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

Хронология событий Хронология событий

Алжирская война длилась с 1954 по 1962 год, но началось всё гораздо раньше

Дилетант
«Я похудела на 4 кг. Муж доволен!»: Мария Кравченко рассказала, как съемки в сериале сказались на ее личной жизни «Я похудела на 4 кг. Муж доволен!»: Мария Кравченко рассказала, как съемки в сериале сказались на ее личной жизни

Мария Кравченко – о своей роли хозяйки веганского кафе

VOICE
История развития морских беспилотников. Часть 3 История развития морских беспилотников. Часть 3

О создании подводного беспилотника Судного дня и о других морских беспилотниках

Наука и техника
Режиссеры Аарон Мурхед и Джастин Бенсон — о фильме «Сверхъестественное: Знаки» и о забракованных идеях Режиссеры Аарон Мурхед и Джастин Бенсон — о фильме «Сверхъестественное: Знаки» и о забракованных идеях

Режиссеры Аарон Мурхед и Джастин Бенсон — о студийных проектах и DIY-кино

Правила жизни
Россия без мяса. Часть 3. Почему Ленин не любил вегетарианцев Россия без мяса. Часть 3. Почему Ленин не любил вегетарианцев

Из-за чего у вегетарианцев возник конфликт с большевиками

СНОБ
Как правильно установить роутер в квартире: наши советы и рекомендации Как правильно установить роутер в квартире: наши советы и рекомендации

Выбор места для роутера определить качество покрытия Wi-Fi у вас в доме

CHIP
Hip-Hop Rules Luxury Hip-Hop Rules Luxury

Отношения хип-хопа и люкса складывались непросто

Robb Report
Ученые надеются вырастить северного белого носорога из кусочка его кожи Ученые надеются вырастить северного белого носорога из кусочка его кожи

Ученые создали первичные зародышевые клетки из плюрипотентных стволовых клеток

ТехИнсайдер
И корабль не плывет. «Треугольник печали» — главный сатирический фильм года. Но это скорее заслуга года И корабль не плывет. «Треугольник печали» — главный сатирический фильм года. Но это скорее заслуга года

«Треугольник печали» — ехидное кино о круизном лайнере, который идет ко дну

Правила жизни
Как выбрать сковороду в зависимости от твоего поварского стиля Как выбрать сковороду в зависимости от твоего поварского стиля

Без хорошей сковороды мужская кухня немыслима

Maxim
«Слово фюрера в каждый дом» «Слово фюрера в каждый дом»

Главным орудием нацистской пропаганды в Третьем рейхе было радио

Дилетант
5 самых популярных гаджетов 1980-х годов, которые сегодня не встретишь ни у кого 5 самых популярных гаджетов 1980-х годов, которые сегодня не встретишь ни у кого

Какие гаджеты использовали 40 лет назад?

ТехИнсайдер
Тихое искусство негромких обстоятельств Тихое искусство негромких обстоятельств

Почему мы по-разному смотрим на европейских и советских тихих модернистов

Weekend
Как восстановить внутреннее равновесие: 5 быстрых техник — оцените мгновенный результат Как восстановить внутреннее равновесие: 5 быстрых техник — оцените мгновенный результат

Пошаговая инструкция пригодится в те дни, когда все валится из рук

Psychologies
Христианство, ислам, иудаизм, буддизм: как религия помогает пережить кризис — 4 мнения о вере, человеке и смысле Христианство, ислам, иудаизм, буддизм: как религия помогает пережить кризис — 4 мнения о вере, человеке и смысле

Как вера может помочь нам сегодня?

Psychologies
Новые имена славянского фэнтези, которые стоит знать не только поклонникам жанра Новые имена славянского фэнтези, которые стоит знать не только поклонникам жанра

Пять фэнтези циклов, которые прогремели в последние годы

Maxim
Как пенсионер «Автоваза» построил бизнес на производстве электроколясок для инвалидов Как пенсионер «Автоваза» построил бизнес на производстве электроколясок для инвалидов

Свой прибыльный бизнес пенсионер Сергей Перевезенцев называет хобби

Forbes
«Хотите нравиться другим? Почувствуйте свою ценность»: мнение психоаналитика «Хотите нравиться другим? Почувствуйте свою ценность»: мнение психоаналитика

Почему некоторые из нас наделены особым обаянием?

Psychologies
Пожиратель мозга: паразит Naegleria fowleri, питающийся серым веществом нашей черепной коробки Пожиратель мозга: паразит Naegleria fowleri, питающийся серым веществом нашей черепной коробки

Особо опасна: амеба Naegleria fowleri

ТехИнсайдер
«Недельный секс-марафон спас мой брак»: личная история — попробуйте с партнером «Недельный секс-марафон спас мой брак»: личная история — попробуйте с партнером

Может ли секс спасти брак?

Psychologies
Новая книга Стивена Пинкера: «Рациональность. Что это, почему нам ее не хватает и чем она важна» Новая книга Стивена Пинкера: «Рациональность. Что это, почему нам ее не хватает и чем она важна»

Отрывок из книги популяризатора науки Стивена Пинкера о рациональности

СНОБ
6 самых необычных вещей, которые были найдены на местах кораблекрушений 6 самых необычных вещей, которые были найдены на местах кораблекрушений

Морские археологи постоянно находят что-то интересное! Самые необычные находки

ТехИнсайдер
Секс-просвет, мутанты и монархия: 20 сериалов Netflix, которые нужно посмотреть каждому Секс-просвет, мутанты и монархия: 20 сериалов Netflix, которые нужно посмотреть каждому

Оригинальные проекты Netflix, на которые не жалко потратить драгоценное время

Правила жизни
Скажите «А» Скажите «А»

Если глаза – зеркало души, то язык – определенно тела

Grazia
Как устроен арбалет с газовой пружиной: спортивная смекалка Как устроен арбалет с газовой пружиной: спортивная смекалка

Единственный в мире арбалет с газовой пружиной «Кондор»

ТехИнсайдер
Наука забивать: 5 увлекательных биографий великих тренеров по футболу Наука забивать: 5 увлекательных биографий великих тренеров по футболу

Истории тренеров, которые вырастили ни одно поколение звезд футбола

Maxim
Что делать, если пробка от вина или шампанского сломалась: рабочие методы открыть бутылку Что делать, если пробка от вина или шампанского сломалась: рабочие методы открыть бутылку

Как добраться до напитка, если пробка в бутылке крошится и ломается

ТехИнсайдер
Кукла веры Кукла веры

«Пиноккио Гильермо дель Торо»: сказка страшного времени

Weekend
Еще поучусь: 5 признаков синдрома самозванца и как с ними бороться Еще поучусь: 5 признаков синдрома самозванца и как с ними бороться

Как бороться с «самозванцем» и можно ли выиграть с ним борьбу?

Psychologies
Штурманы подземелья Штурманы подземелья

Маркшейдеры — специалисты, знающие, как проложить дорогу под землей

ТехИнсайдер
Открыть в приложении