三體問題研究出熱點-為何深空探測航天器都愛蹭這個點?
6月14日11時06分,我國探月工程嫦娥四號任務「鵲橋」中繼星成功實施軌道捕獲控制,進入環繞距月球約6.5萬公里的地月拉格朗日L2點運行的使命軌道,成為世界首顆圍繞該點運行的衛星。後續將在此軌道陸續開展在軌測試和中繼通信鏈路聯試,為年底擇機發射的嫦娥四號月球探測器提供地月中繼測控通信。
茫茫太空中,存在這麼5個特殊點,其中L2點最有價值,全世界深空探測器都愛蹭這個熱點
問題就來了,茫茫太空,衛星好好的,不繞大星星飛行,圍繞著這麼一個點轉悠幹嘛?
簡單點來說,這是一個太空風水寶地,在這個點運行,燃料消耗最低,在這個位置部署衛星,是上上之選,成為全世界的探測器、天體望遠鏡定位和觀測太陽系的最理想位置,是世界航天「兵家必爭之地」。
這個點如何來的?看著和誰都不沾邊。
其實這個點是,三體問題研究成果,三體問題號稱世界級無解難題,我國著名科幻作家劉慈欣就以此為題寫了一本叫三體的科幻效果,獲得雨果獎。
什麼叫三體問題?
簡單點說就是太空中三個無敵的相互運動問題。
大劉的小說三體就是取材於三體問題研究
三體問題從何而來?從牛頓的二體問題而來。
簡單點說就是,空間2個物體如何相互運動,「老牛」徹底解決了,最常見的運用就是計算太陽系地球月球的運行規律,確實分毫不差。
但是天文學家都知道,太陽系不止一個星球,假如是3個星球甚至更多,如何計算相互之間的運動規律?
科學家們經過百年的努力,最終得出一個沮喪的答案,無解,根本無解!或許只有上帝才能回答這個問題。
雖然如此,科學家們還是不肯放棄,雖然給不出一個萬能鑰匙,給個小鑰匙專門在太陽系用的有沒有?
說實話,還真有,這就是法國著名數學家拉格朗日的特殊解。
這就是拉格朗日點,也叫平動點,學名叫平面圓型限制性三體問題的5個特解。
這就是拉格朗日點的數學解一共5個點,其中第二個點L2最有價值
這些點特殊在哪裡?
特殊在,一個小物體在兩個大物體的引力作用下在空間中的一點,在該點處,小物體相對於兩大物體基本保持靜止。
這些點一種有5個,瑞士數學家歐拉於1767年推算三個,法國數學家拉格朗日於1772年推導出剩下兩個。
發現了這些點,當時科學家都覺得真是無用功,知道又怎麼樣,徹底用不上,但是隨著時間的推移,用不上的「垃圾」忽然變成了香饃饃,航天技術的發展,使得人類擺脫了強大的地球引力飛向太空,奔向茫茫宇宙,航天器軌道設計最大的要求是,省燃料!
拉格朗日點有5個,讓我們分別看看這5個的特點。
拉格朗日點雖然有5個,但是常用的不多,L2點用處最多是穩定性最好,對於地球月亮衛星這三體來說,L2點最好,對於我國探月來說,衛星可以同時看到月球背面,也可以看到地球,使得效果超好,一年衛星燃料消耗才幾公斤,超級省錢。
對於航天器來說,燃料就是生命,探月衛星繞著L2點飛行,可以極端延長壽命
以地球-太陽這個天體系統為例,L1(1號拉格朗日點)位於地球朝太陽方向將近100萬英里處,不穩定。位於此處的天體很容易失去平衡,來自兩邊大天體的引力會不斷拉扯此處。要想保持在此處,就需要火箭不斷開反推反抗引力。
L2和L3則一個位於地球的遠端,一個位於太陽的遠端,它們最穩定,其中L2距離地球最近,L3距離地球最遠。
除了日地連線上的三個點,在地球的公轉平面上還有兩個點,L4和L5點,它們各自與太陽和地球構成一個等邊三角形,這兩個點的特點是:太陽和地球的引力合力方向恰好指向日地系統的質心,合力大小又恰好滿足公轉所需的向心力。
這兩個位置的穩定性也很好,即使小行星在擾動下稍微偏離,也不會離去而是在圍繞該點運動。
從實用來說,我們常用L2,主要原因是穩定性好,而且距離我們地球最近,而別的L1點距離雖然近,但是不穩定,而L3,L4,L5點不常用的原因就是:和L2點相比距離我們的地球實在太遠了,航天器要飛過去,燃料消耗吃不消。
「鵲橋」中繼星,成為全世界第一個圍繞拉格朗日點點運行的衛星,燃料最省
結果拉格朗日L2點由於位置比較合適,穩定性最好,航天器運行燃料消耗最小,變成了無與倫比的「風水寶地」。
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