Много ли космического мусора в точках Лагранжа Земля-Луна?

Чтобы добавить к другим ответам, точки Лагранжа L1-L2 нестабильны, потому что они должны следовать радиальной скорости двух родительских тел, когда они вращаются друг вокруг друга, в нашем случае Земля на гелиоцентрической орбите вокруг Солнца, но ни одна из них не является действительно на орбитальной высоте, соответствующей их лучевой скорости (слишком медленной в L1 и слишком быстрой в L2). Поскольку орбита Земли не совсем круглая (эксцентриситет орбиты ~ 0,017), их высота также будет незначительно меняться в течение одного орбитального периода. Это меньше относится к L4-L5 и, возможно, также к L3, в зависимости от орбитального эксцентриситета родительских тел, и именно здесь мы можем найти Трояна и Хильду .семейство астероидов соответственно. Все эти точки Лагранжа также могут быть возмущены гравитационным влиянием других небожителей в системе, например орбиты Юпитера и даже Луны в случае точек L1-L2 Солнце-Земля. И это, конечно, о неустойчивости вектора скорости вдоль родительского тела М1. Ортогонально к нему и к телам М1 и М2 это просто переломный момент в направлении к М1 или М2.

Немного упрощая, я говорю о том, что гелиоцентрическая скорость (используя$v_o \approx {2 \pi a \over T}$) будет$\text{SEL1} \approx 29.49\ \text{km/s}\ \ $а также$\text{SEL2} \approx 30.08\ \text{km/s}\ \ $, где орбитальная скорость Земли$v_o \approx 29.78\ \text{km/s}\ \ $. Эта разница будет поддерживаться седловыми точками L1-L3, не слишком отличающимися от серфинга на вершине волны. Любое боковое движение наклонит ваш баланс в сторону одного из двух родительских тел (M1 или M2).

Таким образом, орбитами спутников в точке Лагранжа необходимо управлять, что обычно называют поддержанием орбитальной станции . Эффекты этих возмущений и нестабильностей можно несколько компенсировать, поместив спутники с точкой Лагранжа на орбиты Гало или Лиссажу и используя точный вывод на орбиту, но даже они не будут стабильными без использования бортового топлива и поправок к их орбитам. Любой орбитальный мусор или целые нефункционирующие спутники в конечном итоге будут двигаться по спирали к Земле ( см. обновление к этому ответу , но они обладают слишком большим орбитальным импульсом, чтобы действительно упасть к Солнцу, поскольку их орбитальный период фактически совпадает с земным, но их полубольшой ось по направлению к Солнцу не отклоняется примерно на ± 1,5 миллиона километров или примерно ± 1%).

TL;DR : Все это означает, что точки L1 и L2 будут по существу свободны от долгосрочного орбитального мусора. И с L3-L5, если только тела там не сформировались из одного и того же протопланетного диска и не имеют той же радиальной скорости, которая требуется, чтобы оставаться на этой высоте, почти нет шансов, что какое-либо другое тело со значительно отличающейся орбитальной энергией будет захвачено в этих точках. Но если бы мы намеренно разместили там спутники, любой мусор от них оставался бы там намного дольше, чем с точками L1 и L2 (и, возможно, L3, как упоминалось ранее).

Редактировать : видимо, я изначально неправильно понял вопрос и отвечал за точки Лагранжа Солнце-Земля, а не за точки Земля-Луна. Хорошо, нет проблем, большинство проблем в теории остаются теми же, только седловые точки L1-L3 еще более нестабильны. Орбитальный эксцентриситет Луны составляет ~ 0,055, поэтому точки L1-L3 еще больше смещаются вдоль оси Земля-Луна. В среднем EML1 находится на расстоянии 326 380 км от Земли и 58 019 км от Луны, EML2 448 914 км и 64 515 км соответственно, а их скорости будут (опять же средние) ~ 0,87 и 1,2 средней орбитальной скорости Луны (1,022 км). /с). Еще больше они возмущены, особенно самим Солнцем и сложностью орбиты Луны относительно Солнца (хотя она никогда не изгибается сама по себе петлями, вопреки распространенному мнению).

Вот хорошее изображение, изображающее точки Лагранжа Земля-Луна:

    ^{Точки Лагранжа для системы Земля-Луна. Авторы и права: Дэвид А. Кринг, LPI-JSC Центр изучения и исследования Луны .}

А вот так выглядели орбиты Лиссажу орбиты EML1 и EML2 космического корабля P1 миссии ARTEMIS (Acceleration, Reconnection, Turbulence and Electrodynamics of the Moon's Interaction with the Sun):

     ^{Вид сверху на орбиты ARTEMIS, когда они совершают переход от орбит Лиссажу в форме почки по обе стороны от
     Луны к орбите вокруг Луны. Предоставлено: НАСА/Центр космических полетов имени Годдарда .}

    ^{Иллюстрация орбит освобождения Артемиды-P1, вид сбоку или эклиптики. Предоставлено: НАСА/Годдард .}

Источники:

• Калькулятор точек Лагранжа: Orbitsimulator.com
• Плохой астрономический блог: Луна, которая поднялась на холм, но спустилась на планету
• НАСА: космический корабль ARTEMIS готовится к выходу на лунную орбиту
• НАСА: АРТЕМИС - первый либрационный орбитальный аппарат Земля-Луна

Точки Лагранжа L1, L2 и L3 стабильны в прямом и обратном направлениях, но нестабильны на радиальной оси. Это означает, что любой объект в этих точках будет дрейфовать в радиальном направлении, если он не использует небольшое количество тяги для балансировки в этих точках, поэтому любая концентрация естественной массы или обломков в этих точках невозможна.

Только точки L4 и L5 стабильны, и объекты, так называемые «трояны» , стремятся вращаться вокруг этих точек. Есть также один, который вращается вокруг Земли/Солнца L4: 2010 TK ₇ . Трояны редко приближаются к точкам Лагранжа. Причина в том, что эти точки будут на 100% стабильны только тогда, когда Солнце и Земля будут единственными объектами в Солнечной системе. Но из-за гравитационного влияния других планет объект, припаркованный точно на L4 или L5, будет медленно, но неуклонно утаскиваться от своей точки и в итоге окажется на орбите вокруг нее.

Точки L4 и L5 Луны/Земли кажутся чистыми, за исключением нескольких слабых облаков пыли , и даже их существование оспаривается.

Есть ряд миссий, которые направлялись к различным точкам Лагранжа, см . хороший список в Википедии . Давайте посмотрим, что нужно, чтобы остаться там:

• Джеймс Уэбб - предлагается для точки L1, топлива может хватить только на 10-летнюю миссию.
• Космический телескоп Хершеля : был намеренно перемещен с L2 на гелиоцентрический, потому что «космический корабль будет медленно кувыркаться, удаляясь со своей стабильной орбиты L2, подвергаясь давлению солнечного излучения. И поскольку наземные станции ЕКА больше не связывались с ним, поэтому мы хотел в основном проверить орбиты и убедиться, что для будущей науки он не будет ошибочно обнаружен как астероид».

Никогда не было миссии L3, но следует та же логика: для поддержания этой орбиты требуется расход топлива, и в результате там не должно оставаться большого количества мусора.