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三体问题4
【60544】by1 2022-12-12 最后编辑2022-12-12 14:30:25 浏览557

最后,恭喜你看完优美推导!再复习一遍五个拉格朗日点和相应的势能面,因为有意思的部分马上要来了。

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再复习一遍五个拉格朗日点 | 图源:Wikipedia

#晕轮轨道

拉格朗日点理论上只是一个没有大小的点,但它对于航天探测有重大意义,因为航天器可以稳定地悬停在它周围的晕轮轨道上。1978年,人们将国际彗星探测器发往日地点,开启了对拉格朗日点的第一次应用。1982年,它在完成计划任务后主动变轨驶向哈雷彗星,并更名国际彗星探测器,这之后就不再绕L1点运转了,所以它稳定在L1附近的时间为四年。顺利的是,它在1986年成功接近哈雷彗星,收集到丰富的数据。

你可能会好奇,点虽然在切向上看是势能极小点,但在径向上是势能极大点。也就是说,只要在径向有一点点偏差,就应该会万劫不复地坠入深渊。但上节的示意图考虑的是引力势+随日地系统同步公转的等效离心势,实际的运动轨迹并不是严格地一同公转。这就为晕轮轨道的存在提供了空间。比如,1995年发射的太阳和太阳圈探测器(SOHO),它的轨道俯视图就长这样:

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SOHO的晕轮轨道

日地系统点能在相对固定的位置避开部分太阳辐射,有利于天文探测,所以詹姆斯·韦布望远镜就选择在这点附近的晕轮轨道。

再想象一下,如果我们从日地系统切换到地月系统,那么地月系统的点就会是对月背而言极佳的观测点。这里需要补充一个背景知识,月亮因为潮汐锁定,它的公转周期和自转周期已经同步了,也就是说,它只有一个面固定朝向地球。

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潮汐锁定 | 图源:星球研究所

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鹊桥号所在的晕轮轨道 | 图源:星球研究所

例如鹊桥号通信中继卫星就放置在地月系统的拉格朗日点附近,为嫦娥四号在月背软着陆提供稳定的地月通讯信号转播服务。具体地说,鹊桥号在绕点的晕轮轨道上,随地月系统一起做周期运动。这样不仅能实现在月背上空的悬停,还能最大程度地节省轨道调整的燃料。

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鹊桥号

到这里,我们讲了三体问题作为混沌体系在数学上没有解析通解,但存在一些稳定的特殊解,着重介绍了其中的五个拉格朗日点及其在航天上的应用。希望三体人的智子在扫描这篇文章时,能收获一些延长恒纪元的灵感,愿三体文明和地球文明和谐共存。

参考资料:

[1] 既然三体运动非常不稳定,那太阳系为什么能稳定存在?- 知乎@UFO

[2] 拉格朗日点(平动点)的近似推导 - 知乎@Dr.Space

[3] 三体运动模拟 含行星修正版 - bilibili@Zzzyt205

[4] 上海交大科学家领衔提出求解三体问题周期解之路线图

[5] Alpha Centauri. What Does the Closest Stellar System Conceal? - youtube@Kosmo

[6] 为什么三体不稳定,我们的太阳系如此稳定?

[7] Three-Body Gallery

[8] Movies of the Periodic Planar Collisionless Three-Body Orbits in Real Space or on Shape Sphere - 廖世俊教授