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

Аракчеевы Аракчеевы

Род Аракчеевых до сих пор ассоциируется с мрачным периодом в истории России

Дилетант
В гостях у сказки В гостях у сказки

Какие Деды Морозы живут в России

Лиза
31 способ увеличить ресурс сердечной мышцы с помощью последних научных открытий и новых подходов 31 способ увеличить ресурс сердечной мышцы с помощью последних научных открытий и новых подходов

“Главное, ребята, сердцем не стареть”. Как это сделать, знают наши эксперты

Men’s Health
Появление согласных звуков в речи древних гоминид связали с древесным образом жизни Появление согласных звуков в речи древних гоминид связали с древесным образом жизни

В вокальном репертуаре орангутанов согласных звуков больше — и это неспроста

N+1
Могут ли мужчины беременеть и вынашивать детей Могут ли мужчины беременеть и вынашивать детей

Как мужчины вообще могут забеременеть? Почему беременность для них так опасна?

ТехИнсайдер
Что было бы, если бы Колумб не открыл Америку Что было бы, если бы Колумб не открыл Америку

Представьте, что Христофор Колумб все-таки доплыл до Индии, а не до Америки

ТехИнсайдер
Будущее подкрадывается на цыпочках Будущее подкрадывается на цыпочках

Каким предстает наше общее завтра в произведениях фантастов

РБК
Зависть: что это за чувство и можно ли его побороть Зависть: что это за чувство и можно ли его побороть

Из-за чего в нас время от времени просыпается зависть

ТехИнсайдер
Ольга Донцова: самая большая продолжительность жизни — у академиков Ольга Донцова: самая большая продолжительность жизни — у академиков

Академик Ольга Донцова — об антибиотиках и вирусах

Наука
Поучиться у Жюля Верна и Гибсона: где обитают самые фантастические идеи для бизнеса Поучиться у Жюля Верна и Гибсона: где обитают самые фантастические идеи для бизнеса

Почему научфан полезно читать всем и какие технологии ждут нас завтра

Forbes
Найти под елкой Найти под елкой

Подарки – одна из главных радостей Нового года

Лиза
Штурманы подземелья Штурманы подземелья

Маркшейдеры — специалисты, знающие, как проложить дорогу под землей

ТехИнсайдер
Самые плохие года в истории человечества Самые плохие года в истории человечества

Можно ли найти самый плохой год в истории человечества?

Maxim
Топ самых полезных и самых вредных видов фастфуда Топ самых полезных и самых вредных видов фастфуда

Теперь твои отношения с шаурмой выйдут на новый уровень!

Maxim
Мастер-класс. Праздник своими руками Мастер-класс. Праздник своими руками

Венок – традиционное украшение во многих странах Европы

Лиза
Как пить и не пьянеть: простые советы, которые помогут не опозориться на корпоративе Как пить и не пьянеть: простые советы, которые помогут не опозориться на корпоративе

Чтобы пить и не пьянеть, воспользуйтесь этими маленькими хитростями

ТехИнсайдер
Паулина Андреева: «Нужно учиться наводить цифровую чистоту» Паулина Андреева: «Нужно учиться наводить цифровую чистоту»

Паулина Андреева о заветах мастеров, желании учиться и умении жить

РБК
Приседания: элементарно и эффективно. Неожиданная польза простого упражнения Приседания: элементарно и эффективно. Неожиданная польза простого упражнения

Мало кто знает, насколько приседания полезны для организма и здоровья

Лиза
Чем заняться дома с детьми в праздники: 8 креативных идей Чем заняться дома с детьми в праздники: 8 креативных идей

Как провести каникулы с пользой и удовольствием

Psychologies
Магия слова Магия слова

Аффирмации, которые помогут приблизить осуществление заветной мечты

Лиза
Десять лет после детства Десять лет после детства

«Клипмейкеры»: Григорий Константинопольский реконструирует свои 90-е

Weekend
Знакомим тебя с великолепными футболистками женской сборной России Знакомим тебя с великолепными футболистками женской сборной России

Знакомимся с прекрасной половиной российского футбола

Maxim
«Это просто я» «Это просто я»

Как наука объясняет наши странности и привычки

N+1
Странная «Битва за Лос-Анджелес» времен Второй мировой войны показывает, насколько пугливы американцы Странная «Битва за Лос-Анджелес» времен Второй мировой войны показывает, насколько пугливы американцы

25 февраля 1942 американские военные открыли в небе Лос-Анджелеса шквал огня

ТехИнсайдер
Will Perfom: как Серена Уильямс придумала болеутоляющий крем за $1 млрд Will Perfom: как Серена Уильямс придумала болеутоляющий крем за $1 млрд

Легенда тенниса Серена Уильямс придумала болеутоляющее средство для спортсменов

Forbes
Приемная комиссия Приемная комиссия

Что приобрел Tiggo за годы учебы

Автопилот
Арт-мир, собранный в сумку Арт-мир, собранный в сумку

Новый этап проекта Dior Lady Art

Weekend
«Рождественская звезда»: как ухаживать за пуансеттией — красивейшим растением ярко-красного цвета «Рождественская звезда»: как ухаживать за пуансеттией — красивейшим растением ярко-красного цвета

Пуансеттия — это рождественский кустарник ярко-красного цвета

ТехИнсайдер
Охотница на педофилов: история убийцы Миранды Барбур, которая выдавала себя за подростка Охотница на педофилов: история убийцы Миранды Барбур, которая выдавала себя за подростка

Убийство, совершенное Мирандой Барбур, на первый взгляд выглядело заурядным

VOICE
Снеживиночка и внучка Деда Мороза: что мы знаем о главном женском зимнем персонаже Снеживиночка и внучка Деда Мороза: что мы знаем о главном женском зимнем персонаже

Forbes Woman рассказывает о снегурочке и о других женских зимних персонажах

Forbes
Открыть в приложении