Ученые обнаружили новый способ внушительно снизить расход топлива при полетах к Луне при помощи гравитационного взаимодействия между Землей и Луной. Об этом сообщает New-Science.ru.
Так, проведенное исследование показало, что наиболее экономичный маршрут отнюдь не является самым коротким или прямым. Вместо этого космическому аппарату нужно совершить сложный маневр с использованием так называемых гравитационных "магистралей" в космосе. Авторы научного труда заверяют, что им удалось сократить необходимое изменение скорости как минимум на 58,80 метра в секунду по сравнению с ранее известными оптимальными траекториями.
В космических масштабах даже незначительные, на первый взгляд, усовершенствования могут дать существенную экономию горючего, удешевить запуск или повысить массу доставляемого груза. Результаты этого исследования представлены в журнале Astrodynamics.
Как пояснил Аллан Кардек де Алмейда Жуниор, исследователь из University of Coimbra, в космонавтике каждый лишний метр в секунду скорости требует огромных затрат топлива, поэтому поиск более рациональных маршрутов приобретает решающее значение. Предложенная новая трасса задействует зону вблизи точки Лагранжа L1 - особой области между Землей и Луной, где притяжение двух небесных тел взаимно компенсируется.
Читайте "Российскую газету" в Max - подписаться
Что такое точка Лагранжа L1? Во Вселенной есть особые места, где гравитационные силы идеально сбалансированы. Чем хороша точка Лагранжа L1? В системе Солнце - Земля она является идеальным местом для размещения космической станции для наблюдения за Солнцем. Здесь светило никогда не перекрывается ни Луной, ни Землей.
Точка Лагранжа L1 сбалансирована гравитационным притяжением двух объектов и лежит на прямой линии между ними. Если расположить спутник между Солнцем и Землей, то гравитация звезды будет притягивать его к себе, а сила притяжения Земли - противодействовать этому. В результате спутник оказывается в точке равновесия двух сил, и ему не нужно жечь много топлива для поддержания своего положения.
Вместо прямого полета к Луне аппарат сначала проходит ближе к спутнику Земли, а затем входит в своеобразный гравитационный коридор возле L1. Эти естественные пути формируются самой динамикой системы Земля - Луна и позволяют перемещаться с минимальными затратами энергии.
Читайте также:
НЛО, снятые на Луне в 1972-м, признали реальными объектами
Главная сложность при прокладывании межпланетных трасс - колоссальное разнообразие возможных маршрутов. Даже крошечное отклонение в исходных данных может кардинально изменить характер движения зонда. Чтобы решить эту проблему, ученые применили математический аппарат, известный как теория функциональных связей. Этот подход позволяет заранее заложить в вычисления ключевые физические ограничения (например, условие касательного импульса при отлете с околоземной орбиты), что существенно упрощает расчеты. Движение аппарата рассматривалось в рамках так называемой ограниченной круговой задачи трех тел, где учитываются только Земля, Луна и сам космический аппарат с пренебрежимо малой массой.
В данной системе ключевое значение имеют так называемые орбиты Ляпунова вблизи точки L1. Это замкнутые траектории, расположенные вокруг коллинеарной точки либрации L1 в системе трех тел (например, Солнце - Земля или Земля - Луна), существование которых вытекает из теоремы Ляпунова о периодических решениях задачи трех тел.
Хотя эти орбиты неустойчивы, вокруг них формируются естественные гравитационные маршруты "входа" и "выхода" - устойчивые и неустойчивые многообразия. По сути, они работают как незримые космические магистрали, по которым аппарат может перемещаться почти без расхода топлива.
Применяя новый подход, ученые смоделировали около 30 миллионов возможных траекторий. Для сравнения: в предыдущих работах анализировалось лишь порядка 280 тысяч вариантов.
Такой объем вычислений позволил выявить неожиданную закономерность. Самые экономичные маршруты не те, что входят в гравитационный коридор со стороны Земли, а те, что находятся с противоположной стороны - после более близкого сближения с Луной. Один из самых удивительных выводов исследования заключается в том, что путь с наименьшими затратами топлива предполагает тесный облет Луны непосредственно перед выходом в область L1. Этот маневр действует как гравитационная праща, снижая потребность в работе двигателей на самых ответственных этапах полета.
Читайте также:
Авторы работы признали, что такой результат выглядит довольно парадоксально, поскольку более удаленный путь оказался выгоднее с энергетической точки зрения. Миссия в исследовании была разделена на два этапа. На первом космический аппарат покидает орбиту Земли на высоте 167 километров и входит в устойчивое многообразие, ведущее к области L1. Затем аппарат движется по естественным гравитационным потокам и позже переходит на траекторию, ведущую к Луне через неустойчивое многообразие. Наиболее эффективный участок маршрута от Земли до области L1 потребовал суммарного изменения скорости в 3342,96 метра в секунду. Для этого понадобились два точно рассчитанных включения двигателей: одно выводит аппарат с околоземной орбиты, а второе переводит его на нужную гравитационную траекторию возле Луны. После этого основную работу фактически выполняет сама гравитация.
Полная траектория - от старта с Земли до выхода на лунную орбиту - требует около 3991,60 метра в секунду изменения скорости и занимает примерно 32 дня. Хотя этот маршрут не является самым быстрым, он дает важные преимущества. Среди них исследователи называют возможность создания промежуточных "перевалочных" орбит возле точки L1, гибкость в проектировании миссий, а также потенциально более стабильную связь с Землей. Ученые подчеркивают, что участок маршрута от L1 к Луне уже почти достиг теоретического минимума расхода топлива. Основные возможности для дальнейшей экономии остаются именно на этапе перелета от Земли к области L1.
В расчетах не учитывалось влияние Солнца и других небесных тел, поэтому результаты пока не привязаны к конкретным датам запусков. В реальных условиях солнечная гравитация может открыть еще более дешевые маршруты, однако только в определенные временные окна, когда взаимное расположение небесных тел будет особенно благоприятным, - подчеркивают эксперты.
Читайте также:
След от удара астероида определит место посадки американцев на Луну в 2028 году
Автор: Наталия Ячменникова