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

Василий Мищенко: «Табаков не отпустил меня сниматься к Михалкову» Василий Мищенко: «Табаков не отпустил меня сниматься к Михалкову»

Василию Мищенко сказали на экзаменах: «По-моему, это сумасшедший, надо брать!»

Коллекция. Караван историй
Салават Салават

Стилист Виктория Чураева запустила собственный бренд The Sxslvt

Собака.ru
Как летает «Кинжал» Как летает «Кинжал»

Что такое аэробаллистическая траектория и в чем ее преимущества

Популярная механика
Все об арбузе: калорийность, БЖУ и диеты Все об арбузе: калорийность, БЖУ и диеты

Эти огромные ягоды полезны для здоровья и фигуры

VOICE
Брюс Уиллис, Санта Клаус и все-все-все. 10 самых новогодних фильмов для всей семьи Брюс Уиллис, Санта Клаус и все-все-все. 10 самых новогодних фильмов для всей семьи

Осторожно — в этой подборке фильмов слишком много рождественского духа!

ТехИнсайдер
Михельсон и пустота: что не так с Домом культуры «ГЭС-2» за $470 млн Михельсон и пустота: что не так с Домом культуры «ГЭС-2» за $470 млн

Почему Дом культуры «ГЭС-2» называют мертворожденным и лишенным смыслов?

Forbes
В гостях у сказки В гостях у сказки

Какие Деды Морозы живут в России

Лиза

Две новые книги по рекомендации литературного критика Анастасии Завозовой

Правила жизни
Одним магом Одним магом

В детстве мы верим в чудеса, повзрослев – надеемся на них

Лиза
Лучшие фантастические и фэнтезийные книги 2022 года Лучшие фантастические и фэнтезийные книги 2022 года

Топ книг 2022 года: фантастика и фэнтези

Maxim
Как уехать от проблем Как уехать от проблем

ТОП-10 автомобильных фильмов 2022 года

Автопилот
Правила жизни Эдуарда Артемьева Правила жизни Эдуарда Артемьева

Жизнь и слова композитора Эдуарда Артемьева

Правила жизни
Неизвестный предок «калаша»: а вы слышали про автомат Фёдорова? Неизвестный предок «калаша»: а вы слышали про автомат Фёдорова?

Почему армия отказалась от перспективной модели автомата и как она создавалась

ТехИнсайдер
Улыбаемся и машем Улыбаемся и машем

Перед вами сборник рецептов хорошего настроения со всего мира

Men Today
Санта-Киллер: история старика, убивавшего женщин, которых не радовало Рождество Санта-Киллер: история старика, убивавшего женщин, которых не радовало Рождество

Благообразный старичок искренне верил, что делает мир лучше

VOICE
Как выбрать по-настоящему теплую зимнюю куртку Как выбрать по-настоящему теплую зимнюю куртку

Исчерпывающий гайд о том, как купить верхнюю одежду на зиму и замерзнуть

Maxim
Продолжение истории о семейных скелетах: визит в провинцию Продолжение истории о семейных скелетах: визит в провинцию

Что делать, если семейные секреты мешают отношениям с детьми

СНОБ
Люди своего круга Люди своего круга

Зачем автомобильному бренду собственная вселенная

Автопилот
5 жутких фотографий, на которые попали призраки. Фотошоп или мистика? 5 жутких фотографий, на которые попали призраки. Фотошоп или мистика?

Этим людям казалось, что они позируют одни

ТехИнсайдер
Почему болит левый бок: эти причины заставят вас насторожиться Почему болит левый бок: эти причины заставят вас насторожиться

Боль в боку — физиологические особенности организма или повод бежать к врачу?

ТехИнсайдер
История о нас: 5 этапов отношений — от слияния к свободе История о нас: 5 этапов отношений — от слияния к свободе

Чувства в паре развиваются по своим законам, уверены эксперты

Psychologies
Как стирать шубу из искусственного меха: базовые правила по уходу, которые сохранят идеальный внешний вид вещи Как стирать шубу из искусственного меха: базовые правила по уходу, которые сохранят идеальный внешний вид вещи

Рассказываем об основных правилах ухода за верхней одеждой из экомеха

ТехИнсайдер
Тромбоз Тромбоз

Для формирования тромбов необходимо сочетание трёх факторов

Здоровье
Рождество и Новый год в разные столетия пахли по-разному? Интересный факт! Рождество и Новый год в разные столетия пахли по-разному? Интересный факт!

Какие запахи ассоциировались с Рождеством и Новым годом в разные эпохи

ТехИнсайдер
Культовые кроссовки, выпуск 6: как Puma Suede были символом борьбы за гражданские права, а стали любимой обувью музыкантов Культовые кроссовки, выпуск 6: как Puma Suede были символом борьбы за гражданские права, а стали любимой обувью музыкантов

О тех самых «суэйдах» — паре, покорившей баскетбольные площадки

Правила жизни
Невероятный артист с двумя головами — Паскуаль Пиион. Вы поразитесь! Невероятный артист с двумя головами — Паскуаль Пиион. Вы поразитесь!

Одна голова — хорошо. А две?

ТехИнсайдер
Повесть о настоящем маленьком человеке Повесть о настоящем маленьком человеке

Гуманизм по Чарльзу Спенсеру Чаплину

Weekend
«Не развращайте детей!»: 5 мифов о половом воспитании «Не развращайте детей!»: 5 мифов о половом воспитании

Развенчиваем мифы и сомнения вокруг полового воспитания

Psychologies
Пьет значит любит Пьет значит любит

События 20-х годов XXI века заставили многих искать успокоения в стакане

Men Today
Кампания для Маска: как в США крупный бизнес участвует в выборах Кампания для Маска: как в США крупный бизнес участвует в выборах

Политолог Ян Веселов — о влиянии крупного бизнеса на выборы в США

Forbes
Открыть в приложении