Планы по созданию постоянного присутствия человека в окололунном пространстве и на поверхности Луны требуют не только разработки посадочных модулей и жилых комплексов, но и фундаментального понимания движения космических объектов в пространстве между Землёй и Луной. Учёные подчёркивают, что для устойчивой и безопасной работы в лунной системе необходимо эффективно решать навигационные и динамические задачи, связанные с перемещением космических аппаратов в так называемом цислунарном пространстве — области, расположенной между Землёй и Луной.
Почему «коммьют» между Землёй и Луной — не тривиальная задача
Пространство между Землёй и Луной подчиняется гравитационному влиянию сразу трёх массивных тел: Земли, Луны и Солнца. Такая система, в которой несколько тел оказывают взаимное воздействие друг на друга, известна как задача трёх тел в физике и математике. Для объектов, движущихся в этом пространстве, такой режим гравитационного воздействия характерен выраженной сложностью траекторий: даже небольшие изменения в начальных условиях могут приводить к значительным изменениям орбиты через относительно короткое время.
Это делает крайне сложным проектирование надёжных и длительных орбитальных маршрутов между Землёй и Луной, а также усложняет управление космическими аппаратами, которые должны выполнять точные манёвры в этом пространстве. Традиционные методы расчёта орбит с применением упрощённых моделей становятся недостаточными из-за высокой чувствительности этой области к небольшим возмущениям.
Комплексное моделирование орбит: шаг к решению
Чтобы помочь преодолеть эти математические трудности, сотрудники Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) разработали обширный набор данных и программное обеспечение с миллионом смоделированных траекторий в цислунарном пространстве. Эта база предназначена для того, чтобы служить эталоном при проектировании навигационных систем и траекторий для космических аппаратов, которые будут использоваться в лунной системе.
При моделировании учитывались не только гравитационные силы Земли, Луны и Солнца, но также были включены дополнительные факторы, такие как давление солнечного излучения и тепловое давление от Земли. Такой подход позволяет учитывать более широкий спектр реальных воздействий, с которыми сталкиваются космические аппараты при движении между Землёй и Луной.
Статистика стабильности орбит
Хотя в модели рассматривались 1 000 000 различных траекторий, лишь небольшой процент из них оказался устойчивым в течение продолжительного времени. Лишь около 9,7 % смоделированных орбит сохраняли стабильное движение на протяжении трёх лет моделирования, что указывает на серьёзные трудности не только для автоматических аппаратов, но и для будущих пилотируемых миссий.
Оставшиеся траектории заканчивались столкновением с Луной, падением в атмосферу Земли или удалением из системы. Такие результаты подчёркивают, что без тщательного расчёта траектории и правильного управления космический аппарат легко может потерпеть аварийную ситуацию.
Области относительной стабильности
Исследование также выявило, что лишь некоторые области в цислунарном пространстве обладают относительной стабильностью — то есть могут служить опорными точками для орбитальных станций или промежуточных транспортных узлов:
- Одни из таких областей расположены в так называемых лагранжевых точках L4 и L5 системы Земля–Луна. В этих точках силы притяжения тел и центробежное ускорение уравновешиваются таким образом, что объекты могут оставаться там значительно дольше без больших затрат топлива для поддержания позиции.
- Другие зоны устойчивости были обнаружены на расстоянии, примерно в пять раз превышающем высоту геостационарной орбиты вокруг Земли. В этих областях объект оказывается достаточно удалённым от сильного влияния Земли, но в то же время далеко от непосредственного воздействия Луны, что уменьшает колебания орбиты.
Такие области могут рассматриваться как гравитационные «островки», пригодные для размещения инфраструктуры, включая станции, дозаправочные модули, склады оборудования и другие элементы, необходимые для устойчивой лунной программы.
Практическое значение результатов
Публикация этой модели с открытым доступом создаёт основу для проверки и оценки навигационного программного обеспечения, разрабатываемого разными организациями. Коммерческие компании и государственные агентства, планирующие миссии к Луне, смогут использовать этот массив расчётов для планирования безопасных и эффективных маршрутов, минимизируя риски аварий и дополнительных затрат топлива.
По мнению специалистов, такие данные пригодятся не только для одноразовых миссий, но и для постоянной работы транспортных систем между Землёй и лунной инфраструктурой в будущем. Они дают возможность заранее оценивать и сравнивать эффективность навигационных систем, выбирая оптимальные траектории для космических кораблей, грузовиков и других объектов.
Влияние на планы освоения Луны
Текущие планы по сооружению орбитальных станций вроде Lunar Gateway и созданию постоянного присутствия в окололунном пространстве напрямую связаны с необходимостью точно рассчитывать траектории. Правильное понимание того, какие орбиты устойчивы, а какие нет, позволит проектировщикам и космическим агентствам формировать более надёжные транспортные цепочки между Землёй, орбитой и поверхностью Луны.
В будущем такие исследования будут важными для решения задач, связанных с эксплуатацией лунных баз, частыми рейсами космических кораблей и передачей грузов, а также для обеспечения безопасности космонавтов в процессе постоянных «поездок» между Землёй и Луной.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
