат маленький, вращать его придётся быстро — не смотри в иллюминатор, голова закружится (а ещё не ходи близко к оси вращения: заметная разница в силе тяжести на уровне головы и, скажем, сердца на протяжении длительного времени скажется на здоровье весьма неблагоприятно)! Ну и воду наливать придется очень интересным способом (показано в первом сезоне сериала "пространство") Другие заменители силы тяжести касаются частных аспектов: например, можно выдать космонавтам ботинки с электромагнитами, которые будут притягивать стопы к полу (не существовали в реальности), но, понятно, баланс при такой ходьбе будет совсем иной. Либо надеть на них давящий костюм, нагружающий часть мышц (в реальности существует). Пример — та же сама «Космическая одиссея 2001 года» Кубрика: стюардесса, грациозно переступающая с пола на стену и оттуда на потолок (если можно так разбить внутреннюю поверхность цилиндра). Третий вариант - забить на гравитацию и использовать сильнейшее магнитное поле. Правда тут проблема - с его помощью можно левитировать, а вот ходить ещё пока не пробовали, тем не менее, при достаточно значительных затратах энергии этот способ теоретически безопасен для живых организмов, но требует особых конструкционных материалов, иначе в лучшем случае будут крайне неприятные звуки, а в худшем при малейших неполадках - все поджарятся.

Примеры

В сериале/книге «Пространство» гравитация как раз достигается согласно заветам дядюшки Эйнштейна - посредством непрерывного ускорения корабля. На середине своего пути корабль разворачивается и начинает ускоряться в противоположную полету сторону, таким образом замедляясь.

Где НЕ встречается

• С. Лем, цикл про Ийона Тихого — в старых космических кораблях. Отсюда много разных нелепостей, пережитых Светомиром Тихим, отцом Ийона.
  • В рассказе-обзоре гипердержав Игоря Края «Глазунья и галактика» (т. е. по сути фанфике от «Мира фантастики») у Ийона в ракете также нет искусственной гравитации, что противоречит каноничному варианту. С другой стороны, часть юмора построена на этом.
• Лоуренс Данерс (Laurence E. Dahners), цикл «Тиона» (Tiona) — даже на момент конца книги — нет данной технологии. И у пришельцев — тоже. Перегрузки тоже есть, и потенциальных космонавтов тестируют на то, сколько они выдержат, и есть нормы для членов экипажа и для «посторонних». Другое дело, что обеспечить постоянное ускорение — не проблема с того момента, как Тиона с отцом придумали тяговые диски (выглядит чисто как нереактивная тяга, про приведённую гипотезу, что они захватывают тёмную материю, потому что ну бред же нереактивная тяга, в тексте также сказано, что подтвердить… пока не получается). Энергия тоже не проблема ещё с конца первой книги (реакторы холодного синтеза).
• Николай Басов, «Мир вечного полдня» — местные ракетолёты, самый быстрый вид транспорта внутри Сферы, вот только летают они с такими перегрузками что у людей ломает кости и из ушей течёт кровь, а пилотирует их с обеих сторон карлики, не то уродившиеся такими, не то дополнительно усовершенствованными как вид генетически, чтоб это выдерживать.
• «Элизиум» — до такой степени не встречается, что в кабине летящего с ускорением космического корабля свободно плавают объекты.
• Фильм «Гравитация» — вопреки названию, веса в космических эпизодах нет, ни искусственного, ни ещё какого-либо. Гравитация-то есть — корабли же с орбиты не сходят.
• Фильм «Игра Эндера» — режиссёр подошёл к делу на редкость ответственно и учёл, что в невесомости человек даже двигается по-особому.
  • Гравитации там нет только в боевой комнате, а в остальных отсеках станции — есть. Станция при этом не вращается. Да и в книге упоминается искусственная гравитация.
• НЁХ «Живое» — происходит на международной космической станции.

Где нестандартно обыграно

Самый простой вариант — гравитация включается и выключается каким-нибудь рубильником. В более сложном — через компьютер. Но есть варианты и поинтереснее, даже в некотором смысле претендующие на реалистичность.

Литература

• Франсис Карсак, «Бегство Земли» — с помощью «Космомагнетизма» можно собрать и безопорный двигатель, и устройство для создания искусственной гравитации, но вот когда Землю пришлось сдвигать с орбиты чуть не разорвали планету пополам, инерция ведь никуда не делась…
• Братья Стругацкие, «Страна багровых туч» (первое произведение Мира Полудня) — ГГ Алексей Быков, собираясь в свой первый полёт, ждет новых ощущений, включая невесомость. Но ему объясняют, что фишка новинки, фотонного двигателя — в возможности весь путь держать двигатель включённым: полпути разгон, полпути торможение. И только на полчаса разворота в середине полёта тяжесть пропадает, и ГГ успевает оконфузиться.
• Во многих произведениях Хайнлайна люди путешествуют по Солнечной системе на «факельных кораблях» с постоянным ускорением (т. е. полпути разгоняемся, затем разворачиваемся и тормозим), вот вам и «гравитация». Обычно, конечно, ускорение равно земному ускорению силы тяжести, но если надо поторопиться — его повышают, а при манёврах и до пяти g доходит. Экипаж и пассажиров на такой случай засовывают в противоперегрузочные ванны, а что будет, если не принять такие меры — несколько раз описывается. В «Двойной звезде» пилот вспоминает очень сильного, упрямого и, увы, тупого пассажира, который вылез из ванны и пошел при 5g… увы, это был последний раз, когда он ходил вообще. В рассказе «Лифт к звёздам» («Тяжесть небес») двум пилотам нужно вотпрямщас доставить на Плутон груз с донорской кровью для борьбы с эпидемией; при нормальном ускорении путь туда займет 18 дней, но за это время все перемрут, поэтому пилоты будут лететь 9 с лишним дней при 3,5g… в общем, это будет очень медленное героическое самопожертвование. Один из них умер через неделю, второй выжил, но биологически постарел лет на 50.
  • Скажем так, факельные корабли Ортеги занимают почётное место в легендариуме Хайнлайна, но утверждать, что на них путешествуют во многих произведениях — несколько преувеличено. Большей частью всё же или романтика ракетных кораблей, или сверхсветовое передвижение.
• Лукьяненко, «Звезды — холодные игрушки» — у инопланетных рас, даже не Старших, гравитация на кораблях есть (у тех, кому она нужна), землянам на их кораблях приходится пользоваться шлангами для удовлетворения естественных потребностей. На их оборонной станции подобие гравитации есть, но слабое, за счет вращения станции.
• Орсон Скотт Кард, «Игра Эндера» — искусственная гравитация есть, но значительную часть сюжета занимают бои в невесомости на парализующем оружии.
• Джеймс Макконнелл, «Теория обучения» — похищенный инопланетянами протагонист из вращательной псевдогравитации делает выводы: что он не на Земле и что похитители не так уж далеко продвинулись по сравнению с человечеством.
• Брюс Стирлинг, «Схизматрица» — в наличии и станции без каких-либо намёков на искусственную замену гравитации вовсе, и стальные полы с магнитными башмаками чисто для удобства передвижения, и центрифуги для замены гравитации инерцией. При этом многим шейперам ходить по твёрдой поверхности в принципе неудобно, потому в центрифугах они могут передвигаться, хватаясь за специальные кольца в потолке. Также мельком описывается мебель для невесомости — к примеру «стол» оказывается мягким шаром с ремнями для пристёгивания и углублениями для крепления посуды в виде спринцовок, а в пространстве станции он фиксируется натянутыми тросами, но функционально это всё равно стол и столом же его персонажи и называют.
• Роза и Червь летающие на космолетах с искусственной гравитацие на вращении жилого отсека, сильно ощущают, что привыкли к силе Кориолиса и там где эта сила меньше, (где диаметр карусели искуственной гравитации больше) ходят привычно компенсируя "уходящие из под головы ноги". Для здоровья произвели "рианнонирование"(раскручивание сцепленных астероидов, которые летели мимо и сблизились). Получилось экономно и красиво но потом всё поломали.Постоянно летающие в невесомости усиленно тренируются для здоровья на тренажерах. Ну и вывели не нуждающихся в гравитации человеков, только человеки сами себя постоянно тренируют и поэтому выглядят как бандерлоги, хотя это уже из каноничных текстов межавторского цикла.

Кино

• «Барбарелла» 1968 г. — в корабле Барбареллы включается и выключается. Собственно начинается с того, что она в скафандре «висит» с интерьерах корабля, а во время титров она его постепенно снимает.
• «Москва — Кассиопея» — искусственная гравитация на корабле есть, но первые минуты полёта она не работает. Один из персонажей плавает в пространстве (на верёвочках, конечно, но тогда это не сильно бросалось в глаза), другой бегает по потолку в магнитных ботинках, а ещё из аквариума вылетает одним большим пузырём вода, и рыба в ней плавает. Сумрачные гении, ага — как релятивистский двигатель, так это всегда пожалуйста, а как аквариум крышкой закрыть…
• «Лунный гонщик» про Джеймса Бонда — когда станция Дракса законсервирована, там невесомость, как и положено. Гравитация появляется при включении вращения.
• Interstellar — решается проблема именно вращением.
• «Космическая одиссея 2001» — тоже используется вращение.
• The Martian — тоже вращение. На оси корабля, соответственно, невесомость всегда.
• «Дальний космос»/«Stowaway» — трейлер фильма закидали тапками за то, что там гравитация, а центрифуги на корабле не видно, и совершенно напрасно — создатели позаимствовали идею из проекта «Mars Direct» Зубрина, в котором для создания гравитации корабль привязывают длинной веревочкой к отработавшему разгонному блоку и раскручивают их вокруг общего центра масс.
• "Аванпост" (4 серии 2020) или сокращенный в односерийный фильм. Инопланетные захватчики прибывают на Землю на бочке с гравитацией. Причем гравитация настолько продвинутая, что на поверхности Земли продолжает себя вести так же, как и в полете, то есть внутри бочки, лежащей на земле, земляне ходят "по стенам и потолку". Техномагия.

Телесериалы

• Babylon 5 — у старших рас, типа минбарцев, с этим всё в порядке — искусственная гравитация не только людей к полу прижимает, как положено, но и корабли разгоняет. А у технически неразвитых землян — всё по старинке: искусственное тяготение создаётся во вращающихся отсеках, а разгон — старыми добрыми реактивными двигателями. Есть ещё расы, владеющие технологией искусственной гравитации не в совершенстве (центавриане, земляне после формирования Межзвёздного Альянса). Они используют технологию, чтобы понизить эффективную массу корабля, после чего разгоняют его старыми-добрыми реактивными движками, но гораздо быстрее из-за низкой массы.

Мультипликация

• ExoSquad. Редкий случай, когда гравитационное поле используется не только для создания искусственной тяжести на кораблях, но и как оружие. А в последней серии Элджернон ухитрился с его помощью склеить из осколков взорванную планету. При этом теоретические основы управления гравитационным полем настолько мозголомны, что во всей Солнечной Системе их смогли до конца понять только гениальный Элджернон и специально для этого выведенный нео-мега Энлиль. А альфа-неосапиенсы к пониманию этой теории неспособны принципиально.
• Мультфильм «Бэтмен. Возвращение рыцарей в масках» (2016 г., к юбилею телесериала 1960-х, и выдержан в его стилистике). На станции «Мир» гравитация включается и выключается при помощи рубильника. Это обстоятельство стало ключевым во время драки Бэтмена, Робина и Кошки против Пингвина, Джокера и Загадочника.
• Компьютерные мультсериалы по «Звёздным войнам» — в время проведения диверсий гравитацию на вражеском корабле можно отключить (обычно при участии астродроида), а потом неожиданно для врагов включить.
• Мультсериал «Final Space» — искусственная гравитация используется системой безопасности корабля — при неавторизованном вторжении нарушителя просто начинает швырять по коридорам из стороны в сторону.

Веб-комикс

• «Schlock Mercenary» — гравитика и инертика в галактической цивилизации конца 3 тысячелетия являются вездесущими технологиями. Именно на гравитике (и умалчивании деталей) работают ан-реакторы («аннигиляционные»), переводящие массу в энергию близко к заветам Эйнштейна, что позволяет тратить неприличные её объёмы на тривиальные вещи вроде комфортного хождения по кораблю. Ан-реакторы также выпускают в миниатюрном форм-факторе, например, для левитационной одежды (или говорящего летающего искина-погремушки), а космические корабли летают именно на гравитационной безынерционной тяге.
• «Freefall» — гравитация старыми добрыми реальными методами «постоянное ускорение» и «вращение всей станции». Правда, двигатели фантастические, но и комикс о людях (а так же роботах, одном инопланетянине и паре аплифтов), а не ракетах.

Аниме и манга

• «Ginga Eiyuu Densetsu» — искусственная гравитация повсеместна, но когда Кирхайс был в увольнительной на Кройцнахе III, на него напали, заманив в антигравитационный ангар. Кирхайс порадовал праздную публику эффектными приемами боя в невесомости.
• Knights of Sidonia — генераторы искусственной гравитации присутствуют и активно используются, но при этом совершенно никак не экранируют пространство от таких вещей, как инерция, а только создают своё собственное поле в зоне своего действия. В результате в наличии принцип суперпозиции сил: генератор может обеспечивать гравитацию около земной при постоянной скорости корабля и компенсировать перегрузки до пары-тройки g, а всё, что выше, будет влиять на содержимое зоны действия генератора, будучи соответственно уменьшено только на величину мощности генератора — потому перегрузки нередко оказываются смертельны (а если не добили перегрузки, с этим может справиться то, что ими было отломано и запущено в сторону выживших).

Видеоигры

• «Nexus: The Jupiter Incident» — искусственная гравитация есть у всех известных рас, а также у колонии Ной. Землянам же приходится пользоваться вращающимися отсеками тем более, что обычные полёты по Солнечной системе занимаются от нескольких недель до месяцев, тогда как более развитые расы (и нойцы) обладают внутрисистемной тирьямпампацией.
• Space Station 13 — на некоторых серверах гравитация на станции обеспечивается машиной, и при её отключении начинается веселье с пробежками исключительно вдоль стен и полётами по инерции в отдалении от них, а также использованием законов Ньютона. А обладатели магнитных ботинок, например главинженер (по умолчанию) и остальные инженеры (если взяли из своего хранилища), игнорируют потерю гравитации — а на серверах, ещё не поражённых балансом межушного ганглия, и вообще носятся как угорелые (тогда как при включённой гравитации обычные магботы сильно замедляют персонажа).

Музыка

• Клип группы «Aqua» «Cartoon Heroes» — проснулись в гибернационных камерах, вылетели, полетали, немного попели, гравитацию включили — все попадали на пол, отряхнулись и отправились с песней мир спасать.