Puncte Lagrange. Perspectivele utilizării lor în activități spațiale. Punctele Lagrange și distanța dintre ele. Punctul Lagrange L1. Utilizarea punctului Lagrange pentru a influența clima Punctele Lagrange: despre ce vorbim

Când Joseph Louis Lagrange lucra la problema a două corpuri masive (o problemă limitată a trei corpuri), el a descoperit că într-un astfel de sistem există 5 puncte cu următoarea proprietate: dacă conțin corpuri de masă neglijabilă (în raport cu corpurile masive). ), atunci aceste corpuri vor fi nemișcate în raport cu acele două corpuri masive. Un punct important: corpurile masive trebuie să se rotească în jurul unui centru de masă comun, dar dacă se odihnesc cumva, atunci toată această teorie nu este aplicabilă aici, acum veți înțelege de ce.

Cel mai de succes exemplu, desigur, este Soarele și Pământul și le vom lua în considerare. Primele trei puncte L1, L2, L3 sunt situate pe linia care leagă centrele de masă ale Pământului și Soarelui.

Punctul L1 este situat între corpuri (mai aproape de Pământ). De ce este acolo? Imaginează-ți că între Pământ și Soare există un mic asteroid care se învârte în jurul Soarelui. De regulă, corpurile din interiorul orbitei Pământului au o frecvență de rotație mai mare decât Pământul (dar nu neapărat). Deci, dacă asteroidul nostru are o frecvență de rotație mai mare, atunci din când în când va zbura pe lângă planeta noastră și va încetini. este în jos cu gravitația sa și, în cele din urmă, frecvența orbitală a asteroidului va deveni aceeași cu cea a Pământului. Dacă frecvența de rotație a Pământului este mai mare, atunci acesta, zburând din când în când pe lângă asteroid, îl va trage împreună cu el și îl va accelera, iar rezultatul este același: frecvențele de rotație ale Pământului și ale asteroidului vor fi egale. Dar acest lucru este posibil numai dacă orbita asteroidului trece prin punctul L1.

Punctul L2 este situat în spatele Pământului. Poate părea că asteroidul nostru imaginar în acest punct ar trebui să fie atras de Pământ și Soare, deoarece se aflau pe aceeași parte a acestuia, dar nu. Nu uitați că sistemul se rotește și, datorită acestui lucru, forța centrifugă care acționează asupra asteroidului este egalată de forțele gravitaționale ale Pământului și ale Soarelui. Corpurile din afara orbitei Pământului au, în general, o frecvență orbitală mai mică decât Pământul (din nou, nu întotdeauna). Deci esența este aceeași: orbita asteroidului trece prin L2 și Pământul, zburând din când în când, trage asteroidul împreună cu el, egalând în cele din urmă frecvența orbitei sale cu a sa.

Punctul L3 este situat în spatele Soarelui. Îți amintești că scriitorii de science fiction aveau ideea că de cealaltă parte a Soarelui era o altă planetă, precum Contra-Pământul? Deci, punctul L3 este aproape acolo, dar puțin mai departe de Soare și nu tocmai pe orbita Pământului, deoarece centrul de masă al sistemului Soare-Pământ nu coincide cu centrul de masă al Soarelui. Cu frecvența de revoluție a asteroidului în punctul L3, totul este evident, ar trebui să fie la fel cu cea a Pământului; dacă este mai mic, asteroidul va cădea în Soare, dacă este mai mare, va zbura. Apropo, acest punct este cel mai instabil; se leagănă din cauza influenței altor planete, în special Venus.

L4 și L5 sunt situate pe o orbită care este puțin mai mare decât cea a Pământului și în felul următor: imaginați-vă că din centrul de masă al sistemului Soare-Pământ am îndreptat un fascicul către Pământ și un alt fascicul, astfel încât unghiul între aceste grinzi era 60 de grade. Și în ambele sensuri, adică în sens invers acelor de ceasornic și în sensul acelor de ceasornic. Deci, pe un astfel de fascicul există L4, iar pe celălalt L5. L4 se va afla în fața Pământului în direcția de mișcare, adică ca și cum ar fi fugit de Pământ, iar L5, în consecință, va ajunge din urmă Pământul. Distanțele de la oricare dintre aceste puncte până la Pământ și la Soare sunt aceleași. Acum, amintindu-ne de legea gravitației universale, observăm că forța gravitației este proporțională cu masa, ceea ce înseamnă că asteroidul nostru din L4 sau L5 va fi atras de Pământ de atâtea ori mai slab cu cât Pământul este mai ușor decât Soarele. Dacă construim vectorii acestor forțe pur geometric, atunci rezultanta lor va fi direcționată exact către baricentrul (centrul de masă al sistemului Soare-Pământ). Soarele și Pământul se rotesc în jurul baricentrului cu aceeași frecvență, iar asteroizii din L4 și L5 se vor roti și ei cu aceeași frecvență. L4 se numește grecii și L5 se numește troienii după asteroizii troieni ai lui Jupiter (mai multe pe Wiki).

Au fost efectuate experimente privind amplasarea navelor spațiale în punctele Lagrange ale sistemului Pământ-Lună?

În ciuda faptului că omenirea știe despre așa-numitele puncte de librare existente în spațiu și proprietățile lor uimitoare de destul de mult timp, acestea au început să fie folosite în scopuri practice abia în al 22-lea an al erei spațiale. Dar mai întâi, să vorbim pe scurt despre punctele miracol în sine.

Ele au fost descoperite pentru prima dată teoretic de Lagrange (al cărui nume îl poartă acum), ca o consecință a rezolvării așa-numitei probleme a trei corpuri. Omul de știință a reușit să determine unde în spațiu pot fi puncte în care rezultanta tuturor forțelor externe devine zero.

Punctele sunt împărțite în stabile și instabile. Cele stabile sunt de obicei desemnate L 4 și L 5 . Ele sunt situate în același plan cu principalele două corpuri cerești (în acest caz, Pământul și Luna), formând împreună cu ele două triunghiuri echilaterale, pentru care sunt adesea numite triunghiulare. Nava spațială poate rămâne în puncte triunghiulare atât timp cât se dorește. Chiar dacă deviază în lateral, forte activeîl va readuce în continuare în poziţia de echilibru. Nava spațială pare să cadă într-o pâlnie gravitațională, ca o minge de biliard într-un buzunar.

Cu toate acestea, așa cum am spus, există și puncte de librare instabile. În ele, nava spațială, dimpotrivă, se află ca pe un munte, fiind stabilă doar în vârful ei. Orice influență externă îl deviere în lateral. A ajunge la un punct Lagrange instabil este extrem de dificil - necesită o navigare ultra-preciză. Prin urmare, dispozitivul trebuie să se miște doar aproape de punctul însuși din așa-numita „orbita halo”, din când în când consumatoare de combustibil pentru a-l menține, deși foarte puțin.

Există trei puncte instabile în sistemul Pământ-Lună. Adesea sunt numite și rectilinii, deoarece sunt situate pe aceeași linie. Unul dintre ele (L 1) este situat între Pământ și Lună, la 58 mii km de aceasta din urmă. Al doilea (L 2) este situat astfel încât să nu fie niciodată vizibil de pe Pământ - se ascunde în spatele Lunii, la 65 de mii de km de aceasta. Ultimul punct (L 3), dimpotrivă, nu este niciodată vizibil de pe Lună, deoarece este blocat de Pământ, de care se află la aproximativ 380 de mii de km distanță.

Deși este mai profitabil să fii în puncte stabile (nu este nevoie să consumi combustibil), navele spațiale s-au familiarizat până acum doar cu cele instabile, sau mai bine zis, doar cu unul dintre ele și chiar și atunci legate de sistemul Soare-Pământ. . Este situat în interiorul acestui sistem, la 1,5 milioane de km de planeta noastră și, ca și punctul dintre Pământ și Lună, este desemnat L 1. Când este privit de pe Pământ, este proiectat direct pe Soare și poate servi drept punct ideal pentru urmărirea lui.

Această oportunitate a fost folosită pentru prima dată de americanul ISEE-3, lansat pe 12 august 1978. Din noiembrie 1978 până în iunie 1982, a fost pe o „orbita halo” în jurul punctului Li, studiind caracteristicile vântului solar. La sfârșitul acestei perioade, el a fost, dar deja redenumit ICE, cel care s-a întâmplat să devină primul cercetător de comete din istorie. Pentru a face acest lucru, dispozitivul a părăsit punctul de librare și, după ce a efectuat mai multe manevre gravitaționale în apropierea Lunii, în 1985 a zburat lângă cometa Giacobini-Zinner. În anul următor, a explorat și cometa Halley, deși doar la abordări îndepărtate.

Următorul vizitator în punctul L 1 al sistemului Soare-Pământ a fost observatorul solar european SOHO, lansat pe 2 decembrie 1995 și, din păcate, recent pierdut din cauza unei erori de control. În timpul muncii ei, s-au obținut destul de multe informații științifice importante și s-au făcut multe descoperiri interesante.

În cele din urmă, cel mai recent aparat lansat până în prezent în vecinătatea L 1 a fost aparatul american ACE, conceput pentru a studia razele cosmice și vântul stelar. El a lansat de pe Pământ pe 25 august anul trecut și în prezent își desfășoară cu succes cercetările.

Ce urmeaza? Există proiecte noi legate de punctele de bibliotecă? Desigur, ele există. Astfel, în SUA a fost acceptată propunerea vicepreședintelui A. Gore pentru o nouă lansare în direcția punctului L 1 al sistemului Soare-Pământ al aparatului științific și educațional „Triana”, supranumit deja „Camera Gore” .

Spre deosebire de predecesorii săi, el va monitoriza nu Soarele, ci Pământul. Planeta noastră din acest punct este întotdeauna vizibilă în fază completă și, prin urmare, este foarte convenabilă pentru observații. Este de așteptat ca imaginile primite de Camera Gora să fie încărcate pe internet aproape în timp real, iar accesul la acestea va fi deschis tuturor.

Există, de asemenea, un proiect rusesc de „librare”. Acesta este dispozitivul Relikt-2, conceput pentru a colecta informații despre radiația cosmică de fond cu microunde. Dacă se găsește finanțare pentru acest proiect, atunci îl așteaptă punctul de librare L 2 din sistemul Pământ-Lună, adică cel care se află ascuns în spatele Lunii.

> Puncte Lagrange

Cum arată și unde să se uite Puncte Lagrangeîn spațiu: istoria descoperirii, sistemul Pământului și Lunii, 5 puncte L ale unui sistem de două corpuri masive, influența gravitației.

Să fim sinceri: suntem blocați pe Pământ. Ar trebui să mulțumim gravitației pentru faptul că nu am fost aruncați în spațiu și putem merge la suprafață. Dar pentru a te elibera, trebuie să aplici o cantitate imensă de energie.

Cu toate acestea, există anumite regiuni din Univers unde sistem inteligent a echilibrat influența gravitațională. Cu abordarea corectă, aceasta poate fi folosită pentru a dezvolta spațiul mai productiv și mai rapid.

Aceste locuri sunt numite Puncte Lagrange(punctele L). Ei și-au primit numele de la Joseph Louis Lagrange, care i-a descris în 1772. De fapt, el a reușit să extindă matematica lui Leonhard Euler. Omul de știință a fost primul care a descoperit trei astfel de puncte, iar Lagrange a anunțat următoarele două.

Puncte Lagrange: Despre ce vorbim?

Când aveți două obiecte masive (de exemplu, Soarele și Pământul), contactul gravitațional al acestora este remarcabil echilibrat în 5 zone specifice. În fiecare dintre ele puteți plasa un satelit care va fi ținut pe loc cu un efort minim.

Cel mai notabil este primul punct Lagrange L1, echilibrat între atracția gravitațională a două obiecte. De exemplu, puteți instala un satelit peste suprafața Lunii. Gravitația pământului îl împinge în Lună, dar și forța satelitului rezistă. Deci dispozitivul nu va trebui să risipească mult combustibil. Este important să înțelegeți că acest punct se află între toate obiectele.

L2 este în linie cu masa, dar pe cealaltă parte. De ce gravitația combinată nu trage satelitul spre Pământ? Totul este despre traiectorii orbitale. Satelitul din punctul L2 va fi situat pe o orbită mai înaltă și rămâne în urmă Pământului, pe măsură ce se mișcă în jurul stelei mai încet. Dar gravitația pământului îl împinge și ajută la ancorarea lui în loc.

Trebuie să căutați L3 pe partea opusă a sistemului. Gravitația dintre obiecte se stabilizează și dispozitivul manevrează cu ușurință. Un astfel de satelit ar fi întotdeauna ascuns de Soare. Este de remarcat faptul că cele trei puncte descrise nu sunt considerate stabile, prin urmare orice satelit se va abate mai devreme sau mai târziu. Deci nu este nimic de făcut acolo fără motoare funcționale.

Există, de asemenea, L4 și L5 situate în fața și în spatele obiectului inferior. Între mase se creează un triunghi echilateral, una dintre laturile căruia va fi L4. Dacă îl întorci cu susul în jos, obții L5.

Ultimele două puncte sunt considerate stabile. Acest lucru este confirmat de asteroizii găsiți pe planete mari precum Jupiter. Aceștia sunt troieni prinși într-o capcană gravitațională între gravitația Soarelui și Jupiter.

Cum să folosești astfel de locuri? Este important să înțelegeți că există multe tipuri de explorare a spațiului. De exemplu, sateliții sunt deja localizați în punctele Pământ-Soare și Pământ-Lună.

Sun-Earth L1 este un loc grozav pentru a găzdui un telescop solar. Dispozitivul s-a apropiat cât mai mult de stea, dar nu a pierdut contactul cu planeta natală.

Ei plănuiesc să plaseze viitorul telescop James Webb în punctul L2 (la 1,5 milioane de km de noi).

Earth-Moon L1 este un punct excelent pentru o stație de realimentare lunară, care vă permite să economisiți la livrarea combustibilului.

Cea mai fantastică idee ar fi să punem stația spațială Ostrov III în L4 și L5, pentru că acolo ar fi absolut stabilă.

Să mulțumim totuși gravitației și interacțiunii sale ciudate cu alte obiecte. La urma urmei, acest lucru vă permite să extindeți modalitățile de explorare a spațiului.

B.V. Bulyubash,
, MSTU im. R.E. Alekseeva, Nijni Novgorod

Puncte Lagrange

În urmă cu aproximativ 400 de ani, astronomii aveau la dispoziție un nou instrument pentru studierea lumii planetelor și stelelor - telescopul Galileo Galilei. A trecut foarte puțin timp și i s-au adăugat legea gravitației universale și cele trei legi ale mecanicii descoperite de Isaac Newton. Dar numai după moartea lui Newton s-au dezvoltat metode matematice care au făcut posibilă utilizarea eficientă a legilor descoperite de el și calcularea cu precizie a traiectoriilor corpurilor cerești. Autorii acestor metode au fost matematicieni francezi. Personajele cheie au fost Pierre Simon Laplace (1749–1827) și Joseph Louis Lagrange (1736–1813). În mare măsură, prin eforturile lor a fost creată o nouă știință - mecanica cerească. Exact așa a numit-o Laplace, pentru care mecanica cerească a devenit baza pentru filosofia determinismului. În special, imaginea unei creaturi ficționale descrisă de Laplace, care, cunoscând vitezele și coordonatele tuturor particulelor din Univers, putea să prezică fără ambiguitate starea sa în orice moment viitor, a devenit cunoscută pe scară largă. Această creatură - „demonul lui Laplace” - a personificat ideea principală a filozofiei determinismului. Iar cea mai bună oră a noii științe a venit pe 23 septembrie 1846, odată cu descoperirea celei de-a opta planete a sistemului solar - Neptun. Astronomul german Johann Halle (1812–1910) a descoperit Neptun exact unde ar fi trebuit să fie, conform calculelor făcute de matematicianul francez Urbain Le Verrier (1811–1877).

Una dintre realizările remarcabile ale mecanicii cerești a fost descoperirea de către Lagrange în 1772 a așa-numitului puncte de librare. Potrivit lui Lagrange, într-un sistem cu două corpuri există un total de cinci puncte (numite de obicei Puncte Lagrange), în care suma forțelor care acționează asupra unui al treilea corp plasat într-un punct (a cărui masă este semnificativ mai mică decât masele celorlalți doi) este egală cu zero. Desigur, vorbim despre un cadru de referință rotativ, în care corpul, pe lângă forțele gravitaționale, va fi acționat și de forța centrifugă de inerție. Prin urmare, în punctul Lagrange, corpul va fi într-o stare de echilibru. În sistemul Soare-Pământ, punctele Lagrange sunt situate după cum urmează. Pe linia dreaptă care leagă Soarele și Pământul, există trei puncte din cinci. Punct L 3 este situat pe partea opusă a orbitei Pământului față de Soare. Punct L 2 este situat pe aceeași parte a Soarelui cu Pământul, dar în ea, spre deosebire L 3, Soarele este acoperit de Pământ. Și punct L 1 este pe linia dreaptă care leagă L 2 și L 3, dar între Pământ și Soare. Puncte L 2 și L 1 este separat de Pământ la aceeași distanță - 1,5 milioane km. Datorită caracteristicilor lor, punctele Lagrange atrag atenția scriitorilor de science fiction. Deci, în cartea „Furtuna solară” de Arthur C. Clarke și Stephen Baxter, este în punctul Lagrange L 1 constructori de spațiu construiesc un ecran uriaș conceput pentru a proteja Pământul de o furtună solară super-puternică.

Celelalte doua puncte sunt L 4 și L 5 sunt pe orbita Pământului, unul este în fața Pământului, celălalt în spate. Aceste două puncte sunt foarte semnificativ diferite de celelalte, deoarece echilibrul corpurilor cerești situate în ele va fi stabil. De aceea, ipoteza este atât de populară în rândul astronomilor încât în ​​vecinătatea punctelor L 4 și L 5 poate conține rămășițele unui nor de gaz și praf din epoca formării planetelor Sistemului Solar, care s-a încheiat cu 4,5 miliarde de ani în urmă.

După ce stațiile interplanetare automate au început să exploreze Sistemul Solar, interesul pentru punctele Lagrange a crescut brusc. Deci, în vecinătatea punctului L 1 navă spațială efectuează cercetări asupra vântului solar NASA: SOHO (Observatorul Solar și Heliosferic)Și Vânt(tradus din engleză – vânt).

Un alt dispozitiv NASA– sonda WMAP (sondă de anizotropie cu microunde Wilkinson)– situat în vecinătatea punctului L 2 și studiază radiația cosmică de fond cu microunde. Către L 2 telescoape spațiale „Planck” și „Herschel” se mișcă; în viitorul apropiat li se va alătura telescopul Webb, care ar trebui să înlocuiască celebrul telescop spațial Hubble. Cât despre puncte L 4 și L 5, apoi 26–27 septembrie 2009 sonde gemene STEREO-AȘi STEREO-B a transmis Pământului numeroase imagini ale proceselor active de pe suprafața Soarelui. Planuri de proiect inițiale STEREO au fost recent extinse semnificativ, iar în prezent se așteaptă ca sondele să fie folosite și pentru a studia vecinătatea punctelor Lagrange pentru prezența asteroizilor acolo. Scopul principal al unei astfel de cercetări este de a testa modele computerizate care prezic prezența asteroizilor în punctele Lagrange „stabile”.

În acest sens, trebuie spus că în a doua jumătate a secolului al XX-lea, când a devenit posibilă rezolvarea numerică a ecuațiilor complexe ale mecanicii cerești pe un computer, imaginea unui sistem solar stabil și previzibil (și odată cu ea filozofia determinism) a devenit în cele din urmă un lucru al trecutului. Modelarea computerizată a arătat că, din cauza inexactității inevitabile în valorile numerice ale vitezelor și coordonatelor planetelor din acest moment timp, există diferențe foarte semnificative în modelele de evoluție ale sistemului solar. Deci, conform unui scenariu, sistemul solar ar putea chiar să piardă una dintre planetele sale în sute de milioane de ani.

În același timp, modelele computerizate oferă o oportunitate unică de a reconstrui evenimentele care au avut loc în epoca îndepărtată a tinereții sistemului solar. Astfel, a devenit cunoscut pe scară largă modelul matematicianului E. Belbruno și al astrofizicianului R. Gotta (Princeton University), conform căruia la unul dintre punctele Lagrange ( L 4 sau L 5) în trecutul îndepărtat s-a format planeta Theia ( Teia). Influența gravitațională a celorlalte planete a forțat-o la un moment dat pe Thea să părăsească punctul Lagrange, să intre pe o traiectorie spre Pământ și, în cele din urmă, să se ciocnească de acesta. Modelul lui Gott și Belbruno concretizează o ipoteză pe care mulți astronomi o împărtășesc. Potrivit acestuia, Luna este formată din material format în urmă cu aproximativ 4 miliarde de ani, după ciocnirea unui obiect spațial de dimensiunea lui Marte cu Pământul. Această ipoteză are însă un punct slab: întrebarea unde s-ar fi putut forma exact un astfel de obiect. Dacă locul nașterii sale ar fi zone ale sistemului solar îndepărtate de Pământ, atunci energia sa ar fi foarte mare și rezultatul coliziunii sale cu Pământul nu ar fi crearea Lunii, ci distrugerea Pământului. În consecință, un astfel de obiect ar fi trebuit să se formeze nu departe de Pământ, iar vecinătatea unuia dintre punctele Lagrange este destul de potrivită pentru aceasta.

Dar, din moment ce evenimentele s-ar putea dezvolta astfel în trecut, ce le împiedică să se repete în viitor? Cu alte cuvinte, nu va crește o altă Theia în vecinătatea punctelor Lagrange? Prof. P. Weigert (University of Western Ontario, Canada) consideră că acest lucru este imposibil, deoarece în sistemul solar în prezent nu există destule particule de praf pentru a forma astfel de obiecte, iar acum 4 miliarde de ani, când planetele s-au format din particule de nori de gaz și praf, situația era fundamental alta. Potrivit lui R. Gott, asteroizii ar putea fi descoperiți în vecinătatea punctelor Lagrange - rămășițele „materialului de construcție” al planetei Theia. Astfel de asteroizi pot deveni un factor de risc semnificativ pentru Pământ. Într-adevăr, influența gravitațională a altor planete (și în primul rând a lui Venus) poate fi suficientă pentru ca asteroidul să părăsească vecinătatea punctului Lagrange și, în acest caz, poate intra într-o traiectorie de coliziune cu Pământul. Ipoteza lui Gott are o preistorie: în 1906, M. Wolf (Germania, 1863–1932) a descoperit asteroizi în punctele Lagrange ale sistemului Soare-Jupiter, primii în afara centurii de asteroizi dintre Marte și Jupiter. Ulterior, mai mult de o mie dintre ele au fost descoperite în vecinătatea punctelor Lagrange ale sistemului Soare-Jupiter. Încercările de a găsi asteroizi în apropierea altor planete din sistemul solar nu au avut un succes atât de mare. Aparent, încă nu sunt aproape de Saturn și abia în ultimul deceniu au fost descoperite lângă Neptun. Din acest motiv, este destul de firesc ca problema prezenței sau absenței asteroizilor în punctele Lagrange ale sistemului Pământ-Soare să fie de mare îngrijorare pentru astronomii moderni.

P. Weigert, folosind un telescop pe Mauna Kea (Hawaii, SUA), a încercat deja la începutul anilor '90. secolul XX găsiți acești asteroizi. Observațiile sale au fost meticuloase, dar nu au adus succes. Relativ recent, au fost lansate programe de căutare automată pentru asteroizi, în special Proiectul Lincoln pentru a căuta asteroizi în apropierea Pământului. (Proiectul Lincoln Near Earth Asteroid Research). Cu toate acestea, încă nu au dat niciun rezultat.

Se presupune că sondele STEREO va aduce astfel de căutări la un nivel fundamental diferit de precizie. Zborul sondelor peste vecinătatea punctelor Lagrange a fost planificat chiar la începutul proiectului, iar după ce programul de căutare de asteroizi a fost inclus în proiect, s-a discutat chiar și posibilitatea de a le lăsa pentru totdeauna în vecinătatea acestor puncte.

Calculele, însă, au arătat că oprirea sondelor ar necesita un consum prea mare de combustibil. Având în vedere această împrejurare, managerii de proiect STEREO Ne-am hotărât pe varianta zborului lent al acestor zone din spațiu. Acest lucru va dura luni de zile. La bordul sondelor sunt amplasate înregistratoare heliosferice și, cu ajutorul lor, vor fi căutați asteroizii. Chiar și așa, sarcina rămâne foarte dificilă, deoarece în imaginile viitoare asteroizii vor fi doar puncte care se mișcă pe un fundal de mii de stele. Manageri de proiect STEREO conta pe asistența activă în căutare din partea astronomilor amatori care vor vizualiza imaginile rezultate pe internet.

Experții sunt foarte îngrijorați de siguranța mișcării sondelor în vecinătatea punctelor Lagrange. Într-adevăr, coliziunile cu „particulele de praf” (care pot avea dimensiuni destul de mari) pot deteriora sondele. În zborul lor sondele STEREO au întâlnit deja în mod repetat particule de praf - de la o dată la câteva mii pe zi.

Principala intriga a observațiilor viitoare este incertitudinea completă a întrebării câți asteroizi ar trebui să „vadă” sondele. STEREO(dacă o văd deloc). Noile modele computerizate nu au făcut situația mai previzibilă: din acestea rezultă că influența gravitațională a lui Venus nu poate doar „trage” asteroizii din punctele Lagrange, ci și contribuie la mișcarea asteroizilor către aceste puncte. Numărul total de asteroizi din vecinătatea punctelor Lagrange nu este foarte mare („nu vorbim despre sute”), iar dimensiunile lor liniare sunt de două ordine de mărime dimensiuni mai mici asteroizi din centura dintre Marte și Jupiter. Se vor confirma previziunile lui? A mai ramas doar putin timp de asteptat...

Pe baza materialelor articolului (tradus din engleză)
S. Clark. Trăind în imponderabilitate //New Scientist. 21 februarie 2009

Care sunt aceste „puncte”, de ce sunt atractive în proiectele spațiale și există vreo practică de a le folosi? Colegiul editorial al portalului Planet Queen a adresat aceste întrebări doctorului în științe tehnice Yuri Petrovici Ulybyshev.

Interviul este condus de Oleg Nikolaevich Volkov, șef adjunct al proiectului „Marele Început”.

Volkov O.N.: Invitat al portalului de internet „Planet Korolev” este șeful adjunct al Centrului științific și tehnic al Corporației Rachete și Spațiale Energia, șeful Departamentului de balistică spațială, doctor în științe tehnice Yuri Petrovici Ulybyshev. Yuri Petrovici, bună seara!

.: Bună ziua.

V.: Existența sistemelor cu echipaj uman pe orbita joasă a Pământului nu este o noutate. Acesta este un lucru comun, familiar. ÎN În ultima vreme Comunitatea spațială internațională își arată interesul pentru alte proiecte spațiale în care este planificată amplasarea unor complexe spațiale, inclusiv cele cu echipaj, în așa-numitele puncte Lagrange. Printre acestea se numără un proiect pentru stații spațiale vizitate, un proiect pentru stații amplasate să caute asteroizi periculoși și să monitorizeze Luna.

Ce sunt punctele Lagrange? Care este esența lor din punctul de vedere al mecanicii cerești? Care este istoria cercetărilor teoretice pe această problemă? Care sunt principalele rezultate ale cercetării?

U.: În sistemul nostru solar există un număr mare de efecte naturale asociate cu mișcarea Pământului, Lunii și planetelor. Acestea includ așa-numitele puncte Lagrange. În literatura științifică, ele sunt adesea numite chiar puncte de librare. Pentru a explica esența fizică a acestui fenomen, să luăm în considerare mai întâi un sistem simplu. Există un Pământ, iar Luna zboară în jurul lui pe o orbită circulară. Nu există nimic altceva în natură. Aceasta este așa-numita problemă limitată a trei corpuri. Și în această problemă vom lua în considerare nava spațială și posibila ei mișcare.

Primul lucru care îmi vine în minte este: ce se va întâmpla dacă nava spațială este situată pe linia care leagă Pământul și Luna. Dacă ne deplasăm pe această linie, atunci avem două accelerații gravitaționale: atracția Pământului, atracția Lunii și, în plus, există accelerație centripetă datorită faptului că această linie se rotește constant. Este evident că la un moment dat toate aceste trei accelerații, datorită faptului că sunt multidirecționale și se află pe aceeași linie, pot deveni zero, adică. acesta va fi punctul de echilibru. Acest punct se numește punctul Lagrange sau punctul de librare. De fapt, există cinci astfel de puncte: trei dintre ele sunt pe linia rotativă care leagă Pământul și Luna, se numesc puncte de librare coliniare. Primul, despre care am discutat, este desemnat L 1, al doilea este în spatele Lunii- L 2 și al treilea punct coliniar- L 3 este situat pe partea opusă a Pământului în raport cu Luna. Acestea. pe această linie, dar în sens invers. Acestea sunt primele trei puncte.

Mai sunt două puncte care sunt situate pe ambele părți în afara acestei linii. Se numesc puncte de librare triunghiulare. Toate aceste puncte sunt prezentate în această figură (Fig. 1). Aceasta este o imagine atât de idealizată.

Fig.1.

Acum, dacă plasăm o navă spațială în oricare dintre aceste puncte, atunci în cadrul unui sistem atât de simplu va rămâne întotdeauna acolo. Dacă ne abatem puțin de la aceste puncte, atunci în vecinătatea lor pot exista orbite periodice, ele se mai numesc și orbite halo (vezi Fig. 2), iar nava spațială se va putea deplasa în jurul acestui punct pe orbite atât de ciudate. Dacă vorbim de puncte de librare L 1, L 2 sisteme Pământ - Lună, atunci perioada de mișcare de-a lungul acestor orbite va fi de aproximativ 12 - 14 zile și pot fi alese în moduri complet diferite.

Fig.2.

De fapt, dacă ne întoarcem la viata realași luați în considerare această problemă în formula sa exactă, atunci totul se va dovedi a fi mult mai complicat. Acestea. o navă spațială nu poate rămâne pe o astfel de orbită o perioadă foarte lungă de timp, mai mult de, să zicem, o perioadă și nu poate rămâne în ea, datorită faptului că:

În primul rând, orbita Lunii în jurul Pământului nu este circulară – este ușor eliptică;

În plus, nava spațială va fi afectată de gravitația Soarelui și de presiunea luminii solare.

Drept urmare, nava spațială nu va putea rămâne pe o astfel de orbită. Prin urmare, din punctul de vedere al implementării zborului spațial pe astfel de orbite, este necesară lansarea navei spațiale pe orbita halo corespunzătoare și apoi efectuarea periodică a manevrelor de menținere a acesteia.

După standardele zborurilor interplanetare, costurile cu combustibilul pentru menținerea unor astfel de orbite sunt destul de mici, nu mai mult de 50 - 80 m/sec pe an. Pentru comparație, pot spune că menținerea orbitei unui satelit geostaționar pe an este de asemenea de 50 m/sec. Acolo menținem satelitul geostaționar lângă un punct fix - această sarcină este mult mai simplă. Aici trebuie să menținem nava spațială în vecinătatea unei astfel de orbite halo. În principiu, această sarcină este practic fezabilă. Mai mult, poate fi implementat folosind motoare cu tracțiune redusă, iar fiecare manevră este o fracțiune de metru sau o unitate de m/sec. Acest lucru sugerează posibilitatea de a folosi orbite în vecinătatea acestor puncte pentru zboruri spațiale, inclusiv cele cu echipaj.

Acum, din punct de vedere, de ce sunt benefice și de ce sunt interesante, în special, pentru astronautica practică?

Dacă vă amintiți cu toții, proiectul american " APOLLO „, care a folosit o orbită lunară de pe care vehiculul a coborât, a aterizat pe suprafața Lunii, după un timp a revenit pe orbita lunii și apoi a zburat spre Pământ. Orbitele circumlunare prezintă un anumit interes, dar nu sunt întotdeauna convenabile pentru astronauticii cu echipaj. Este posibil să avem diverse situații de urgență, în plus, este firesc să ne dorim să studiem Luna nu numai în vecinătatea unei anumite zone, ci în general să studiem întreaga Lună. Drept urmare, se dovedește că utilizarea orbitelor lunare este asociată cu o serie de limitări. Restricțiile sunt impuse la datele de lansare și la datele de întoarcere de pe orbita lunară. Parametrii orbitelor lunare pot depinde de energia disponibilă. De exemplu, regiunile polare pot fi inaccesibile. Dar probabil cel mai important argument în favoarea stațiilor spațiale din vecinătatea punctelor de librare este că:

În primul rând, putem lansa de pe Pământ în orice moment;

Dacă stația se află în punctul de librare, iar astronauții trebuie să zboare către Lună, ei pot zbura din punctul de librare, sau mai degrabă de pe orbita haloului, către orice punct de pe suprafața Lunii;

Acum, când echipajul a sosit: din punctul de vedere al astronauticii cu echipaj, este foarte important să se asigure posibilitatea unei reveniri rapide a echipajului în cazul oricăror situații de urgență, îmbolnăvire a membrilor echipajului etc. Dacă vorbim despre orbita lunară, ar putea fi nevoie să așteptăm, să zicem, 2 săptămâni pentru momentul lansării, dar aici putem lansa oricând - de la Lună la stația de la punctul de librare și apoi la Pământ, sau, în principiu, direct către Pământ. Astfel de avantaje sunt destul de clar vizibile.

Opțiuni disponibile: L1 sau L2. Există anumite diferențe. După cum știți, Luna ne înfruntă întotdeauna cu aceeași parte, adică. Perioada propriei rotații este egală cu perioada mișcării sale în jurul Pământului. Drept urmare, partea îndepărtată a Lunii nu este niciodată vizibilă de pe Pământ. În acest caz, puteți alege o orbită halo, astfel încât să fie întotdeauna în linia de vedere cu Pământul și să poată efectua comunicații, observații și alte experimente legate de partea îndepărtată a Lunii. Astfel, stațiile spațiale situate fie în punctul L1, fie în punctul L2 pot avea anumite avantaje pentru zborul spațial cu echipaj. În plus, este interesant că între orbitele halo ale punctelor L1 sau L2 este posibil să se efectueze un așa-numit zbor cu energie joasă, literalmente 10 m/sec, și vom zbura de pe o orbită halo pe alta.

V.: Yuri Petrovici, am o întrebare: punctul L1 este situat pe linia dintre Lună și Pământ și, după cum am înțeles, din punctul de vedere al asigurării comunicării între stația spațială și Pământ, este mai convenabil. Ai spus că L2, punctul care se află în spatele Lunii, este de asemenea de interes pentru astronautica practică. Cum se asigură comunicarea cu Pământul dacă stația este situată în punctul L2?

U.: Orice stație, fiind pe orbită în vecinătatea punctului L1, are posibilitatea de comunicare continuă cu Pământul, orice orbită halo. Pentru punctul L2 este ceva mai complicat. Acest lucru se datorează faptului că stația spațială, atunci când se mișcă pe o orbită halo, poate apărea în relație cu Pământul, așa cum ar fi, în umbra Lunii, iar comunicarea este atunci imposibilă. Dar este posibil să se construiască o orbită halo care va putea întotdeauna să comunice cu Pământul. Aceasta este o orbită special aleasă.

Î: Este ușor de făcut?

U.: Da, se poate face și, din moment ce nimic nu se poate face gratuit, va necesita un consum de combustibil ceva mai mare. Să zicem, în loc de 50 m/sec va fi 100 m/sec. Aceasta nu este probabil cea mai critică întrebare.

V.: Încă o întrebare clarificatoare. Ai spus că este ușor din punct de vedere energetic să zbori din punctul L1 în punctul L2 și înapoi. Înțeleg corect că nu are sens să creez două stații în zona Lunii, dar este suficient să ai o stație care se deplasează cu ușurință energetic în alt punct?

U.: Da, apropo, partenerii noștri din stația spațială internațională oferă una dintre opțiunile pentru a discuta despre dezvoltarea proiectului ISS sub forma unei stații spațiale cu posibilitatea de a zbura din punctul L1 în punctul L2 și înapoi. Acest lucru este destul de fezabil și previzibil în ceea ce privește timpul de zbor (să zicem, 2 săptămâni) și poate fi folosit pentru astronautică cu echipaj.

De asemenea, am vrut să spun că, în practică, zborurile pe orbite halo au fost implementate în prezent de americani conform proiectului. ARTEMIS . Asta e acum 2-3 ani. Acolo, două nave spațiale au zburat în vecinătatea punctelor L1 și L2 menținând orbitele corespunzătoare. Un vehicul a zburat din punctul L2 în punctul L1. Toată această tehnologie a fost implementată în practică. Desigur, am vrut să o facem.

V.: Ei bine, mai avem totul înainte. Yuri Petrovici, următoarea întrebare. După cum am înțeles din raționamentul tău, orice sistem cosmic format din două planete are puncte Lagrange sau puncte de librare. Există astfel de puncte pentru sistemul Soare-Pământ și care este atractivitatea acestor puncte?

U.: Da, desigur, absolut corect. Există, de asemenea, puncte de librare în sistemul Pământ-Soare. De asemenea, sunt cinci. Spre deosebire de punctele de librare cislunar, zborul în acele puncte poate fi atractiv pentru sarcini complet diferite. În mod specific, punctele L1 și L2 sunt de cel mai mare interes. Acestea. punctul L1 în direcția de la Pământ la Soare și punctul L2 în direcția opusă pe linia care leagă Pământul și Soarele.

Așadar, primul zbor către punctul L1 din sistemul Soare-Pământ a fost efectuat în 1978. De atunci, au fost efectuate mai multe misiuni spațiale. Tema principală a unor astfel de proiecte a fost legată de observarea Soarelui: vântul solar, activitatea solară, printre altele. Există sisteme care folosesc avertismente despre unele procese active asupra Soarelui care afectează Pământul: clima noastră, bunăstarea oamenilor etc. Despre aceasta este punctul L1. Este de interes în primul rând pentru omenire pentru posibilitatea de a observa Soarele, activitatea lui și procesele care au loc pe Soare.

Acum punctul L2. Punctul L2 este, de asemenea, interesant, în primul rând pentru astrofizică. Și acest lucru se datorează faptului că o navă spațială situată în vecinătatea acestui punct poate folosi, de exemplu, un radiotelescop, care va fi protejat de radiațiile de la Soare. Acesta va fi îndreptat opus față de Pământ și Soare și poate permite mai multe observații pur astrofizice. Nu sunt zgomotoase de la Soare sau de la orice radiație reflectată de Pământ. Și este, de asemenea, interesant, pentru că... Ne deplasăm în jurul Soarelui, făcând o revoluție completă în 365 de zile, apoi cu un astfel de radiotelescop putem vedea orice direcție a universului. Există și astfel de proiecte. Chiar acum, la Institutul de Fizică al Academiei Ruse de Științe, dezvoltăm un astfel de proiect, „Millimetron”. Și în acest moment au fost implementate o serie de misiuni, iar navele spațiale zboară.

Î: Yuri Petrovici, din punctul de vedere al căutării asteroizilor periculoși care pot amenința Pământul, în ce moment ar trebui amplasate navele spațiale astfel încât să monitorizeze asteroizii periculoși?

U.: De fapt, mi se pare că nu există un răspuns atât de direct și evident la această întrebare. De ce? Deoarece asteroizii în mișcare în raport cu sistemul solar par să fie grupați într-un număr de familii, au orbite complet diferite și, în opinia mea, este posibil să plasezi un dispozitiv pentru un tip de asteroid în punctul circumlunar. De asemenea, puteți privi ceea ce privește punctele de librare ale sistemului Soare-Pământ. Dar mi se pare dificil să dau un răspuns atât de evident, direct: „un astfel de punct într-un astfel de sistem”. Dar, în principiu, punctele de librare ar putea fi atractive pentru protejarea Pământului.

V.: Am înțeles bine, sistemul solar are mult mai multe locuri interesante, nu doar Pământul – Luna, Pământul – Soarele. Ce alte locuri interesante? sistem solar poate fi folosit în proiecte spațiale?

U.: Cert este că în sistemul solar în forma în care există, pe lângă efectul asociat cu punctele de librare, există o serie de astfel de efecte asociate cu mișcarea reciprocă a corpurilor din sistemul solar: Pământul, planete etc. d. Aici, în Rusia, din păcate, nu cunosc nicio lucrare pe această temă, dar, în primul rând, americanii și europenii au descoperit că există așa-zise zboruri cu energie joasă în sistemul solar (mai mult, aceste studii sunt destul de complexe). în matematică în ceea ce privește funcționarea și în termeni de calcul - necesită supercalculatoare mari de calcul).

Aici, de exemplu, ne întoarcem la punctul L1 al sistemului Pământ – Lună. În raport cu acest punct, este posibil să se construiască (acest lucru este atractiv pentru vehiculele automate) zboruri în întregul sistem solar, dând mici, după standardele zborurilor interplanetare, impulsuri de ordinul a câteva sute de m/sec. Și atunci această navă spațială va începe să se miște încet. În acest caz, este posibil să construiți o traiectorie în așa fel încât să ocolească un număr de planete.

Spre deosebire de zborurile interplanetare directe, acesta va fi un proces lung. Prin urmare, nu este foarte potrivit pentru zborul spațial cu echipaj. Iar pentru dispozitivele automate poate fi foarte atractiv.

Aici în imagine (Fig. 3) este prezentată o ilustrare a acestor zboruri. Traiectorii par să se agațe unul în celălalt. Tranziția de pe orbita halo de la L1 la L2. El st O un pic este suficient. Acolo este la fel. Se pare că alunecăm de-a lungul acestui tunel și, în punctul de angajare sau aproape de angajare cu un alt tunel, facem o mică manevră și zburăm peste, mergem pe o altă planetă. În general, o direcție foarte interesantă. Se numeste " Autostradă „(cel puțin acesta este termenul pe care îl folosesc americanii).

Fig.3.
(desen din publicații străine)

Implementarea practică a fost realizată parțial de americani ca parte a proiectului GENEZĂ . Acum lucrează și ei în această direcție. Mi se pare că acesta este unul dintre cele mai promițătoare domenii în dezvoltarea astronauticii. Pentru că până la urmă, cu acele motoare, „propulsoare” pe care le avem în prezent, mă refer la motoare cu tracțiune mare și motoare cu reacție electrice (care au încă foarte puțină tracțiune și necesită multă energie), vom face progrese în ceea ce privește dezvoltarea solară. sistem sau studiul suplimentar este foarte dificil. Dar astfel de probleme de zbor pe termen lung sau chiar de zece ani pot fi foarte interesante pentru cercetare. Exact ca Voyager. El zboară din 1978 sau 1982, cred ( din 1977 - ed.), a depășit acum sistemul solar. Această direcție este foarte dificilă. În primul rând, este dificil din punct de vedere matematic. În plus, aici analiza și calculele asupra mecanicii zborurilor necesită resurse informatice mari, i.e. Este îndoielnic să calculați acest lucru pe un computer personal; trebuie să utilizați supercomputere.

Î: Yuri Petrovici, poate fi folosit sistemul de tranziții cu energie scăzută pentru a organiza o patrulă solară spațială - un sistem permanent de monitorizare a sistemului solar cu restricțiile existente de combustibil pe care le avem?

U.: Chiar și între Pământ și Lună, precum și, de exemplu, între Pământ și Marte, Pământ și Venus, există așa-numitele traiectorii cvasi-periodice. Așa cum am analizat orbita halo, care într-o problemă ideală există fără perturbări, dar atunci când impunem perturbări reale, suntem forțați să reglam orbita într-un fel. Aceste orbite cvasi-periodice necesită și orbite mici, după standardele zborurilor interplanetare, când vitezele caracteristice sunt de sute de m/sec. Din punctul de vedere al unei patrule spațiale pentru observarea asteroizilor, aceștia ar putea fi atractivi. Singurul negativ este că sunt prost potrivite pentru zborurile spațiale actuale cu echipaj din cauza duratei lungi de zbor. Și din punct de vedere energetic, și chiar și cu motoarele pe care le avem acum în secolul nostru, putem face proiecte destul de interesante.

Î: Am înțeles corect, presupuneți că punctele de librare ale sistemului Pământ-Lună sunt pentru obiecte cu echipaj, iar punctele despre care ați vorbit mai devreme sunt pentru mașini automate?

U.: Aș dori să adaug și un punct, o stație spațială în L1 sau L2 poate fi folosită pentru a lansa nave spațiale mici (americanii numesc această abordare „ Calea Poartei " - "Podul către Univers"). Dispozitivul poate, folosind zboruri cu energie redusă, să se deplaseze periodic în jurul Pământului la distanțe foarte mari sau să zboare pe alte planete sau chiar să zboare în jurul mai multor planete.

V.: Dacă visezi puțin, atunci în viitor Luna va fi o sursă de combustibil spațial, iar combustibilul lunar va curge către punctul de librare al sistemului Pământ-Lună, atunci poți alimenta navele spațiale cu combustibil spațial și poți trimite spațiu patrule în întreg sistemul solar.

Yuri Petrovici, ai vorbit despre fenomene interesante. Au fost examinați de partea americană ( NASA), iar la noi se lucrează la aceste proiecte?

U.: Din câte știu, probabil că nu sunt implicați în proiecte legate de punctele de librare ale sistemului Pământ-Lună. Ei lucrează la proiecte legate de punctele de librare ale sistemului Soare-Pământ. Avem o vastă experiență în această direcție, Institutul matematici aplicate Academia Rusă de Științe, numită după Keldysh, Institutul de Cercetări Spațiale și unele universități din Rusia încearcă să facă față unor probleme similare. Dar nu există o astfel de abordare sistematică, un program mare, deoarece programul trebuie să înceapă cu pregătirea personalului și a personalului cu calificări foarte înalte. În cursurile tradiționale de balistică spațială și mecanică cerească, mecanica mișcării navelor spațiale în vecinătatea punctelor de librare și a zborurilor cu energie redusă sunt practic absente.

Ar trebui să remarc că în timpul Uniunii Sovietice, programe similare au fost mai mult sau mai puțin activ urmate, iar specialiștii au fost, după cum am menționat deja, la Institutul de Matematică Aplicată, IKI și Institutul de fizică Lebedev. Acum mulți dintre ei sunt la această vârstă... Și un număr mare de tineri care s-ar ocupa de aceste probleme sunt foarte slab vizibili.

Nu i-am pomenit de americani în sensul de a-i lauda. Cert este că în SUA departamente foarte mari se ocupă de aceste probleme. În primul rând, în laborator JPL NASA o echipă mare lucrează și probabil că au realizat cel mai mult proiecte americane astronautica interplanetară. În multe universități americane, în alte centre, în NASA , există un număr mare de specialiști bine pregătiți, cu echipamente informatice bune. Ei abordează această problemă, în această direcție, pe un front foarte larg.

La noi, din păcate, este cumva mototolită. Dacă un astfel de program ar apărea în Rusia și ar fi de mare interes în general, atunci desfășurarea acestei lucrări ar putea dura destul de mult, începând cu pregătirea personalului și terminând cu cercetarea, calculele și dezvoltarea unei nave spațiale adecvate.

Î: Yuri Petrovici, ce universități pregătesc specialiști în mecanică cerească din țara noastră?

U.: Din câte știu, la Universitatea de Stat din Moscova, la Universitatea din Sankt Petersburg există un departament de mecanică cerească. Există astfel de specialiști acolo. Câți sunt, îmi este greu să răspund.

V.: Pentru că pentru a începe să implementezi latura practică a problemei, trebuie mai întâi să devii un specialist profund, iar pentru asta trebuie să ai specialitatea corespunzătoare.

U.: Și au o pregătire foarte bună la matematică.

V.: Bine. Puteți oferi acum o listă de referințe care ar ajuta acei oameni care în prezent nu au o pregătire specială în matematică?

U.: În rusă, din câte știu, există o monografie de Markeev dedicată punctelor de librare. Dacă memoria îmi servește corect, se numește „Puncte de eliberare în mecanica cerească și cosmodinamică”. A apărut în jurul anului 1978. Există o carte de referință editată de Duboshin „Handbook of Celestial Mechanics and Astrodynamics”. A trecut prin 2 editii. Din câte îmi amintesc, conține și astfel de întrebări. Restul poate fi adunat, în primul rând, pe site-ul Institutului de Matematică Aplicată există bibliotecă digitalăși preprinturile lor (articole publicate separat) în acest domeniu. Printează liber pe Internet. Folosind motorul de căutare, puteți găsi preprinturi relevante și le puteți vizualiza. Există o mulțime de materiale disponibile pe Internet în limba engleză.

V.: Mulțumesc pentru povestea fascinantă. Sper că acest subiect va fi de interes pentru utilizatorii noștri de resurse de internet. Mulțumesc foarte mult!