10.17 把航天器放在兩個拉格朗日點中,可以不需要燃料,永遠地留在那裡

關於拉格朗日點,各種各樣的航天器都曾訪問過,或者就在拉格朗日點執行任務,並且在將來還會有許多新的任務地點也會在拉格朗日點。

把航天器放在兩個拉格朗日點中,可以不需要燃料,永遠地留在那裡

什麼是拉格朗日點?

當我們設定三個天體裡的其中一個天體的質量遠小於另外兩個天體,幾乎不影響另外兩個大天體運動時,就可以把問題簡化為兩體問題求解,那麼如果這個小天體還要穩定地留在這個體系裡不被甩出去的話,它應該在哪裡又會以怎樣的規律運動?

把航天器放在兩個拉格朗日點中,可以不需要燃料,永遠地留在那裡

​ 在天體力學中,拉格朗日點就是平面圓形限制性三體問題的5個特殊解。

1767年數學家歐拉推算出了其中三個特殊解為(L1、L2、L3、)點,1772年數學家拉格朗日推算出了另外兩個特殊解(L4、L5、)點,在這5個點上,兩個天體的引力之和剛好等於維持該點軌道的向心力,因此質量被忽略不計的小天體可以相對於兩個大天體靜止不動。

把航天器放在兩個拉格朗日點中,可以不需要燃料,永遠地留在那裡

注:以地球和太陽為例

1. L1點位於太陽和地球連線之間,距離地球約150萬公里,如果沒有地球的引力,原本這個位置上的小天體繞太陽運行的週期會更短角速度會更快,但由於地球的存在,小天體運動所受的向心力是太陽和地球引力的合力。由於兩個力方向相反,導致小天體的向心力比單純受到的太陽引力更小,於是這個點上的公轉週期變長了,角速度和地球公轉的角速度一樣了,因此小天體相對太陽和地球的位置相對靜止了。

2. L2點位於太陽和地球連線上,地球軌道的外側距離地球約150萬公里,因為軌道半徑更大,公轉角速度本應該更慢,但它受到的合力比單純的太陽引力更大,於是公轉角速度也變大到與地球公轉角速度相等了,因此相對太陽和地球也變成了相對靜止。

3. L3點位於太陽的對面,與地球到太陽的距離幾乎相同。

4. L4和L5點,這兩個點不在太陽和地球的連線上,而是與太陽和地球形成一個等邊三角形。

把航天器放在兩個拉格朗日點中,可以不需要燃料,永遠地留在那裡

對於拉格朗日點有幾點需要說明

1.首先拉格朗日點,只有在第3個物體的質量與大天體的質量相比,可以忽略不計時才起作用,所以我們可以在太陽地球和航天器之間,或者太陽、木星和小行星之間討論拉格朗日點,但不能在太陽、地球和另一顆行星之間討論。其次拉格朗日點只是平面圓形限制性三體問題推算出來,理論上的穩定點,在範圍空間內處於同一條直線上的L1、L2、L3點是不穩定的,因此很少能在這三個位置找到自然物體,任何前往這些地點的航天器都需要不斷的調整位置,才能回到這個穩定的地點。

2.另外在實際空間中拉格朗日點也不是一個點。因為天體或航天器的運行軌道並非是一個完美的圓,而通常是橢圓,這意味著穩定區域的精確位置在軌道運行過程中也在不斷變化,所以在L1或者L2點上航天器的軌道通常被設計成圍繞拉格朗日點,做週期運動。這樣的話航天器只需少量調節便能維持其軌道。

3.處在等邊三角形頂點的L4和Ll5點是穩定的平衡點,這個位置上所受的合力方向剛好指向了太陽和地球的質量中心,而且合力大小剛剛好是其公轉角速度與地球公轉角速度相等,於是這兩個點相對太陽和地球靜止了。,所以如果我們可以把航天器放在這兩個拉格朗日點中,它可以不需要燃料,永遠地留在那裡。

把航天器放在兩個拉格朗日點中,可以不需要燃料,永遠地留在那裡

但要得到這兩個穩定點,需要兩個大天體的質量比大於24.96,太陽的質量是地球的332,000倍,所以是符合條件的,存在L4和L5點,地球的質量是月球的81倍,太陽的質量是木星的1048倍,所以都是有效的,但冥王星和卡戎的質量太接近,因此它們之間無法產生L4和L5點了。


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