способ уменьшения отрицательного воздействия невесомости на живые организмы

Формула изобретения

Способ уменьшения отрицательного воздействия невесомости на живые организмы, отличающийся тем, что их подвергают воздействию и постоянно, периодически или по мере необходимости знакопеременных ускорений с частотой, расположенной в диапазоне 0,1 Гц - 10 МГц, вдоль по крайней мере одного выбранного пространственного направления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к космонавтике, а именно к способам уменьшения отрицательного воздействия невесомости на живые организмы.

Известно техническое решение по изобретению РФ N 2007347 (кл. B 64 G 4/00), в соответствии с которым для уменьшения отрицательного воздействия невесомости может быть осуществлен следующим способ имитации гравитации: космонавта размещают между двух параллельных опорных поверхностей, с помощью упругого силового элемента, его постоянно прижимают - за счет использования пояса и плечевых лямок - к одной из опорных поверхностей (к условному полу) и обеспечивают при этом возможность свободного перемещения космонавта в любых направлениях по этой опорной поверхности.

Недостатки этого способа - ограниченность применения и крайне малая общность (его принципиально невозможно использовать для выращивания в условиях невесомости растений и животных).

Наиболее близким к изобретению является способ уменьшения отрицательного воздействия невесомости на живые организмы, заключающийся в том, что живые организмы помещают внутри тороидальной или цилиндрической конструкции и придают ей (и находящимся внутри организмам) вращение вокруг ее оси, см., например, изобретение США N 3744739 (кл. НКИ 244-161).

Недостатками этого способа являются сложность реализации на современном уровне развития космонавтики и большие удельные затраты средств, необходимых для осуществления этого способа.

Целями предлагаемого изобретения являются обеспечение простоты, дешевизны и максимальной широты по общности действия (т.е. действия на все виды живых организмов или на их большую часть) при реализации достигаемого с его помощью уменьшения отрицательного воздействия невесомости на живые организмы.

Указанные цели достигаются за счет того, что живые организмы подвергают воздействию - постоянно, периодически или по мере необходимости - знакопеременных ускорений (вибраций) в диапазоне частот от 0,1 Гц до 10 МГц вдоль по крайней мере одного выбранного пространственного направления.

Главная идея, положенная в основу предлагаемого способа, заключается в создании непосредственно в живом организме сил инерции, имитирующих силу тяжести. Эти силы инерции возникают при воздействии на живой организм возвратно-поступательных сил (или, что то же самое, - знакопеременных ускорений), которые могут создаваться (продуцироваться, генерироваться) с помощью, например, электромагнитных соленоидов, пьезоэлектрических или магнитострикционных излучателей, с помощью кривошипно-шатунных или профилированных необходимым образом кулачковых механизмов с помощью эксцентриков или разбалансированных вращающихся маховиков и т.д., и т.п.

Рассмотрим наиболее общие особенности и наиболее благоприятные условия, необходимые для осуществления предлагаемого способа с наибольшей эффективностью.

Выбор направления действия знакопеременных ускорений (вибраций) определяется очевидным требованием совпадения этого направления с направлением естественного - постоянного или преимущественного (по длительности) - действия земной гравитации в земных условиях относительно главной оси симметрии данного конкретного живого организма.

Главной характерной особенностью предлагаемого способа является то, что - при выборе направления в соответствии с указанным выше правилом - одну часть каждого периода силы инерции будут воздействовать на живой организм (или его отдельную часть) в направлении, совпадающем с направлением силы тяготения в земных условиях, а вторую часть каждого периода - в противоположном направлении. Последнее обстоятельство может снизить в принципе эффективность предлагаемого способа. Однако в связи с этим следует отметить, что в отношении действенности и эффективности данного способа все живые организмы следует разделить на две различные категории (группы): 1) растущие и развивающиеся организмы; 2) уже сформировавшиеся и не растущие живые организмы. Очевидно, что существам, отнесенным к первой категории, требуется для их нормального развития в невесомости создание условий, обеспечивающих при реализации предлагаемого способа выделение одного направления преимущественного действия сил инерции из двух возможных (и диаметрально противоположных). Живым организмам, отнесенным ко второй категории, выделения одного преимущественного направления действия сил инерции из двух возможных, по-видимому, не требуется или требуется в значительно меньшей мере.

Выделение одного направления из двух возможных может быть осуществлено с помощью одного из указанных ниже приемов.

1. В направлении, противоположном направлению действия на данный живой организм в земных условиях силы земного тяготения, в течениe некоторого отрезка времени t₊, каждого периода T создают ускорение a₊ (направление которого принимают условно за положительное), величину которого устанавливают не менее чем в два раза большей величины ускорения a_-, действующего на живой организм в течениe времени t_- каждого периода T (T = t₊ + t_-). При этом направление действия ускорений a_- противоположно направлению действия a₊. Этот прием базируется на предполагаемой нелинейности зависимости различных физиологических процессов в живых организмах (а также различных интегральных физиологических параметров и характеристик) от величины ускорения (или, что то же самое, от величины силы притяжения или иной, имитирующей ее, силы).

2. В те отрезки времени, когда на живые организмы действуют силы инерции, направление действия которых противоположно необходимому (когда направление вектора ускорения противоположно направлению условной вертикали для данного конкретного живого организма), - т.е. в отрезки времени t_- каждого периода - на него дополнительно воздействуют знакопеременными силами (ускорениями) в направлении, перпендикулярном направлению действия сил и ускорений, имитирующих земное тяготение. Это дополнительное механическое вибрационное воздействие должно обеспечить "дезориентирующий" эффект в указанные выше отрезки времени. Очевидно, что частота дополнительного воздействия должна не менее чем в 2 раза превосходить частоту основного воздействия.

3. На растительные живые организмы (только!) в течениe отрезка времени t_- каждого периода воздействуют электрическим током определенной величины и определенной полярности или частоты (конкретные значения устанавливаются экспериментально), что должно обеспечить "дезориентирующий" эффект (т.е. уменьшить ориентирующее воздействие ускорения a_- в отрезках времени t_-). В отрезки времени t₊ каждого периода на растительные организмы дополнительно воздействуют электрическим током с такими параметрами (их также устанавливают экспериментально), которые обеспечивают увеличение ориентирующего воздействия ускорения a₊ на процессы роста и развития растений.

Применительно к растительным живым организмам, указанные выше приемы можно использовать сразу все вместе, одновременно, а также попарно - во всех возможных комбинациях. Применительно к животным можно использовать совместно лишь первые два приема. Кроме того, для увеличения ориентирующего действия вместе с указанными выше приемами или независимо от них можно применить воздействие на живые организмы постоянных, переменных или импульсных магнитных полей.

При реализации предлагаемого способа воздействию знакопеременных ускорений могут подвергаться и сразу некоторая совокупность живых (преимущественно небольших размеров) организмов (например, все растения, размещенные в некоторой миниоранжерее или все водные существа, обитающие в аквариуме), и каждый живой организм в целом (в отдельности), и - для увеличения положительного эффекта - отдельные части живого организма. Могут использоваться одновременно и различные комбинации указанных выше вариантов.

Рабочий диапазон знакопеременных ускорений, используемых при осуществлении предлагаемого способа, расположен в пределах от 0,1 Гц до 10 МГц. При частотах, меньших, чем 0,1 Гц, и больших, чем 10 МГц, эффективность способа существенно уменьшается.

Конкретные зависимости ускорений (сил), действующих на живой организм вдоль заданного (выбранного) направления, от времени могут быть самыми различными - синусоидальными и несинусоидальными, однополярными и двухполярными, с одинаковыми и с разными длительностями различных частей периода, и т.д.

В зависимости от условий на борту космического летательного аппарата (КЛА), от особенностей конкретного живого организма и от его чувствительности к невесомости (которая может быть различной на разных фазах роста и развития живого организма) предлагаемый способ может применяться (использоваться) постоянно, периодически или же по мере необходимости (на основе некоторого критерия, позволяющего принимать решения о применении данного способа только тогда, когда это действительно необходимо).

При использовании предлагаемого способа для уменьшения отрицательного воздействия невесомости на человека указанные выше приспособления (устройства) для создания знакопеременных ускорений можно размещать в обуви, в сидениях и креслах, в приспособлениях для сна и отдыха, а также непосредственно на теле космонавта (на руках, ногах, пояснице, грудной клетке, спине и голове). При этом, очевидно, что конструкции таких приспособлений и устройств (как размещаемых непосредственно на теле человека, так и предназначенных для воздействия на весь организм или сразу на несколько живых организмов) могут быть в высшей степени разнообразными по принципам из действия, по внешнему виду (форме), способу передачи усилий, методу крепления (фиксации), по степени автономности, по наличию или отсутствию общей синхронизации и т.д.

Для уменьшения мешающего воздействия вибрации на конструкцию КЛА и на размещенные в нем приборы и агрегаты при использовании предлагаемого способа необходимо принимать меры по обеспечению необходимой степени виброизоляции.

Рассмотрим примеры конкретных реализаций предлагаемого способа.

Пример 1. В миниоранжерее, находящейся на борту КЛА, в почве (или в субстракте, ее заменяющем) размещают семена растений (или их ростки) и подвергают их (вместе со всей миниоранжереей или только вместе с ее почвой) воздействию знакопеременных ускорений, направление действия которых устанавливают параллельным направлению местной вертикали, т.е. совпадающим с выбранным (установленным) направлением роста растений в данной миниоранжерее. Частоту F изменения воздействующего на растения (семена) ускорения выбирают равной 5-100 Гц, а закон изменения ускорения в течение периода T одного колебания (цикла) устанавливают следующим: в течение отрезка времени t₊ величина ускорения a₊ постоянная, а направление действия ускорения a₊ совпадает с направлением местной вертикали; после истечения отрезка времени t₊ направление ускорения изменяют на противоположное (действующее теперь в направлении, противоположном направлению местной вертикали, т.е. противоположно заданному направлению роста растений) и в течение времени t_- величину ускорения a_- поддерживают постоянной, причем

a₊/a_- = 2 - 20. (1)

При этом:

a₊/a_- = t_-/t₊. (2)

Очевидно, что:

t₊ + t_- = T; F = 1/T. (3)

Конкретные значения ускорений a₊ и a_- определяются зависимостью (1) и могут принимать значения в диапазоне от 0,1 м/с² до 100 м/с².

Длительность применения данного способа равна длительности полного цикла развития выращиваемых растений (или в общем случае иных живых организмов).

Пример 2. Выращивание растений производят в полном соответствии с примером 1. Однако для увеличения эффективности способа в отрезки времени t_- растения (а на первой фазе выращивания - их семена) дополнительно подвергают воздействию знакопеременных ускорений в направлении, перпендикулярном направлению местной вертикали (т.е. перпендикулярно направлению действия основного - по примеру 1 - воздействия). При этом частота f_доп. дополнительного воздействия должна не менее чем в 2 раза превосходить частоту F основного (по примеру 1) воздействия. Форма колебаний дополнительного воздействия симметричная, например синусоидальная.

Пример 3. Выращивание растений осуществляют в соответствии с примерами 1 или 2. Однако для увеличения эффективности способа на растения дополнительно воздействуют электрическим током. Для этого в качестве одного электрода используют почву, а в качестве второго - легкую металлическую сетку, которую размещают на вершинах (кронах) всех растений, находящихся в миниоранжерее. При этом в отрезки времени t₊ через растения пропускают электрический ток с полярностью, способствующей постулируемому усилению ориентационного эффекта (т.е. увеличения чувствительности к действию ускорения a₊), а в отрезки времени t_- - электрический ток, приводящий к уменьшению влияния силы инерции, возникающей под действием ускорения a_-, на физиологические процессы в растениях. Следует отметить, что такое синхронизированное воздействие может производиться также либо только в отрезки времени t_-, либо только в отрезки времени t₊.

Пример 4. Предлагаемый способ применяют для уменьшения отрицательного воздействия невесомости на человека. Для этого космонавта подвергают воздействию знакопеременных ускорений, действующих как на весь его организм - вдоль направления продольной оси тела, - так и (за счет использования дополнительных электромагнитов или излучателей) на его отдельные части (например, ноги, грудную клетку, спину и руки), с частотой, равной 0,5-10 Гц. Значения величин ускорений, форму зависимости изменения ускорения от времени и длительности воздействия устанавливают исходя из требования (условия) достижения максимального уменьшения отрицательного воздействия невесомости на человека и обеспечения в то же время минимального отрицательного воздействия вибрации на человеческий организм.

Ввиду того что источники знакопеременных ускорений могут быть выполненными очень небольшими по размерам и могут размещаться непосредственно на теле, космонавт сможет производить практически любые и ничем не ограничиваемые передвижения в КЛА и производить все необходимые работы, операции и иные действия.

Итак, предлагаемый способ уменьшения отрицательного воздействия невесомости на живые организмы прост и недорог в реализации. Кроме того, он характеризуется достаточно высокой степенью общности и применимости, так как позволяет достигать указанного положительного эффекта (т.е. - уменьшения отрицательного воздействия невесомости) для любых видов живых организмов - независимо от места и способа их размещения на борту КЛА и независимо от любых их возможных перемещений и их любых ориентаций относительной КЛА. Этот способ позволяет в итоге увеличить срок пребывания живых организмов в условиях невесомости.