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

Lagrange poeng

For rundt 400 år siden hadde astronomene til disposisjon et nytt instrument for å studere planetenes og stjernenes verden - Galileo Galilei-teleskopet. Svært kort tid gikk, og loven om universell gravitasjon og de tre mekanikklovene oppdaget av Isaac Newton ble lagt til den. Men først etter Newtons død ble de utviklet matematiske metoder, som gjorde det mulig å effektivt bruke lovene oppdaget av ham og gjøre nøyaktige beregninger av banene til himmellegemer. Forfatterne av disse metodene var franske matematikere. Nøkkelfigurer var Pierre Simon Laplace (1749–1827) og Joseph Louis Lagrange (1736–1813). I stor grad var det gjennom deres innsats at en ny vitenskap ble skapt - himmelmekanikk. Dette er nøyaktig hva Laplace kalte det, for hvem himmelmekanikk ble grunnlaget for determinismens filosofi. Spesielt ble bildet av en fiktiv skapning beskrevet av Laplace, som kjente hastighetene og koordinatene til alle partikler i universet, utvetydig kunne forutsi tilstanden på ethvert fremtidig tidspunkt, viden kjent. Denne skapningen - "Laplaces demon" - personifiserte hovedideen til determinismens filosofi. Og den fineste timen ny vitenskap kom 23. september 1846, med oppdagelsen av den åttende planeten i solsystemet - Neptun. Den tyske astronomen Johann Halle (1812–1910) oppdaget Neptun nøyaktig der den skulle ha vært ifølge beregninger gjort av den franske matematikeren Urbain Le Verrier (1811–1877).

En av fremragende prestasjoner himmelmekanikk var oppdagelsen av Lagrange i 1772 av den såkalte frigjøringspunkter. I følge Lagrange er det i et tokroppssystem totalt fem punkter (vanligvis kalt Lagrange poeng), der summen av kreftene som virker på et tredje legeme plassert i et punkt (hvis massen er betydelig mindre enn massene til de to andre) er lik null. Naturligvis snakker vi om en roterende referanseramme, der kroppen i tillegg til tyngdekreftene også vil bli påvirket av treghetssentrifugalkraften. Ved Lagrange-punktet vil derfor kroppen være i en tilstand av likevekt. I Sol-Jord-systemet er Lagrange-punktene plassert som følger. På den rette linjen som forbinder solen og jorden, er det tre punkter av fem. Punktum L 3 ligger på motsatt side av jordens bane i forhold til solen. Punktum L 2 ligger på samme side av solen som jorden, men i den, i motsetning til L 3, Solen er dekket av jorden. Og punktum L 1 er på den rette linjen som forbinder L 2 og L 3, men mellom jorden og solen. Poeng L 2 og L 1 er atskilt fra jorden med samme avstand - 1,5 millioner km. På grunn av deres egenskaper tiltrekker Lagrange-punkter oppmerksomheten til science fiction-forfattere. Så, i boken "Solar Storm" av Arthur C. Clarke og Stephen Baxter, er det ved Lagrange-punktet L 1 rombyggere bygger en enorm skjerm designet for å skjerme jorden fra en superkraftig solstorm.

De resterende to punktene er L 4 og L 5 er i jordens bane, en er foran jorden, den andre er bak. Disse to punktene er svært vesentlig forskjellige fra de andre, siden balansen mellom himmellegemene som ligger i dem vil være stabil. Det er derfor hypotesen er så populær blant astronomer at i nærheten av poeng L 4 og L 5 kan inneholde restene av en gass- og støvsky fra epoken med dannelsen av planetene i solsystemet, som tok slutt for 4,5 milliarder år siden.

Etter at automatiske interplanetære stasjoner begynte å utforske solsystemet, økte interessen for Lagrange-punkter kraftig. Altså i nærheten av punktet L 1 romfartøy forsker på solvinden NASA: SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) Og Vind(oversatt fra engelsk – vind).

En annen enhet NASA- sonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)– ligger i nærheten av punktet L 2 og studerer den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen. Mot L 2 romteleskoper "Planck" og "Herschel" beveger seg; i nær fremtid vil de få selskap av Webb-teleskopet, som skal erstatte det berømte langlivede romteleskopet Hubble. Når det gjelder poengene L 4 og L 5, deretter 26.–27. september 2009 tvillingsonder STEREO-A Og STEREO-B overført til Jorden en rekke bilder av aktive prosesser på overflaten av solen. Innledende prosjektplaner STEREO har nylig blitt betydelig utvidet, og foreløpig forventes probene også å bli brukt til å studere nærheten av Lagrange-punkter for tilstedeværelse av asteroider der. hovedmålet Slik forskning involverer testing av datamodeller som forutsier tilstedeværelsen av asteroider ved "stabile" Lagrange-punkter.

I denne forbindelse skal det sies at i andre halvdel av 1900-tallet, da det ble mulig å løse numerisk på en datamaskin komplekse ligninger himmelmekanikk, bildet av et stabilt og forutsigbart solsystem (og med det determinismens filosofi) har endelig blitt en saga blott. Datamodellering viste at fra den uunngåelige unøyaktigheten i de numeriske verdiene til hastighetene og koordinatene til planetene på et gitt tidspunkt, følger svært betydelige forskjeller i modellene for utviklingen av solsystemet. Så ifølge ett scenario kan solsystemet til og med miste en av planetene sine om hundrevis av millioner år.

Samtidig gir datamodeller en unik mulighet til å rekonstruere hendelsene som fant sted i den fjerne epoken av solsystemets ungdom. Dermed ble modellen til matematikeren E. Belbruno og astrofysikeren R. Gotta (Princeton University) viden kjent, ifølge hvilken på et av Lagrange-punktene ( L 4 eller L 5) i den fjerne fortiden ble planeten Theia dannet ( Teia). Gravitasjonspåvirkningen fra de andre planetene tvang Thea på et tidspunkt til å forlate Lagrange-punktet, gå inn i en bane mot Jorden og til slutt kollidere med den. Gott og Belbrunos modell utdyper en hypotese som mange astronomer deler. Ifølge den består Månen av materiale som ble dannet for rundt 4 milliarder år siden etter kollisjonen av et romobjekt på størrelse med Mars med Jorden. Denne hypotesen har imidlertid et svakt punkt: spørsmålet om hvor nøyaktig et slikt objekt kunne ha blitt dannet. Hvis fødestedet var områder av solsystemet fjernt fra jorden, ville energien være veldig stor, og resultatet av dens kollisjon med jorden ville ikke være skapelsen av månen, men ødeleggelsen av jorden. Følgelig burde et slikt objekt ha dannet seg ikke langt fra jorden, og nærheten til et av Lagrange-punktene er ganske egnet for dette.

Men siden hendelser kunne utvikle seg på denne måten i fortiden, hva hindrer dem i å skje igjen i fremtiden? Vil det med andre ord ikke vokse enda en Theia i nærheten av Lagrange-punktene? Prof. P. Weigert (University of Western Ontario, Canada) mener at dette er umulig, siden solsystemet For tiden er det tydeligvis ikke nok støvpartikler til å danne slike objekter, men for 4 milliarder år siden, da planeter ble dannet av partikler av gass og støvskyer, var situasjonen fundamentalt annerledes. I følge R. Gott kan asteroider godt bli oppdaget i nærheten av Lagrange-punktene - restene av "byggematerialet" til planeten Theia. Slike asteroider kan bli en betydelig risikofaktor for jorden. Faktisk kan gravitasjonspåvirkningen fra andre planeter (og først og fremst Venus) være tilstrekkelig til at asteroiden forlater nærheten av Lagrange-punktet, og i dette tilfellet kan den godt komme inn i en kollisjonsbane med Jorden. Gotts hypotese har en forhistorie: tilbake i 1906 oppdaget M. Wolf (Tyskland, 1863–1932) asteroider ved Lagrange-punktene i Sol–Jupiter-systemet, de første utenfor asteroidebeltet mellom Mars og Jupiter. Deretter ble mer enn tusen av dem oppdaget i nærheten av Lagrange-punktene i Sol-Jupiter-systemet. Forsøk på å finne asteroider i nærheten av andre planeter i solsystemet var ikke så vellykket. Tilsynelatende er de fortsatt ikke i nærheten av Saturn, og først i det siste tiåret har de blitt oppdaget i nærheten av Neptun. Av denne grunn er det ganske naturlig at spørsmålet om tilstedeværelse eller fravær av asteroider ved Lagrange-punktene i Jord-Sol-systemet er av stor bekymring for moderne astronomer.

P. Weigert, ved hjelp av et teleskop på Mauna Kea (Hawaii, USA), prøvde allerede på begynnelsen av 90-tallet. XX århundre finne disse asteroidene. Observasjonene hans var grundige, men førte ikke til suksess. Relativt nylig ble det lansert automatiske søkeprogrammer for asteroider, spesielt Lincoln-prosjektet for å søke etter asteroider nær jorden (Lincoln Near Earth Asteroid Research-prosjekt). De har imidlertid ennå ikke gitt noen resultater.

Det antas at sonder STEREO vil bringe slike søk til et fundamentalt annet nøyaktighetsnivå. Sondenes flukt over nærheten av Lagrange-punktene ble planlagt helt i begynnelsen av prosjektet, og etter at asteroidesøkeprogrammet ble inkludert i prosjektet, ble til og med muligheten for å forlate dem for alltid i nærheten av disse punktene diskutert.

Beregninger viste imidlertid at å stoppe sondene ville kreve for mye drivstofforbruk. Med tanke på denne omstendigheten, prosjektledere STEREO Vi bestemte oss for alternativet for sakte flyvninger av disse områdene i rommet. Dette vil ta måneder. Heliosfæriske opptakere er plassert om bord i sondene, og det er med deres hjelp at asteroider skal letes. Likevel er oppgaven fortsatt svært vanskelig, siden i fremtidige bilder vil asteroidene bare være prikker som beveger seg mot en bakgrunn av tusenvis av stjerner. Prosjektledere STEREO stole på aktiv hjelp i søket fra amatørastronomer som vil se de resulterende bildene på Internett.

Eksperter er svært bekymret for sikkerheten ved bevegelse av sonder i nærheten av Lagrange-punktene. Faktisk kan kollisjoner med "støvpartikler" (som kan være ganske store i størrelse) skade sondene. I deres flukt sondene STEREO har allerede gjentatte ganger møtt støvpartikler - fra én til flere tusen per dag.

Hovedintrigen til de kommende observasjonene er den fullstendige usikkerheten i spørsmålet om hvor mange asteroider sondene skal "se" STEREO(hvis de i det hele tatt ser det). Nye datamodeller har ikke gjort situasjonen mer forutsigbar: det følger av dem at gravitasjonspåvirkningen til Venus ikke bare kan "trekke" asteroider fra Lagrange-punkter, men også bidra til bevegelsen av asteroider til disse punktene. Det totale antallet asteroider i nærheten av Lagrange-punktene er ikke veldig stort ("vi snakker ikke om hundrevis"), og deres lineære størrelser er to størrelsesordener mindre enn størrelsene til asteroider fra beltet mellom Mars og Jupiter. Vil hans spådommer bli bekreftet? Det er bare litt tid igjen å vente...

Basert på materialene i artikkelen (oversatt fra engelsk)
S. Clark. Å leve i vektløshet //New Scientist. 21. februar 2009

Har noen eksperimenter blitt utført for å plassere romfartøyer ved Lagrange-punktene i Jord-Måne-systemet?

Til tross for at menneskeheten har visst om de såkalte frigjøringspunktene som eksisterer i rommet og deres fantastiske egenskaper i ganske lang tid, begynte de å bli brukt til praktiske formål først i det 22. året av romalderen. Men først, la oss kort snakke om selve mirakelpunktene.

De ble først teoretisk oppdaget av Lagrange (hvis navn de nå bærer), som en konsekvens av å løse det såkalte trekroppsproblemet. Forskeren var i stand til å bestemme hvor i verdensrommet det kan være punkter der resultanten av alle ytre krefter blir null.

Poeng er delt inn i stabile og ustabile. Stabile er vanligvis betegnet L 4 og L 5 . De er plassert i samme plan med de to viktigste himmellegemer(V i dette tilfellet- Jorden og månen), og danner med dem to likesidede trekanter, som de ofte kalles trekantede for. Romfartøyet kan forbli på trekantede punkter så lenge det er ønskelig. Selv om den avviker til siden, vil virkekreftene likevel returnere den til likevektsposisjon. Romfartøyet ser ut til å falle ned i en gravitasjonstrakt, som en biljardball i en lomme.

Men, som vi sa, er det også ustabile frigjøringspunkter. I dem er romfartøyet tvert imot plassert som på et fjell, og er stabilt bare på toppen. Enhver ytre påvirkning avleder den til siden. Å komme til et ustabilt Lagrange-punkt er ekstremt vanskelig - det krever ultrapresisjon navigasjon. Derfor må enheten bare bevege seg nær selve punktet i den såkalte "halo-banen", fra tid til tidkrevende drivstoff for å opprettholde det, selv om det er veldig lite.

Det er tre ustabile punkter i jord-månesystemet. Ofte kalles de også rettlinjede, siden de er plassert på samme linje. En av dem (L 1) ligger mellom jorden og månen, 58 tusen km fra sistnevnte. Den andre (L 2) er plassert slik at den aldri er synlig fra jorden - den gjemmer seg bak Månen, 65 tusen km fra den. Det siste punktet (L 3), tvert imot, er aldri synlig fra månen, siden det er blokkert av jorden, hvorfra det er omtrent 380 tusen km unna.

Selv om det er mer lønnsomt å være i stabile punkter (det er ikke nødvendig å forbruke drivstoff), har romfartøy så langt bare blitt kjent med ustabile, eller rettere sagt, bare med en av dem, og selv da relatert til Sun-Earth-systemet . Den befinner seg inne i dette systemet, 1,5 millioner km fra planeten vår og er, i likhet med punktet mellom Jorden og Månen, betegnet L 1. Når den sees fra jorden, projiseres den direkte på solen og kan tjene som et ideelt punkt for å spore den.

Denne muligheten ble først brukt av amerikanske ISEE-3, lansert 12. august 1978. Fra november 1978 til juni 1982 var den i en "halo-bane" rundt Li-punktet, og studerte egenskapene til solvinden. På slutten av denne perioden var det han, men allerede omdøpt til ICE, som tilfeldigvis ble den første kometforskeren i historien. For å gjøre dette forlot enheten frigjøringspunktet, og etter å ha utført flere gravitasjonsmanøvrer nær månen, fløy den i 1985 nær kometen Giacobini-Zinner. Det neste året utforsket han også Halleys komet, men bare ved fjerne tilnærminger.

Den neste besøkende til L 1-punktet til Sol-Jord-systemet var det europeiske solobservatoriet SOHO, som ble skutt opp 2. desember 1995 og, dessverre, nylig tapt på grunn av en kontrollfeil. Under arbeidet hennes ble det innhentet mye viktig vitenskapelig informasjon og mange interessante funn ble gjort.

Til slutt, det siste apparatet som hittil ble lansert i nærheten av L 1 var det amerikanske ACE-apparatet, designet for å studere kosmiske stråler og stjernevind. Han skjøt opp fra Jorden 25. august i fjor og utfører for tiden sin forskning med suksess.

Hva blir det neste? Er det noen nye prosjekter knyttet til librasjonspunkter? Selvfølgelig finnes de. I USA ble derfor forslaget fra visepresident A. Gore akseptert om en ny lansering i retning av punkt L 1 av Sun-Earth-systemet til det vitenskapelige og pedagogiske apparatet "Triana", som allerede har fått kallenavnet "Gore Camera" .

I motsetning til sine forgjengere, vil han ikke overvåke solen, men jorden. Planeten vår fra dette punktet er alltid synlig i full fase og er derfor veldig praktisk for observasjoner. Det forventes at bildene som mottas av Gora-kameraet vil bli lastet opp til Internett nesten i sanntid, og tilgang til dem vil være åpen for alle.

Det er også et russisk "libreringsprosjekt". Dette er Relikt-2-enheten, designet for å samle informasjon om den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen. Hvis det blir funnet finansiering til dette prosjektet, så venter L 2-librasjonspunktet i Earth-Moon-systemet på det, det vil si det som er skjult bak Månen.

I rotasjonssystemet på to kosmiske kropper av en viss masse, er det punkter i rommet hvor du ved å plassere en gjenstand med liten masse kan fikse den i en stasjonær posisjon i forhold til disse to rotasjonslegemene. Disse punktene kalles Lagrange-punkter. Artikkelen vil diskutere hvordan de brukes av mennesker.

Hva er Lagrange-poeng?

For å forstå dette problemet, bør man vende seg til løsningen på problemet med tre roterende legemer, hvorav to har en slik masse at massen til det tredje legemet er ubetydelig sammenlignet med dem. I dette tilfellet er det mulig å finne posisjoner i rommet der gravitasjonsfeltene til begge massive legemer vil kompensere for sentripetalkraften til hele det roterende systemet. Disse posisjonene vil være Lagrange-poeng. Ved å plassere en kropp med lav masse i dem, kan du observere hvordan avstandene til hver av de to massive kroppene ikke endres over lengre tid. Her kan vi tegne en analogi med geostasjonær bane, der satellitten alltid er plassert over ett punkt på jordoverflaten.

Det er nødvendig å klargjøre at et legeme som befinner seg ved Lagrange-punktet (også kalt et fritt punkt eller punkt L), i forhold til en ekstern observatør, beveger seg rundt hver av de to kroppene med stor masse, men denne bevegelsen, sammen med bevegelsen av de to gjenværende kroppene av systemet, har følgende karakter , at i forhold til hver av dem er den tredje kroppen i ro.

Hvor mange av disse punktene er det og hvor er de plassert?

For et system med roterende to kropper med absolutt hvilken som helst masse, er det bare fem punkter L, som vanligvis er betegnet med L1, L2, L3, L4 og L5. Alle disse punktene er plassert i rotasjonsplanet til de aktuelle kroppene. De tre første punktene er på linjen som forbinder massesentrene til de to legene på en slik måte at L1 er plassert mellom legene, og L2 og L3 er bak hver av legene. Punktene L4 og L5 er plassert slik at hvis du forbinder hver av dem med massesentrene til to kropper i systemet, vil du få to identiske trekanter i rommet. Figuren nedenfor viser alle Jord-Sol Lagrange-punktene.

De blå og røde pilene i figuren viser virkningsretningen til den resulterende kraften når man nærmer seg det tilsvarende frie punktet. Fra figuren kan man se at arealene til punktene L4 og L5 er mye større enn arealene til punktene L1, L2 og L3.

Historisk referanse

Eksistensen av fripoeng i et system med tre roterende kropper ble først bevist av en italiensk-fransk matematiker i 1772. For å gjøre dette måtte forskeren introdusere noen hypoteser og utvikle sin egen mekanikk, forskjellig fra Newtons mekanikk.

Lagrange beregnet L-punktene, som ble oppkalt etter ham, for ideelle sirkulære rotasjonsbaner. I virkeligheten er banene elliptiske. Sistnevnte faktum fører til det faktum at Lagrange-punkter ikke lenger eksisterer, men det er områder der en tredje kropp med liten masse utfører en sirkulær bevegelse som ligner på bevegelsen til hver av de to massive kroppene.

Fripunkt L1

Eksistensen av Lagrange-punktet L1 er lett å bevise ved å bruke følgende resonnement: ta Solen og Jorden som et eksempel, i henhold til Keplers tredje lov, jo nærmere et legeme er stjernen, jo kortere rotasjonsperiode rundt denne stjernen ( kvadratet av kroppens rotasjonsperiode er direkte proporsjonal med kuben av den gjennomsnittlige avstanden fra kroppen til stjernen). Dette betyr at ethvert legeme som befinner seg mellom jorden og solen vil gå i bane rundt stjernen raskere enn planeten vår.

Imidlertid tar det ikke hensyn til påvirkningen av tyngdekraften til den andre kroppen, det vil si jorden. Hvis vi tar dette faktum i betraktning, kan vi anta at jo nærmere det tredje lavmasselegemet er jorden, desto sterkere vil motvirkningen av jordens tyngdekraft til solenergien være. Som et resultat vil det være et punkt der jordens tyngdekraft vil bremse rotasjonshastigheten til det tredje legemet rundt solen på en slik måte at rotasjonsperiodene til planeten og kroppen vil være like. Dette vil være fripunktet L1. Avstanden til Lagrange-punktet L1 fra jorden er lik 1/100 av radiusen til planetens bane rundt stjernen og er 1,5 millioner km.

Hvordan brukes L1-området? Dette er et ideelt sted å observere solstråling siden det aldri er noen solformørkelser. For tiden er det flere satellitter i L1-regionen som studerer solvinden. En av dem er den europeiske kunstige satellitten SOHO.

Når det gjelder dette jord-måne-lagrangepunktet, ligger det omtrent 60 000 km fra månen, og brukes som et "omlastningspunkt" under romfartøy- og satellittoppdrag til månen og tilbake.

Fripunkt L2

På samme måte som det forrige tilfellet kan vi konkludere med at i et system med to revolusjonslegemer, utenfor banen til et legeme med mindre masse, bør det være et område der fallet i sentrifugalkraften kompenseres av tyngdekraften til denne kroppen. , som fører til utjevning av rotasjonsperiodene til kroppen med en mindre masse og den tredje kroppen rundt kroppen med mer masse. Dette området er et fripunkt L2.

Hvis vi vurderer sol-jord-systemet, vil avstanden fra planeten til dette Lagrange-punktet være nøyaktig den samme som til punkt L1, det vil si 1,5 millioner km, bare L2 er plassert bak jorden og lenger fra solen. Siden det i L2-regionen ikke er noen påvirkning av solstråling på grunn av jordens beskyttelse, brukes den til å observere universet, og plasserer forskjellige satellitter og teleskoper her.

I jord-månesystemet er punkt L2 plassert bak jordens naturlige satellitt i en avstand på 60 000 km fra den. Lunar L2 inneholder satellitter som brukes til å observere den andre siden av månen.

Fripoeng L3, L4 og L5

Punkt L3 i Sol-Jord-systemet ligger bak stjernen, så det kan ikke observeres fra jorden. Punktet brukes ikke på noen måte, siden det er ustabilt på grunn av tyngdekraftens påvirkning fra andre planeter, for eksempel Venus.

Punktene L4 og L5 er de mest stabile Lagrange-områdene, så det er asteroider eller kosmisk støv nær nesten hver planet. For eksempel eksisterer bare kosmisk støv ved disse Lagrange-punktene på Månen, mens trojanske asteroider er lokalisert ved L4 og L5 av Jupiter.

Annen bruk av gratispoeng

I tillegg til å installere satellitter og observere verdensrommet, kan Lagrange-punktene på jorden og andre planeter også brukes til romfart. Det følger av teorien at bevegelser gjennom Lagrange-punktene til forskjellige planeter er energisk gunstige og krever lite energiforbruk.

En til interessant eksempelÅ bruke jordens L1-punkt ble et fysikkprosjekt til et ukrainsk skolebarn. Han foreslo å plassere en sky av asteroidestøv i dette området, som ville beskytte jorden mot den ødeleggende solvinden. Dermed kan punktet brukes til å påvirke klimaet på hele den blå planeten.

Uansett hvilket mål du setter deg selv, hvilket oppdrag du enn planlegger, vil en av de største hindringene på din vei i verdensrommet være drivstoff. Det er klart at en viss mengde av det er nødvendig for å forlate jorden. Jo mer last som må tas ut av atmosfæren, jo mer drivstoff trengs. Men på grunn av dette blir raketten enda tyngre, og det hele går over i en ond sirkel. Det er dette som hindrer oss i å sende flere interplanetære stasjoner til ulike adresser på én rakett – det er rett og slett ikke nok plass til drivstoff. Men tilbake på 80-tallet av forrige århundre fant forskere et smutthull - en måte å reise rundt i solsystemet ved å nesten ikke bruke drivstoff. Det kalles Interplanetary Transport Network.

Nåværende metoder for romflukt

I dag krever det vanligvis en såkalt Hohmann-ellipseflyging mellom objekter i solsystemet, for eksempel å reise fra Jorden til Mars. Bæreraketten skytes opp og akselereres deretter til den er utenfor Mars-bane. Nær den røde planeten bremser raketten ned og begynner å rotere rundt målet. Den brenner mye drivstoff både for akselerasjon og bremsing, men Hohmann-ellipsen er fortsatt en av de mest effektive måter beveger seg mellom to objekter i rommet.

Hohmann Ellipse - Arc I - flytur fra Jorden til Venus. Arc II - flytur fra Venus til Mars Arc III - retur fra Mars til Jorden.

Tyngdekraftsmanøvrer brukes også, som kan være enda mer effektive. Når du utfører dem, akselererer romfartøyet ved å bruke gravitasjonskraften til et stort himmellegeme. Hastighetsøkningen er svært betydelig nesten uten bruk av drivstoff. Vi bruker disse manøvrene hver gang vi sender stasjonene våre på en lang reise fra jorden. Men hvis et skip trenger å gå inn i banen til en planet etter en gravitasjonsmanøver, må det fortsatt bremse. Du husker selvfølgelig at dette krever drivstoff.

Det er nettopp derfor på slutten av forrige århundre bestemte noen forskere seg for å nærme seg problemet fra den andre siden. De behandlet tyngdekraften ikke som en slynge, men som et geografisk landskap, og formulerte ideen om et interplanetarisk transportnettverk. Inngangs- og utgangsspringbrettene til den var Lagrange-punktene - fem regioner nær himmellegemer der tyngdekraften og rotasjonskreftene kommer i balanse. De eksisterer i ethvert system der en kropp roterer rundt en annen, og uten påskudd av originalitet, er de nummerert fra L1 til L5.

Hvis vi plasserer et romskip ved Lagrange-punktet, vil det henge der i det uendelige fordi tyngdekraften ikke trekker det i én retning mer enn i en annen. Imidlertid er ikke alle disse punktene skapt like, billedlig talt. Noen av dem er stabile - hvis du beveger deg litt til siden mens du er inne, vil tyngdekraften returnere deg til din plass - som en ball i bunnen av en fjelldal. Andre Lagrange-punkter er ustabile – beveger du deg litt, begynner du å bli revet med derfra. Gjenstander som ligger her er som en ball på toppen av en bakke - den vil bli der hvis den er godt plassert eller hvis den holdes der, men selv en liten bris er nok til at den får opp farten og ruller nedover.

Åser og daler i det kosmiske landskapet

Romskip som flyr rundt i solsystemet tar hensyn til alle disse "bakkene" og "dalene" under flyturen og under ruteplanleggingsstadiet. Det interplanetariske transportnettverket tvinger dem imidlertid til å jobbe til beste for samfunnet. Som du allerede vet, har hver stabil bane fem Lagrange-punkter. Dette er Jord-Måne-systemet, og Sol-Jord-systemet, og systemene til alle satellittene til Saturn med Saturn selv... Du kan fortsette selv, tross alt, i solsystemet dreier mange ting seg om noe.

Lagrangepunkter er overalt, selv om de stadig endrer sin spesifikke plassering i verdensrommet. De følger alltid banen til det mindre objektet i rotasjonssystemet, og dette skaper et landskap i stadig endring av gravitasjonsbakker og daler. Med andre ord endres fordelingen av gravitasjonskrefter i solsystemet over tid. Noen ganger er tiltrekningen i visse romlige koordinater rettet mot solen, på et annet tidspunkt - mot en planet, og det hender også at Lagrange-punktet passerer gjennom dem, og på dette stedet hersker likevekt når ingen trekker noen noe sted.

Åsene og dalene-metaforen hjelper oss å visualisere denne abstrakte ideen bedre, så vi vil bruke den noen ganger til. Noen ganger i verdensrommet hender det at en ås passerer ved siden av en annen ås eller en annen dal. De kan til og med overlappe hverandre. Og akkurat i dette øyeblikket blir romfart spesielt effektivt. For eksempel, hvis gravitasjonsbakken din overlapper en dal, kan du "rulle" inn i den. Hvis bakken overlapper en annen bakke, kan du hoppe fra topp til topp.

Hvordan bruke det interplanetære transportnettverket?

Når Lagrange-punktene i forskjellige baner beveger seg nærmere hverandre, krever det nesten ingen anstrengelse å bevege seg fra den ene til den andre. Dette betyr at hvis du ikke har det travelt og er klar til å vente på at de nærmer seg, kan du hoppe fra bane til bane, for eksempel langs Jord-Mars-Jupiter-ruten og utover, nesten uten å kaste bort drivstoff. Det er lett å forstå at dette er ideen som det interplanetære transportnettverket bruker. Det stadig skiftende nettverket av Lagrange-punkter er som en svingete vei, som lar deg bevege deg mellom baner med minimalt drivstofforbruk.

I det vitenskapelige miljøet kalles disse punkt-til-punkt-bevegelsene rimelige overgangsbaner, og de har allerede blitt brukt flere ganger i praksis. En av de mest kjente eksempler er et desperat, men vellykket forsøk på å redde den japanske månestasjonen i 1991, da romfartøyet hadde for lite drivstoff til å fullføre oppdraget på tradisjonell måte. Dessverre kan vi ikke bruke denne teknikken regelmessig, siden en gunstig justering av Lagrange-punkter kan forventes i flere tiår, århundrer og enda lenger.

Men hvis tiden ikke haster, har vi lett råd til å sende en sonde ut i verdensrommet, som rolig venter på de nødvendige kombinasjonene, og samler informasjon resten av tiden. Etter å ha ventet, vil han hoppe til en annen bane og utføre observasjoner mens han allerede er i den. Denne sonden vil kunne reise gjennom hele solsystemet i ubegrenset tid, registrere alt som skjer i dens nærhet og legge til den vitenskapelige kunnskapen om menneskelig sivilisasjon. Det er klart at dette vil være fundamentalt forskjellig fra måten vi utforsker verdensrommet på nå, men denne metoden ser lovende ut, også for fremtidige langsiktige oppdrag.

> Lagrangepunkter

Hvordan de ser ut og hvor de skal lete Lagrange poeng i verdensrommet: oppdagelseshistorie, jord- og månesystemet, 5 L-punkter av et system med to massive kropper, påvirkning av tyngdekraften.

La oss være ærlige: vi sitter fast på jorden. Vi bør takke tyngdekraften for at vi ikke ble kastet ut i verdensrommet og vi kan gå på overflaten. Men for å komme deg løs, må du bruke en enorm mengde energi.

Imidlertid er det visse regioner i universet der et smart system har balansert gravitasjonspåvirkningen. Med riktig tilnærming kan dette brukes til å utvikle plass mer produktivt og raskt.

Disse stedene kalles Lagrange poeng(L-punkter). De fikk navnet sitt fra Joseph Louis Lagrange, som beskrev dem i 1772. Faktisk lyktes han i å utvide matematikken til Leonhard Euler. Forskeren var den første som oppdaget tre slike punkter, og Lagrange annonserte de to neste.

Lagrange-poeng: Hva snakker vi om?

Når du har to massive objekter (for eksempel Solen og Jorden), er deres gravitasjonskontakt bemerkelsesverdig balansert i spesifikke 5 områder. I hver av dem kan du plassere en satellitt som holdes på plass med minimal innsats.

Det mest bemerkelsesverdige er det første Lagrange-punktet L1, balansert mellom gravitasjonsattraksjonen til to objekter. Du kan for eksempel installere en satellitt over månens overflate. Jordens tyngdekraft presser den inn i Månen, men kraften til satellitten motstår også. Så enheten trenger ikke å kaste bort mye drivstoff. Det er viktig å forstå at dette punktet er mellom alle objekter.

L2 er på linje med massen, men på den andre siden. Hvorfor trekker ikke den kombinerte tyngdekraften satellitten mot jorden? Alt handler om banebaner. Satellitten ved punkt L2 vil være plassert i en høyere bane og henger etter jorden, ettersom den beveger seg saktere rundt stjernen. Men jordens tyngdekraft presser den og hjelper til med å forankre den på plass.

Du må se etter L3 på motsatt side av systemet. Tyngdekraften mellom objekter stabiliserer seg og enheten manøvrerer lett. En slik satellitt vil alltid være skjult av solen. Det er verdt å merke seg at de tre beskrevne punktene ikke anses som stabile, derfor vil enhver satellitt før eller senere avvike. Så det er ingenting å gjøre der uten fungerende motorer.

Det er også L4 og L5 plassert foran og bak det nedre objektet. Det dannes en likesidet trekant mellom massene, hvor en av sidene vil være L4. Snur du den opp ned får du L5.

De to siste punktene anses som stabile. Dette bekreftes av asteroidene som finnes på store planeter som Jupiter. Dette er trojanere fanget i en gravitasjonsfelle mellom tyngdekraften til solen og Jupiter.

Hvordan bruke slike steder? Det er viktig å forstå at det finnes mange typer romutforskning. For eksempel er satellitter allerede plassert ved jord-sol- og jord-måne-punktene.

Sun-Earth L1 er et flott sted å være vert for et solar teleskop. Enheten kom så nærme stjernen som mulig, men mistet ikke kontakten med hjemmeplaneten.

De planlegger å plassere det fremtidige James Webb-teleskopet på punkt L2 (1,5 millioner km fra oss).

Earth-Moon L1 er et utmerket punkt for en månetankstasjon, som lar deg spare på drivstofflevering.

Den mest fantastiske ideen ville være å sette romstasjonen Ostrov III i L4 og L5, fordi den ville være absolutt stabil der.

La oss fortsatt takke tyngdekraften og dens merkelige interaksjon med andre objekter. Tross alt lar dette deg utvide måtene å utforske rommet på.