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

Четыре передела русского самореза Четыре передела русского самореза

История всего импортозамещения на примере отдельно взятого производства

Эксперт
Ега-биха и родная речь Ега-биха и родная речь

Рассказ, в котором автор исследует путь блудной родной речи к отчему дому

Grazia
Физико-химические проблемы 3D-печати в строительстве Физико-химические проблемы 3D-печати в строительстве

Дом без единой опечатки

Наука
Нет плохому настроению: 5 способов добавить в жизнь ярких красок Нет плохому настроению: 5 способов добавить в жизнь ярких красок

Как улучшить настроение и получить заряд положительных эмоций — прямо сейчас

Psychologies
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
Валерий Фокин: Валерий Фокин:

Валерий Фокин делится воспоминаниями о начале своей карьеры

Караван историй
Человек-радио. История первого российского радиотехника Человек-радио. История первого российского радиотехника

В первую очередь Александр Попов знаменит тем, что придумал радио

Цифровой океан
Беспилотное путешествие из Петepбургa в Мoскву Беспилотное путешествие из Петepбургa в Мoскву

Из северной столицы по платной трассе М11 выехал автомобиль без водителя

Цифровой океан
«Соглашаясь с ролью любовницы, я потеряла три года»: откровенная история читательницы «Соглашаясь с ролью любовницы, я потеряла три года»: откровенная история читательницы

Любовь слепа и не оставляет нам возможности противостоять чувствам?

Psychologies
Писатель Григорий Служитель — о поисках своего места и счастья Писатель Григорий Служитель — о поисках своего места и счастья

Григорий Служитель — о том, сколько длится счастье и где его искать

РБК
Что мешает осуществить мечту: 8 типичных ошибок и решений Что мешает осуществить мечту: 8 типичных ошибок и решений

Почему намерения и реальность часто не находят точек соприкосновения?

Psychologies
Топ-9 самых полезных напитков после тренировки Топ-9 самых полезных напитков после тренировки

Неожиданно вкусный рейтинг напитков после тренировки

Лиза
Как закончилась Вторая мировая война: все события, которые привели к победе Как закончилась Вторая мировая война: все события, которые привели к победе

Эти ключевые события в конечном итоге привели к завершению Второй мировой войны

TechInsider
5 интересных горнолыжных курортов 5 интересных горнолыжных курортов

Горнолыжные курорты для тех, ком у наскучил Сочи

Лиза
Интимный секрет викторианской эпохи: как дамы в громоздких платьях ходили в туалет Интимный секрет викторианской эпохи: как дамы в громоздких платьях ходили в туалет

Что ж, раскроем главный секрет женской гигиены XIX века

TechInsider
10 неожиданных способов применения пергаментной бумаги - попробуйте хотя бы один из них! 10 неожиданных способов применения пергаментной бумаги - попробуйте хотя бы один из них!

Пергамент для выпечки — незаменимая вещь на кухне. И не только!

TechInsider
Как перестать злиться на бывшего: 3 простых шага — следуйте нашей инструкции Как перестать злиться на бывшего: 3 простых шага — следуйте нашей инструкции

Как научиться контролировать эмоции?

Psychologies
У Tyrannosaurus rex были уникально устроены ноги: они позволяли быстро ускоряться и долго бежать У Tyrannosaurus rex были уникально устроены ноги: они позволяли быстро ускоряться и долго бежать

Тираннозавры могли ускоряться и пробегать на высокой скорости большие расстояния

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

Единственный в мире арбалет с газовой пружиной «Кондор»

TechInsider
Моделирование подтвердило сосуществование двух жидких фаз в переохлажденной воде Моделирование подтвердило сосуществование двух жидких фаз в переохлажденной воде

Переохлажденная вода имеет две жидкие фазы разной плотности

N+1
Возьмут всех, потом разберутся: как Испания принимает стартапы с российскими корнями Возьмут всех, потом разберутся: как Испания принимает стартапы с российскими корнями

В чем особенности испанского венчура

Forbes
Классики и современники. Часть 3 Классики и современники. Часть 3

Как Достоевский, Чехов и Горький звучали в театрах своих современников

Полка
Физики на квантовом компьютере наблюдали поведение червоточины в пространстве-времени Физики на квантовом компьютере наблюдали поведение червоточины в пространстве-времени

Как ведет себя червоточина?

TechInsider
Кофе на альтернативном молоке: дань моде или реальная польза? Ответ вас удивит Кофе на альтернативном молоке: дань моде или реальная польза? Ответ вас удивит

Оправдан ли всеобщий отказ от коровьего молока?

TechInsider
Петр Великий: этих фактов о великом императоре вы точно не найдете в школьных учебниках Петр Великий: этих фактов о великом императоре вы точно не найдете в школьных учебниках

Факты о Петре I, которые не попали в учебники

TechInsider
Девочка, которая в 10 лет стала серийной убийцей: жуткая история Мэри Белл Девочка, которая в 10 лет стала серийной убийцей: жуткая история Мэри Белл

Мэри Флора Белл появилась на свет в 1957 году в бедном районе Ньюкасла

VOICE
Может ли укус кошки убить человека? Ответ вас удивит! Может ли укус кошки убить человека? Ответ вас удивит!

Укус кошки может стать смертельным

TechInsider
Искусство — это работа без причины Искусство — это работа без причины

Марина Акилова и ее дровяная печь анагама для обжига керамики

Seasons of life
8 фэшн-правил, которые нужно нарушить, чтобы быть по-настоящему модной: мнение стилиста 8 фэшн-правил, которые нужно нарушить, чтобы быть по-настоящему модной: мнение стилиста

Развенчаем самые главные стереотипы об одежде

VOICE
Почему не стоит ложиться спать в одежде: вредная привычка, которая портит сон и губит здоровье Почему не стоит ложиться спать в одежде: вредная привычка, которая портит сон и губит здоровье

Спать в одежде вроде бы не очень правильно — но почему?

TechInsider
Открыть в приложении