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

Проповедники убийств Проповедники убийств

Жан-Поль Марат, Максимилиан Робеспьер и Жорж Дантон — идеологи террора

Дилетант
Андрей Деллос Андрей Деллос

Как сделать дворец уютным и нужно ли прививать москвичам привычку есть в музеях

Правила жизни
Будущее батарей близко Будущее батарей близко

Литий-ионные батареи вполне заслужили почетную пенсию

Популярная механика
«Джеймс Уэбб» увидел самые далекие галактики: они возникли через 325 миллионов лет после Большого взрыва «Джеймс Уэбб» увидел самые далекие галактики: они возникли через 325 миллионов лет после Большого взрыва

Так близко к началу Вселенной человечество еще не подходило

ТехИнсайдер
Не только метростроевка с отбойным молотком: какими были образы советских женщин Не только метростроевка с отбойным молотком: какими были образы советских женщин

Какими были женские образы век назад, кем были отрицательные героини пропаганды?

Forbes
6 фраз людей с высоким эмоциональным интеллектом, которые помогут добиться уважения окружающих 6 фраз людей с высоким эмоциональным интеллектом, которые помогут добиться уважения окружающих

К чему люди больше всего стремятся в жизни? К деньгам? К любви? К Безопасности?

Inc.
«У нас все сделано для того, чтобы производить здесь» «У нас все сделано для того, чтобы производить здесь»

Глава OSQ Group Евгений Токаренко — о том, что делать, когда впереди вся жизнь

Эксперт
Загадываешь, а всё без толку: психолог объясняет, какие желания сбываются, а какие — нет Загадываешь, а всё без толку: психолог объясняет, какие желания сбываются, а какие — нет

Как правильно загадывать желания?

VOICE
«Мы в любом случае настроены на собственное производство» «Мы в любом случае настроены на собственное производство»

Текстильная компания «Нордтекс» решила вернуть прядильное производство в Россию

Эксперт
Помидор – новый суперфуд? Низкая калорийность и полезные свойства для твоего здоровья Помидор – новый суперфуд? Низкая калорийность и полезные свойства для твоего здоровья

Обычный помидор вполне может претендовать на звание суперфуда!

VOICE
Как правильно парковаться: 5 простых лайфхаков для водителей. Спорим, вы всегда делали это неправильно! Как правильно парковаться: 5 простых лайфхаков для водителей. Спорим, вы всегда делали это неправильно!

5 полезных лайфхаков, которые помогут справиться с парковкой автомобиля

ТехИнсайдер
Аборты и неравенство зарплат: о чем писала первая французская журналистка Северин Аборты и неравенство зарплат: о чем писала первая французская журналистка Северин

Северин стала ролевой моделью для многих эмансипированных женщин

Forbes
Зимние забавы за пределами земли Зимние забавы за пределами земли

Возможно ли в темноте космоса найти места для катания на коньках?

Наука и жизнь
«Скайфолл». Путешествие в родовое поместье семьи Бонд «Скайфолл». Путешествие в родовое поместье семьи Бонд

Сакральное для любого шотландца место – горная долина Глен Этив

4x4 Club
Как богатые люди превратили балет Парижской оперы в бордель: секс-эксплуатация балерин в XIX веке Как богатые люди превратили балет Парижской оперы в бордель: секс-эксплуатация балерин в XIX веке

Раньше выступления рассматривались как смотрины балерин для богатых людей

ТехИнсайдер
Юрий Мамлеев: «Скитания». Отрывок из романа об эмиграции в США Юрий Мамлеев: «Скитания». Отрывок из романа об эмиграции в США

Отрывок из книги Юрия Мамлеева о поисках своего места в новой жизни

СНОБ
Подсказывают актеры: какие сценические приемы можно использовать на публичных выступлениях Подсказывают актеры: какие сценические приемы можно использовать на публичных выступлениях

Актерские приемы, которые помогают справиться с волнением

Inc.
Анализы для вегетарианцев Анализы для вегетарианцев

Как не навредить себе, перейдя на вегетарианство?

Лиза
Почему дети плохо учатся Почему дети плохо учатся

Как родителям помочь своему ребенку полюбить тот или иной предмет

СНОБ
Своя история Своя история

Квинтэссенция творческого потенциала и дизайнерских предпочтений

SALON-Interior
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
Прогулки по Вселенной и освоение Марса: насколько люди близки к невозможному Прогулки по Вселенной и освоение Марса: насколько люди близки к невозможному

Насколько близко современная наука приблизилась к созданию варп-двигателей

ТехИнсайдер
Что такое гринвошинг и как выбрать по-настоящему экологичную косметику? Что такое гринвошинг и как выбрать по-настоящему экологичную косметику?

Чем опасен гринвошинг в индустрии красоты

Правила жизни
Баку пятого уровня Баку пятого уровня

Вы бывали в Баку?

Robb Report
Боялась, что никто не воспримет всерьез: как Хейли Бибер строит косметический бизнес Боялась, что никто не воспримет всерьез: как Хейли Бибер строит косметический бизнес

Как развивается бренд Хайли Бибер

Forbes
Все без ума от «Уэнсдэй»: как Тим Бертон променял кино на сериалы и заново обрел всеобщую любовь Все без ума от «Уэнсдэй»: как Тим Бертон променял кино на сериалы и заново обрел всеобщую любовь

В чем успех сериала «Уэнсдэй»?

Правила жизни
Повседневное фантазирование: как и зачем мы придумываем другую жизнь — 4 интересных факта Повседневное фантазирование: как и зачем мы придумываем другую жизнь — 4 интересных факта

Что воображает о вас человек, сидящий в метро напротив?

Psychologies
Как провести зимние каникулы без вреда: пять новогодних угроз здоровью Как провести зимние каникулы без вреда: пять новогодних угроз здоровью

С чем наши организмы могут столкнуться в длинные зимние выходные?

ТехИнсайдер
От любви до ненависти: 7 шагов, чтобы сохранить отношения — научные факты От любви до ненависти: 7 шагов, чтобы сохранить отношения — научные факты

Почему наши чувства столь неоднозначны? Как обуздать раздражение?

Psychologies
Скажи им спасибо: кто изобрел посудомойку, стиральную машину и пылесос Скажи им спасибо: кто изобрел посудомойку, стиральную машину и пылесос

Кого благодарить за вымытую посуду, чистый пол и свежую одежду?

VOICE
Открыть в приложении