Зачем в Германии построили башню, в которой роняют научные приборы

На территории Бременского университета стоит узкая башня высотой 146 метров. Внутри неё регулярно поднимают капсулу с научным оборудованием, а затем отпускают. Во время свободного падения внутри капсулы проводят опыт в невесомости, а камеры и датчики записывают результаты. Через несколько секунд специальное устройство внизу останавливает капсулу. Так в центре ZARM проверяют поведение жидкостей, испытывают космические приборы и изучают процессы, которым в обычной лаборатории мешает вес образцов.

Земное притяжение во время опыта остаётся прежним. Невесомость возникает по той же причине, по которой свободно парят предметы внутри орбитальной станции: всё оборудование вместе с окружающей его оболочкой находится в свободном падении. Только в Бремене такой полёт длится считаные секунды и заканчивается в специальном приёмном устройстве.

Почему в падающей капсуле возникает невесомость

Когда капсулу отпускают, земное притяжение разгоняет и её корпус, и находящиеся внутри предметы почти одинаково. Поэтому незакреплённый образец больше не давит на полку так, как давил до сброса. Относительно стенок капсулы он может оставаться на месте, хотя вся установка быстро движется к земле.

Гравитация при этом никуда не исчезает. Именно она и заставляет капсулу падать. Невесомость возникает потому, что опора падает вместе с предметом и больше его не поддерживает. После остановки капсулы привычный вес возвращается.

В невесомости жидкости ведут себя иначе, чем в обычной лаборатории. Например, форма свободной капли определяется в основном поверхностным натяжением, а жидкость в сосуде может распределяться по его стенкам и углам. При проектировании космических баков нужно понимать, где окажутся жидкость и газовый пузырь и как обеспечить подачу топлива к двигателю.

В башне также можно проверять небольшие механизмы, которым предстоит работать в космосе. Нужно проверить, сработает ли механизм отделения аппарата от носителя и не начнёт ли аппарат при этом вращаться. Такой короткий процесс укладывается в несколько секунд, а камеры и датчики позволяют подробно записать его ход.

Однако башня подходит не для любого опыта. Проследить за ростом растения или за изменениями в материале в течение нескольких суток за один сброс не получится. Исследователи выбирают явления, которые успевают проявиться за короткое время, заранее настраивают оборудование и поручают выполнение опыта автоматике.

Зачем из башни откачивают воздух

Капсула падает не с самой вершины 146-метровой башни. Внутри бетонного сооружения находится стальная труба высотой около 120 метров. На свободное падение приходится примерно 110 метров, что даёт 4,74 секунды невесомости. Остальное пространство требуется для оборудования и остановки капсулы.

Если бы капсулу просто уронили в заполненную воздухом шахту, встречный поток начал бы тормозить её корпус. Незакреплённые предметы внутри не испытывали бы такого же сопротивления и стали бы смещаться относительно оболочки. Такие смещения мешали бы проводить точные измерения, поэтому перед сбросом воздух из трубы откачивают.

Вакуум нужен снаружи капсулы, а внутри неё можно сохранить обычное атмосферное давление. Для этого оболочку делают герметичной. Так жидкости и другие образцы можно изучать в невесомости при обычном давлении.

Подготовка занимает гораздо больше времени, чем полёт. В описании установки Европейское космическое агентство указывает около полутора часов на откачку воздуха восемнадцатью насосами. После опыта давление в трубе нужно восстановить, прежде чем специалисты смогут забрать капсулу и снова работать с оборудованием.

Высокая башня немного раскачивается на ветру. Поэтому внутренняя труба отделена от внешней бетонной оболочки и опирается на собственное основание. Это уменьшает передачу колебаний в рабочую часть установки.

Как удвоить опыт и не разбить приборы

Чтобы получить больше времени, можно было бы построить ещё более высокую башню. В Бремене выбрали другой способ: установили внизу катапульту. Она сначала разгоняет капсулу вверх, после чего та поднимается по инерции, останавливается в верхней точке и возвращается вниз.

Невесомость начинается сразу после завершения разгона, пока капсула ещё движется вверх. Земное притяжение одинаково замедляет её и находящиеся внутри предметы, затем так же одинаково разгоняет их при падении. Опыт идёт и на подъёме, и на спуске. Продолжительность опыта возрастает до 9,3 секунды.

В конце пути капсулу принимает глубокий контейнер с гранулами пенополистирола. Она погружается в этот слой и постепенно теряет скорость. Гранулы смягчают остановку, но торможение всё равно очень сильное: оборудование рассчитывают на перегрузку до 50 g.

Крепления аппаратуры должны выдерживать эту нагрузку, поэтому их прочность проверяют ещё до сброса. При запуске катапультой крепления должны выдержать ещё и перегрузку во время разгона. Людей в таких капсулах не отправляют: внутри находятся экспериментальная установка, питание, камеры и средства записи.

После извлечения капсулы учёные получают доступ к аппаратуре и результатам. Можно заменить образец, изменить настройку и подготовить следующий сброс. Возможность повторять опыт с разными настройками особенно полезна при разработке космической техники. В башне можно проверить отдельные механизмы и разобраться в поведении жидкостей ещё до того, как оборудование отправится в космос.

Изображение в превью:
Автор: ChatGPT / OpenAI
Источник: chatgpt.com