В опубликованных на страницах журнала статьях неоднократно приводились факты, убедительно свидетельствующие о том, как космонавтика активно содействует развитию науки, техники, народного хозяйства, ускоряет технический прогресс. Бесспорно, она имеет большое будущее. Сегодня даже трудно представить всю совокупность технических и народнохозяйственных проблем, которые будут решены с использованием космических средств. О некоторых возможностях космонавтики будущего, в частности об использовании космического пространства в районе точек либрации системы Земля – Луна, и пойдет здесь речь.

В теории понятие о точках либрации возникло давно. Закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном, дал возможность ученым предсказывать движение планет. Однако попытка с требуемой точностью спрогнозировать движение Луны не увенчалась успехом. Дело в том, что на движение естественного спутника нашей планеты помимо Земли существенно влияет Солнце. Так перед учеными возникла проблема решения задачи трех тел: Солнце – Земля – Луна. Заметим, что в конечном аналитическом виде она не решена и по настоящее время. Лишь несколько частных случаев нашли Эйлер и Лагранж.

Исследования Эйлера и Лагранжа, долгое время рассматриваемые лишь как красивые теоретические построения, в наши дни приобрели большую практическую значимость. Многие автоматические межпланетные станции движутся в гравитационном поле Земли и Луны. В этих случаях мы имеем дело с ограниченной задачей трех тел. Как показали Эйлер и Лагранж, частные ее решения определяют координаты пяти точек, обладающих уникальными свойствами. Они и получили название либрационных (или просто точки либрации). Чем же они замечательны? Космическая станция (материальная точка с пренебрежимо малой массой по сравнению с Землей и Луной), находящаяся в окрестности точки либрации, будет там вечно двигаться, соблюдая вполне определенное, не изменяющееся во времени положение относительно двух притягивающих центров. А это значит, что упрощается процесс управления движением космического аппарата, сокращается объем навигационной измерительной информации. Кроме того, отпадает необходимость систематической выдачи целеуказаний измерительными системами и пунктами управления. Сокращается и объем операций, связанных с определением орбиты, проведением коррекций, их контролем и прогнозированием движения аппарата.

В системе Земля – Луна точки либрации L1 – L5 располагаются в плоскости орбиты Луны (рис. 1). Три из них, называемые коллинеарными, находятся на прямой, проходящей через центры масс Земли и Луны. Первая расположена между Землей и Луной. Если расстояние между Землей и Луной на какой-либо момент обозначить через r, то удаление первой точки от Земли всегда характеризуется расстоянием, равным ~ 0,849 r. Вторая располагается за Луной на расстоянии от нее ~ 0,169 r. Третья находится по другую сторону Земли и удалена от нее на ~ 0.992 r. Четвертая и пятая расположены так, что в плоскости орбиты Луны образуется ромб со сторонами, равными r, в вершинах которого находятся Земля, L4, Луна и L5, или два равносторонних треугольника. Поэтому их называют треугольными точками либрации.

Рис. 1. Расположение точек либрации в системе Земля – Луна.

Примечательно, что все точки либрации строго соблюдают свое вполне определенное положение в системе Земля – Луна. И еще одно удивительное свойство: в идеальном случае помещенная с небольшими начальными возмущениями в такую точку космическая станция будет длительное время совершать вблизи нее колебательные движения (отсюда название «либрационные»). Причем со временем станция покинет район коллинеарных точек. Что же касается треугольных, то в их окрестностях движение станции будет вечным. В связи с этим первую, вторую и третью относят к неустойчивым, а четвертую и пятую – к устойчивым точкам либрации. Это с точки зрения теории. В реальных условиях под действием возмущений (гравитационное поле Солнца, нецентральность поля тяготения Земли и Луны, давление солнечного света и некоторые другие факторы) станция со временем покинет окрестность любой точек либрации. Однако ввиду малости этих возмущений станцию удержать здесь легче со значительно меньшими затратами энергии, чем в любой другой точке космического пространства системы Земля – Луна.

Пусть станция находится в окрестности первой точки. В системе управления станции имеется аппаратура, регистрирующая ее удаление от Луны (либо от Земли). Как только оно превысит заданное значение, включится корректирующий двигатель. Потребуется суммарный импульс всего лишь в 20 м/с, чтобы удерживать станцию в течение года в окрестности первой точки, ограниченной расстоянием 15 км.

Более благоприятные условия в окрестностях треугольных точек. Здесь для удержания космической станции дополнительных затрат энергии может и не потребоваться. Соответствующим выбором начальных условий движения компенсируются воздействия возмущающих факторов, и в течение нескольких лет отпадает необходимость в коррекции. Станция будет длительное время двигаться в окрестности четвертой точки (или пятой) практически в плоскости орбиты Луны по так называемой устойчивой орбите (с удалением станции на 20 000 км в направлении Земля – точка либрации и не более 40 000 км в перпендикулярном направлении).

Наиболее перспективно использование космического пространства в окрестностях треугольных четвертой и пятой точек либрации. Здесь нет атмосферы, являющейся одним из основных факторов, ограничивающих возможности астрономических и астрофизических наблюдений с Земли. Практически отсутствует магнитное поле и радиационные пояса, затрудняющие изучение потоков заряженных частиц с ИСЗ в ближнем космосе. Длительность непрерывных наблюдений космических объектов практически не ограничена в любых направлениях. Постоянное наличие Солнца упрощает решение проблемы снабжения космических станций электроэнергией.

Размещение здесь аппаратуры больше базовых радиотехнических интерферометров (база около 700 000 км) откроет широкие перспективы для изучения взрывных процессов в ядрах галактик и звездах, свойств межгалактического газа, распределения вещества в нашей галактике и проведения других фундаментальных исследований. Огромный научный и практический интерес представляют дальнейшие исследования явлений, происходящих на Солнце. Ведь они существенным образом влияют на жизненно важные процессы на нашей планете. Обострение сердечно-сосудистых заболеваний, изменение состава крови у людей, колебание численности животных, птиц, рыб, изменение урожайности, годичный прирост деревьев, циркуляция атмосферы, число магнитных бурь, уровень озерных и грунтовых вод, число и энергия землетрясений – все это находится в прямой зависимости от активности Солнца. Точное его прогнозирование позволит в значительной степени предупредить негативные последствия многих перечисленных явлений.

Используя свойства первой коллинеарной точки либрации, можно в значительной мере сократить энергозатраты на проведение экспедиций на Луну. Кроме того, в ее окрестности можно создать промежуточную базу, на которой будут сосредоточены технические средства с топливом, предназначенные для возвращения экспедиций на Землю.

Практический интерес представляет и космическое пространство в окрестности второй точки. Его можно использовать при решении проблемы связи со станциями, выполняющими исследования на обратной стороне Луны. Для этого в район этой точки выводится ретранслятор так, чтобы он был одновременно виден с Земли и с обратной стороны Луны. Чтобы удержать здесь космический аппарат, нужно периодически корректировать его движение. Расчеты показывают, что для этого в течение года потребуется суммарный импульс, соответствующий характеристической скорости около 200 м/с.

Рис. 2. Схема глобальной связи с использованием точек либрации L3, L4 и L5: 1 – зона видимости одного ретранслятора; 2 – зона одновременной видимости двух ретрансляторов; 3 – зона отсутствия связи; 4 – пути передачи информации.

Весьма заманчива идея использования точек либрации для создания глобальной системы связи на Земле (рис. 2). В этом случае станции-ретрансляторы размещают в окрестностях четвертой и пятой точек на устойчивых орбитах и вблизи третьей. Тогда в плоскости орбиты Луны образуется треугольник со сторонами, равными приблизительно 700 000 км, в вершинах которого находятся ретрансляторы. При этом в большей части нашей планеты в течение суток обеспечивается видимость хотя бы одного из них. А это означает, что возможна передача информации в любую точку Земли. Исключение составляют лишь прилегающие к полюсам приполярные области, где в течение нескольких дней каждого месяца информация может быть доставлена с задержкой до четырех часов.

Таким образом, космическое пространство в окрестностях точек либрации системы Земля – Луна обладает рядом замечательных свойств, которые с успехом можно использовать для эффективного решения научных и народнохозяйственных задач.