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

Тайна Ивана Павлова Тайна Ивана Павлова

Аспекты научной биографии Ивана Павлова, которые обычно остаются за кадром

Знание – сила
Вот что на самом деле является искусственным интеллектом — вы сильно ошибались на этот счет Вот что на самом деле является искусственным интеллектом — вы сильно ошибались на этот счет

На самом деле настоящий ИИ гораздо менее распространен, чем вы думаете

ТехИнсайдер
Подводные лодки с воздухонезависимыми силовыми установками в российском и советском флоте Подводные лодки с воздухонезависимыми силовыми установками в российском и советском флоте

Подводные лодки с двигателями внутреннего сгорания замкнутого цикла

Наука и техника
Потеря, тревога и стресс: как справиться с сильными переживаниями — 5 проверенных техник Потеря, тревога и стресс: как справиться с сильными переживаниями — 5 проверенных техник

Способы, которые помогают снизить уровень тревожности в трудные времена

Psychologies
Бурлаки и федерация Бурлаки и федерация

Как появилась и почему исчезла ЗСФСР

Наука
Как понять, что вас не слушают: 3 общие фразы — неожиданные выводы ученых Как понять, что вас не слушают: 3 общие фразы — неожиданные выводы ученых

Слушать и слышать — не одно и то же

Psychologies
Как в России появились мандарины и почему они стали атрибутом Нового года? Как в России появились мандарины и почему они стали атрибутом Нового года?

Кто и когда привез мандарины в Россию?

Культура.РФ
Как не выгореть перед новогодними праздниками: 3 совета — прислушайтесь к ним Как не выгореть перед новогодними праздниками: 3 совета — прислушайтесь к ним

Как не перегореть перед праздниками

Psychologies
Эмануэле Поллини: «Здесь сконцентрирована культура всего мира» Эмануэле Поллини: «Здесь сконцентрирована культура всего мира»

Талантливый итальянец с русской душой ворвался на ресторанный рынок Москвы

Bones
Рыбам - каблуки, Ракам - мунбуты: какая обувь Рыбам - каблуки, Ракам - мунбуты: какая обувь

Наш астрологический шоппинг-лист

VOICE
Отчего стареет иммунитет? Отчего стареет иммунитет?

Отчего стареет иммунитет, и можно ли это предотвратить?

Здоровье
«Страх смерти выливается в отрицание покоя»: о чем книга «Водомерка» — прочитайте отрывок «Страх смерти выливается в отрицание покоя»: о чем книга «Водомерка» — прочитайте отрывок

Отрывок из красивого рефлексивного романа «Водомерка»

Psychologies
Возвращение на Пандору: как Джеймс Кэмерон повторяет сам себя в «Аватар: Путь воды» Возвращение на Пандору: как Джеймс Кэмерон повторяет сам себя в «Аватар: Путь воды»

Почему «Аватар: Путь воды» — важнейшее кинособытие за десятилетие

Forbes
Часы вместо компаса Часы вместо компаса

Показываемое часами время связано с положением Солнца

Наука и жизнь
Почему переезд вреден для вас? Ученые дали ответ Почему переезд вреден для вас? Ученые дали ответ

Как переезд сказывается на нашей психике?

ТехИнсайдер
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
«Письмо молодому мне»: трогательное послание футболиста Пеле «Письмо молодому мне»: трогательное послание футболиста Пеле

В 2016 году Пеле написал откровенное послание — самому себе в юности

Psychologies
Свиной грипп: что важно и нужно знать каждому Свиной грипп: что важно и нужно знать каждому

Что такое свиной грипп и как он протекает?

Psychologies
Кофе — спасение от диабета? Удивительные свойства напитка! Кофе — спасение от диабета? Удивительные свойства напитка!

Регулярное употребление кофе может оказаться полезным для женщин

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

Знакомимся с прекрасной половиной российского футбола

Maxim
100 лет назад люди устраивали соревнования по нырянию верхом на лошадях. Но зачем? 100 лет назад люди устраивали соревнования по нырянию верхом на лошадях. Но зачем?

Мало кто слышал о дайвинге с лошадьми. Но мы вам сейчас расскажем!

ТехИнсайдер
Что чувствует ко мне мужчина? Что чувствует ко мне мужчина?

9 способов понять наверняка чувства мужчины к тебе

Лиза
Мыслить стройно: 10 привычек худых людей, о которых знают единицы Мыслить стройно: 10 привычек худых людей, о которых знают единицы

Идеальная фигура — вопрос тренировок, но еще и правильных привычек

ТехИнсайдер
Взгляд тишины: 10 фильмов, которые меняют восприятие мира Взгляд тишины: 10 фильмов, которые меняют восприятие мира

Фильмы, где все подвержено сомнению и изучению

Правила жизни
Врач объяснил, кому нельзя резко бросать пить Врач объяснил, кому нельзя резко бросать пить

Бросать зеленого змия нужно очень аккуратно!

Maxim
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.
Вечнодвижущаяся машина Вечнодвижущаяся машина

Вечный двигатель можно изобрести только в монастыре

Наука
Все без ума от «Уэнсдэй»: как Тим Бертон променял кино на сериалы и заново обрел всеобщую любовь Все без ума от «Уэнсдэй»: как Тим Бертон променял кино на сериалы и заново обрел всеобщую любовь

В чем успех сериала «Уэнсдэй»?

Правила жизни
Оплакать потерю и протанцевать боль: 7 стратегий против любовной тоски Оплакать потерю и протанцевать боль: 7 стратегий против любовной тоски

Попробуйте семь стратегий освобождения и посмотрите в будущее с улыбкой

Psychologies
Шокирующая история: лишь небольшая царапина от домашнего кота довела ребенка до клинической шизофрении Шокирующая история: лишь небольшая царапина от домашнего кота довела ребенка до клинической шизофрении

Какой будет ваша реакция, если ваш ребенок скажет, что он проклятый сын дьявола?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении