Задача трех тел: почему так сложно летать вблизи Луны
Большинство специалистов-ракетчиков по возможности стараются избегать громоздких математических расчетов. Но когда речь заходит о выборе траекторий движения в сложных системах, таких как околоземное пространство, включающее орбиту Луны и точки Лагранжа, необходимо учитывать, что на космические аппараты влияет не только гравитация Земли и Луны.
Ракетчики обычно поручают эти расчеты баллистикам. К счастью, некоторые ученые из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, похоже, обладают особым интересом к таким задачам или их альтруизм оказался сильнее нежелания заниматься сложными вычислениями. Они создали открытый набор данных и программный пакет, который описывает миллион различных орбит в околоземном пространстве, включающем Луну и ее окрестности.
За три года моделирования лишь 9,7% таких орбит оказались устойчивыми. В более чем 90% случаев без корректирующих маневров космический аппарат либо сталкивался с Луной, либо сгорал в земной атмосфере, либо покидал околоземное пространство. В чем же причина сложности поддержания траектории между Землей и Луной?
«Задача трех тел» — это научно-фантастический роман китайского писателя Лю Цысиня, который является первой частью его трилогии «Воспоминания о прошлом Земли». В книге автор обращается к реальной физической проблеме: системы из трех тел, каждое из которых испытывает гравитационное воздействие двух других и само влияет на них, называются «хаотическими». Малейшие изменения в начальных условиях или незначительные отклонения, такие как попадание в солнечную бурю, могут привести к существенным и почти непредсказуемым изменениям в траектории движения самого малого из трех тел.
Из-за непредсказуемости хаотического движения разработка траекторий для космических аппаратов в системе «Земля — Луна — Солнце» стала сложной задачей. Для ее решения предлагается новое программное обеспечение или набор данных, которые устанавливают «золотой стандарт» для проверки и подтверждения навигационных программ и систем планирования орбит. Их значимость будет расти, так как все больше организаций и компаний заинтересованы в создании постоянных баз и «порталов» в окололунном пространстве по мере увеличения присутствия человечества в этой системе.
Как функционирует этот набор данных? Многие сложные математические задачи стартуют с четко заданных начальных условий, и исследователи из Ливерморской лаборатории взяли за основу положение Солнца, Земли и Луны на 1 января 1980 года: так любой пользователь будет иметь фиксированную точку отсчета. Затем они разработали комплексную математическую модель, учитывающую воздействие различных сил на космический аппарат в околоземном пространстве.
Эта физическая модель охватывала гравитационные эффекты всех четырех объектов системы — Луны, Земли, космического аппарата и Солнца, которое было представлено как точечный источник. В расчеты также были включены резонансные взаимодействия между Землей и Луной, что позволило учесть множество нюансов, делающих эти вычисления столь сложными.
Также были приняты во внимание давление теплового излучения Земли и давление света от Солнца, которые постепенно отталкивают аппарат от их источников, что еще больше усложняет систему.
Как уже упоминалось, только около 9700 из миллиона орбит, рассчитанных специалистами Ливерморской лаборатории, были признаны «стабильными». Однако были выявлены значительные зоны устойчивости в определенных областях, включая точки Лагранжа системы Земля — Луна, такие как опережающая L4 и отстающая L5. Эти зоны могут служить гравитационными «стоянками» для аппаратов, необходимых для инфраструктуры, например, окололунной станции «Портал» (Lunar Gateway) и аналогичного оборудования.
Еще одной неожиданной точкой стабильности оказалась область, расположенная примерно в пять раз дальше геосинхронной орбиты. Орбиты в этой области находятся достаточно далеко от Земли, чтобы не подвергаться ее полному гравитационному влиянию, и достаточно далеко от Луны, что предотвращает значительные возмущения в их траектории.
Национальные космические агентства и другие заинтересованные организации могут считать эти стабильные участки ключевыми элементами для своих будущих космических инициатив. По мере увеличения их присутствия там, вероятно, они будут использовать этот обширный массив опубликованных данных как часть своей стратегической программы. Эксперты надеются, что это позволит им избежать множества трудностей, связанных с самостоятельным решением сложных математических задач.
Читайте также:
На обложке — концепт художника, изображающий космическую станцию Gateway в составе энергетического модуля PPE и жилого модуля HALO на орбите вокруг Луны. Источник: NASA
Самое популярное
