1957年10月4日,蘇聯發射了人類第一顆地球衛星,就此拉開了人類進軍宇宙空間的序幕。據不完全統計,六十多年來人類已經向太空發射了約8000顆衛星,目前仍有約4000顆衛星在軌道上飛行。太空已經由原來的空曠變得有些擁擠,發射衛星也由之前的隨意發射變成了需要向國際電信聯盟申報。
在眾多的衛星中有一種衛星比較特殊也比較重要,那就是地球同步衛星。地球同步衛星的軌道高度比較高,這使得其壽命較低軌道衛星長,不必經常更換衛星。一顆地球同步衛星能夠覆蓋地球表面約42%的面積,三顆地球同步衛星合理布置,再加上幾顆貫穿南北極的極地衛星就能實現全球通信。
由于需要和地球自轉保持同步,地球同步衛星的軌道只能在赤道上空的一個確定高度(讀者可思考一下為什么不能在其他緯線圈的正上方)。地球同步衛星又非常重要,使得很多國家爭相搶占這一軌道。目前已有數百顆地球同步衛星在赤道上空運行,軌道資源已趨近于飽和,沒有搶占到軌道的國家只能望軌興嘆了。
隨著人類探索的需要以及航天技術的進一步發展,越來越多的人類探測器飛離了地球,“拉格朗日點”這個概念開始被越來越多的人聽到。
三個物體僅在萬有引力作用下的運動是三體問題,三體問題沒有確切解。如果三體中有兩個是大質量的物體,另一個是質量可以忽略的物體,這就是一種比較簡單的限制性三體問題。拉格朗日點就是這種限制性三體問題的五個特解,當小物體處在五個拉格朗日點處時能夠和兩個大物體保持相對靜止。如果把太陽和地球看成是兩個大物體,人類發射的衛星、探測器是小物體,那么小物體就能夠在如圖L1、L2、L3、L4、L5五個位置和太陽、地球保持相對靜止,這五個點就是拉格朗日點。拉格朗日點因具有這樣的特性,有時被人稱作是太空中的停車位。
小物體能夠在拉格朗日點和兩個大物體保持相對靜止,對這一特點加以利用可以為人類發揮很大作用。把人類的探測器、空間望遠鏡放到日地系統或地月系統的拉格朗日點,探測器就不必攜帶較多的燃料用來調整自己的軌道。目前已經有一些探測器到達了太空中的停車位,比如哈勃望遠鏡的繼任者詹姆斯·韋伯望遠鏡就是奔向了距離地球150萬千米的拉格朗日點L2附近;嫦娥四號的中繼衛星“鵲橋”是位于地月系統的拉格朗日點L2附近。
進一步了解后會發現,韋伯望遠鏡也好,鵲橋中繼衛星也罷,它們都不是直接停放在各自系統的拉格朗日點L2處,而是繞著L2轉動。L2點其實并不穩定,探測器在那附近只能繞著L2轉動才能達到動平衡。
繞著空間中的一個點轉動,這個場景和一般印象有很大的差別。畢竟在很多人的印象中是地球繞著太陽轉,衛星繞著地球轉,韋伯望遠鏡、鵲橋中繼衛星怎能繞著一個虛無的點轉動?
說鵲橋繞著拉格朗日點L2轉動,這是只看到了鵲橋繞L2轉動,沒看到鵲橋同時還繞地球轉動。在以地月系統為參考系的情況下,鵲橋的運動可以分解為兩個圓周運動,一個是繞地球的圓周運動,另一個是繞L2的圓周運動。鵲橋運動時受到來自地球和月球的萬有引力,它的受力可分解到一個方向指向地球,另一個方向指向L2,兩個分力提供了兩個圓周運動各自需要的向心力。
拉格朗日點盡管常被比作是太空中的停車位,但和停車位還有很大的不同。探測器并不是停在車位上的,往往是繞車位轉動的。既然是繞著一個點轉動的,能夠放下的肯定就不止一輛車了。盡管目前世界各國對這一位置的爭奪還不算激烈,但這個位置的特殊注定了這里會是兵家必爭之地。一個國家的航天實力能夠在對拉格朗日點的占據上有所反映。
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