Забудьте о Марсе - реальное будущее колонизации плавает в космосе

Учитывая текущий уровень технологического развития, колонизация других планет кажется чрезвычайно опасной и бессмысленной, независимо от уровня технических и финансовых инвестиций. Можно представить создание долгосрочных баз на Марсе, а также приближение марсианских условий к Земле, согласноПлан Джеймса ГринаПолем Тем не менее, колонизация Марса, Венера и Титана - чрезвычайно разнородные проекты, и у нас все еще есть много проблем, даже с колонизацией континентальной Антарктиды. С другой стороны, мы знаем, как строить орбитальные станции, поэтому колонизация космоса в настоящее время кажется еще более многообещающей, чем любая «мягкая терраформирование», которая граничит с экологической катастрофой для мира, чей гомеостаз мы пытаемся вмешиваться.

Я думаю, что орбитальные станции могут быть модульными и расширенными почти на неопределенный срок. Если такие технологии могут быть разработаны, то очки Лагранжа, а не планеты и спутники, окажутся не менее перспективными для долгосрочных космических поселений. Я буду обсуждать их более подробно ниже.

Точки Лагранжа являются явлением небесной механики; Их также называют «очками либрации». Они возникают из -за того, что в системе звезд и гораздо меньших тела (спутники, планеты, астероиды) любая орбита происходит не вокруг самой звезды, а вокруг общего центра масс. Несмотря на тот факт, что в системе «солнечная земля» этот центр масс почти совпадает с самим солнцем, в любой такой системе образуются ровно пять точек, в которых взаимное притяжение двух тел отменяет друг друга, и достаточно маленький объект (размер десятков асероидов или крупный город) может вращаться вокруг центра массы при приблизительно той же погоновой колоде, что и две массовые боды. В результате он останется практически неподвижным по сравнению с этими двумя объектами.

Небесная механика баллов Лагранжа

Центробежные силы возникают, потому что объект, когда -то приведенный в движение, имеет тенденцию двигаться по прямой линии, а не по кругу. Расчет центробежных сил является важным аспектом решения «проблемы с тремя телами», над которой работал Джозеф Луи Лагранж в конце 17-го века. Это был не Лагранж, который сначала догадался о существовании точек с таким орбитальным равновесием, а Леонхард Эйлер. Он написал о «коллинеарных точках», которые расположены на той же линии и являются тремя из пяти очков Лагранжа. В системе Sun-Eart-Moon есть пять очков Libration.

Первая точка Лагранжа (L1) расположена примерно на полпути между землей и луной. Если бы была космическая станция на данный момент, она повторила бы фазы Луны, то есть месяцы на ней были бы синодическими. Хотя все орбитальные силы в точке Лагранжа равны нулю, это равновесие нестабильно. Если тело в точке Лагранжа отклоняется влево или вправо, комбинированное гравитационное притяжение земли, луны и солнца быстро вернет его на свое место. Однако, если он сдвигается даже слегка к земле или луне, гравитационное притяжение планеты или спутника будет преобладать, и структура упадет в сторону земли или луны с ускоренной скоростью.

Вторая и третья точки Лагранжа (L2 и L3) также расположены на прямой линии, соединяющей Землю и Луну, но L2 далеко за пределами дальней стороны луны, а L3 находится на том же расстоянии на другой стороне Земли, то есть в противоположном направлении. В этих двух точках три силы отменяют друг друга: гравитационное притяжение Луны, гравитационное притяжение Земли и центробежная сила.

Насколько мы можем судить, точки L2 и L3 намного «шире», чем L1. В случае «скольжения» от точки L2 или L3 было бы легко обнаружить и активировать двигатели, которые вернут космический корабль или станцию ​​в стабильное положение. Диаметр точек L2 и L3 составляет около 800 000 километров каждый.

В то время как точки L1, L2 и L3 можно считать условно стабильными, точки L4 и L5 выглядят гораздо более перспективными. Оба расположены в плоскости орбиты Земли и вращаются с землей. Один из этих точек на 60 ° впереди Земли, а другой находится на 60 ° позади нее. Вместе с Землей эти точки расположены на вершинах двух равносторонних треугольников, каждая из которых имеет солнце, землю и одну из точек Лагранжа в качестве его вершин.

Еще две планеты, похожие на Землю, могут быть расположены в точках Лагранжа L4 и L5, и, теоретически, такая структура может быть даже создана искусственно. Однако, хотя буксировка планеты до определенной точки на орбите по -прежнему остается научной фантастикой, нет фундаментальных препятствий для размещения орбитальной станции в точке Лагранжа.

Ньютон сформулировал законы гравитационной и небесной механики в конце 17 -го века, суммируя и переосмыслив законы Кеплера. Одной из самых известных проблем в небесной механике являетсяN-Body Gravitations Проблема, а также его особый случай, проблема с тремя телами. Он описывает гравитационное взаимодействие трех тел в условиях взаимного притяжения и, естественно, применимо к любым телам в точках Лагранжа. Проблема с тремя телами в его общей форме была наиболее тщательно изучена Анри Пуанкаре в конце 19-го века, и Пуанкаре пришел к выводу, что у нее нет общего решения. Действительно, до сих пор проблема с тремя телами не была решена математически,но только статистическиПолем Частичные решения проблемы с тремя телами были обнаружены Леонардом Эйлером в 1765 году. В проблеме с тремя телами мы имеем дело с системой координат для совместных тел.

Система координат, показанная здесь для совместных объектов, позволяет нам отслеживать движение точек Лагранжа относительно друг друга и относительно самих трех тел.

Точные решения, предложенные Эйлером, позволили определить позиции точек L2 и L3. Поскольку L3 всегда находится на другой стороне Солнца по сравнению с Землей, в разное время были уфологические гипотезы о существовании «Counter-EarthНа данный момент-планета, не менее обитаемой, чем сама Земля, но надежно скрыта от астрономических наблюдений. Такие идеи, наконец, были разоблачены только с развитием коронаграфов, но они подтолкнули научные исследования в правильном направлении. Очевидно, крупные объекты не могут оставаться в точках L3, но точки L4 и L5 были бы очень полезны для нас в будущем для настройки долгосрочного пространства.

L4 и L5

В общих чертах, создание долгосрочной колонии в точке Лагранжа больше не кажется невозможным. Если извлечение минералов на астероидах освоена, материалы, необходимые для развития, могут быть отбуксированы не на Землю, а в точке Лагранжа. Поскольку там нет естественной гравитации, на этапе строительства станции можно будет устанавливать огромные структуры (десятки километров в диаметре), практически не рассмотрение устойчивости к материальным. Искусственная гравитация, похожая на Землю, может быть создана на станции после того, как она завершена путем вращения структуры вокруг своей оси.

Такие проекты на пересечении футурологии и научной фантастики обсуждались с 1960 -х годов. По-видимому, идея размещения крупной искусственной структуры в точке либрации была впервые предложена в 1961 году Артуром Кларком в его романеПадение MoondustПолем В то же время он рассмотрел колонизацию точки L1. В 1945 году он сначала рассчитал точку, в которой можно было бы разместить такой искусственный спутник Земли, который завершит ежедневное вращение вокруг Земли за 24 часа и, соответственно, совпадает с самой планетой в этом индикаторе. Он описал этот проект в статье «Внеземные эстафеты могут ли ракетные станции предоставить всемирное радиопередача?», Рассматривая такую ​​станцию ​​как радиолокационную станцию, а не как обитаемое поселение. Действительно, такая орбита существует чисто математически.около 38 000 километров вышеПоверхность Земли завершит «24-часовую орбиту». Это геостационарная орбита, которая в 2021 году имела около 500 активных спутников.

В 1975 году космические энтузиасты Кейт и Кэролин Хенсон основалиL5 ОбществоПолем Эта организация быстро получила известность благодаря интересам физика Принстонского университета Джерарда О'Нила, который обсудил создание цилиндрических космических поселений.

Хартия общества L5 заявил, что организацию следует распустить на общем собрании членов космической станции L5, признавая, что миссия общества была выполнена. В 1987 году общество L5 объединилось с Национальным институтом аэронавтики и астронавтики.

Сегодня исследование баллов L4 и L5 Lagrange представляет интерес в основном для телекоммуникационных компаний. Эти точки также являются приоритетными аванпостами в случае появления космического оружия. Спутники, расположенные в L4 и L5, могут передавать сигналы одновременно на землю и луну. Точки Лагранжа являются более спокойными местами, чем даже геостационарная орбита, с менее строгими требованиями для поддержания станции в фиксированной точке. Кроме того, геостационарная орбита уже становится слишком переполненной, поэтому в течение 21 -го века развертывание новых спутников должно начать в точках Лагранжа - по крайней мере, на L1. В настоящее время L4 и L5 рассматриваются как местоположения для систем позиционирования, навигации и сроков (PNT), а также платформ для патрулирования геостационарной орбиты (SSA). Кроме того, космические обсерватории могут быть установлены на L4 и L5 для раннего предупреждения о магнитных штормах и приближающихся астероидах.

Естественно, эта гравитационная стабильность привела к тому, что точки Лагранжа уже были полны космического мусора (естественного происхождения). На геосинхронной орбите взаимное привлечение между активными и выводимыми спутниками уже создает так называемое «геопотенциальные скважины.” A similar phenomenon is observed at points L4 and L5, because many small stones, space dust, and asteroid fragments have accumulated in these areas. Modern telescopes have made it possible to detect clusters of natural space debris at points L1, L4, and L5, named “Kordylewski облака«После польского ученогоКазимиерз Кордилевский, которые предсказали их существование в 1956 году.

Существование таких облаков в точках L4 и L5 было окончательно подтверждено в 2018 году. Подтверждение было получено в частной венгерской обсерватории, возглавляемой Джудит Шлиш-Балохо, что означает, что у Земли есть по меньшей мере два пари-спутника, каждый диаметром около 10 000 километров. Облако в области L5, по -видимому, является стабильным и древним, но все еще трудно проанализировать приблизительный размер фрагментов в нем, поскольку облака очень тусклые. С одной стороны, такие облака могут быть очень опасными для долгосрочных станций в точках Лагранжа. С другой стороны, такие облака должны облегчить поиск точек Лагранжа рядом с другими планетами в солнечной системе и, следовательно, заслуживают дальнейшего изучения. По -видимому, такие облака сформировались вSun-Neptune (троянские астероиды Нептуна)иSun-Mars (троянские астероиды Марса)система

Что в настоящее время расположено в очках Лагранжа

Список объектов, расположенных в точках Лагранжа, предоставлен наВикипедияПолем В настоящее время изучаются только точки, ближайшие к Земле (L1 и L2), но я буду обсуждать их более подробно здесь. В настоящее время впечатляющий набор оборудования накапливается в точках Лагранжа в системах Земли-Муна и Земли-Сан, а искусственные спутники в этих областях явно более заметны, чем космическая пыль. Так.

В точке L1:

• Солнечная и гелиосферная обсерватория (SOHO, ESA), запущенная в L1 в 1996 году.
• Advanced Composition Explorer (ACE, NASA)-космический корабль для изучения солнечного ветра и других высокоэнергетических частиц, запущенный в L1 в 1997 году.
• Ветровой космический корабль (GGS, НАСА), который находился на орбите около L1 в 1996 году, затем маневрировал для выхода из элиптической плоскости, а в 2004 году безопасно вернулся в L1.
• Обсерватория глубокого пространства (климатическая обсерватория (DSCOVR, NOAA) предназначен для космических метеорологических наблюдений и был первым, кто получил фотографию полнолуния на фоне полной земли.
• Индийский спутникAditya-L1 (isro)Полем

К ним присоединитсяИмапКосмическая обсерватория, запланированная на запуск в сентябре 2025 года, а такжеSWFO-L1иНео -геодезистКосмический корабль, который, как ожидается, начнут операции в 2027 году. Научные цели этих устройств - сделать космические фотографии Земли, изучать солнечный ветер и наблюдать погоду Земли из космоса. Большинство устройств не являются неподвижными, но вращаются вокруг точки Лагранжа на орбите лиссаджоуса. Это движение не только увеличивает поле зрения спутника, но и преуспевает с гравитационной нестабильностью, что заставляет объекты постепенно выходить из ближней земля точек L1-L3.

Следующие в настоящее время расположены в точке L2 между солнцем и землей:

• ГайяКосмическая обсерватория (ESA).
• Spektr-rgАстрофизическая обсерватория для анализа рентгеновского и гамма-излучения (российско-германский проект).
• Космический телескоп Джеймса Уэбба(JWST, NASA, ESA, CSA).
• ЕвклидКосмический телескоп (ESA), предназначенный для поиска темной материи и темной энергии.

Кроме того, эти устройства в настоящее время предоставляют множество информации о движении кометов и обнаружении экзопланет.

Перспективы

Лагранж точки L4 и L5 еще не изучаются. ТраекторииОсирис-РексиХаябусаКосмический корабль прошел мимо них. Европейское космическое агентство планирует запуститьБдениеКосмический корабль в 2031 году, который будет отправлен в точку Lagrange L5. Он будет наблюдать за солнечными вспышками, возбуждения корональной массы на солнце, геомагнитные штормы и другие гелиофизические явления. Перспектива развертывания передатчиков реле в точках Лагранжа, как я упоминал выше, также остается актуальной.

В 2012 году НАСА объявило о планах развернуть пилотируемую космическую станцию ​​в The L2 Point. У станции было рабочее имя "Ворота космический корабль». Ниже вы можете увидеть его общий вид:

Поскольку точка L2 расположена за дальней стороной Луны, предполагалось, что такая станция может упростить наблюдение за лунным полушарием невидимого с Земли, помогать в изучении астероидов и служить транзитной точкой на пути к Марсу. Тем не менее, в настоящее время проект, по -видимому, был заброшен, так как было бы трудно поставить такую ​​станцию ​​с текущим уровнем технологий, а буксировку астероидов на станцию ​​или на землю остается в сфере научной фантастики как с научной, так и с промышленной точки зрения. Более вероятно, что первая заселенная лунная станция будет построена на самой луне, а не на его орбите.

Несмотря на все трудности, очки Лагранжа, кажется, являются наиболее удобными аванпостами для изучения солнечной системы - вероятно, только для беспилотных миссий. Точки L4 и L5 находятся далеко за пределами магнитосферы Земли, поэтому их жители-колонисты были бы беззащитными от солнечных ветровых потоков с текущим уровнем технологий. Кроме того, солнечные вспышки могут в течение длительного времени разорвать общение с такими отдаленными колониями, что, скорее всего, положит конец их работе. Тем не менее, Лагранж указывает на любую планетарную или спутниковую систему-это тихие убежища с хорошо известными и предсказуемыми свойствами, поэтому нет никаких сомнений в том, что их будет легче колонизировать, чем планеты или спутники. Особый интерес представляет многочисленные точки Лагранжа, которые должны существовать между спутниками гигантских планет; Было бы наиболее удобно изучать Юпитер и Сатурн из этих точек.