Точки либрации (точки Лагранжа) - точки равновесия в межпланетном пространстве

Кроме орбит около различных небесных тел, в межпланетном пространстве существует ещё один вид областей, интересных для вывода туда космических аппаратов. Это так называемые точки либрации (точки Лагранжа).


Что это?

Точки либрации (точки Лагранжа) - точки равновесия в межпланетном пространстве Космос, Точки либрации, Наука, Земля, Солнце, Луна, Гравитационные волны, Спутники, Длиннопост

Точки либрации - 5 точек равновесия, существующие в системе из двух массивных тел, где тело с меньшей массой вращается вокруг тела с большей массой. Такими системами, к примеру, являются Солнце-Земля, Земля-Луна, Солнце-Юпитер, Марс-Фобос и так далее.

Если бы движение происходило по строго круговым орбитам, и тела не испытывали никакого внешнего воздействия, то в 5 точках притяжение двух тел уравновешивало бы друг друга, и космический аппарат, помещённый в любую из этих точек, оставался бы в состоянии покоя.

Расположение этих точек указано на рисунке выше. L1, L2 и L3 лежат на прямой, соединяющей тела, треугольные точки L4 и L5 расположены по бокам.


В реальности всё несколько сложнее: планеты вращаются не по круговым, а по эллиптическим орбитам; к тому же, они испытывают гравитационное возмущение от других небесных тел. Поэтому неподвижно зафиксировать космический аппарат в точках либрации не получится, необходимо постоянно поддерживать стабильность его орбиты. Однако поддерживать орбиту вокруг точки либрации не более затратно, чем орбиту вокруг одной из планет. В связи с этим эти точки вызывают интерес у проектировщиков космических миссий.


Зачем они нужны?

Целесообразность вывода космического аппарата на орбиту вокруг точек либрации в случае разных систем разная. Рассмотрим основные, наиболее близкие нам варианты.

Солнце-Земля

Точка L1 в этой системе интересна для постоянного наблюдения за Солнцем. Точка L2, напротив, интересна для наблюдений, которым солнечное излучение только мешает. (ведь в L2 космический аппарат всё время находится в тени Земли)

С точкой L3 связаны легенды об "Антиземле" - планете-двойнике Земли, спрятанной от нас по ту сторону Солнца. Эта область уже фотографировалась космическими аппаратами, кроме залётных астероидов там, конечно же, ничего нет. Однако в будущем, когда мы наконец начнём активно летать по Солнечной системе, оборудовать станцию в L3 будет очень удобно.

Земля-Луна

В этой системе больше всего интересна точка L2, поскольку она находится над обратной стороной Луны. Как известно, около половины лунной поверхности мы никогда с Земли не видим. Когда начнётся активное исследование обратной стороны Луны, это может вызвать значительные трудности для установления постоянной радиосвязи. Для решения этой проблемы предполагается оборудовать в L2 систему ретрансляторов.

Точка L1 является идеальным местом для строительства пилотируемой орбитальной станции, которая могла бы использоваться в процессе освоения нашего спутника.


Существующие проекты

Точки либрации постепенно начинают осваиваться мировыми космическими агентствами. Действующих и планируемых миссий довольно много, перечислю некоторые из них.

1) LISA Pathfinder. После открытия гравитационных волн в обсерватории LIGO, ESA объявила о планах построить в 2034 году в космосе огромный интерферометр, который будет в разы чувствительнее земного аналога. LISA Pathfinder должна протестировать необходимые для этого технологии. Этот аппарат начал свою научную деятельность в марте этого года, располагается он в точке L1 Солнце-Земля.

2) В октябре 2018 к точке L2 системы Солнце-Земля планируется запустить телескоп Джеймс Уэбб - наследника и приемника стремительно устаревающего Хаббла.

3) В 2017 году Россия планирует запустить в эту точку обсерваторию Спектр-РГ. Задачей этого аппарата является обзор всего неба в рентгеновском и гамма-диапазоне с чувствительностью, в 40 раз превышающей чувствительность предыдущего обзора, сделанного спутником ROSAT в 90-е годы.

4) В 2013 году в эту точку (L2 Солнце-Земля) был запущен европейский аппарат Gaia, который занят составлением подробной звёздной карты.

5) SOHO - совместный проект NASA и ESA, запущенный в 1995 году в точку L1 Солнце-Земля. Его основной задачей является изучение Солнца, однако также благодаря ему было открыто 2000 околосолнечных комет. Снимки, сделанные этим аппаратом, доступны всем желающим в Интернете.

Исследователи космоса

16.1K постов46.4K подписчиков

Добавить пост

Правила сообщества

Какие тут могут быть правила, кроме правил установленных самим пикабу :)

Вы смотрите срез комментариев. Показать все
Автор поста оценил этот комментарий

Насколько я знаю физику, лишь в точке L1 аппарат будет в "состоянии покоя". Ну и L5 возможно. Или нет. Я хз короче. Я вообще программист. Пойду в Skyrim поиграю.

раскрыть ветку (11)
1
Автор поста оценил этот комментарий

Устойчивые точки это L4 и L5, но это в первом приближении. Так то они все не устойчивые, т.е. если поместить аппарат в точку, то он все равно улетит оттуда

раскрыть ветку (2)
1
Автор поста оценил этот комментарий
Аппарат улетит не потому что точки неустойчивые, а потому что на аппарат в действительности (и на систему в целом) действуют другие тела. С математической/физической точки зрения все эти точки устойчивые
P.S. термин "устойчивость", честно говоря, с математической и физической точки зрения немного не подходящий для данной ситуации я считаю, но да ладно
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Совершенно верно!..В законе,динамики более трех тел,всегда существует погрешность на приливные силы сторонних тел связанных силами гравитации в пространстве..Движение планеты Земля и связанных с ней систем ИК аппаратов,подчиняются той-же логики!Всегда необходима коррекция движения по заданной орбите в условных интервалах времени.Орбита Земли,отличительна от круговой,и соответственно,орбита ИК так-же,требует коррекции в движении,поскольку накапливаются погрешности углового момента смещения в силу ряда действующих сил.Их,т.е. силы,не учитывают при эмпирическом исчислении,а в реальности,они носят,весьма существенный дисбаланс требующий вмешательства центров управления пилотирования!..   

Автор поста оценил этот комментарий

Для данного случая можно считать, что Космос «управляется» гравитацией и инерцией, а установить отличие гравитационной массы от инертной пока еще никому не удалось.


В качестве примера Mass1 возьмем Землю, а в качестве Mass2 – Луну Здесь с точками L1, L2, L3 – все просто, поскольку они лежат на прямой, проходящей через центры масс. Векторные сложения становятся скалярными. Разумеется, когда массы соизмеримы, есть свои нюансы. Вращение системы Земля-Луна идет вокруг общего центра масс, смещенного от центра Земли к Луне. Это объясняет приливы, в том числе и на противоположной от Луны стороне Земли, но только «на той стороне» действует не гравитация, а инерция, которую мы условно называем центробежной силой. Вся система Земля-Луна «растягивается» относительно центра вращения.


Кольская приливная электростанция и все подобные ей энергию «черпают» (как подходит здесь это слово!) тормозя вращение Земли и тем самым раскручивая орбиту Луны (пусть улетает подальше в космос!) но это так – к слову и для примера, что есть гравитация, а что инерция.


Гораздо интереснее разобраться с точками L4 и L5, что позволит лучше понять сущность точек либрации в целом, тем более, что приведенный рисунок содержит очевидное противоречие. Эти точки нарисованы на орбите Луны, т.е. в них не учитывается притяжение к самой Луне.


В здешних комментариях слово «падать» уже есть. Так мы говорим о гравитационном притяжении тел, существенно меньших по массе, Только прозвучало оно здесь как-то неуверенно. В действительности так оно и есть без всяких натяжек. В частности, Земля постоянно падает на Солнце, причем это есть абсолютно полноценное падение, т. е. с ускорением, как оно и должно быть при действии постоянной силы – гравитации (Второй закон Ньютона + Закон всемирного тяготения). Падает, но не сближается, так как за то же время Земля по инерции удаляется от Солнца по касательной к орбите. Соответственно, орбита получается как результат векторного сложения независимых движений (и это сложение действует каждое мгновение на протяжении 4,5 млрд. лет).


То же и со спутниками Земли. Если 8 км/сек – скорость движения спутника по орбите, то, двигаясь по касательной, за секунду он бы удалился от Земли на расстояние около 5 метров. Именно столько за первую секунду пролетает камень, подающий с ускорением свободного падения, равным 9,81 м/сек^2.


Попытаемся создать что-нибудь подобное с участием наших спутников в точках L4 и L5. Очевидно, что они не будут находиться на орбите Луны, поскольку суммарная сила гравитации Земли и Луны, т.е. притяжение к центру масс должно быть больше, чем гравитация только Земли, порождающая орбиту Луны. Соответственно, и орбиты спутников должны быть большего радиуса. Теперь, подбирая радиус орбиты, нам нужно еще добиться, чтобы с момента появления спутников в этих точках их угловые скорости совпадали с угловой скоростью вращения Луны относительно Земли. Эта же угловая скорость, как известно, является скоростью вращения Луны вокруг собственной оси. Менее очевидно, что и спутники тоже, оставаясь на своих орбитах, будут вращаться не только вокруг Земли, но и вокруг Луны, и все с той же угловой скоростью. Об этом вращении, кстати, ни в самой статье, ни в комментариях не упоминается.


В «Википедии» утверждается, что параметры орбиты спутников и их скорости могут быть подобраны так, что их движение будет динамически устойчивым в точках L4 и L5, а ответственными за устойчивость будут силы Кориолиса.


Заметим, что кориолисовы силы – это всего лишь другое название все той же инерции. Это легко видеть на примере течения Гольфстрим. Миллионы тонн воды, текущей на север, вместе с вращением Земли разгоняются в тропических широтах до скорости 1667 км/час в восточном направлении. По мере продвижения в «высокие широты» радиус орбиты вращения этой самой воды уменьшается, а ее инерция приводит к увеличению угловой скорости относительно оси вращения Земли. Теплые воды, огибая Скандинавию, устремляются на восток подогревать Кольский полуостров, и способствуя работе той самой приливной электростанции…

Автор поста оценил этот комментарий
Точка L1 наиболее устойчива чаще всего, это да (вроде бы), но я чуть дальше расписала, что в реальности, а не модели, состояния покоя не получится ни в одной из точек. Поэтому аппараты выводят на орбиты вокруг точки, при этом постоянно внося корректировки, чтобы их там удержать.
раскрыть ветку (6)
Автор поста оценил этот комментарий
Может быть я поздно написала но мне интересна Ваша тематика. Моя курсовая (будущая курсовая только начинаю изучать всё) по этой теме точнее устойчивость в точках либрации. Не могли бы вы скинуть если Вам не сложно свои наработки на почту super.ladycat@yandex.ru
раскрыть ветку (1)
1
Автор поста оценил этот комментарий
Отписала на почту)
Автор поста оценил этот комментарий

Но ведь в точке L3 все векторы силы идут в сторону M1. Разве аппарат не должен упасть на него?

раскрыть ветку (3)
3
Автор поста оценил этот комментарий
Ну в L2 тоже все силы направлены в сторону M1. И в L1 на тело действует результирующая сила, которая направлена в сторону M1 (т. к. на самом деле L1 - это не центр масс системы из двух тел M1 и M2). Вообще на самом деле все эти точки таковы, что в них результирующая сила направлена к центру масс (в случае точек L1, L2, L3 это направление совпадает с направлением в сторону M1). Почему же тела не падают? Просто они вращаются в этот момент относительно центра масс и, таким образом, эта результирующая сила нужна просто поддерживать вращение (т. е. эта результирующая сила необходима для центростремительного ускорения)
раскрыть ветку (2)
Автор поста оценил этот комментарий

Доходчиво, спасибо. Тогда было бы не плохо отметить на картинке ещё и центр масс.

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий
ну это уже не ко мне вопрос)
Вы смотрите срез комментариев. Чтобы написать комментарий, перейдите к общему списку