Lagrangeove točke. Možnosti njihove uporabe v vesoljskih dejavnostih. Lagrangeove točke in razdalja med njimi. Lagrangeova točka L1. Uporaba Lagrangeove točke za vplivanje na podnebne Lagrangeove točke: za kaj gre
Ko je Joseph Louis Lagrange delal na problemu dveh masivnih teles (omejen problem treh teles), je odkril, da je v takem sistemu 5 točk z naslednjo lastnostjo: če se v njih nahajajo telesa zanemarljivo majhne mase (glede na masivna telesa), potem bodo ta telesa nepremična glede na ti dve masivni telesi. Pomembna točka: masivna telesa se morajo vrteti okoli skupnega središča mase, če pa nekako preprosto počivajo, potem ta cela teorija tukaj ni uporabna, zdaj boste razumeli, zakaj.
Najuspešnejši primer sta seveda Sonce in Zemlja in ju bomo upoštevali. Prve tri točke L1, L2, L3 so na premici, ki povezuje masni središči Zemlje in Sonca.
Točka L1 je med telesi (bližje Zemlji). Zakaj je tam? Predstavljajte si, da je med Zemljo in Soncem nekakšen majhen asteroid, ki se vrti okoli Sonca. Praviloma imajo telesa znotraj Zemljine orbite višjo vrtilno frekvenco kot Zemlja (vendar ne nujno). Torej, če ima naš asteroid višjo vrtilno frekvenco, bo občasno letel mimo našega planeta in upočasnil ga bo s svojo gravitacijo in sčasoma bo frekvenca vrtenja asteroida enaka Zemljini. Če ima Zemlja višjo vrtilno frekvenco, jo bo občasno letela mimo asteroida potegnila za sabo in pospešila, rezultat pa je enak: vrtilni frekvenci Zemlje in asteroida se bosta izenačili. Toda to je mogoče le, če asteroidova orbita poteka skozi točko L1.
Točka L2 je za Zemljo. Morda se zdi, da bi naš namišljeni asteroid na tej točki morala privlačiti Zemlja in Sonce, saj sta bila na isti strani od nje, vendar ne. Ne pozabite, da se sistem vrti in zaradi tega je centrifugalna sila, ki deluje na asteroid, uravnotežena z gravitacijskima silama Zemlje in Sonca. Pri telesih zunaj Zemljine orbite je na splošno frekvenca kroženja manjša od Zemljine (spet ne vedno). Bistvo je torej enako: orbita asteroida poteka skozi L2 in Zemlja, ki občasno leti mimo, potegne asteroid s seboj in sčasoma izenači frekvenco njegove revolucije s svojo.
Točka L3 je za Soncem. Se spomnite, prejšnji pisci znanstvene fantastike so imeli idejo, da je na drugi strani Sonca drug planet, kot je Protizemlja? Torej, točka L3 je skoraj tam, vendar malo dlje od Sonca in ne ravno v Zemljini orbiti, saj središče mase sistema "Sonce-Zemlja" ne sovpada s središčem mase Sonca. S frekvenco vrtenja asteroida v točki L3 je vse očitno, morala bi biti enaka kot pri Zemlji; če ga je manj, bo asteroid padel na Sonce, če ga je več, bo odletel. Mimogrede, ta točka je najbolj nestabilna, niha zaradi vpliva drugih planetov, zlasti Venere.
L4 in L5 se nahajata v orbiti, ki je nekoliko večja od Zemljine, in sicer takole: zamislimo si, da smo iz središča mase sistema "Sonce-Zemlja" potegnili žarek na Zemljo in še en žarek, tako da je kot med ti žarki so bili 60 stopinj. In v obe smeri, torej v nasprotni smeri urinega kazalca in vzdolž nje. Torej, na enem takem žarku je L4, na drugem pa L5. L4 bo pred Zemljo v smeri vožnje, to je, kot da bi bežal od Zemlje, L5 pa bo Zemljo dohitel. Razdalje od katere koli od teh točk do Zemlje in Sonca so enake. Zdaj, ko se spomnimo zakona univerzalne gravitacije, opazimo, da je sila privlačnosti sorazmerna z maso, kar pomeni, da bo naš asteroid v L4 ali L5 Zemljo pritegnil tolikokrat šibkeje, kolikor je Zemlja lažja od Sonca. Če so vektorji teh sil zgrajeni čisto geometrijsko, bo njihova rezultanta usmerjena točno v baricenter (središče mase sistema "Sonce-Zemlja"). Sonce in Zemlja krožita okoli baricentra z enako frekvenco, z isto frekvenco pa se bosta vrtela tudi asteroida v L4 in L5. L4 se imenujejo Grki, L5 pa Trojanci v čast trojanskih asteroidov Jupitra (več na Wiki).
Ali so bili izvedeni poskusi postavitve vesoljskih plovil na Lagrangeove točke sistema Zemlja-Luna?
Kljub temu, da človeštvo že dolgo pozna tako imenovane libracijske točke, ki obstajajo v vesolju, in njihove neverjetne lastnosti, so jih v praktične namene začeli uporabljati šele v 22. letu vesoljske ere. Najprej pa se na kratko pogovorimo o samih čudežnih točkah.
Prvi jih je teoretično odkril Lagrange (čigar ime zdaj nosijo), kot posledico reševanja tako imenovanega problema treh teles. Znanstveniku je uspelo ugotoviti, kje v vesolju so lahko točke, v katerih rezultanta vseh zunanjih sil izgine.
Točke delimo na stabilne in nestabilne. Stabilen je običajno označen z L 4 in L 5 . Nahajajo se v isti ravnini z dvema glavnima nebesnima telesoma (v tem primeru Zemljo in Luno) in z njima tvorita dva enakostranična trikotnika, za kar ju pogosto imenujemo tudi trikotna. Vesoljsko plovilo lahko ostane na trikotnih točkah poljubno dolgo. Tudi če se obrne stran, aktivne sile ga bo vseeno vrnil v ravnotežni položaj. Zdi se, da vesoljsko plovilo pade v gravitacijski lijak, kot biljardna krogla v žep.
Vendar, kot smo rekli, obstajajo tudi nestabilne libracijske točke. V njih se vesoljsko plovilo, nasprotno, nahaja kot na gori in je stabilno le na samem vrhu. Vsak zunanji vpliv jo odvrne vstran. Izredno težko je priti do nestabilne Lagrangeove točke – to zahteva izjemno natančno navigacijo. Zato se mora naprava premikati le blizu same točke vzdolž tako imenovane "halo-orbite", občasno pa za njeno vzdrževanje porabi zelo malo goriva.
V sistemu Zemlja-Luna so tri nestabilne točke. Pogosto jih imenujemo tudi pravokotne, saj se nahajajo na isti črti. Eden od njih (L 1) se nahaja med Zemljo in Luno, 58 tisoč km od slednje. Drugi (L 2) - se nahaja tako, da nikoli ni viden z Zemlje - skriva se za Luno 65 tisoč km od nje. Zadnja točka (L 3), nasprotno, nikoli ni vidna z Lune, saj jo blokira Zemlja, od katere je oddaljena približno 380 tisoč km.
Čeprav je bolj donosno biti na stabilnih točkah (ni treba porabiti goriva), so se vesoljska plovila doslej seznanila le z nestabilnimi, bolje rečeno le z eno izmed njih, pa še to v povezavi s sistemom Sonce-Zemlja. . Nahaja se znotraj tega sistema, 1,5 milijona km od našega planeta in ima tako kot točka med Zemljo in Luno oznako L 1 . Ko ga gledamo z Zemlje, je projiciran neposredno na Sonce in lahko služi kot idealna točka za njegovo sledenje.
To priložnost je prvič izkoristil ameriški aparat ISEE-3, izstreljen 12. avgusta 1978. Od novembra 1978 do junija 1982 je bil v "halo orbiti" okoli točke Li in preučeval značilnosti sončnega vetra. Ob koncu tega obdobja je prav on, a že preimenovan v ICE, postal prvi raziskovalec kometov v zgodovini. Da bi to naredili, je naprava zapustila točko libracije in po več gravitacijskih manevrih v bližini Lune leta 1985 izvedla prelet blizu kometa Giacobini-Zinner. Naslednje leto je raziskoval tudi Halleyjev komet, vendar le na oddaljene pristope.
Naslednji obiskovalec točke L 1 sistema Sonce-Zemlja je bil evropski sončni observatorij SOHO, ki je bil izstreljen 2. decembra 1995 in je bil pred kratkim zaradi napake pri upravljanju na žalost izgubljen. Med njenim delom je bilo pridobljenih veliko pomembnih znanstvenih informacij in prišlo do številnih zanimivih odkritij.
Nazadnje, zadnja naprava, ki je bila doslej izstreljena v bližini L 1, je bila ameriška naprava ACE, namenjena preučevanju kozmičnih žarkov in zvezdnega vetra. Z Zemlje je izstrelil 25. avgusta lani in trenutno uspešno izvaja svoje raziskave.
In kaj sledi? Ali obstajajo novi projekti, povezani z libracijskimi točkami? Vsekakor obstajajo. Tako je v ZDA predlog podpredsednika A. Gorea o novi izstrelitvi v smeri točke L 1 sistema Sonce-Zemlja znanstvenega in izobraževalnega aparata "Triana", že imenovanega "Chamber of Gore", je bil sprejet.
Za razliko od svojih predhodnikov ne bo sledil Soncu, temveč Zemlji. Naš planet je s te točke vedno viden v polni fazi in zato zelo primeren za opazovanje. Pričakuje se, da bodo slike, ki jih prejme "Camera Gore", poslane na internet skoraj v realnem času, dostop do njih pa bo na voljo vsem.
Obstaja tudi ruski projekt "libracije". To je naprava "Relikt-2", namenjena zbiranju informacij o sevanju kozmičnega mikrovalovnega ozadja. Če se najdejo sredstva za ta projekt, potem ga čaka libracijska točka L 2 v sistemu Zemlja-Luna, torej tista, ki je skrita za Luno.
> Lagrangeove točke
Kako izgledajo in kje iskati Lagrangeove točke v vesolju: zgodovina odkritij, sistem Zemlje in Lune, 5 L-točk sistema dveh masivnih teles, vpliv gravitacije.
Bodimo iskreni: obtičali smo na Zemlji. Gravitaciji se moramo zahvaliti, da nas niso vrgli v vesolje in lahko hodimo po površju. Da pa se osvobodiš, moraš vložiti ogromno energije.
Vendar pa obstajajo določene regije v vesolju, kjer pametni sistem uravnotežiti gravitacijski vpliv. S pravilnim pristopom lahko to izkoristimo za produktivnejši in hitrejši razvoj prostora.
Ti kraji se imenujejo Lagrangeove točke(L-točke). Ime so dobili po Josephu Louisu Lagrangeu, ki jih je opisal leta 1772. Pravzaprav mu je uspelo razširiti matematiko Leonharda Eulerja. Znanstvenik je prvi odkril tri takšne točke, Lagrange pa je napovedal naslednji dve.
Lagrangeove točke: O čem govorimo?
Ko imate dva masivna predmeta (kot sta Sonce in Zemlja), je njun gravitacijski stik čudovito uravnotežen na določenih 5 področjih. V vsakem od njih lahko postavite satelit, ki se bo držal z minimalnim naporom.
Najbolj opazna je prva Lagrangeova točka L1, uravnotežena med gravitacijsko privlačnostjo dveh predmetov. Na primer, lahko namestite satelit nad površino lune. Gravitacija zemlje jo potiska v luno, vendar se temu upira tudi sila satelita. Tako napravi ni treba porabiti veliko goriva. Pomembno je razumeti, da ta točka obstaja med vsemi predmeti.
L2 je poravnan s tlemi, vendar na drugi strani. Zakaj enotna gravitacija ne potegne satelita proti Zemlji? Vse je v orbitalnih trajektorijah. Satelit v točki L2 se bo nahajal v višji orbiti in zaostajal za Zemljo, saj se giblje okoli zvezde počasneje. Toda zemeljska gravitacija ga potiska in mu pomaga, da ostane na mestu.
L3 je treba iskati na nasprotni strani sistema. Gravitacija med predmeti se stabilizira in plovilo z lahkoto manevrira. Tak satelit bi bil vedno pokrit s Soncem. Omeniti velja, da tri opisane točke ne veljajo za stabilne, saj bo vsak satelit prej ali slej odstopil. Torej brez delujočih motorjev tam ni kaj početi.
Pred in za spodnjim predmetom sta tudi L4 in L5. Med masama se ustvari enakostranični trikotnik, katerega ena od stranic bo L4. Če ga obrnete na glavo, dobite L5.
Zadnji dve točki veljata za stabilni. To potrjujejo najdeni asteroidi na velikih planetih, kot je Jupiter. To so Trojanci, ujeti v gravitacijsko past med gravitacijo Sonca in Jupitra.
Kako uporabiti takšna mesta? Pomembno je razumeti, da obstaja veliko vrst raziskovanja vesolja. Na primer, sateliti se že nahajajo na točkah Zemlja-Sonce in Zemlja-Luna.
Sun-Earth L1 je odličen kraj za življenje za sončni teleskop. Naprava se je zvezdi približala čim bližje, vendar ne izgubi stika z domačim planetom.
Bodoči teleskop James Webb (1,5 milijona km od nas) je predviden za točko L2.
Zemlja-Luna L1 je odlična točka za lunarno bencinsko črpalko, ki vam omogoča prihranek pri dostavi goriva.
Najbolj fantastična ideja bi bila postaviti vesoljsko postajo Island III v L4 in L5, ker bi bila tam popolnoma stabilna.
Še vedno se zahvalimo gravitaciji in njeni nenavadni interakciji z drugimi predmeti. Navsezadnje vam to omogoča razširitev načinov obvladovanja prostora.
B. V. Bulyubash,
, MSTU im. R. E. Alekseeva, Nižni Novgorod
Lagrangeove točke
Pred približno 400 leti so imeli astronomi na voljo novo orodje za preučevanje sveta planetov in zvezd – teleskop Galilea Galileija. Minilo je kar nekaj časa in dodali so mu zakon univerzalne gravitacije in trije zakoni mehanike, ki jih je odkril Isaac Newton. Toda šele po Newtonovi smrti so bile razvite matematične metode, ki so omogočile učinkovito uporabo zakonov, ki jih je odkril, in natančen izračun poti nebesnih teles. Francoski matematiki so postali avtorji teh metod. Ključni osebnosti sta bila Pierre Simon Laplace (1749–1827) in Joseph Louis Lagrange (1736–1813). V veliki meri so prav njihova prizadevanja ustvarila novo znanost - nebesno mehaniko. Tako jo je imenoval Laplace, za katerega je nebesna mehanika postala utemeljitev filozofije determinizma. Zlasti podoba izmišljenega bitja, ki ga je opisal Laplace, ki je zaradi poznavanja hitrosti in koordinat vseh delcev v vesolju postal splošno znan, je lahko nedvoumno napovedal njegovo stanje v katerem koli prihodnjem trenutku. To bitje - "Laplaceov demon" - je poosebljalo glavno idejo filozofije determinizma. Najboljša ura nove znanosti pa je nastopila 23. septembra 1846 z odkritjem osmega planeta sončnega sistema - Neptuna. Nemški astronom Johann Galle (1812–1910) je po izračunih francoskega matematika Urbaina Le Verrierja (1811–1877) odkril Neptun točno tam, kjer bi moral biti.
Eden od izjemnih dosežkov nebesne mehanike je Lagrangeovo odkritje leta 1772 t.i. libracijske točke. Po Lagrangeu obstaja skupno pet točk v sistemu dveh teles (običajno imenovanem Lagrangeove točke), pri kateri je vsota sil, ki delujejo na tretje telo, postavljeno v točko (katerih masa je bistveno manjša od mas drugih dveh), enaka nič. Seveda govorimo o rotacijskem referenčnem sistemu, v katerem bo poleg gravitacijskih sil na telo delovala tudi centrifugalna vztrajnostna sila. V Lagrangeovi točki bo torej telo v stanju ravnovesja. V sistemu Sonce-Zemlja se Lagrangeove točke nahajajo na naslednji način. Na premici, ki povezuje Sonce in Zemljo, so tri točke od petih. Pika L 3 se nahaja na nasprotni strani Zemljine orbite glede na Sonce. Pika L 2 se nahaja na isti strani Sonca kot Zemlja, vendar v njem, za razliko od L 3, Sonce pokriva Zemlja. Točka L 1 je na liniji, ki povezuje L 2 in L 3, vendar med Zemljo in Soncem. točke L 2 in L 1 loči enako razdaljo od Zemlje - 1,5 milijona km. Lagrangeove točke zaradi svojih posebnosti pritegnejo pozornost piscev znanstvene fantastike. Torej, v knjigi Arthurja C. Clarka in Stephena Baxterja "Sončna nevihta" je na Lagrangeovi točki L 1 vesoljski graditelji postavljajo ogromen zaslon, namenjen zaščiti Zemlje pred super-močno sončno nevihto.
Preostali dve točki L 4 in L 5 - so v Zemljini orbiti, eden je pred Zemljo, drugi zadaj. Ti dve točki se zelo bistveno razlikujeta od ostalih, saj bo ravnotežje nebesnih teles, ki se znajdejo v njih, stabilno. Zato je med astronomi tako priljubljena hipoteza, da v bližini točk L 4 in L 5 lahko vsebuje ostanke oblaka plina in prahu iz obdobja nastajanja planetov sončnega sistema, ki se je končalo pred 4,5 milijarde let.
Ko so avtomatske medplanetarne postaje začele raziskovati sončni sistem, se je zanimanje za Lagrangeove točke močno povečalo. Torej, v bližini točke L 1 vesoljsko plovilo izvaja raziskave sončnega vetra NASA: SOHO (Solarni in heliosferski observatorij) in Veter(prevedeno iz angleščine - veter).
Druga naprava NASA– sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)- nahaja se v bližini točke L 2 in raziskuje reliktno sevanje. Proti L 2 vesoljska teleskopa Planck in Herschel se premikata; v bližnji prihodnosti se jim bo pridružil še teleskop Webb, ki naj bi nadomestil slavni dolgoživi vesoljski teleskop Hubble. Kar se tiče pik L 4 in L 5, nato 26. in 27. septembra 2009 sonde dvojčice STEREO-A in STEREO-B na Zemljo posredoval številne slike aktivnih procesov na površju Sonca. Začetni projektni načrti STEREO so se pred kratkim znatno razširile, sonde pa naj bi zdaj uporabljali tudi za preučevanje prisotnosti asteroidov v bližini Lagrangeovih točk. Glavni cilj takšne študije je preizkusiti računalniške modele, ki napovedujejo prisotnost asteroidov na "stabilnih" Lagrangeovih točkah.
V zvezi s tem je treba povedati, da je v drugi polovici 20. stoletja, ko je postalo mogoče računalniško numerično reševati kompleksne enačbe nebesne mehanike, podoba stabilnega in predvidljivega sončnega sistema (in s tem filozofija determinizem) je dokončno postala preteklost. Računalniško modeliranje je pokazalo, da zaradi neizogibne netočnosti v numeričnih vrednostih hitrosti in koordinat planetov v ta trenutek sledijo zelo pomembne razlike v modelih razvoja sončnega sistema. Torej, po enem od scenarijev, lahko sončni sistem čez stotine milijonov let celo izgubi enega od svojih planetov.
Hkrati računalniški modeli ponujajo edinstveno priložnost za rekonstrukcijo dogodkov, ki so se zgodili v daljnem obdobju mladosti sončnega sistema. Tako je model matematika E. Belbruna in astrofizika R. Gotta (Univerza Princeton), po katerem na eni od Lagrangeovih točk ( L 4 oz L 5) v daljni preteklosti je nastal planet Thea ( Teia). Gravitacijski vpliv drugih planetov je Thea prisilil, da je v nekem trenutku zapustila Lagrangeovo točko, stopila na tirnico gibanja proti Zemlji in na koncu trčila vanjo. Gottov in Belbrunov model dodaja podrobnosti k hipotezi, ki jo delijo številni astronomi. Po njej je Luna sestavljena iz snovi, ki je nastala pred približno 4 milijardami let po trčenju vesoljskega objekta v velikosti Marsa z Zemljo. Ta hipoteza pa ima šibko točko: vprašanje, kje točno bi lahko nastal tak predmet. Če bi bili kraj njegovega rojstva od Zemlje oddaljeni deli sončnega sistema, bi bila njegova energija zelo velika in posledica trka z Zemljo ne bi bila nastanek Lune, ampak uničenje Zemlje. In posledično bi se moral takšen objekt oblikovati nedaleč od Zemlje, bližina ene od Lagrangeovih točk pa je za to zelo primerna.
Toda če so se dogodki v preteklosti lahko tako razvili, kaj jim prepoveduje, da bi se v prihodnosti ponovili? Ali ne bo zrasla še ena Thea, z drugimi besedami, v bližini Lagrangeovih točk? prof. P. Weigert (Univerza v Zahodnem Ontariu, Kanada) meni, da je to nemogoče, ker trenutno v sončnem sistemu ni dovolj prašnih delcev, da bi nastali taki objekti, in pred 4 milijardami let, ko so planeti nastali iz delcev plina in oblaki prahu, je bila situacija bistveno drugačna. Po mnenju R. Gotta bi lahko v bližini Lagrangeovih točk našli asteroide, ostanke »gradbene snovi« planeta Thea. Takšni asteroidi lahko postanejo pomemben dejavnik tveganja za Zemljo. Dejansko lahko gravitacijski vpliv drugih planetov (predvsem Venere) zadostuje, da asteroid zapusti bližino Lagrangeove točke in v tem primeru lahko vstopi na tirnico trka z Zemljo. Gottova hipoteza ima predzgodovino: že leta 1906 je M. Wolf (Nemčija, 1863–1932) odkril asteroide na Lagrangeovih točkah sistema Sonce–Jupiter, prve izven asteroidnega pasu med Marsom in Jupitrom. Pozneje so jih odkrili več kot tisoč v bližini Lagrangeovih točk sistema Sonce–Jupiter. Niso bili tako uspešni poskusi iskanja asteroidov v bližini drugih planetov v sončnem sistemu. Očitno jih v bližini Saturna še vedno ni, v bližini Neptuna pa so jih odkrili šele v zadnjem desetletju. Zaradi tega je povsem naravno vprašanje prisotnosti ali odsotnosti asteroidov na Lagrangeovih točkah sistema Zemlja–Sonce izjemno zaskrbljujoče za sodobne astronome.
P. Weigert je s teleskopom na Mauna Kea (Havaji, ZDA) poskusil že v zgodnjih 90. letih. 20. stoletje najti te asteroide. Njegova opazovanja so bila natančna, vendar niso prinesla uspeha. Relativno nedavno so bili uvedeni programi za samodejno iskanje asteroidov, zlasti projekt Lincoln za iskanje asteroidov blizu Zemlje. (Lincoln Near Earth Raziskovalni projekt asteroidov). Vendar pa še niso prinesli rezultatov.
Predpostavlja se, da sonde STEREO bodo takšna iskanja dosegla bistveno drugačno raven natančnosti. Prehod sond okoli Lagrangeovih točk je bil načrtovan že na samem začetku projekta, po vključitvi programa iskanja asteroidov v projekt pa se je govorilo celo o možnosti, da bi jih za vedno pustili v bližini teh točk.
Izračuni pa so pokazali, da bi zaustavitev sond zahtevala preveč goriva. Glede na to okoliščino, vodje projekta STEREO odločili za možnost počasnega prehoda teh prostorov. To bo trajalo mesece. Na sondah so nameščeni heliosferski snemalniki, ki bodo prav z njihovo pomočjo iskali asteroide. Tudi v tem primeru ostaja naloga precej težka, saj bodo na prihodnjih slikah asteroidi samo pike, ki se premikajo na ozadju tisočerih zvezd. Vodje projektov STEREO pri iskanju računajo na aktivno pomoč amaterskih astronomov, ki si bodo nastale slike ogledali na internetu.
Strokovnjake zelo skrbi varnost gibanja sond v bližini Lagrangeovih točk. Dejansko lahko trk s "prašnimi delci" (ki so lahko precej veliki) poškoduje sonde. V svojem letu so sonde STEREO večkrat naleteli na prašne delce – od enkrat do nekaj tisoč na dan.
Glavna zanimivost prihajajočih opazovanj je popolna negotovost glede vprašanja, koliko asteroidov naj bi sonde "videle" STEREO(če ga sploh vidijo). Novi računalniški modeli niso naredili situacije bolj predvidljive: nakazujejo, da gravitacijski vpliv Venere ne more samo "potegniti" asteroidov iz Lagrangeovih točk, ampak tudi prispevati k gibanju asteroidov do teh točk. Skupno število asteroidov v bližini Lagrangeovih točk ni zelo veliko (»ne govorimo o stotinah«), njihove linearne dimenzije pa so za dva reda velikosti manjše velikosti asteroidi iz pasu med Marsom in Jupitrom. Se bodo njegove napovedi uresničile? Samo še malo počakati...
Na podlagi gradiva članka (prevedeno iz angleščine)
S. Clark. Življenje v breztežnosti // New Scientist. 21. februar 2009
Kaj so te "točke", zakaj so privlačne v vesoljskih projektih in ali obstaja praksa njihove uporabe? S temi vprašanji se je uredništvo portala Planet Queen obrnilo na doktorja tehničnih znanosti Jurija Petroviča Ulybysheva.
Intervju vodi Oleg Nikolajevič Volkov, namestnik vodje projekta Veliki začetek.
Volkov O.N.: Namestnik vodje znanstveno-tehničnega centra raketno-vesoljske korporacije Energia, vodja oddelka za vesoljsko balistiko, doktor tehničnih znanosti Jurij Petrovič Ulybyshev obiskuje internetni portal Planet Korolev. Jurij Petrovič, dober dan!
.: Dober večer.
V .: Obstoj kompleksov s posadko v orbiti blizu Zemlje ni radovednost. To je običajna stvar. AT zadnje čase Mednarodna vesoljska skupnost se zanima za druge vesoljske projekte, ki naj bi gostili vesoljske komplekse, vključno s tistimi s posadko na tako imenovanih Lagrangeovih točkah. Med njimi so projekt obiskanih vesoljskih postaj, projekt postavljenih postaj za iskanje nevarnih asteroidov in sledenje Luni.
Kaj so Lagrangeove točke? Kaj je njihovo bistvo z vidika nebesne mehanike? Kakšna je zgodovina teoretičnega raziskovanja tega vprašanja? Katere so glavne ugotovitve raziskave?
U.: V našem sončnem sistemu obstaja veliko število naravnih učinkov, povezanih z gibanjem Zemlje, Lune, planetov. Sem spadajo tako imenovane Lagrangeove točke. V znanstveni literaturi jih pogosto imenujemo celo libracijske točke. Da bi razložili fizično bistvo tega pojava, najprej razmislimo o preprostem sistemu. Tam je Zemlja, Luna pa leti okoli nje po krožni orbiti. V naravi ni nič drugega. To je tako imenovani omejeni problem treh teles. In v tem problemu bomo obravnavali vesoljsko plovilo in njegovo možno gibanje.
Prva stvar, ki pride na misel, je razmisliti: kaj se bo zgodilo, če bo vesoljsko plovilo na črti, ki povezuje Zemljo in Luno. Če se premikamo po tej premici, potem imamo dva gravitacijska pospeška: privlačnost Zemlje, privlačnost Lune in poleg tega obstaja centripetalni pospešek zaradi dejstva, da se ta linija nenehno vrti. Očitno se lahko na neki točki vsi ti trije pospeški, zaradi dejstva, da so v različnih smereh in ležijo na isti premici, ničlijo, tj. to bo točka ravnotežja. Takšna točka se imenuje Lagrangeova točka ali točka libracije. Pravzaprav je takih točk pet: tri od njih so na rotacijski premici, ki povezuje Zemljo in Luno, imenujemo jih kolinearne libracijske točke. Prvi, ki smo ga analizirali, je označen L 1, drugi je za luno- L 2 in tretja kolinearna točka- L 3 se nahaja na skrajni strani Zemlje glede na Luno. Tisti. na tej črti, vendar v nasprotni smeri. To so prve tri točke.
Obstajata še dve točki, ki sta na obeh straneh zunaj te črte. Imenujejo se trikotne libracijske točke. Vse te točke so prikazane na tej sliki (slika 1). Tukaj je tako idealizirana slika.
Slika 1.
Zdaj, če postavimo vesoljsko plovilo na katero koli od teh točk, bo v okviru tako preprostega sistema vedno ostalo tam. Če nekoliko odstopimo od teh točk, potem lahko v njihovi bližini obstajajo periodične orbite, imenujemo jih tudi halo orbite (glej sliko 2), in vesoljska ladja se bo lahko gibala okoli te točke po takšnih svojevrstnih orbitah. Ko smo že pri libracijskih točkah L 1, L 2 sistema Zemlja-Luna, bo obdobje gibanja po teh orbitah približno 12 - 14 dni in jih je mogoče izbrati na popolnoma različne načine.
Slika 2.
Pravzaprav, če se vrneva k resnično življenje in upoštevajte ta problem že v natančni formulaciji, potem se bo vse izkazalo za veliko bolj zapleteno. Tisti. vesoljsko plovilo ne more ostati zelo dolgo, več kot, recimo, eno obdobje, v gibanju vzdolž takšne orbite, ne more ostati v njej, zaradi dejstva, da:
Prvič, Lunina orbita okoli Zemlje ni krožna – ima rahlo eliptičnost;
Poleg tega bo na vesoljsko plovilo delovala privlačnost sonca, pritisk sončne svetlobe.
Zaradi tega vesoljsko plovilo ne bo moglo ostati v taki orbiti. Zato je z vidika realizacije vesoljskega poleta v takih orbitah potrebno vesoljsko plovilo postaviti v ustrezno halo orbito in nato občasno izvajati manevre za njeno vzdrževanje.
Po standardih medplanetarnih letov so stroški goriva za vzdrževanje takšnih orbit precej majhni, ne več kot 50 - 80 m / s na leto. Za primerjavo lahko rečem, da je vzdrževanje orbite geostacionarnega satelita na leto tudi 50 m/s. Tam držimo geostacionarni satelit blizu fiksne točke - ta naloga je veliko lažja. Tu moramo vesoljsko plovilo obdržati v bližini takšne halo orbite. Načeloma je ta naloga praktično izvedljiva. Poleg tega je izvedljiv s potisnimi motorji, vsak manever pa je delček metra ali enota m/s. To kaže na možnost uporabe orbit v bližini teh točk za polete v vesolje, vključno s posadko.
Zdaj, z vidika, zakaj so koristni in zakaj so zanimivi, namreč za praktično astronavtiko?
Če se vsi spomnite, ameriški projekt " APOLON ”, ki je uporabljal lunino orbito, iz katere se je aparat spustil, pristal na površini Lune, se čez nekaj časa vrnil v lunino orbito in nato poletel proti Zemlji. Krožne lunarne orbite so zanimive, vendar niso vedno primerne za astronavtiko s posadko. Lahko imamo različne izredne situacije, poleg tega je naravno, da želimo preučevati Luno ne samo v bližini določene regije, ampak na splošno preučevati celotno Luno. Posledično se izkaže, da je uporaba okroglih lunarnih orbit povezana s številnimi omejitvami. Omejitve so naložene glede datumov izstrelitve, datumov vrnitve iz krožne lunarne orbite. Parametri krožnih orbit so lahko odvisni od razpoložljive energije. Na primer, polarna območja so lahko nedostopna. Toda verjetno najpomembnejši argument v prid vesoljskih postaj v bližini libracijskih točk je, da:
Prvič, kadar koli lahko izstrelimo z Zemlje;
Če je postaja na točki libracije in morajo astronavti poleteti na Luno, lahko odletijo s točke libracije oziroma iz halo orbite na katero koli točko na Lunini površini;
Zdaj, ko je posadka prispela: z vidika astronavtike s posadko je zelo pomembno zagotoviti možnost hitre vrnitve posadke v primeru izrednih razmer, bolezni članov posadke itd. Če govorimo o lunarni orbiti, je morda treba počakati recimo na startno uro 2 tedna, tukaj pa lahko štartamo kadarkoli - od Lune do postaje do točke libracije in nato do Zemlje oz. , načeloma takoj na Zemljo. Takšne prednosti so precej jasno vidne.
Obstajajo možnosti uporabe: L1 ali L2. Obstajajo določene razlike. Kot veste, je Luna vedno obrnjena k nam z isto stranjo, tj. doba lastne rotacije je enaka periodi gibanja okoli Zemlje. Zaradi tega oddaljena stran Lune nikoli ni vidna z Zemlje. V tem primeru lahko izberete tako halo orbito, da bo vedno v vidnem polju z Zemljo in da boste lahko izvajali komunikacije, opazovanja in nekatere druge poskuse, povezane z oddaljeno stranjo Lune. Tako imajo lahko vesoljske postaje, ki se nahajajo na točki L1 ali točki L2, določene prednosti za astronavtiko s posadko. Poleg tega je zanimivo, da je med halo orbitami točk L1 ali L2 možno izvajati tako imenovani nizkoenergijski let, dobesedno 10 m/s, pri čemer bomo leteli iz ene halo orbite v drugo.
V.: Jurij Petrovič, imam vprašanje: točka L1 se nahaja na črti med Luno in Zemljo in, kot razumem, je z vidika zagotavljanja komunikacije med vesoljsko postajo in Zemljo bolj priročno. Rekli ste, da je L2, točka za Luno, zanimiva tudi za praktično astronavtiko. Toda kako zagotoviti komunikacijo z Zemljo, če se postaja nahaja na točki L2?
pri.: Vsaka postaja, ki je v orbiti v bližini točke L1, ima možnost neprekinjene komunikacije z Zemljo, katera koli halo orbita. Za točko L2 je nekoliko bolj zapleteno. To je posledica dejstva, da je lahko vesoljska postaja, ko se giblje po halo orbiti, glede na Zemljo tako rekoč v senci Lune in takrat je komunikacija nemogoča. Toda mogoče je zgraditi takšno halo orbito, ki bo vedno lahko komunicirala z Zemljo. To je posebej izbrana orbita.
V: Je enostavno narediti?
U.O: Da, to je mogoče storiti, in ker ničesar ni mogoče storiti brezplačno, bo potrebna nekoliko večja poraba goriva. Recimo, da bo namesto 50 m/s 100 m/s. Morda to ni najbolj kritično vprašanje.
V: Še eno pojasnjevalno vprašanje. Rekli ste, da je energijsko enostavno leteti od točke L1 do točke L2 in nazaj. Ali prav razumem, da nima smisla ustvariti dveh postaj v območju Lune, ampak je dovolj, da imamo eno postajo, ki se energijsko enostavno premakne na drugo točko?
U.: Da, mimogrede, naši partnerji v mednarodni vesoljski postaji ponujajo eno od možnosti za razpravo o razvoju projekta ISS v obliki vesoljske postaje z možnostjo letenja od točke L1 do točke L2 in nazaj. To je povsem izvedljivo in predvidljivo glede na čas letenja (recimo 2 tedna) in se lahko uporablja za astronavtiko s posadko.
Hotel sem tudi povedati, da v praksi lete v halo orbitah trenutno izvajajo Američani v okviru projekta ARTEMIDA . To je približno 2-3 leta nazaj. Tam sta dve vesoljski plovili leteli v bližini točk L1 in L2 in ohranjali pripadajoči orbiti. Ena naprava je opravila let od točke L2 do točke L1. Vsa ta tehnologija je bila implementirana v praksi. Seveda bi to radi storili.
V .: No, še vse imamo pred sabo. Jurij Petrovič, naslednje vprašanje. Kot razumem iz vašega sklepanja, ima vsak vesoljski sistem, sestavljen iz dveh planetov, Lagrangeove točke ali libracijske točke. Obstajajo takšne točke za sistem Sonce-Zemlja in kaj je privlačnost teh točk?
U.A: Da, seveda, popolnoma pravilno. V sistemu Zemlja-Sonce obstajajo tudi libracijske točke. Tudi teh je pet. V nasprotju s cirkumlunarnimi libracijskimi točkami je lahko let na teh točkah privlačen za popolnoma drugačne naloge. Konkretno sta najbolj zanimivi točki L1 in L2. Tisti. točka L1 v smeri od Zemlje proti Soncu in točka L2 v nasprotni smeri na premici, ki povezuje Zemljo in Sonce.
Tako je bil prvi let do točke L1 v sistemu Sonce-Zemlja izveden leta 1978. Od takrat je bilo izvedenih več vesoljskih misij. Glavni motiv tovrstnih projektov je bil povezan z opazovanjem Sonca: sončnega vetra, vključno s sončno aktivnostjo. Obstajajo sistemi, ki uporabljajo opozorilo o nekaterih aktivnih procesih na Soncu, ki vplivajo na Zemljo: naše podnebje, počutje ljudi itd. To se nanaša na točko L1. Za človeštvo je zanimiv predvsem z možnostjo opazovanja Sonca, njegovega delovanja in procesov, ki se odvijajo na Soncu.
Sedaj točka L2. Zanimiva je tudi točka L2, predvsem za astrofiziko. In to je posledica dejstva, da lahko vesoljsko plovilo, ki se nahaja v bližini te točke, uporablja na primer radijski teleskop, ki bo zaščiten pred sončnim sevanjem. Usmerjen bo stran od Zemlje in Sonca in bo morda omogočal bolj čisto astrofizikalna opazovanja. Niso hrupni zaradi Sonca, niti zaradi kakršnega koli odbitega sevanja od Zemlje. In je tudi zanimivo, saj Ker se gibljemo okoli Sonca, v 365 dneh naredimo popolno revolucijo, potem lahko s podobnim radijskim teleskopom upoštevate katero koli smer vesolja. Obstajajo tudi takšni projekti. Prav zdaj razvijamo tak projekt "Millimetron" na Fizikalnem inštitutu Ruske akademije znanosti. Tudi na tej točki so bile izvedene številne misije in vesoljska plovila letijo.
V: Jurij Petrovič, z vidika iskanja nevarnih asteroidov, ki lahko ogrozijo Zemljo, na katero točko bi morali postaviti vesoljska plovila, da bi spremljala nevarne asteroide?
U.: Pravzaprav se mi zdi, da tako neposrednega, očitnega odgovora na to vprašanje ni. Zakaj? Ker so gibajoči se asteroidi glede na sončni sistem tako rekoč združeni v več družin, imajo popolnoma različne orbite in je po mojem mnenju možno postaviti aparat za eno vrsto asteroidov v okolimesečno točko. Kar zadeva libracijske točke sistema Sonce-Zemlja, lahko tudi vidite. Zdi pa se mi, da je težko dati tako očiten, neposreden odgovor: »takšna in takšna točka v takem in takem sistemu«. Toda načeloma so libracijske točke lahko privlačne za zaščito Zemlje.
V .: Pravilno razumem, da ima sončni sistem veliko več zanimivih krajev, ne le Zemlja - Luna, Zemlja - Sonce. Kakšni drugi zanimivi kraji solarni sistem se lahko uporablja v vesoljskih projektih?
U.: Dejstvo je, da v sončnem sistemu v obliki, v kateri obstaja, poleg učinka, povezanega z libracijskimi točkami, obstaja še vrsta tovrstnih učinkov, povezanih z medsebojnim gibanjem teles v sončnem sistemu: tako Zemlje kot planeti itd. d. Tukaj v Rusiji žal ne poznam del na to temo, ampak najprej so Američani in Evropejci razkrili, da v sončnem sistemu obstajajo tako imenovani nizkoenergijski poleti (poleg tega so te študije precej zapletene). in matematično v smislu dela ter v smislu računalništva - zahtevajo velike računalniške superračunalnike).
Tukaj se na primer vrnemo na točko L1 sistema Zemlja-Luna. V zvezi s to točko je mogoče zgraditi (to je privlačno za avtomatska vozila) lete po celotnem sončnem sistemu, ki dajejo majhne, po standardih medplanetarnih letov, impulze reda nekaj sto m/s. In potem se bo to vesoljsko plovilo začelo počasi premikati. V tem primeru je mogoče sestaviti trajektorijo tako, da obide več planetov.
Za razliko od neposrednih medplanetarnih letov bo to dolgotrajen proces. Zato ni preveč primeren za astronavtiko s posadko. In za avtomatske naprave je lahko zelo privlačno.
Tukaj na sliki (slika 3) je prikazana ilustracija teh letov. Trajektorije so tako rekoč povezane ena z drugo. Prehod iz halo orbite iz L1 v L2. On je približno je kar malo. Tam je isto. Zdi se, kot da drsimo po tem predoru in na mestu spopada ali blizu spopada z drugim predorom naredimo majhen manever in preletimo, gremo na drug planet. Na splošno zelo zanimiva smer. To se imenuje " superavtocesta (vsaj Američani uporabljajo ta izraz).
Slika 3.
(risba iz tujih publikacij)
Praktično izvedbo so delno opravili Američani v okviru projekta GENEZA . Zdaj delajo tudi v tej smeri. Zdi se mi, da je to eno najbolj perspektivnih tovrstnih področij v razvoju astronavtike. Ker vseeno bomo s tistimi motorji, »poganjači«, ki jih trenutno imamo, mislim na visokopotisne motorje in elektroporivne motorje (ki imajo do sedaj zelo malo potiska in zahtevajo veliko energije), šli naprej v smislu razvoj sončnega sistema ali nadaljnje študije močno ne morejo. A takšne dolgoročne ali celo desetletne letalske naloge so lahko zelo zanimive za raziskovanje. Tako kot Voyager. Zdi se, da je letel leta 1978 ali 1982 ( od 1977 - ur.), je zdaj zunaj sončnega sistema. Ta smer je zelo težka. Prvič, matematično je težko. Poleg tega tukaj analiza in izračuni mehanike letenja zahtevajo visoke računalniške vire, tj. dvomljivo je, da bi to izračunali na osebnem računalniku, morate uporabiti superračunalnike.
V: Jurij Petrovič, ali lahko sistem nizkoenergijskih prehodov uporabimo za organizacijo vesoljske sončne patrulje - stalnega sistema za spremljanje sončnega sistema z obstoječimi omejitvami goriva, ki jih imamo?
U.: Tudi med Zemljo in Luno, pa tudi na primer med Zemljo in Marsom, Zemljo in Venero, obstajajo tako imenovane kvaziperiodične trajektorije. Tako kot smo analizirali halo orbito, ki v idealnem problemu obstaja brez motenj, ko pa vsilimo realne motnje, smo prisiljeni orbito na nek način popraviti. Te kvaziperiodične orbite zahtevajo tudi majhne, po standardih medplanetarnih letov, ko so značilne hitrosti stotine m/s. Z vidika vesoljske patrulje za opazovanje asteroidov so lahko privlačni. Edina pomanjkljivost je, da so zaradi dolgega trajanja poletov slabo primerni za trenutni vesoljski program s posadko. In z vidika energetike in tudi s tistimi motorji, ki so zdaj v našem stoletju, se da narediti kar zanimive projekte.
V.: Ali prav razumem, za objekte s posadko predpostavljate libracijske točke sistema Zemlja-Luna, za avtomate pa točke, o katerih ste prej govorili?
U.: Dodal bi še eno točko, vesoljska postaja v L1 ali L2 lahko služi za izstrelitev majhnih vesoljskih plovil (Američani temu pristopu rečejo " prehodna pot - "Most do vesolja"). Naprava se lahko nekako občasno premika okoli Zemlje na zelo velikih razdaljah z uporabo nizkoenergijskih letov ali leti na druge planete ali celo leti okoli več planetov.
V .: Če malo sanjate, potem bo Luna v prihodnosti vir vesoljskega goriva, lunarno gorivo pa bo dobavljeno libracijski točki sistema Zemlja-Luna, potem lahko vesoljska plovila napolnite z vesoljskim gorivom in pošljete vesoljske patrulje po celotnem sončnem sistemu.
Jurij Petrovič, govorili ste o zanimivih pojavih. Preiskovala jih je ameriška stran ( NASA), in pri nas se ukvarjajo s temi projekti?
U.: Projekti, povezani z libracijskimi točkami sistema Zemlja-Luna, kolikor vem, verjetno niso vključeni. Ukvarjajo se s projekti, povezanimi z libracijskimi točkami sistema Sonce-Zemlja. Na tem področju imamo bogate izkušnje in imamo Inštitut uporabna matematika Ruska akademija znanosti po imenu Keldysh, Inštitut za vesoljske raziskave, nekatere univerze v Rusiji se poskušajo spopasti s podobnimi težavami. A tega sistematičnega pristopa, velikega programa ni, ker se mora program začeti z usposabljanjem kadra, kadra z zelo visokimi kvalifikacijami pa ni. V tradicionalnih tečajih o vesoljski balistiki, o nebesni mehaniki, sama mehanika gibanja vesoljskih plovil v bližini točk libracije, nizkoenergijski leti, praktično ni.
Naj povem, da so bili v času Sovjetske zveze tovrstni programi bolj ali manj aktivno vključeni in kot sem že omenil, so bili specialisti na Inštitutu za uporabno matematiko, IKI, FIAN. Zdaj jih je veliko v teh letih ... In veliko število mladih, ki bi se ukvarjali s temi težavami, je zelo slabo vidno.
Američanov nisem omenil v smislu, da bi jih hvalil. Dejstvo je, da se v ZDA s temi problemi ukvarjajo zelo velike enote. Najprej v laboratoriju JPL NASA dela velika ekipa in izvedli so verjetno večino Ameriški projekti medplanetarna astronavtika. Na številnih ameriških univerzah v drugih središčih, v NASA , dela veliko število dobro usposobljenih strokovnjakov z dobro računalniško opremo. Na tem problemu, v tej smeri, delajo na zelo široki fronti.
Na žalost smo malo zmedeni. Če bi se tak program pojavil v Rusiji in bi bil na splošno zelo zanimiv, bi lahko uvedba teh del trajala precej dolgo, začenši z usposabljanjem osebja in konča z raziskavami, izračuni in razvojem ustreznih vesoljskih plovil.
V: Jurij Petrovič, katere univerze izobražujejo strokovnjake za nebesno mehaniko pri nas?
U.: Kolikor vem, na Moskovski državni univerzi, na univerzi v Sankt Peterburgu obstaja oddelek za nebesno mehaniko. Obstajajo takšni specialisti. Koliko, težko odgovorim.
V .: Da bi začeli izvajati praktično stran vprašanja, morate najprej postati globok specialist, za to pa morate imeti ustrezno specialnost.
U.O: In imeti zelo dobro matematično ozadje.
V: Dobro. Ali lahko zdaj navedete seznam referenc, ki bi pomagale tistim ljudem, ki trenutno nimajo posebne matematične izobrazbe?
U.: V ruščini, kolikor vem, obstaja ena monografija Markeeva, posvečena libracijskim točkam. Če me spomin ne vara, se imenuje "Točke libracije v nebesni mehaniki in kozmodinamiki". Izšlo je okrog leta 1978. Obstaja priročnik, ki ga je uredil Duboshin "Priročnik nebesne mehanike in astrodinamike". Doživel je 2 izdaji. Kolikor se spomnim, ima tudi taka vprašanja. Ostalo je mogoče izbrati, prvič, na spletni strani Inštituta za uporabno matematiko je e-knjižnica in njihovi prednatisi (ločeno objavljeni članki) v tej smeri. Prosto tiskajo na internetu. Z iskalnikom lahko poiščete ustrezne prednatise in si jih ogledate. Na internetu je na voljo veliko gradiva v angleškem jeziku.
V: Hvala za zanimivo zgodbo. Upam, da bo ta tema zanimiva za naše uporabnike internetnega vira. Najlepša hvala!
