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

Внеземной минерал Внеземной минерал

Как томские геологи изучают редкие минералы

Наука
«Делать инъекции, а не заполнять справки». Как изменились обязанности медицинских сестер в современных поликлиниках «Делать инъекции, а не заполнять справки». Как изменились обязанности медицинских сестер в современных поликлиниках

О цифровизации российских медучреждений и роли медсестры в новых реалиях

СНОБ
Время спать Время спать

Хотите впасть в спячку до весны? Теоретически для этого нет никаких препятствий

ТехИнсайдер
Мэрайя Кэри Мэрайя Кэри

Мэрайя Кэри: «Я чертовски требовательна, потому что заслуживаю этого»

ЖАРА Magazine
Кочевая кузница Кочевая кузница

Путешествие в край шаманов за секретами якутских мастеров

Вокруг света
Муравьи питаются молочком, которое дают муравьиные куколки Муравьи питаются молочком, которое дают муравьиные куколки

Куколки играют важную роль в жизни муравейника. Они дают молоко

ТехИнсайдер
Анатомия робособаки Анатомия робособаки

Выверенная анатомия Spot — продукт не слепой эволюции, а грамотной инженерии

ТехИнсайдер
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.
Закусывать надо!.. Но правильно Закусывать надо!.. Но правильно

6 продуктов, которые нельзя совмещать с алкоголем

Лиза
12 лет на пороге смерти: душераздирающая история мальчика, который всю свою жизнь прожил в пузыре 12 лет на пороге смерти: душераздирающая история мальчика, который всю свою жизнь прожил в пузыре

Дэвид Веттер прожил всю жизнь в стерильном пузыре из-за отсутствия иммунитета

ТехИнсайдер
Как не переедать в новогодние праздники Как не переедать в новогодние праздники

Держим себя в форме во время праздников

Maxim
Все, что вы хотели знать о похмелье, но боялись спросить Все, что вы хотели знать о похмелье, но боялись спросить

Что делать до, во время и после вечеринки, чтобы не было мучительно больно

Правила жизни
Юлия Снигирь и Евгения Добровольская о фильме «Время года зима» и женщинах в кино Юлия Снигирь и Евгения Добровольская о фильме «Время года зима» и женщинах в кино

Юлия Снигирь и Евгения Добровольская — о том, как женщины меняют российское кино

Forbes
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
Он весил 600 кг, но у него была жена. Самый толстый человек в истории Он весил 600 кг, но у него была жена. Самый толстый человек в истории

Джону Миноку повезло однажды сбросить больше 400 кг

ТехИнсайдер
Как очистить кэш на Андроиде: избавляемся от мусора Как очистить кэш на Андроиде: избавляемся от мусора

Рассказываем, как очистить кэш на Андроиде, Самсунг, Сяоми, Редми

CHIP
Сильные духом: 4 шага, чтобы избавиться от негативных мыслей, — попробуйте на себе Сильные духом: 4 шага, чтобы избавиться от негативных мыслей, — попробуйте на себе

Как сделать болезненные воспоминания важной частью своего жизненного опыта?

Psychologies
«Не только храбрая, но и умная»: как 14-летняя Элизабет Шоаф перехитрила маньяка «Не только храбрая, но и умная»: как 14-летняя Элизабет Шоаф перехитрила маньяка

В 2006 году Винсон Филяв жил в самодельном бункере

VOICE
В ногу со временем В ногу со временем

Элегантный и актуальный интерьер в стиле современной классики

SALON-Interior
Найдено многообещающее средство от депрессии. Секрет — в сочетании медикамента и компьютерной программы Найдено многообещающее средство от депрессии. Секрет — в сочетании медикамента и компьютерной программы

Как простые упражнения на компьютере могут помочь в лечении депрессии

Psychologies
Около Погребничко Около Погребничко

Почти каждый вечер в Вознесенском переулке в Москве происходит обыкновенное чудо

Seasons of life
Молекулы скорости Молекулы скорости

В заездах Nanocar Race II принимают участие молекулярные машины

ТехИнсайдер
Что делать, если не хватает света: 5 идей для зимы Что делать, если не хватает света: 5 идей для зимы

Делимся идеями, которые помогут лучше чувствовать зимой

Psychologies
Как быстро избавиться от мозолей на ногах: полное руководство Как быстро избавиться от мозолей на ногах: полное руководство

Как избавиться от мозолей на ногах и снова наслаждаться своей легкой походкой?

ТехИнсайдер
Речь о деталях Речь о деталях

Возможно ли появления российского смартфона в жестоком мире электроники

Правила жизни
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
Юрий Мамлеев: «Скитания». Отрывок из романа об эмиграции в США Юрий Мамлеев: «Скитания». Отрывок из романа об эмиграции в США

Отрывок из книги Юрия Мамлеева о поисках своего места в новой жизни

СНОБ
Даже не говори Даже не говори

Анастасия Красовская рассказала о съемках обнаженной и языке кино

Grazia
Голые люди и искусство: как менялось изображение наготы от эпохи к эпохе Голые люди и искусство: как менялось изображение наготы от эпохи к эпохе

Изображение наготы было важной составляющей искусства на протяжении всей истории

Psychologies
Этим можно улучшить здоровье! Открыты новые полезные свойства йоги Этим можно улучшить здоровье! Открыты новые полезные свойства йоги

Йога и регулярные тренировки поддерживает здоровье определенных органов

ТехИнсайдер
Открыть в приложении