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三体问题研究出热点-为何深空探测航天器都爱蹭这个点? ...

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发表于 2018-6-15 04:50:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
6 月 14 日 11 时 06 分,我国探月工程嫦娥四号任务 " 鹊桥 " 中继星成功实施轨道捕获控制,进入环绕距月球约 6.5 万公里的地月拉格朗日 L2 点运行的使命轨道,成为世界首颗围绕该点运行的卫星。后续将在此轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路联试,为年底择机发射的嫦娥四号月球探测器提供地月中继测控通信。
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问题就来了,茫茫太空,卫星好好的,不绕大星星飞行,围绕着这么一个点转悠干嘛?
简单点来说,这是一个太空风水宝地,在这个点运行,燃料消耗最低,在这个位置部署卫星,是上上之选,成为全世界的探测器、天体望远镜定位和观测太阳系的最理想位置,是世界航天 " 兵家必争之地 "。
这个点如何来的?看着和谁都不沾边。
其实这个点是,三体问题研究成果,三体问题号称世界级无解难题,我国著名科幻作家刘慈欣就以此为题写了一本叫三体的科幻效果,获得雨果奖。
什么叫三体问题?
简单点说就是太空中三个无敌的相互运动问题。
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三体问题从何而来?从牛顿的二体问题而来。
简单点说就是,空间 2 个物体如何相互运动," 老牛 " 彻底解决了,最常见的运用就是计算太阳系地球月球的运行规律,确实分毫不差。
但是天文学家都知道,太阳系不止一个星球,假如是 3 个星球甚至更多,如何计算相互之间的运动规律?
科学家们经过百年的努力,最终得出一个沮丧的答案,无解,根本无解 ! 或许只有上帝才能回答这个问题。
虽然如此,科学家们还是不肯放弃,虽然给不出一个万能钥匙,给个小钥匙专门在太阳系用的有没有?
说实话,还真有,这就是法国著名数学家拉格朗日的特殊解。
这就是拉格朗日点,也叫平动点,学名叫平面圆型限制性三体问题的 5 个特解。
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这些点特殊在哪里?
特殊在,一个小物体在两个大物体的引力作用下在空间中的一点,在该点处,小物体相对于两大物体基本保持静止。
这些点一种有 5 个,瑞士数学家欧拉于 1767 年推算三个,法国数学家拉格朗日于 1772 年推导出剩下两个。
发现了这些点,当时科学家都觉得真是无用功,知道又怎么样,彻底用不上,但是随着时间的推移,用不上的 " 垃圾 " 忽然变成了香馍馍,航天技术的发展,使得人类摆脱了强大的地球引力飞向太空,奔向茫茫宇宙,航天器轨道设计最大的要求是,省燃料!
拉格朗日点有 5 个,让我们分别看看这 5 个的特点。
拉格朗日点虽然有 5 个,但是常用的不多,L2 点用处最多是稳定性最好,对于地球月亮卫星这三体来说,L2 点最好,对于我国探月来说,卫星可以同时看到月球背面,也可以看到地球,使得效果超好,一年卫星燃料消耗才几公斤,超级省钱。
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以地球-太阳这个天体系统为例,L1(1 号拉格朗日点)位于地球朝太阳方向将近 100 万英里处,不稳定。位于此处的天体很容易失去平衡,来自两边大天体的引力会不断拉扯此处。要想保持在此处,就需要火箭不断开反推反抗引力。
L2 和 L3 则一个位于地球的远端,一个位于太阳的远端,它们最稳定,其中 L2 距离地球最近,L3 距离地球最远。
除了日地连线上的三个点,在地球的公转平面上还有两个点,L4 和 L5 点,它们各自与太阳和地球构成一个等边三角形,这两个点的特点是:太阳和地球的引力合力方向恰好指向日地系统的质心,合力大小又恰好满足公转所需的向心力。
这两个位置的稳定性也很好,即使小行星在扰动下稍微偏离,也不会离去而是在围绕该点运动。
从实用来说,我们常用 L2,主要原因是稳定性好,而且距离我们地球最近,而别的 L1 点距离虽然近,但是不稳定,而 L3,L4,L5 点不常用的原因就是:和 L2 点相比距离我们的地球实在太远了,航天器要飞过去,燃料消耗吃不消。
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结果拉格朗日 L2 点由于位置比较合适,稳定性最好,航天器运行燃料消耗最小,变成了无与伦比的 " 风水宝地 "。


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