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

Система Юпитера: Бешеная луна Система Юпитера: Бешеная луна

Гигантизм позволил Юпитеру сохранить свою систему регулярных лун в целости

Наука и техника
Никола Фанетти:«Важно уважать землю и море, но никогда не забывать о человеке» Никола Фанетти:«Важно уважать землю и море, но никогда не забывать о человеке»

Николо Фанетти — как в Италии ресторанный бизнес работает с фермерами

Bones
Восстановленному верить Восстановленному верить

Ваш мозг чувствует себя гораздо бодрее только при активном восстановлении

Men’s Health
Как выбрать и подготовить бокалы для шампанского Как выбрать и подготовить бокалы для шампанского

Почему для шампанского нужны специальные бокалы?

Maxim
Приволжский федеральный округ Приволжский федеральный округ

За первую половину 2022-го показатели бизнеса выросли в среднем на 11,5%

Правила жизни
10 главных заповедей красивого и молодого лица: мнение врача 10 главных заповедей красивого и молодого лица: мнение врача

Как избежать раннего появление морщин и неприятных высыпаний на лице

VOICE
Северо-Кавказский федеральный округ Северо-Кавказский федеральный округ

Все чаще звучат планы сделать Северный Кавказ главным туристический регионом

Правила жизни
«Доброе утро, монстр!»: истории об абьюзе и предательсве из кабинета психотерапевта «Доброе утро, монстр!»: истории об абьюзе и предательсве из кабинета психотерапевта

Отрывок из книги Кэтрин Гилдин «Доброе утро, монстр!»

Forbes
Лучшие масла для жарки: советы от экспертов Лучшие масла для жарки: советы от экспертов

Как сделать жареные продукты менее губительными для здоровья?

ТехИнсайдер
Пустыня истории Пустыня истории

Что «Лоуренс Аравийский» объясняет о людях, решивших, что они важнее, чем мир

Weekend
Едим дома Едим дома

Как выбрать подходящий сервис доставки готовой еды

Лиза
Как уйти от абьюзера без последствий: 5 важных правил Как уйти от абьюзера без последствий: 5 важных правил

Как не стать заложником чужой неадекватности и абьюза?

Psychologies
Самый красивый советский маньяк: история Александра Лабуткина, в которого влюблялись жертвы Самый красивый советский маньяк: история Александра Лабуткина, в которого влюблялись жертвы

Самый странный серийный убийца советских времен

VOICE
Отрывок из романа Джеймса Хогга, впервые переведенного на русский Отрывок из романа Джеймса Хогга, впервые переведенного на русский

Отрывок из истории Джеймса Хогга о жестоких преступлений XVII–XVIII веков

СНОБ
Вначале было слово Вначале было слово

Ася Штейн — о том, чему мы можем поучиться у древних греков

Seasons of life
Какие алкогольные напитки пили в СССР на Новый год? Какие алкогольные напитки пили в СССР на Новый год?

Что стояло на столах в советский Новый год

ТехИнсайдер
7 коктейлей с водкой, которые станут главными героями любого праздничного стола 7 коктейлей с водкой, которые станут главными героями любого праздничного стола

Водка — лучшая основа для коктейлей

ТехИнсайдер
«Большая суета» и рассказы от М. Р. Джеймса — книги, с которых стоит начать 2023 год «Большая суета» и рассказы от М. Р. Джеймса — книги, с которых стоит начать 2023 год

Литературный критик рекомендует книги с новогодним настроением

Правила жизни
Как сохранить свои ценности и себя во времена хаоса: 5 шагов Как сохранить свои ценности и себя во времена хаоса: 5 шагов

Как оставаться собой, когда теряются ориентиры?

Psychologies
Из жизни галактик Из жизни галактик

Во Вселенной существует множество галактик, и каждая из них особенная

Наука и жизнь
Пошел в зал — и растолстел: как это работает? Пошел в зал — и растолстел: как это работает?

Рано или поздно каждый мужчина пытается взять штурмом «качалку»

Maxim
Диковинные собрания: 8 музеев с удивительной архитектурой Диковинные собрания: 8 музеев с удивительной архитектурой

Музеи, которые знамениты не только своими коллекциями

Вокруг света
Золото и авокадо Золото и авокадо

Минимализм в современной новостройке

Идеи Вашего Дома
Ее секреты Ее секреты

Регина Тодоренко — о мечтах, страхах, блогерстве и пути в большое кино

OK!
10 случаев, когда режиссер фильма ненавидел первоисточник 10 случаев, когда режиссер фильма ненавидел первоисточник

Некоторые умники берутся экранизировать книги и комиксы, которые ненавидят

Maxim
В предвкушении праздника: делаем новогодние адвент-календари своими руками с минимальными тратами В предвкушении праздника: делаем новогодние адвент-календари своими руками с минимальными тратами

Самодельный адвент-календарь позволит прекрасно провести время с семьей!

ТехИнсайдер
Как мужчины и женщины воспринимают развод: 3 правила выгодных договоренностей Как мужчины и женщины воспринимают развод: 3 правила выгодных договоренностей

Почему мы переживаем развод настолько по-разному?

Psychologies
По своему хотению По своему хотению

Какие существуют современные методы контрацепции?

Лиза
«Мы ни разу не поцеловались»: как вырваться из сети френдзоны «Мы ни разу не поцеловались»: как вырваться из сети френдзоны

Что делать, если вы попали в унылое место под названием «френдзона»?

Psychologies
Себе дороже: кто из богатейших не готов жертвовать состояние на благотворительность Себе дороже: кто из богатейших не готов жертвовать состояние на благотворительность

Кто из богатейших людей мира не подписал «Клятву дарения»?

Forbes
Открыть в приложении