嫦娥五号返回器携带月球样品返回地球后,留在太空的轨道器的任务却还没有结束,它将启程飞往距离地球约150万公里的日地拉格朗日L1点。

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嫦娥五号轨道器飞往日地拉格朗日L1点,将执行什么任务,为什么说和三体有关。

拉格朗日点是什么?

拉格朗日点其实就是三体问题的特殊解,“三体问题”是天体力学中的基本力学模型。它是指三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体,在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题,因为天体之间的变量太多,所以这样就存在着无数种的运动轨迹,三体问题也被称为永远无解的难题。

刘慈欣的小说《三体》,故事的展开其实也是来自于三体问题,在距离地球4光年之外的半人马座上,有一个由三颗恒星和一颗行星所组成的恒星系统。这三颗恒星的质量以及彼此之间的距离基本相等,在互相的引力作用下,形成了一个“三体”模型,但三个恒星又处于无规律运转状态,而这就带来了气候的不稳定性,物种的混乱,且完全无法预测未来的天气走向,造成行星上智慧生命不断地重生和毁灭。

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而三体星人最终明白三体问题不可解,只有飞向宇宙寻找新家园,才能让三体文明持续下去。 故事就由此展开。

虽然“三体问题”永远无解了,但是科学家把三个天体看作三个质点,认为其中一个质点的质量非常小,它对其它两个质点的万有引力可以忽略。这样一来,三体问题就简化成了“限制性三体问题”。

早在1772年,法国数学家拉格朗日对限制性三体问题的研究,他发现如果某一时刻,三个运动物体恰恰处于等边三角形的三个顶点,那么给定初速度,它们将始终保持等边三角形队形运动。这个问题其实是有五个解的,分别是L1、L2、L3、L4、L5。而且每个由两大天体构成的系统中都存在5个动平衡点(特殊解), 称为“拉格朗日点”或“秤动点”。

限制性三体问题图示

拉格朗日进一步证明L1,L2,L3均为单向不稳定平衡点,即如果有物体在上述三个平衡点,任何垂直于轴线的移动都会被推回平衡点(Y-轴移动),但平行于轴线的移动则会使该物体迅速离开平衡点(X-轴移动)。与之相反L4和L5是稳定平衡点,及在这两个平衡点的物体,任何方向的移动都会被推回平衡点,进而能一直保持此物体和两个大质量物体的相对位置。

也就是说,根据拉格朗日的理论,L1,L2和L3三点因不稳定不会存在天然形成的天体,但L4和L5上则会存在

这太阳系中,以地球为坐标轴,分别存在日地系统拉格朗日点和月地系统拉格朗日点。

地月系统

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嫦娥五号轨道器去日地拉格朗日L1点做什么

科学家发现,拉格朗日点具有特殊性质,它是对空间进行科学观察和研究的最佳位置,有助于人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状,进一步认识地球环境的形成和演变,认识空 间现象和地球自然系统之间的关系。

每一个拉格朗日点都有自己的独特作用,比如地月系统拉格朗日L2点,中国的鹊桥中继卫星就在这里,正因为有“鹊桥”的帮助,为嫦娥四号登陆月背提供了信号支持。

而日地拉格朗日L1点,位于太阳与地球的连线之间,这里是持续监测太阳系空间环境 的绝佳位置,此处物体的轨道周期恰好等于地球的轨道周期。若在此点附近放置探测器,可获取到达地球磁场前一小时的太阳风数据。而且在那里,航天器永远不会被地球或者月球遮挡,可以不间断地观测太阳,或者观测地球向阳面。

《三体·死神永生》中,远在N光年之外的云天明,安排了一次与地球上的同学程心的远程见面会,地点就在日地拉格朗日点L1。

美国LISA进入地日L1点的轨道及环绕L1点的轨道示意图。

嫦娥五号轨道器此次拓展任务目标包括:

嫦娥五号轨道器前往拉格朗日L1点,可以说任务艰巨,根据国际上所规定的以2xl06km为深空和非深空的界限,L1点卫星不属于深空探测器,但其通信距离已是月球探测器的将近4倍,通信接收到的信号较弱,噪声加大,信噪比减小;在L1点处卫 星通信的单程时延已达5秒,这给实时通信带来困难。而轨道器前往L1点,将进行测控通信实验,验证我们目前的测控技术,更好弥补不足。

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根据嫦娥五号轨道器获得的数据,也为我国未来设计设计太阳观测器提供很好的数据支持。要知道,当初中国打算实施“夸父”计划,但是因为种种原因,最终暂缓执行。

该计划将由一颗位于日地系统第一拉格朗日点(也称L1点,即地球与太阳之间的引力平衡点)的卫星“夸父A”和两颗沿极轨共轭飞行的卫星“夸父B1”、“夸父B2”组成综合观测系统,揭示控制日地空间系统的基本物理过程,提高空间天气灾害预报的准确度,服务航天通讯等高科技活动。在空间天气研究、航空航天和军事方面具有重要意义。

此次嫦娥五号轨道器前往拉格朗日点L1点,或将为“夸父”计划做一个前期技术验证。

总结

嫦娥五号可以说一物三用,为中国带回来月壤样本;嫦娥五号上升器受控撞月,从而为中国提供更多月球表面数据;嫦娥五号轨道器还将前往拉格朗日点开展任务。

嫦娥五号之所以可以进行如此多的任务,离不开中国航天人的努力和细心。让我们为他们点赞!