苍穹中的真实“鹊桥”
  • 来源:科普时报
  • 作者:文凤春 王 运
  • 2021-03-11 11:05

图1:5个拉格朗日点位置关系图 

 

图2:嫦娥二号奔向L2点轨迹模拟图 

 

图3:地球、月球和“鹊桥”的位置关系图 

茫茫苍穹中,有一颗卫星,她的名字叫“鹊桥”,是我国嫦娥四号中继通信卫星。“鹊桥”于2018年5月21日发射,使命是常驻浩瀚太空中的拉格朗日L2点,为月球上的“嫦娥”和地球上的居民搭建一座用于通信联系的“桥梁”。

拉格朗日点到底是什么点?拉格朗日点L2又在天空的什么方向?

在宇宙中,有一个特殊的位置,一个小天体位于该地方,在太阳、地球两大天体引力的作用下,小天体还能保持相对静止。我们把这个位置,称为拉格朗日点。在数学上,拉格朗日点是一个限制性三体问题的特殊解,共5个,分别记为L1,L2,L3,L4,L5。拉格朗日点也称平动点。1767年,瑞士数学家欧拉计算出3个平动点。1772年,欧拉的学生,法国数学家拉格朗日计算出剩下2个平动点。(拉格朗日点在宇宙的位置如图1所示)

2010年10月1日,嫦娥二号卫星在西昌卫星发射中心成功发射,顺利进入地月转移轨道。她是嫦娥三号、嫦娥四号的开路先锋,其目的地是拉格朗日点L2。她先对月球表面的环境进行探测,为嫦娥三号卫星在月球上的着陆区进行高清晰度成像探测。任务完成后,嫦娥二号卫星于2011年6月9日从月球轨道出发,在浩瀚的太空飞行76个昼夜才抵达拉格朗日点L2,并绕其缓缓飞行一周,为“鹊桥”探测L2附近区域的太空环境和通信测试(见图2)。任务结束后,嫦娥二号卫星继续向宇宙更远的深空飞行。2012年12月13号,嫦娥二号在距地球700万公里深空处偶遇小行星4179(图塔蒂斯),她们俩交会最近距离3.2公里,真是擦肩而过。而且嫦娥为美丽的图塔蒂斯进行了长达100秒的拍摄,给我们地球传回来了图塔蒂斯美丽的倩影。

L1和L2是离地球最近的两个拉格朗日点。如果我们要观测太阳的活动规律或者对地球全方位拍摄,L1是最佳位置。如果我们做其他科学考察,一般选择离地球近,受太阳离子风危害要小的L2处。在L2附近区域,卫星在地球和太阳的作用下,几乎是静止的,只需要消耗极少的燃料即可长期驻留。因此,L2是人类太空探测器、天体望远镜定位的理想位置,在工程和科学上具有重要意义。L2是国际深空探测的热点。例如,在L2附近,安置了美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器和欧洲航天局的赫歇尔天文台。在不久的将来,在L2附件区域会有更多人类的杰作。

我国的“鹊桥”中继卫星位于L2的动态平衡轨道上(见图3)。这个轨道实在得天独厚,可为整个月球背面提供中继,成为月球着陆器与地球通信的信使。

嫦娥奔月是我国的古老神话,也是中华民族的伟大梦想。2004年,中国正式开启 “嫦娥工程”。“嫦娥工程”分三步走,即“绕”、“落”、“回”。

我国航天人通过不懈地努力,从2010年到2020年十年时间里相继成功地发射了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥四号和嫦娥五号卫星。嫦娥五号卫星从拉格朗日L1点登月,并从月球上带回了约2公斤美丽的月壤。这2公斤的月球礼物,标志着我国 “嫦娥工程”的圆满收官!拉格朗日点,为人类探索宇宙,提供了极大的帮助!

银河湾湾,鹊桥翩翩,地月联通一线牵。

牛郎织女无幽怨,柔情似水,佳期天天。

拉格朗日点,圆梦人间。

(作者文凤春系华中农业大学理学院副教授,王运系华中农业大学教授)


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