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

Плоды эмансипации Плоды эмансипации

Энергия и любознательность сочетались у Дашковой с несносным характером

Дилетант
«Я похудела на 4 кг. Муж доволен!»: Мария Кравченко рассказала, как съемки в сериале сказались на ее личной жизни «Я похудела на 4 кг. Муж доволен!»: Мария Кравченко рассказала, как съемки в сериале сказались на ее личной жизни

Мария Кравченко – о своей роли хозяйки веганского кафе

VOICE
Лучше, чем жизнь Лучше, чем жизнь

Традиционно самыми ресурсоемкими считались спецэффекты для кино

Популярная механика
Самый полезный продукт в быту: 9 гениальных применений жидкости для мытья посуды Самый полезный продукт в быту: 9 гениальных применений жидкости для мытья посуды

Вы и не догадывались, что этот продукт способен отмыть практически все в доме

ТехИнсайдер
«Позволяйте проявлять самостоятельность»: 9 советов родителям детей с сильным характером «Позволяйте проявлять самостоятельность»: 9 советов родителям детей с сильным характером

Важнее всего, чтобы ребенок чувствовал, что вы его понимаете

Psychologies
Зинаида Кириенко: Зинаида Кириенко:

Москва приняла меня со второго раза

Коллекция. Караван историй
Бизнес в гараже: как подросток из США заработал более $1 млн на самодельных слаймах Бизнес в гараже: как подросток из США заработал более $1 млн на самодельных слаймах

Как подростку удалось превратить слайм-лабораторию в гараже в прибыльный бизнес

Forbes
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
На изящном: как итальянский монах-иезуит Джузеппе Кастильоне стал придворным художником в Китае На изящном: как итальянский монах-иезуит Джузеппе Кастильоне стал придворным художником в Китае

Монах Джузеппе Кастильоне создал при китайском дворе около двухсот картин

Правила жизни
На чем ездили легендарные футболисты СССР На чем ездили легендарные футболисты СССР

Вопреки мифам и песням, автомобили советским спортсменам за победы не дарили

Maxim
Создан клеточный «клей» для регенерации тканей, заживления ран и восстановления нервов Создан клеточный «клей» для регенерации тканей, заживления ран и восстановления нервов

Открытие представляет собой важный шаг к созданию регенеративной медицины

ТехИнсайдер
6 признаков того, что наши трудности в карьере и бизнесе связаны с детской историей 6 признаков того, что наши трудности в карьере и бизнесе связаны с детской историей

Как понять, какие темы стоит проработать для достижения успеха в карьере

Psychologies
«Терпеть — это не ваша должностная обязанность» «Терпеть — это не ваша должностная обязанность»

Как выйти из токсичных трудовых отношений (и не потерять работу)

Inc.
7 советов, которые помогут похудеть после 40 лет: хитрости от диетологов 7 советов, которые помогут похудеть после 40 лет: хитрости от диетологов

Простые советы помогут вам сохранить форму в любом возрасте

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
Что ему нужно Что ему нужно

Елена Альшанская рассказывает, чем можно помочь сиротам на самом деле

Новый очаг
Пятнадцать натуральных средств для омоложения Пятнадцать натуральных средств для омоложения

Предотвратить мелкие «возрастные» неприятности можно и без помощи специалистов

Здоровье
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
13 самых глупых ошибок при употреблении алкоголя 13 самых глупых ошибок при употреблении алкоголя

Как пить ответственно

Maxim
Тиран, бухгалтер и принцесса: 7 типов женщин, которые пугают мужчин Тиран, бухгалтер и принцесса: 7 типов женщин, которые пугают мужчин

Какие типы поведения могут отпугнуть вашего партнера?

Psychologies
Сати Спивакова: Искусство должно уметь утешать Сати Спивакова: Искусство должно уметь утешать

Актриса Сати Спивакова — о поиске тем для искусства в новых реалиях

СНОБ
Шутки в сторону: как стендап помогает женщинам говорить о своих правах Шутки в сторону: как стендап помогает женщинам говорить о своих правах

Как женщины по всему миру доказывают, что они умеют шутить

Forbes
Хитрый вопрос о континентах: какой их них самый большой, а какой — самый маленький Хитрый вопрос о континентах: какой их них самый большой, а какой — самый маленький

Сотни миллионов лет назад образовался суперконтинент под названием Пангея

ТехИнсайдер
Как формируется способность к зрелым отношениям: 4 фактора Как формируется способность к зрелым отношениям: 4 фактора

Что развивает в нас способность к зрелым отношениям

Psychologies
Все, что вы могли пропустить: 5 главных фантастических книг 2022 года Все, что вы могли пропустить: 5 главных фантастических книг 2022 года

Самые примечательные книги жанра фантастики, увидевшие свет в этом году

ТехИнсайдер
Messerschmitt KR200. Самолёт рождённый ездить Messerschmitt KR200. Самолёт рождённый ездить

После войны Messerschmitt перешли на изготовление конверсионной продукции

4x4 Club
Наглядный пример: как видят мир кошки и человек Наглядный пример: как видят мир кошки и человек

Задумывались ли вы, как ваш любимый пушистик видит этот мир?

ТехИнсайдер
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
«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
Гены, бактерии и… эволюция Гены, бактерии и… эволюция

Интервью с Петром Сергиевым об исследовании генов

Наука и жизнь
Открыть в приложении