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

Новые пассажиры «Титаника» Новые пассажиры «Титаника»

Когда в 90-х годах упало финансирование науки, институты РАН выживали, как могли

Наука и техника
Целыми днями работаете за компьютером? 8 способов снять усталость и напряжение с глаз Целыми днями работаете за компьютером? 8 способов снять усталость и напряжение с глаз

Как помочь своим глазам пережить рабочий день?

Inc.
Васаби, японский хрен или китайская зелёная горчица Васаби, японский хрен или китайская зелёная горчица

Приправа, о которой многие слышали, но мало кто знает, что это такое

Наука и жизнь
Как не переедать в новогодние праздники Как не переедать в новогодние праздники

Держим себя в форме во время праздников

Maxim
Несчастные южные красавицы: почему ты никогда не захотела бы жить, как Скарлетт О’Хара Несчастные южные красавицы: почему ты никогда не захотела бы жить, как Скарлетт О’Хара

Юг США времен «Унесенных ветром» — рай обетованный?

VOICE
Улыбаемся и машем Улыбаемся и машем

Перед вами сборник рецептов хорошего настроения со всего мира

Men Today
Как основатель купленного X5 Group стартапа создал благотворительную соцсеть Как основатель купленного X5 Group стартапа создал благотворительную соцсеть

Социальная сеть ro: — что в ней такого особенного?

Forbes
Избегайте этих 5 пассивно-агрессивных фраз, которые больше всего раздражают людей Избегайте этих 5 пассивно-агрессивных фраз, которые больше всего раздражают людей

Человек далеко не всегда выражает пассивную агрессию намерено

Inc.
Лучшие новогодние и рождественские хорроры и триллеры Лучшие новогодние и рождественские хорроры и триллеры

Хорроры на тот случай, если 2022 год тебя вообще не напугал

Maxim
Тромбоз Тромбоз

Для формирования тромбов необходимо сочетание трёх факторов

Здоровье
Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре

Происхождение Вселенной всегда волновало людей

Наука и жизнь
Лепят творят малюют Лепят творят малюют

Мечта Уолта Диснея сбылась: анимация превратилась в серьезную индустрию

Men Today
Любовь, преступления и дела семейные: новые турецкие сериалы, от которых невозможно оторваться Любовь, преступления и дела семейные: новые турецкие сериалы, от которых невозможно оторваться

Турецкие сериалы, которые успели занять места в сердцах зрителей

VOICE
Будущее подкрадывается на цыпочках Будущее подкрадывается на цыпочках

Каким предстает наше общее завтра в произведениях фантастов

РБК
Как избавиться от отеков? 6 эффективных лайфхаков Как избавиться от отеков? 6 эффективных лайфхаков

Как убрать лишнюю воду из организма и перестать отекать

Правила жизни
Как выявить чушь в интернете: 10 правил критического мышления Как выявить чушь в интернете: 10 правил критического мышления

Как же правильно проверять информацию в интернете?

Psychologies
Тайны асимметричного мира: почему большинство людей — правши Тайны асимметричного мира: почему большинство людей — правши

Глава из книги «Почему сердце находится слева, а стрелки часов двужутся вправо»

Forbes
Маршрутизация на дому: как настроить роутер? Маршрутизация на дому: как настроить роутер?

Rак настроить роутер, чтобы он раздавал интернет на все устройства в вашей сети

CHIP
История браузера на телефоне: как посмотреть и почистить История браузера на телефоне: как посмотреть и почистить

Как посмотреть историю в самых популярных мобильных браузерах

CHIP
Фёдор Юрчихин: «Надо учиться жить в невесомости» Фёдор Юрчихин: «Надо учиться жить в невесомости»

Российский космонавт об астророботах, экспериментах в невесомости

Maxim
«Надо устроить человеческое житье» «Надо устроить человеческое житье»

О жизни и деятельности выдающегося чиновника Александра Кривошеина

Наука
Ни в какие ворота: самые грубые и неприятные вещи, которые можно сделать в чужом доме (и даже не заметить!) Ни в какие ворота: самые грубые и неприятные вещи, которые можно сделать в чужом доме (и даже не заметить!)

Некоторые правила этикета неочевидны, но все же стоит их усвоить

VOICE
Директор музея архитектуры — о конструктивизме 100 лет назад и сегодня Директор музея архитектуры — о конструктивизме 100 лет назад и сегодня

Почему конструктивизм можно сравнить с фундаментом здания

РБК
Шрек с Уральских гор? Удивительная история рестлера, который, вероятно, стал прообразом знаменитого персонажа Шрек с Уральских гор? Удивительная история рестлера, который, вероятно, стал прообразом знаменитого персонажа

Несмотря на его необычную внешность, его называли "Французский ангел"

ТехИнсайдер
Азиатский fusion Азиатский fusion

Азиатский фьюжн подарил миру немало гастрономических гибридов

Bones
10 самых волнующих археологических находок 2022 года 10 самых волнующих археологических находок 2022 года

10 самых таинственных, интересных и значимых артефактов 2022 года

ТехИнсайдер
Найти под елкой Найти под елкой

Подарки – одна из главных радостей Нового года

Лиза
Спорт, алкоголь и секс: 15 видов скрытого саморазрушения — необычные признания Спорт, алкоголь и секс: 15 видов скрытого саморазрушения — необычные признания

Обычные люди рассказывают о незаметном саморазрушительном поведении

Psychologies
Аттила напал на Рим, спасая свой народ от голода Аттила напал на Рим, спасая свой народ от голода

Аттила повел своих воинов на Рим не за золотом, а за хлебом

ТехИнсайдер
Краткий путеводитель по гангстерским машинам всех времён и народов Краткий путеводитель по гангстерским машинам всех времён и народов

Гангстеры тоже люди, и им тоже нужно на чём-то ездить

4x4 Club
Открыть в приложении