Rețeaua de transport interplanetar - plan de dezvoltare și operare. Nava spațială în punctele lagrangiene ale sistemului pământ-lună Punctul liber L2

Punctele Lagrange sunt zone dintr-un sistem de două corpuri cosmice cu o masă mare, în care un al treilea corp cu o masă mică poate rămâne nemișcat pe o perioadă lungă de timp în raport cu aceste corpuri.

În știința astronomică, punctele Lagrange sunt numite și puncte de librare (librare din latinescul librātiō - balansare) sau puncte L. Ele au fost descoperite pentru prima dată în 1772 de celebrul matematician francez Joseph Louis Lagrange.

Punctele Lagrange sunt cel mai adesea menționate în rezolvarea problemei cu trei corpuri constrânse. În această problemă, trei corpuri au orbite circulare, dar masa unuia dintre ele este mai mică decât masa oricăruia dintre celelalte două obiecte. Două corpuri mari din acest sistem se învârt în jurul unui centru de masă comun, având o viteză unghiulară constantă. În zona din jurul acestor corpuri există cinci puncte în care un corp a cărui masă este mai mică decât masa oricăruia dintre cele două obiecte mari poate rămâne nemișcat. Acest lucru se întâmplă din cauza faptului că forțele gravitaționale care acționează asupra acestui corp sunt compensate de forțele centrifuge. Aceste cinci puncte se numesc puncte Lagrange.

Punctele Lagrange se află în planul orbitelor corpurilor masive. În astronomia modernă, ele sunt desemnate prin litera latină „L”. De asemenea, în funcție de locația sa, fiecare dintre cele cinci puncte are propriul său număr de serie, care este indicat printr-un index numeric de la 1 la 5. Primele trei puncte Lagrange se numesc coliniare, celelalte două se numesc troiene sau triunghiulare.

Locația celor mai apropiate puncte Lagrange și exemple de puncte

Indiferent de tipul corpurilor cerești masive, punctele Lagrange vor avea întotdeauna aceeași locație în spațiul dintre ele. Primul punct Lagrange se află între două obiecte masive, mai aproape de cel cu masă mai mică. Al doilea punct Lagrange este situat în spatele unui corp mai puțin masiv. Al treilea punct Lagrange este situat la o distanță considerabilă în spatele corpului cu masă mai mare. Locația exactă a acestor trei puncte este calculată folosind formule matematice speciale individual pentru fiecare sistem binar cosmic, ținând cont de caracteristicile sale fizice.

Dacă vorbim despre punctele Lagrange cele mai apropiate de noi, atunci primul punct Lagrange din sistemul Soare-Pământ va fi situat la o distanță de un milion și jumătate de kilometri de planeta noastră. În acest moment, gravitația Soarelui va fi cu două procente mai puternică decât pe orbita planetei noastre, în timp ce reducerea forței centripete necesare va fi la jumătate. Ambele efecte la un punct dat vor fi echilibrate de atracția gravitațională a Pământului.

Primul punct Lagrange din sistemul Pământ-Soare este un punct de observare convenabil pentru steaua noastră principală sistem planetar- Soarele. Aici astronomii caută să plaseze observatoare spațiale pentru a observa această stea. Deci, de exemplu, în 1978, nava spațială ISEE-3, concepută pentru a observa Soarele, a fost situată în apropierea acestui punct. În anii următori, navele spațiale DSCOVR, WIND și ACE au fost lansate în zona acestui punct.

Al doilea și al treilea puncte Lagrange

Gaia, un telescop situat la al doilea punct Lagrange

Al doilea punct Lagrange este situat într-un sistem binar de obiecte masive în spatele unui corp cu masă mai mică. Folosirea acestui punct în știința astronomică modernă se reduce la amplasarea de observatoare și telescoape spațiale în zona sa. În acest moment, nave spațiale precum Herschel, Planck, WMAP și sunt situate în acest punct. În 2018, o altă navă spațială, James Webb, este programată să meargă acolo.

Al treilea punct Lagrange este situat în sistemul binar la o distanță considerabilă în spatele obiectului mai masiv. Dacă vorbim despre sistemul Soare-Pământ, atunci un astfel de punct va fi situat în spatele Soarelui, la o distanță puțin mai mare decât cea la care se află orbita planetei noastre. Acest lucru se datorează faptului că, în ciuda dimensiunilor sale mici, Pământul are încă o influență gravitațională ușoară asupra Soarelui. Sateliții aflați în această regiune a spațiului pot transmite pe Pământ informatii corecte despre Soare, apariția de noi „pete” pe stele și, de asemenea, transmite date despre vremea în spațiu.

Al patrulea și al cincilea puncte Lagrange

Al patrulea și al cincilea punct Lagrange se numesc triunghiular. Dacă, într-un sistem format din două obiecte spațiale masive care se rotesc în jurul unui centru de masă comun, pe baza unei linii care leagă aceste obiecte, desenăm mental două triunghiuri echilaterale, ale căror vârfuri vor corespunde poziției celor două corpuri masive, atunci al patrulea și al cincilea punct Lagrange vor fi situate la al treilea vârf al acestor triunghiuri. Adică se vor afla în planul orbital al celui de-al doilea obiect masiv, la 60 de grade în spatele și în fața acestuia.

Punctele Lagrange triunghiulare mai sunt numite și „puncte troiene”. Al doilea nume al punctelor provine de la asteroizii troieni ai lui Jupiter, care sunt cea mai strălucitoare manifestare vizuală a celui de-al patrulea și al cincilea punct Lagrange din noastre. sistemul solar.

În prezent, al patrulea și al cincilea punct Lagrange din sistemul binar Soare-Pământ nu sunt folosite în niciun fel. În 2010, la al patrulea punct Lagrange al acestui sistem, oamenii de știință au descoperit un asteroid destul de mare. În această etapă, nu sunt observate obiecte spațiale mari în al cincilea punct Lagrange, dar ultimele date ne spun că acolo există o acumulare mare de praf interplanetar.

1. În 2009, două nave spațiale STEREO au zburat prin al patrulea și al cincilea punct Lagrange.
2. Punctele Lagrange sunt adesea folosite în lucrările științifico-fantastice. Adesea, în aceste zone ale spațiului, în jurul sistemelor binare, scriitorii de science fiction își plasează ficțiunea stații spațiale, gropi de gunoi, asteroizi și chiar alte planete.
3. În 2018, oamenii de știință intenționează să plaseze telescopul spațial James Webb în al doilea punct Lagrange din sistemul binar Soare-Pământ. Acest telescop ar trebui să înlocuiască telescopul spațial existent „”, care se află în acest punct. În 2024, oamenii de știință intenționează să plaseze un alt telescop PLATO în acest moment.
4. Primul punct Lagrange din sistemul Lună-Pământ ar putea fi un loc excelent pentru a desfășura o navă spațială cu echipaj. stație orbitală, ceea ce ar putea reduce semnificativ costul resurselor necesare pentru a ajunge de la Pământ la Lună.
5. Cele două telescoape spațiale „Planck” și „Planck”, care au fost lansate în spațiu în 2009, se află în prezent în al doilea punct Lagrange din sistemul Soare-Pământ.

Din partea primelor două corpuri, poate rămâne nemișcat în raport cu aceste corpuri.

Mai exact, punctele Lagrange reprezintă un caz special la rezolvarea așa-zisului restrânsă problema cu trei corpuri- când orbitele tuturor corpurilor sunt circulare și masa unuia dintre ele este mult mai mică decât masa oricăruia dintre celelalte două. În acest caz, putem presupune că două corpuri masive se rotesc în jurul centrului lor comun de masă cu o viteză unghiulară constantă. În spațiul din jurul lor există cinci puncte în care un al treilea corp cu masă neglijabilă poate rămâne nemișcat în cadrul rotativ de referință asociat corpurilor masive. În aceste puncte, forțele gravitaționale care acționează asupra corpului mic sunt echilibrate de forța centrifugă.

Punctele Lagrange și-au primit numele în onoarea matematicianului Joseph Louis Lagrange, care a fost primul care a oferit o soluție unei probleme de matematică în 1772, de la care a urmat existența acestor puncte singulare.

Toate punctele Lagrange se află în planul orbitelor corpurilor masive și sunt desemnate cu litera latină majusculă L cu un indice numeric de la 1 la 5. Primele trei puncte sunt situate pe o linie care trece prin ambele corpuri masive. Aceste puncte Lagrange sunt numite coliniareși sunt desemnate L 1, L 2 și L 3. Punctele L 4 și L 5 sunt numite triunghiulare sau troiene. Punctele L 1, L 2, L 3 sunt puncte de echilibru instabil în punctele L 4 și L 5 echilibrul este stabil.

L 1 este situat între cele două corpuri ale sistemului, mai aproape de corpul mai puțin masiv; L 2 - exterior, în spatele corpului mai puțin masiv; și L 3 - pentru cel mai masiv. Într-un sistem de coordonate cu originea în centrul de masă al sistemului și cu o axă îndreptată de la centrul de masă către un corp mai puțin masiv, coordonatele acestor puncte la o primă aproximare în α sunt calculate folosind următoarele formule:

Punct L 1 se află pe linia dreaptă care leagă două corpuri cu mase M 1 și M 2 (M 1 > M 2), și se află între ele, în apropierea celui de-al doilea corp. Prezența sa se datorează faptului că gravitația corpului M 2 compensează parțial gravitația corpului M 1 . Mai mult, cu cât M2 este mai mare, cu atât acest punct va fi mai departe de acesta.

Punctul lunar L 1(în sistemul Pământ-Lună; la aproximativ 315 mii km distanță de centrul Pământului) ar putea fi un loc ideal pentru construirea unei stații orbitale spațiale cu echipaj, care, situată pe calea dintre Pământ și Lună, ar permite acces ușor la Lună cu un consum minim de combustibil și pentru a deveni un nod cheie în fluxul de marfă dintre Pământ și satelitul său.

Punct L 2 se află pe o linie dreaptă care leagă două corpuri cu mase M 1 și M 2 (M 1 > M 2) și este situat în spatele corpului cu o masă mai mică. Puncte L 1Şi L 2 sunt situate pe aceeași linie și în limita M 1 ≫ M 2 sunt simetrice față de M 2. La punctul L 2 forțele gravitaționale care acționează asupra corpului compensează acțiunea forțelor centrifuge într-un cadru de referință rotativ.

Punct L 2în sistemul Soare-Pământ este un loc ideal pentru construcția de observatoare și telescoape spațiale orbitale. Deoarece obiectul se află într-un punct L 2 capabil să-și mențină orientarea față de Soare și Pământ pentru o lungă perioadă de timp, ecranarea și calibrarea sa devin mult mai ușoare. Totuși, acest punct este situat puțin mai departe decât umbra pământului (în regiunea penumbrei) [aprox. 1], astfel încât radiația solară să nu fie complet blocată. În acest moment (2020), navele spațiale Gaia și Spektr-RG se află pe orbite halo în jurul acestui punct. Anterior, telescoape precum Planck și Herschel funcționau acolo, în viitor, mai multe telescoape sunt planificate să fie trimise acolo, inclusiv James Webb (în 2021).

Punct L 2în sistemul Pământ-Lună, poate fi folosit pentru a furniza comunicații prin satelit cu obiecte din partea îndepărtată a Lunii și, de asemenea, poate fi un loc convenabil pentru a localiza o benzinărie pentru a asigura fluxul de marfă între Pământ și Lună.

Dacă M 2 este mult mai mic ca masă decât M 1, atunci punctele L 1Şi L 2 sunt aproximativ la aceeași distanță r din corpul M 2 egal cu raza sferei Hill:

Punct L 3 se află pe o linie dreaptă care leagă două corpuri cu mase M 1 și M 2 (M 1 > M 2) și este situat în spatele corpului cu o masă mai mare. La fel ca pentru punct L 2, în acest moment forțele gravitaționale compensează acțiunea forțelor centrifuge.

Înainte de începerea erei spațiale, ideea existenței pe partea opusă orbita Pământului într-un punct L 3 o altă planetă asemănătoare ei, numită „Contra-Pământ”, care, datorită locației sale, era inaccesibilă observațiilor directe. Cu toate acestea, de fapt, datorită influenței gravitaționale a altor planete, punctul L 3în sistemul Soare-Pământ este extrem de instabil. Deci, în timpul conjuncțiilor heliocentrice ale Pământului și Venus pe părțile opuse ale Soarelui, care apar la fiecare 20 de luni, Venus este doar 0,3 u.a. din punct L 3și astfel are o influență foarte serioasă asupra locației sale în raport cu orbita pământului. În plus, din cauza dezechilibrului [ clarifica] centrul de greutate al sistemului Soare-Jupiter în raport cu Pământul și elipticitatea orbitei Pământului, așa-numitul „Contra Pământ” ar fi încă disponibil pentru observare din când în când și cu siguranță ar fi observat. Un alt efect care i-ar dezvălui existența ar fi propria sa gravitație: influența unui corp de ordinul a 150 km sau mai mult asupra orbitelor altor planete ar fi remarcabilă. Odată cu apariția capacității de a face observații folosind nave spațiale și sonde, s-a demonstrat în mod fiabil că în acest moment nu există obiecte mai mari de 100 m în dimensiune.

Nave spațiale orbitale și sateliți situati în apropierea punctului L 3, poate monitoriza în mod constant diverse forme de activitate de pe suprafața Soarelui - în special, apariția unor noi pete sau erupții - și poate transmite prompt informații către Pământ (de exemplu, ca parte a sistemului NOAA de avertizare timpurie a vremii spațiale). În plus, informațiile de la astfel de sateliți pot fi folosite pentru a asigura siguranța zborurilor cu echipaj de mare distanță, de exemplu către Marte sau asteroizi. În 2010, au fost studiate mai multe opțiuni pentru lansarea unui astfel de satelit.

Dacă, pe baza unei linii care leagă ambele corpuri ale sistemului, construim două triunghiuri echilaterale, ale căror două vârfuri corespund centrelor corpurilor M 1 și M 2, atunci punctele L 4Şi L 5 va corespunde poziției celor trei vârfuri ale acestor triunghiuri, situate în planul orbital al celui de-al doilea corp la 60 de grade în față și în spatele acestuia.

Prezența acestor puncte și stabilitatea lor ridicată se datorează faptului că, întrucât distanțele până la cele două corpuri în aceste puncte sunt aceleași, forțele de atracție din cele două corpuri masive sunt corelate în aceeași proporție cu masele lor și, astfel, forța rezultată este îndreptată spre centrul de masă al sistemului; în plus, geometria triunghiului de forțe confirmă că accelerația rezultată este legată de distanța până la centrul de masă în aceeași proporție ca și pentru două corpuri masive. Deoarece centrul de masă este și centrul de rotație al sistemului, forța rezultată corespunde exact cu cea necesară pentru a menține corpul în punctul Lagrange în echilibru orbital cu restul sistemului. (De fapt, masa celui de-al treilea corp nu ar trebui să fie neglijabilă). Această configurație triunghiulară a fost descoperită de Lagrange în timp ce lucra la problema celor trei corpuri. Puncte L 4Şi L 5 numit triunghiular(spre deosebire de coliniar).

Numiți și puncte troian: Acest nume vine de la asteroizii troieni ai lui Jupiter, care sunt cel mai izbitor exemplu de manifestare a acestor puncte. Au fost numiți după eroii războiului troian din Iliada lui Homer, cu asteroizii în punct. L 4 obține numele grecilor și la punctul L 5- apărătorii Troiei; de aceea se numesc acum „greci” (sau „ahei”) și „troieni”.

Distanțele de la centrul de masă al sistemului până la aceste puncte dintr-un sistem de coordonate cu centrul de coordonate la centrul de masă al sistemului se calculează folosind următoarele formule:

Corpurile plasate în puncte Lagrange coliniare sunt în echilibru instabil. De exemplu, dacă un obiect în punctul L 1 se mișcă ușor de-a lungul unei linii drepte care leagă două corpuri masive, forța care îl atrage de corpul de care se apropie crește, iar forța de atracție de la celălalt corp, dimpotrivă, scade. Ca rezultat, obiectul se va îndepărta din ce în ce mai mult de poziția sa de echilibru.

Această caracteristică a comportamentului corpurilor din vecinătatea punctului L 1 joacă un rol important în sistemele stelare binare apropiate. Lobii Roche ai componentelor unor astfel de sisteme se ating în punctul L1, prin urmare, atunci când una dintre stele însoțitoare își umple lobul Roche în timpul procesului de evoluție, materia curge de la o stea la alta tocmai prin vecinătatea punctului Lagrange L1.

În ciuda acestui fapt, există orbite închise stabile (într-un sistem de coordonate rotativ) în jurul punctelor de librare coliniare, cel puțin în cazul sarcini de trei tel. Dacă mișcarea este influențată și de alte corpuri (cum se întâmplă în Sistemul Solar), în loc de orbite închise, obiectul se va mișca pe orbite cvasiperiodice în formă de figuri Lissajous. În ciuda instabilității unei astfel de orbite,

Într-un sistem de rotație a două corpuri cosmice de o anumită masă, există puncte în spațiu, unde plasând orice obiect de masă mică, îl puteți fixa într-o poziție staționară față de aceste două corpuri de rotație. Aceste puncte se numesc puncte Lagrange. Articolul va discuta despre modul în care sunt folosite de oameni.

Ce sunt punctele Lagrange?

Pentru a înțelege această problemă, ar trebui să apelăm la soluția la problema a trei corpuri rotative, dintre care două au o astfel de masă încât masa celui de-al treilea corp este neglijabilă în comparație cu ele. În acest caz, este posibil să găsim poziții în spațiu în care câmpurile gravitaționale ale ambelor corpuri masive vor compensa forța centripetă a întregului sistem rotativ. Aceste poziții vor fi puncte Lagrange. Prin plasarea unui corp de masă mică în ele, puteți observa cum distanțele sale față de fiecare dintre cele două corpuri masive nu se schimbă pentru o perioadă de timp. Aici putem face o analogie cu orbita geostaționară, în care satelitul este întotdeauna situat deasupra unui punct de pe suprafața pământului.

Este necesar să lămurim că un corp care se află în punctul Lagrange (numit și punct liber sau punct L), în raport cu un observator extern, se deplasează în jurul fiecăruia dintre cele două corpuri cu o masă mare, dar această mișcare, împreună cu mișcarea celor două corpuri rămase ale sistemului are următorul caracter, că față de fiecare dintre ele al treilea corp este în repaus.

Câte dintre aceste puncte există și unde sunt situate?

Pentru un sistem de rotație a două corpuri cu absolut orice masă, există doar cinci puncte L, care sunt de obicei desemnate L1, L2, L3, L4 și L5. Toate aceste puncte sunt situate în planul de rotație al corpurilor în cauză. Primele trei puncte sunt pe linia care leagă centrele de masă ale celor două corpuri astfel încât L1 să fie situat între corpuri, iar L2 și L3 să fie în spatele fiecăruia dintre corpuri. Punctele L4 și L5 sunt situate astfel încât, dacă conectați fiecare dintre ele cu centrele de masă a două corpuri ale sistemului, veți obține două triunghiuri identice în spațiu. Figura de mai jos arată toate punctele Lagrange Pământ-Soare.

Săgețile albastre și roșii din figură arată direcția de acțiune a forței rezultate la apropierea de punctul liber corespunzător. Din figură se poate observa că ariile punctelor L4 și L5 sunt mult mai mari decât ariile punctelor L1, L2 și L3.

Context istoric

Existența punctelor libere într-un sistem de trei corpuri rotative a fost dovedită pentru prima dată de un matematician italo-francez în 1772. Pentru a face acest lucru, omul de știință a trebuit să introducă câteva ipoteze și să dezvolte propria sa mecanică, diferită de mecanica lui Newton.

Lagrange a calculat punctele L, care au fost numite după el, pentru orbitele circulare ideale de rotație. În realitate, orbitele sunt eliptice. Ultimul fapt duce la faptul că punctele Lagrange nu mai există, dar există regiuni în care un al treilea corp de masă mică realizează o mișcare circulară similară mișcării fiecăruia dintre cele două corpuri masive.

Punctul liber L1

Existența punctului Lagrange L1 este ușor de demonstrat folosind următorul raționament: luăm ca exemplu Soarele și Pământul, conform celei de-a treia legi a lui Kepler, cu cât un corp este mai aproape de stea sa, cu atât perioada de rotație în jurul acestei stele este mai scurtă ( pătratul perioadei de rotație a corpului este direct proporțional cu cubul distanței medii de la corp la stea). Aceasta înseamnă că orice corp care se află între Pământ și Soare va orbita stele mai repede decât planeta noastră.

Cu toate acestea, nu ia în considerare influența gravitației celui de-al doilea corp, adică Pământul. Dacă luăm în considerare acest fapt, putem presupune că, cu cât cel de-al treilea corp cu masă mică este mai aproape de Pământ, cu atât mai puternică va fi contracararea gravitației Pământului față de cea solară. Ca urmare, va exista un punct în care gravitația Pământului va încetini viteza de rotație a celui de-al treilea corp în jurul Soarelui, astfel încât perioadele de rotație ale planetei și ale corpului să fie egale. Acesta va fi punctul liber L1. Distanța până la punctul Lagrange L1 față de Pământ este egală cu 1/100 din raza orbitei planetei în jurul stelei și este de 1,5 milioane km.

Cum se folosește zona L1? Acesta este un loc ideal pentru a observa radiația solară, deoarece nu există niciodată eclipsele de soare. În prezent, există mai mulți sateliți aflați în regiunea L1 care studiază vântul solar. Unul dintre ei este european satelit artificial SOHO.

În ceea ce privește acest punct Lagrange Pământ-Lună, acesta este situat la aproximativ 60.000 km de Lună și este folosit ca punct de „transbordare” în timpul misiunilor navelor spațiale și prin satelit către Lună și înapoi.

Punctul liber L2

Raționând în mod similar cu cazul precedent, putem concluziona că într-un sistem de două corpuri de revoluție, în afara orbitei unui corp cu o masă mai mică, ar trebui să existe o regiune în care scăderea forței centrifuge să fie compensată de gravitația acestui corp. , ceea ce duce la egalizarea perioadelor de rotație a corpului cu o masă mai mică și a celui de-al treilea corp în jurul corpului cu o masă mai mare. Această zonă este un punct liber L2.

Dacă luăm în considerare sistemul Soare-Pământ, atunci până la acest punct Lagrange distanța de la planetă va fi exact aceeași cu punctul L1, adică 1,5 milioane km, doar L2 este situat în spatele Pământului și mai departe de Soare. Deoarece nu există nicio influență în zona L2 radiatia solara Datorită protecției pământului, este folosit pentru observarea Universului, plasând aici diverși sateliți și telescoape.

În sistemul Pământ-Lună, punctul L2 este situat în spate tovarăș natural Pământul la o distanță de 60.000 km. Lunar L2 conține sateliți care sunt folosiți pentru observare reversul Luni.

Puncte libere L3, L4 și L5

Punctul L3 din sistemul Soare-Pământ este situat în spatele stelei, deci nu poate fi observat de pe Pământ. Punctul nu este folosit în niciun fel, deoarece este instabil datorită influenței gravitației altor planete, de exemplu, Venus.

Punctele L4 și L5 sunt regiunile Lagrange cele mai stabile, așa că există asteroizi sau praf cosmic aproape de aproape fiecare planetă. De exemplu, doar praful cosmic există în aceste puncte Lagrange ale Lunii, în timp ce asteroizii troieni sunt localizați la L4 și L5 ale lui Jupiter.

Alte utilizări ale punctelor gratuite

Pe lângă instalarea sateliților și observarea spațiului, punctele Lagrange ale Pământului și ale altor planete pot fi folosite și pentru călătorii în spațiu. Rezultă din teoria că mișcările prin punctele Lagrange planete diferite sunt favorabile din punct de vedere energetic și necesită puțin aport de energie.

Un alt exemplu interesant de utilizare a punctului L1 al Pământului a fost proiectul de fizică al unui școlar ucrainean. El a propus plasarea unui nor de praf de asteroizi în această zonă, care să protejeze Pământul de vântul solar distructiv. Astfel, punctul poate fi folosit pentru a influența clima întregii planete albastre.

Punctele Lagrange sunt numite după faimosul matematician din secolul al XVIII-lea care a descris conceptul Problemei celor trei corpuri în lucrarea sa din 1772. Aceste puncte sunt numite și puncte lagrangiene, precum și puncte de librare.

Dar ce este punctul Lagrange din punct de vedere științific, nu istoric?

Un punct lagrangian este un punct din spațiu în care forțele gravitaționale combinate a două corpuri destul de mari, cum ar fi Pământul și Soarele, sau Pământul și Luna, sunt egale cu forța centrifugă resimțită de un al treilea corp mult mai mic. Ca rezultat al interacțiunii tuturor acestor corpuri, se creează un punct de echilibru unde cosmicul aeronave poate parca și să-și efectueze observațiile.

Cunoaștem cinci astfel de puncte. Trei dintre ele sunt situate de-a lungul unei linii care leagă două obiecte mari. Dacă luăm legătura Pământului cu Soarele, atunci primul punct L1 se află exact între ele. Distanța de la Pământ până la el este de un milion de mile. Din acest punct există întotdeauna o vedere deschisă a Soarelui. Astăzi este complet surprins de „ochii” SOHO - Observatorul Solar și Heliosferă, precum și Observatorul Climei în Spațiul Adînc.

Există și L2, care se află la un milion de mile de Pământ, la fel ca sora sa. Totuși, în direcția opusă față de Soare. La un punct dat, cu Pământul, Soarele și Luna în spate nava spatiala poate obține o viziune perfectă a spațiului adânc.

Astăzi, oamenii de știință măsoară radiația cosmică de fond în această zonă, care a rezultat din big bang. Este planificată mutarea telescopului spațial James Webb în această regiune în 2018.

Un alt punct Lagrange - L3 - este situat în direcția opusă față de Pământ. Ea stă mereu în spatele Soarelui și este ascunsă pentru totdeauna. Apropo, un număr mare de povești științifico-fantastice au spus lumii despre o anumită planetă secretă X, situată exact în acest punct. A existat chiar și un film de la Hollywood, Man from Planet X.

Cu toate acestea, merită remarcat faptul că toate cele trei puncte sunt instabile. Au un echilibru instabil. Cu alte cuvinte, dacă nava spațială s-ar îndrepta către sau departe de Pământ, ar cădea inevitabil fie în Soare, fie pe planeta noastră. Adică ar fi în rolul unui cărucior situat în vârful unui deal foarte abrupt. Așa că navele vor trebui să facă constant ajustări pentru a preveni tragedia.

Este bine că există puncte mai stabile - L4, L5. Stabilitatea lor este comparată cu o minge într-un castron mare. Aceste puncte sunt situate de-a lungul orbitei pământului la șaizeci de grade în spatele și în fața casei noastre. În acest fel, se formează două triunghiuri echilaterale, cu mase mari proeminente ca vârfuri, de exemplu, Pământul sau Soarele.

Deoarece aceste puncte sunt stabile, praful cosmic și asteroizii se acumulează constant în zona lor. Mai mult, asteroizii sunt numiți troieni, deoarece sunt numiți cu următoarele nume: Agamemnon, Ahile, Hector. Sunt situate între Soare și Jupiter. După cum spune NASA, există mii de asteroizi similari, care includ faimosul troian 2010 TK7.

Se crede că L4, L5 sunt excelente pentru organizarea coloniilor acolo. Mai ales datorită faptului că sunt destul de aproape de glob.

Atractivitatea punctelor Lagrange

Departe de căldura soarelui, navele din punctele Lagrange L1 și 2 pot fi suficient de sensibile pentru a utiliza razele infraroșii emise de asteroizi. Mai mult, în acest caz nu ar fi nevoie de răcirea carcasei. Aceste semnale în infraroșu pot fi folosite pentru a ghida direcțiile, evitând calea către Soare. De asemenea, aceste puncte au un randament destul de mare. Viteza de comunicare este mult mai mare decât atunci când utilizați banda Ka. La urma urmei, dacă nava se află pe o orbită heliocentrică (în jurul Soarelui), atunci distanța sa prea mare față de Pământ va avea un efect negativ asupra vitezei de transfer de date.

Indiferent de obiectivul pe care ți-ai propus, indiferent de misiune pe care o plănuiești, unul dintre cele mai mari obstacole în drumul tău în spațiu va fi combustibilul. Evident, este nevoie de o anumită cantitate pentru a părăsi Pământul. Cu cât trebuie scoasă mai multă marfă din atmosferă, cu atât este nevoie de mai mult combustibil. Dar din această cauză, racheta devine și mai grea și toate acestea se transformă în cerc vicios. Acesta este ceea ce ne împiedică să trimitem mai multe stații interplanetare la adrese diferite pe o rachetă - pur și simplu nu există suficient spațiu pentru combustibil. Cu toate acestea, în anii 80 ai secolului trecut, oamenii de știință au găsit o lacună - o modalitate de a călători în jurul sistemului solar folosind aproape deloc combustibil. Se numește Rețeaua de transport interplanetar.

Metode actuale de zbor spațial

Astăzi, deplasarea între obiecte din sistemul solar, de exemplu, călătoria de pe Pământ pe Marte, necesită de obicei un așa-numit zbor cu elipsă Hohmann. Vehiculul de lansare este lansat și apoi accelerat până când este dincolo de orbita lui Marte. Aproape de planeta roșie, racheta încetinește și începe să se rotească în jurul destinației sale. Arde mult combustibil atât pentru accelerare, cât și pentru frânare, dar elipsa Hohmann rămâne una dintre cele mai moduri eficiente deplasarea între două obiecte din spațiu.

Elipsa Hohmann - Arc I - zbor de la Pământ la Venus. Arc II - zbor de la Venus la Marte Arc III - întoarcere de la Marte pe Pământ.

Se folosesc și manevre gravitaționale, care pot fi și mai eficiente. Când le execută, nava spațială accelerează folosind forța gravitațională a unui corp ceresc mare. Creșterea vitezei este foarte semnificativă aproape fără utilizarea combustibilului. Folosim aceste manevre de fiecare dată când trimitem stațiile noastre într-o călătorie lungă de pe Pământ. Cu toate acestea, dacă o navă trebuie să intre pe orbita unei planete după o manevră gravitațională, ea trebuie totuși să încetinească. Bineînțeles, vă amintiți că acest lucru necesită combustibil.

Tocmai de aceea, la sfârșitul secolului trecut, unii oameni de știință au decis să abordeze problema din cealaltă parte. Ei au tratat gravitația nu ca pe o praștie, ci ca pe un peisaj geografic și au formulat ideea unei rețele de transport interplanetar. Trambulinele de intrare și de ieșire în el au fost punctele Lagrange - cinci regiuni din apropierea corpurilor cerești, unde gravitația și forțele de rotație intră în echilibru. Ele există în orice sistem în care un corp se rotește în jurul altuia și, fără pretenții de originalitate, sunt numerotate de la L1 la L5.

Dacă plasăm o navă spațială în punctul Lagrange, aceasta va sta acolo la infinit, deoarece gravitația nu o trage într-o direcție mai mult decât în ​​alta. Cu toate acestea, nu toate aceste puncte sunt create egale, la figurat vorbind. Unele dintre ele sunt stabile - dacă te miști puțin în lateral în timp ce înăuntru, gravitația te va întoarce la locul tău - ca o minge la fundul unei văi de munte. Alte puncte Lagrange sunt instabile - dacă te miști puțin, vei începe să fii purtat de acolo. Obiectele de aici sunt ca o minge pe vârful unui deal - va rămâne acolo dacă este bine plasată sau dacă este ținută acolo, dar chiar și o adiere ușoară este suficientă pentru ca ea să prindă viteză și să se rostogolească în jos.

Dealurile și văile peisajului cosmic

Navele spațiale care zboară în jurul sistemului solar iau în considerare toate aceste „dealuri” și „văi” în timpul zborului și în timpul etapei de planificare a rutei. Cu toate acestea, rețeaua de transport interplanetar îi obligă să lucreze în beneficiul societății. După cum știți deja, fiecare orbită stabilă are cinci puncte Lagrange. Acesta este sistemul Pământ-Lună, și sistemul Soare-Pământ, și sistemele tuturor sateliților lui Saturn cu Saturn însuși... Puteți continua, până la urmă, în sistemul Solar o mulțime de lucruri se învârt în jurul a ceva.

Punctele Lagrange sunt peste tot, chiar dacă își schimbă constant locația specifică în spațiu. Ei urmăresc întotdeauna orbita obiectului mai mic în sistemul de rotație, iar acest lucru creează un peisaj în continuă schimbare de dealuri și văi gravitaționale. Cu alte cuvinte, distribuția forte gravitationaleîn sistemul solar se modifică în timp. Uneori, atracția în anumite coordonate spațiale este îndreptată către Soare, într-un alt moment în timp - către o planetă, și se mai întâmplă ca punctul Lagrange să treacă prin ele, iar în acest loc echilibrul domnește când nimeni nu trage pe nimeni nicăieri.

Metafora dealurilor și văilor ne ajută să vizualizăm mai bine această idee abstractă, așa că o vom mai folosi de câteva ori. Uneori în spațiu se întâmplă ca un deal să treacă pe lângă un alt deal sau o altă vale. Se pot suprapune chiar unul pe altul. Și chiar în acest moment, călătoria în spațiu devine deosebit de eficientă. De exemplu, dacă dealul tău gravitațional se suprapune pe o vale, te poți „rula” în ea. Dacă dealul tău se suprapune cu un alt deal, poți sări din vârf în vârf.

Cum se utilizează rețeaua de transport interplanetar?

Când punctele Lagrange ale diferitelor orbite se apropie unul de celălalt, nu este nevoie de aproape niciun efort pentru a trece de la una la alta. Aceasta înseamnă că, dacă nu vă grăbiți și sunteți gata să așteptați apropierea lor, puteți sări de pe orbită în orbită, de exemplu, de-a lungul rutei Pământ-Marte-Jupiter și dincolo, aproape fără a risipi combustibil. Este ușor de înțeles că aceasta este ideea pe care o folosește Rețeaua de transport interplanetar. Rețeaua de puncte Lagrange, aflată în continuă schimbare, este ca un drum întortocheat, permițându-vă să vă deplasați între orbite cu un consum minim de combustibil.

În comunitatea științifică, aceste mișcări punct la punct sunt numite traiectorii de tranziție cu costuri reduse și au fost deja folosite de mai multe ori în practică. Unul dintre cele mai faimoase exemple este încercarea disperată, dar reușită, de a-i salva pe japonezi statie lunaraîn 1991, când nava spațială avea prea puțin combustibil pentru a-și îndeplini misiunea în mod tradițional. Din păcate, nu putem folosi această tehnică în mod regulat, deoarece se poate aștepta o aliniere favorabilă a punctelor Lagrange pentru decenii, secole și chiar mai mult.

Dar, dacă timpul nu se grăbește, ne putem permite cu ușurință să trimitem o sondă în spațiu, care va aștepta cu calm combinațiile necesare și va colecta informații în restul timpului. După ce a așteptat, va sări pe o altă orbită și va efectua observații în timp ce se află deja pe ea. Această sondă va putea călători în întregul sistem solar pentru o perioadă nelimitată de timp, înregistrând tot ceea ce se întâmplă în vecinătatea sa și adăugând cunoștințe științifice ale civilizației umane. Este clar că acest lucru va fi fundamental diferit de modul în care explorăm spațiul acum, dar această metodă pare promițătoare, inclusiv pentru viitoarele misiuni pe termen lung.