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

Пять выстрелов в мае Пять выстрелов в мае

Симон Петлюра повернул голову к незнакомцу, и прозвучали пять выстрелов

Дилетант
Снеживиночка и внучка Деда Мороза: что мы знаем о главном женском зимнем персонаже Снеживиночка и внучка Деда Мороза: что мы знаем о главном женском зимнем персонаже

Forbes Woman рассказывает о снегурочке и о других женских зимних персонажах

Forbes
Степени сна Степени сна

Тест-драйв кубика для улучшения качества сна

ТехИнсайдер
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
ИИ в ретейле, музыке, фармакологии: как Армения становится технологичной ИИ в ретейле, музыке, фармакологии: как Армения становится технологичной

Современная Армения — это не только туризм, но и центр высоких технологий

РБК
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
Продолжение истории о том, кто живет в вашей комнате Продолжение истории о том, кто живет в вашей комнате

Как работает теория ближнего и дальнего круга и может ли она помочь семье

СНОБ
Вы — жертва FOMO? 6 способов побороть страх упустить что-то важное Вы — жертва FOMO? 6 способов побороть страх упустить что-то важное

FOMO — как появляется главный страх XXI века?

Psychologies
Рождество с неудачниками и под кипарисами: 10 книг для создания новогодней атмосферы Рождество с неудачниками и под кипарисами: 10 книг для создания новогодней атмосферы

Зимние истории, которые погрузят вас в атмосферу нового года

Forbes
Фудфотография: визуальный стиль ресторана Фудфотография: визуальный стиль ресторана

За 11 лет работы фудфотографом я сталкивалась с совершенно разными проектами

Bones
От шота до хайбола От шота до хайбола

Что же и во что надо наливать?

Лиза
Мужчина на грани нервного срыва: как понять, что близкий находится в депрессии, — 14 признаков Мужчина на грани нервного срыва: как понять, что близкий находится в депрессии, — 14 признаков

Что делать, если ваш близкий человек находится в депрессии?

Psychologies
Как уехать от проблем Как уехать от проблем

ТОП-10 автомобильных фильмов 2022 года

Автопилот
Все будет хорошо. Сююмбике Давлет-Кильдеева — о надежде и правде Все будет хорошо. Сююмбике Давлет-Кильдеева — о надежде и правде

Сююмбике Давлет-Кильдеева — о том, что на самом деле значит «все хорошо»

РБК
Реальные Маугли: 5 жутких историй одичавших детей Реальные Маугли: 5 жутких историй одичавших детей

Истории детей, которые росли вне человеческого общества

ТехИнсайдер
Коротко: почему банки США закрывают отделения с банковскими ячейками Коротко: почему банки США закрывают отделения с банковскими ячейками

Почему банки с ячейками иногда работают в убыток?

VC.RU
5 болезней, от которых спасает алкоголь 5 болезней, от которых спасает алкоголь

Поговорим о положительном воздействии выпивки с точки зрения современной науки

Maxim
Вперед к успеху: 4 шага, чтобы получить от жизни все, — попробуйте прямо сейчас Вперед к успеху: 4 шага, чтобы получить от жизни все, — попробуйте прямо сейчас

Предлагаем маршрут по самосовершенствованию, состоящий из четырех шагов

Psychologies
Георгий Жженов: Георгий Жженов:

Об актере Георгии Жженове рассказывает его дочь Марина Жженова

Коллекция. Караван историй
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
Как не превратить кухню в армию Как не превратить кухню в армию

Как обеспечить сотрудникам комфортные условия труда

Bones
10 автомобилей, которые мог бы выпустить ЗИЛ: нереализованные проекты знаменитого завода 10 автомобилей, которые мог бы выпустить ЗИЛ: нереализованные проекты знаменитого завода

Мы решили вспомнить самые интересные и редкие разработки ЗИЛ

ТехИнсайдер
Пойми меня, если сможешь Пойми меня, если сможешь

Почему мы говорим на одном языке, но часто не понимаем друг друга?

Grazia
Как пить и не пьянеть: простые советы, которые помогут не опозориться на корпоративе Как пить и не пьянеть: простые советы, которые помогут не опозориться на корпоративе

Чтобы пить и не пьянеть, воспользуйтесь этими маленькими хитростями

ТехИнсайдер
От Афродиты до Рубенса: как менялось отношение к женскому телу в искусстве От Афродиты до Рубенса: как менялось отношение к женскому телу в искусстве

Почему нагота то уходила из искусства, то снова возвращалась?

Forbes
Раки: инструкция по применению Раки: инструкция по применению

Как выбрать, приготовить и съесть настоящих донских раков

Bones
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
Как узнать, насколько он с вами искренен: три женских совета оценивают мужчины и эксперт Как узнать, насколько он с вами искренен: три женских совета оценивают мужчины и эксперт

Как узнать о серьезности мужских намерений?

Psychologies
Бес купюр Бес купюр

Художники изобразили, как представляют себе отношения человека и денег

Правила жизни
Как агроном-самоучка вырастил из теплицы на даче семеноводческий комплекс Как агроном-самоучка вырастил из теплицы на даче семеноводческий комплекс

Василий Блокин-Мечталин вдохнул в подмосковную деревню Старое новую жизнь

Forbes
Открыть в приложении