太空停车位拉格朗日点上可停几辆车

刁博 2022-04-06 23:44:12

1957年10月4日，苏联发射了人类第一颗地球卫星，就此拉开了人类进军宇宙空间的序幕。据不完全统计，六十多年来人类已经向太空发射了约8000颗卫星，目前仍有约4000颗卫星在轨道上飞行。太空已经由原来的空旷变得有些拥挤，发射卫星也由之前的随意发射变成了需要向国际电信联盟申报。

在众多的卫星中有一种卫星比较特殊也比较重要，那就是地球同步卫星。地球同步卫星的轨道高度比较高，这使得其寿命较低轨道卫星长，不必经常更换卫星。一颗地球同步卫星能够覆盖地球表面约42%的面积，三颗地球同步卫星合理布置，再加上几颗贯穿南北极的极地卫星就能实现全球通信。

由于需要和地球自转保持同步，地球同步卫星的轨道只能在赤道上空的一个确定高度（读者可思考一下为什么不能在其他纬线圈的正上方）。地球同步卫星又非常重要，使得很多国家争相抢占这一轨道。目前已有数百颗地球同步卫星在赤道上空运行，轨道资源已趋近于饱和，没有抢占到轨道的国家只能望轨兴叹了。

随着人类探索的需要以及航天技术的进一步发展，越来越多的人类探测器飞离了地球，“拉格朗日点”这个概念开始被越来越多的人听到。

三个物体仅在万有引力作用下的运动是三体问题，三体问题没有确切解。如果三体中有两个是大质量的物体，另一个是质量可以忽略的物体，这就是一种比较简单的限制性三体问题。拉格朗日点就是这种限制性三体问题的五个特解，当小物体处在五个拉格朗日点处时能够和两个大物体保持相对静止。如果把太阳和地球看成是两个大物体，人类发射的卫星、探测器是小物体，那么小物体就能够在如图L1、L2、L3、L4、L5五个位置和太阳、地球保持相对静止，这五个点就是拉格朗日点。拉格朗日点因具有这样的特性，有时被人称作是太空中的停车位。

小物体能够在拉格朗日点和两个大物体保持相对静止，对这一特点加以利用可以为人类发挥很大作用。把人类的探测器、空间望远镜放到日地系统或地月系统的拉格朗日点，探测器就不必携带较多的燃料用来调整自己的轨道。目前已经有一些探测器到达了太空中的停车位，比如哈勃望远镜的继任者詹姆斯·韦伯望远镜就是奔向了距离地球150万千米的拉格朗日点L2附近；嫦娥四号的中继卫星“鹊桥”是位于地月系统的拉格朗日点L2附近。

进一步了解后会发现，韦伯望远镜也好，鹊桥中继卫星也罢，它们都不是直接停放在各自系统的拉格朗日点L2处，而是绕着L2转动。L2点其实并不稳定，探测器在那附近只能绕着L2转动才能达到动平衡。

绕着空间中的一个点转动，这个场景和一般印象有很大的差别。毕竟在很多人的印象中是地球绕着太阳转，卫星绕着地球转，韦伯望远镜、鹊桥中继卫星怎能绕着一个虚无的点转动？

说鹊桥绕着拉格朗日点L2转动，这是只看到了鹊桥绕L2转动，没看到鹊桥同时还绕地球转动。在以地月系统为参考系的情况下，鹊桥的运动可以分解为两个圆周运动，一个是绕地球的圆周运动，另一个是绕L2的圆周运动。鹊桥运动时受到来自地球和月球的万有引力，它的受力可分解到一个方向指向地球，另一个方向指向L2，两个分力提供了两个圆周运动各自需要的向心力。

拉格朗日点尽管常被比作是太空中的停车位，但和停车位还有很大的不同。探测器并不是停在车位上的，往往是绕车位转动的。既然是绕着一个点转动的，能够放下的肯定就不止一辆车了。尽管目前世界各国对这一位置的争夺还不算激烈，但这个位置的特殊注定了这里会是兵家必争之地。一个国家的航天实力能够在对拉格朗日点的占据上有所反映。

23 阅读：25513