Где можно сделать пересадку на Луну

НаукаНаука

Гало-орбита: в ожидании полета человека

Новый шаг человека в дальний космос связан и с шагом в пилотируемой космонавтике — освоением принципиально нового типа орбит. Для полетов людей эти орбиты никогда не использовались. Но они оказались наиболее подходящими для одновременного решения целого ряда ключевых задач. И полет человека по ним готовится сегодня практически.

Николай Цыгикало

Ракета-носитель SLS с кораблем «Орион» за несколько минут до первого запуска к Луне. 16 ноября 2022 года

Гравитация планеты изгибает своим полем путь объекта, пролетающего рядом мимо нее. Эту кривую Иоганн Кеплер назвал орбитой (от латинского слова orbita — «колея», «путь»). Поле тяготения — это распределенные в пространстве вокруг планеты гравитационные ускорения, направленные к центру поля, растущие ближе к нему и слабеющие с удалением. По законам Кеплера объекты, не покидающие поля тяготения планеты и не испытывающие других сил, кружатся вокруг центра поля по эллипсам (и окружностям, их частный случай). Это спутники планеты. Их бег в гравитационном поле похож на воронку водоворота: чем ближе к центру, тем быстрее.

Основа космической баллистики

Эллипсы устойчивы. Без других сил, кроме поля обращения, форма и размеры кеплерова эллипса не меняются, как и его положение в пространстве, и полет по нему. Спутник проходит за оборот все те же точки орбиты с теми же скоростями в них. Не зря Кеплер назвал это «колея». Меняется орбита лишь другой силой к спутнику либо из-за несферичности поля тяготения. Один из двух своих «центров», фокусов, эллипс держит в центре гравитационного поля, совмещая в одной точке обоих. Третьим в нее подсаживается барицентр — центр обращения спутника.

По эллипсам движутся спутники Солнца — планеты, астероиды, кометы, метеорные тела и потоки. По кеплеровым орбитам летят спутники планет в местных гравитационных полях. Человек рассчитал, а затем освоил эллиптические орбиты. Иоганн Кеплер определил эллипсы (1609), Вальтер Гоман дал переход с одного эллипса на другой (1925), Сергей Королев запустил аппарат (1957). Околоземный космос населяют более 5 тыс. искусственных спутников на эллиптических (круговых) орбитах, решая десятки тысяч задач. Их число стремительно растет. По эллипсам спутника Солнца аппараты летят, покинув Землю, в ходе перелетов к другим телам и полетным целям. Можно уверенно сказать, что кеплеровы эллипсы — основа сегодняшней орбитальной баллистики.

Вариации эллиптических кеплеровых орбит вокруг центрального тела

Удаляясь от Земли, аппарат может оказаться в гравитационно другой ситуации. Вместо одного тяготения на него существенно действуют сразу два — разных и из разных точек. Вместо гравитационной системы двух тел — одной планеты с центральным полем тяготения и аппарата — он попадает в систему трех тел: себя и двух больших масс, создающих свою гравитационную систему. Например, Солнце и Земля, Земля и Луна.

Жозеф Луи Лагранж ровно 250 лет назад в математических решениях упрощенной задачи трех тел нашел у такой системы пять особых точек, названных точками Лагран жа, или L. Их смысл — неизменность положения относительно тел. Это угловая неподвижность. У системы двух тел, Земли и аппарата, таких точек бесконечно много — вся геостационарная орбита. А в системе трех тел (двух тяготеющих и аппарата) нет такой стационарной орбиты. Она вырождается во всего лишь пять точек. Они неподвижны относительно меньшего тяжелого тела во вращающейся системе координат (с главным тяжелым телом в центре). И вместе с меньшим телом обращаются синхронно с ним вокруг большего, описывая вокруг него орбиты. Три из этих точек — L5, L4 и L3 — лежат вдали от тяжелых тел, почти на орбите меньшего тела (но не близко к нему). Точка L3 системы Солнце—Земля расположена напротив Земли за Солнцем. Точки L4 и L5 отходят от нее вправо и влево на треть орбиты Земли. Они лежат вблизи орбиты, в 150 млн км от Солнца и Земли, образуя с ними равнобедренный треугольник. Первые точки, L1 и L2, лежат близко к меньшему телу — они ценнее практически.

В системе Солнце—Земля L1 лежит в 1,5 млн км от Земли прямо к Солнцу. Это 1% расстояния от Земли до Солнца. Ближе к Солнцу — там на 2% сильнее ускорение тяготения Солнца, и тела бегут быстрее, чем на земной орбите. Но в L1 Земля тоже тянет к себе, вверх, уменьшая действие солнечной хватки ровно на те же 2%. Итоговое гравитационное ускорение здесь выходит как на орбите Земли. Тогда будет и такое же обращение — тело в L1 идет синхронно с Землей, весь год неподвижно для Земли.

Схема расположения точек Лагранжа. Источник: wikipedia.org

В обратном Солнцу направлении, в 1,5 млн км от Земли лежит точка L2. Здесь гравитация Солнца слабее, чем на орбите Земли, на те же 2%. А родная планета добавляет ровно столько же своей гравитации. В итоге тяготение в L2 такое же, как на земной орбите, а значит, и период обращения — ровно год, и неподвижность относительно Земли.

В точки L системы Солнце—Земля запущены аппараты. Ближе к Солнцу в L1 разместились солнечные обсерватории SOHO, ASE, DISCOVER, исследовательские WIND и Genesis. В точку L2 дальше от Солнца отправлены телескопы Gaia, «Гершель», «Планк», знаменитый «Джеймс Уэбб», российский «Спектр-РГ» и другие аппараты. У точек L1 и L2 (и у L3 тоже) есть еще особенность: пребывание в них неустойчиво. При мелком сдвиге из этих точек нет автоматической силы, возвращающей обратно. Наоборот, объект будет медленно удаляться. Поэтому ни один аппарат не находится точно в точках Лагранжа. Ведь в реальности и сами точки немного сдвигаются за один оборот Земли. Орбита Земли не круговая, а эллиптическая. Расстояние до Солнца «гуляет» за год на 5 млн км (или 3,3%, не так и мало!), меняя и удаление точек Лагранжа. В итоге аппараты не стоят в самих L, а движутся вокруг. Причем особым образом.

Система координат с неподвижными точками L вместе с Землей вращается вокруг Солнца. Это рождает в ней две силы инерционной природы — центробежную и силу Кориолиса. Они добавляются к тяготениям тел во всем пространстве. Силовой квартет тянет и аппарат, летящий около точки Лагранжа. В ряде сочетаний скорости, направления и положения аппарата четверка сил гнет его путь в петлю вокруг точки Лагранжа. Аппарат чертит вокруг L кривую — орбиту. Но не такую, как четко определенные кеплеровы эллипсы.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Семь лет спустя Семь лет спустя

Каким был брак Натальи Пушкиной с Петром Ланским, небогатым армейским офицером?

Дилетант
The Sneg: история одной семьи, которая оставила всё ради мечты о собственной фабрике The Sneg: история одной семьи, которая оставила всё ради мечты о собственной фабрике

The Sneg — самый настоящий семейный бизнес, которых в России не так много

Inc.
История развития морских беспилотников. Часть 1 История развития морских беспилотников. Часть 1

Родоначальником морских дронов можно считать кораблик Николы Теслы

Наука и техника
5 таинственных книг, которые ученые не могут расшифровать. Что это: мистика или шутки предков? 5 таинственных книг, которые ученые не могут расшифровать. Что это: мистика или шутки предков?

Некоторые летописи и книги до сих пор не расшифрованы

ТехИнсайдер
Семь советов: как не поправиться в Новый год? Семь советов: как не поправиться в Новый год?

Как же наслаждаться новогодней едой, не рискуя фигурой?

Здоровье
Остановить мгновение: 5 лучших книг, которые расскажут об искусстве медитаций Остановить мгновение: 5 лучших книг, которые расскажут об искусстве медитаций

5 лучших книг, которые смогут посвятить вас в сферу дзен

ТехИнсайдер
5 тайн «Моны Лизы», которые не раскрыты до сих пор 5 тайн «Моны Лизы», которые не раскрыты до сих пор

Ряд загадочных вопросов, ответы на которые «Мона Лиза» не готова раскрыть

ТехИнсайдер
Адам Драйвер Адам Драйвер

Адам Драйвер – о своей роли профессора Глэдни в «Белом шуме»

Grazia
Продюсер из Москвы собирает елочные игрушки. О его елке написал британский Vogue Продюсер из Москвы собирает елочные игрушки. О его елке написал британский Vogue

Павел Компан многие годы коллекционирует дизайнерские новогодние украшения

РБК
Вот что спасет женщин от перелома шейки бедра: несколько продуктов и советы ученых Вот что спасет женщин от перелома шейки бедра: несколько продуктов и советы ученых

Белок и чашка кофе: что может снизить риск перелома бедра у женщин

ТехИнсайдер
Женщина в чёрном Женщина в чёрном

Мирный договор между Францией и Испанией был омрачен трагедией

Дилетант
Бесперебойные поставки Бесперебойные поставки

Как производство сахара остается стабильным в новой реальности

РБК
Из-за климатического кризиса уже страдают беременные женщины. Вот в какой стране хуже всего Из-за климатического кризиса уже страдают беременные женщины. Вот в какой стране хуже всего

Глобальное потепление все больше угрожает здоровью

ТехИнсайдер
Слова вместо нот Слова вместо нот

Генеративная музыка: как создать хит по собственному вкусу

ТехИнсайдер
Раки: инструкция по применению Раки: инструкция по применению

Как выбрать, приготовить и съесть настоящих донских раков

Bones
От депрессии до пищевой аллергии От депрессии до пищевой аллергии

Почему болит голова после сна?

Лиза
Астрономы обнаружили экзопланеты, на которых могут быть водные миры Астрономы обнаружили экзопланеты, на которых могут быть водные миры

Могут ли экзопланеты состоять в основном из воды?

ТехИнсайдер
Филипп Киркоров: «Я привык жить вне шаблонов» Филипп Киркоров: «Я привык жить вне шаблонов»

Большой ребенок – так хочется описать Филиппа Киркорова (и это комплимент!)

VOICE
15 вопросов, которые помогут подвести итоги года, — сделайте правильные выводы 15 вопросов, которые помогут подвести итоги года, — сделайте правильные выводы

Пятнадцать вопросов, которые помогают подвести итоги года

Psychologies
«На те же грабли»: 5 причин, из-за которых мы притягиваем похожие неприятности «На те же грабли»: 5 причин, из-за которых мы притягиваем похожие неприятности

Как выйти из порочного круга и почему он возникает?

Psychologies
Скажи им спасибо: кто изобрел посудомойку, стиральную машину и пылесос Скажи им спасибо: кто изобрел посудомойку, стиральную машину и пылесос

Кого благодарить за вымытую посуду, чистый пол и свежую одежду?

VOICE
Ирония судьбы — главный новогодний фильм СССР и России. Рассказываем историю его создания Ирония судьбы — главный новогодний фильм СССР и России. Рассказываем историю его создания

Как шла работа над главным новогодним фильмом России и СССР

Правила жизни
Париж стоит мессы? Париж стоит мессы?

На протяжении почти 40 лет во Франции полыхала одна война

Дилетант
«Жена, а не человек»: как Софья Толстая боролась за собственный голос «Жена, а не человек»: как Софья Толстая боролась за собственный голос

Как Софья Толстая боролась за право высказываться и творить?

Forbes
Главная новогодняя закуска: как выбрать качественную и вкусную красную икру Главная новогодняя закуска: как выбрать качественную и вкусную красную икру

Как выбрать красную икру, не купить подделку и определить хорошую икру по банке

ТехИнсайдер
ТОП-9 долгожителей Земли. Некоторые из них могут жить вечно! ТОП-9 долгожителей Земли. Некоторые из них могут жить вечно!

Эти существа могут быть почти бессмертными

ТехИнсайдер

Биография знаменитого прозаика Андрея Платонова была не без трагедий

ТехИнсайдер
Как узнать, что партнер вас использует: 6 тревожных признаков — чек-лист психолога Как узнать, что партнер вас использует: 6 тревожных признаков — чек-лист психолога

Как же распознать спутника, который стремится получить выгоду?

Psychologies
Одна вокруг света: каменные «шерстяные мешки» и бразильские ковбои Одна вокруг света: каменные «шерстяные мешки» и бразильские ковбои

196-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко: штат Пиауи

Forbes
ИИ в ретейле, музыке, фармакологии: как Армения становится технологичной ИИ в ретейле, музыке, фармакологии: как Армения становится технологичной

Современная Армения — это не только туризм, но и центр высоких технологий

РБК
Открыть в приложении