太空停車位拉格朗日點上可停幾輛車

1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射了人類第一顆地球衛(wèi)星，就此拉開了人類進軍宇宙空間的序幕。據(jù)不完全統(tǒng)計，六十多年來人類已經(jīng)向太空發(fā)射了約8000顆衛(wèi)星，目前仍有約4000顆衛(wèi)星在軌道上飛行。太空已經(jīng)由原來的空曠變得有些擁擠，發(fā)射衛(wèi)星也由之前的隨意發(fā)射變成了需要向國際電信聯(lián)盟申報。

在眾多的衛(wèi)星中有一種衛(wèi)星比較特殊也比較重要，那就是地球同步衛(wèi)星。地球同步衛(wèi)星的軌道高度比較高，這使得其壽命較低軌道衛(wèi)星長，不必經(jīng)常更換衛(wèi)星。一顆地球同步衛(wèi)星能夠覆蓋地球表面約42%的面積，三顆地球同步衛(wèi)星合理布置，再加上幾顆貫穿南北極的極地衛(wèi)星就能實現(xiàn)全球通信。

由于需要和地球自轉保持同步，地球同步衛(wèi)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(wèi)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(shù)百顆地球同步衛(wèi)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(fā)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(fā)射的衛(wèi)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(fā)揮很大作用。把人類的探測器、空間望遠鏡放到日地系統(tǒng)或地月系統(tǒng)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(jīng)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(wèi)星“鵲橋”是位于地月系統(tǒng)的拉格朗日點L2附近。

進一步了解后會發(fā)現(xiàn)，韋伯望遠鏡也好，鵲橋中繼衛(wèi)星也罷，它們都不是直接停放在各自系統(tǒng)的拉格朗日點L2處，而是繞著L2轉動。L2點其實并不穩(wěn)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(wèi)星繞著地球轉，韋伯望遠鏡、鵲橋中繼衛(wèi)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(tǒng)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(jù)上有所反映。