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

От любви до ненависти и обратно От любви до ненависти и обратно

Советская интеллигенция возмутилась разносами, которые Хрущёв устроил художникам

Дилетант
Пока Земля еще вертится Пока Земля еще вертится

Мария Елисеева — человек, который создал свою планету

Seasons of life
Человеческий фактор Человеческий фактор

Как голландцы спасли свои каналы, а упавший самолет – целый район?

Вокруг света
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
Запах Нового года: 5 простых блюд с мандаринами, которые сможет приготовить даже тот, кто ни разу не стоял у плиты! Запах Нового года: 5 простых блюд с мандаринами, которые сможет приготовить даже тот, кто ни разу не стоял у плиты!

Из мандаринов можно приготовить десерт, коктейль и даже салат!

ТехИнсайдер
Почему мы заводим животных вместо детей Почему мы заводим животных вместо детей

Как не поддаться чрезмерной любви к домашним животным

Psychologies
Свобода или распущенность: почему мат становится частью повседневной лексики Свобода или распущенность: почему мат становится частью повседневной лексики

Как бранные слова могут повлиять на ментальное здоровье?

Psychologies
Как увеличить скорость интернета: 10 способов Как увеличить скорость интернета: 10 способов

Как увеличить скорость интернета через роутер и при прямом подключении к сети

CHIP
Шаолиньская философия изменений: как двигаться вперед — мнение воина-монаха Шаолиньская философия изменений: как двигаться вперед — мнение воина-монаха

Что на самом деле означает «жить настоящим»? Какие в этом есть преимущества?

Psychologies
Своя история Своя история

Квинтэссенция творческого потенциала и дизайнерских предпочтений

SALON-Interior
«Слово фюрера в каждый дом» «Слово фюрера в каждый дом»

Главным орудием нацистской пропаганды в Третьем рейхе было радио

Дилетант
Насколько быстро бегает гепард: сможет ли гончая его обогнать? Насколько быстро бегает гепард: сможет ли гончая его обогнать?

Насколько гепарды быстры и что позволяет им развивать такую скорость?

ТехИнсайдер
Семь китайских клонов, копирующих премиальные автомобили Семь китайских клонов, копирующих премиальные автомобили

Некоторые из наиболее смелых китайских подражателей премиальным авто

4x4 Club
Что значат наши отношения с деньгами: 5 примеров — изучите себя Что значат наши отношения с деньгами: 5 примеров — изучите себя

По тому, как люди относятся к деньгам, можно определить их образ мышления

Psychologies
Основатель Group-IB Илья Сачков — Forbes: «Я намерен строить бизнес только в России» Основатель Group-IB Илья Сачков — Forbes: «Я намерен строить бизнес только в России»

Основатель Group-IB — о своем желании развивать свое дело в родной стране

Forbes
Изменит ли новая технология двигателей космическую индустрию Изменит ли новая технология двигателей космическую индустрию

Инженеры работают над принципиально новым двигателем для космических аппаратов

Forbes
Тут главное – не переборщить Тут главное – не переборщить

9 полезных советов, как подготовиться к застолью

Лиза
Одна вокруг света: каменные «шерстяные мешки» и бразильские ковбои Одна вокруг света: каменные «шерстяные мешки» и бразильские ковбои

196-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко: штат Пиауи

Forbes
Швейцарские ученые: слишком сильная мотивация мешает принимать рациональные решения Швейцарские ученые: слишком сильная мотивация мешает принимать рациональные решения

Точное влияние мотивации на мозг до сих пор неизвестно

Inc.
«Электронная почта» нашего мозга: что нужно знать о памяти «Электронная почта» нашего мозга: что нужно знать о памяти

Что такое память, как она формируется и как научить ее работать на себя?

Psychologies
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
Сладкие эксперименты Сладкие эксперименты

В конфете одинаково важны и вкус, и внешний вид

Bones
Закусывать надо!.. Но правильно Закусывать надо!.. Но правильно

6 продуктов, которые нельзя совмещать с алкоголем

Лиза
Книги Книги

Отношения предпринимателя со своим бизнесом и изнанка неочевидных индустрий

Правила жизни
Воспринимай на слух Воспринимай на слух

10 фраз мужчины, которые сигнализируют, что от него надо бежать без оглядки

Лиза
Житие святой: как экспериментальный байопик оживил панк-икону Янку Дягилеву Житие святой: как экспериментальный байопик оживил панк-икону Янку Дягилеву

«На тебе сошелся клином белый свет» — Янка Дягилева стала нашей современницей

Forbes
Улыбаемся и машем Улыбаемся и машем

Перед вами сборник рецептов хорошего настроения со всего мира

Men Today
Инкубы, жертвоприношения и оргии: что такое сексуальная магия — погрузитесь в историю Инкубы, жертвоприношения и оргии: что такое сексуальная магия — погрузитесь в историю

Как через секс «сливались с богом» средневековые монахи

Psychologies
Вечнодвижущаяся машина Вечнодвижущаяся машина

Вечный двигатель можно изобрести только в монастыре

Наука
Почему атлеты пьют много протеиновых коктейлей: не вредно ли это? Почему атлеты пьют много протеиновых коктейлей: не вредно ли это?

Протеин — просто белок, и которого много пользы при правильном употреблении

ТехИнсайдер
Открыть в приложении