跟着小玉兔，往看看嫦娥探月中的“三体”

撰文 / 徐文彬 钱航（中国运载火箭手艺研究院）

“白兔捣药秋复春,嫦娥孤栖与谁邻？”

自古以来，中华民族对月亮有着无限想象。在中国夏历兔年降临之际，让我们一路往看看那只探月的“小玉兔”——玉兔二号以及它的小伙伴鹊桥号卫星吧！

“劳模小玉兔”

玉兔二号是中国第二辆月球车。2019年1月3日，搭载玉兔二号的月球探测器——嫦娥四号在月球后背着陆。玉兔二号就此开启了它不服凡的月球摸索之旅。

截至2022年7月5日，玉兔二号已在月球行进了1239.88米，不只实现了人类汗青上初次月球后背探测，还成为迄今为行在月球上工做时间最长的月球车。

它像“劳模”一样，将大量数据传回地球，为科学家供给了许多贵重材料。那些材料成为我们领会月球的重要参考，也搀扶帮助科研人员研究出了大量学术功效。

月球后背“出差三人组”之鹊桥号

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陪同玉兔二号“坚守岗位”的除了嫦娥四号之外，还有名为鹊桥号的中继卫星。玉兔二号、嫦娥四号、鹊桥号构成了月球后背“出差三人组”。

因为地球对月球的潮汐锁定（两个天体间的引力彼此感化招致天体的扭转速度变慢，一个天体老是统一面朝向另一天体的情状），月球永久“正面”（约59%的月面）朝向地球，剩下的41%覆盖在暗影中，通信信号也被阻断。

为此，中国科学家在地月之间“架”起了一座“桥梁”——鹊桥号中继卫星。它运行在一个特殊的轨道上，不只能同时毗连月背和地球，并且能耗也极低。

鹊桥“架”在哪里最适宜？

鹊桥号应该在什么位置，才气在地球和月球引力的感化下，不断停留在月球后背呢？

限造性三体问题

要确定鹊桥号的位置，需要考虑鹊桥号、地球、月球那3个对象——三体问题。与地球和月球比拟，鹊桥号的量量小到能够漠视不计，所以那就成了限造性三体问题。

无论是三体问题，仍是限造性三体问题，鹊桥号的运动轨迹都没有解析解，即我们无法揣测鹊桥号的运动轨迹，它有多个可能的位置。

但是，好像被抛出的硬币也可能立起来一样，关于限造性三体问题来说，有如许一种“立起来”的特殊解。在那个特殊解中，鹊桥号卫星的运动形态非常不变且可被揣测，那个特殊解就是“拉格朗日点”。

运动与静行——拉格朗日点

你晓得“地球静行轨道”吗？那是一条处在赤道正上方35876千米的轨道。位于那条轨道上的卫星，遭到的地球引力充任了它围绕地球公转的向心力，而那个向心力对应的卫星公转周期，正好与地球的自转周期不异。从空中上看，卫星的位置是固定的，所以那条轨道被称为地球静行轨道。

其实拉格朗日点素质上跟地球静行轨道是一样的。只不外研究对象从地球和卫星，酿成了地球、月球和卫星。本来的一整条轨道，酿成了5个拉格朗日点。

在地月系统里，若将卫星放在拉格朗日点，从远处看地球、月球与卫星，它们的相对位置都是稳定的。此时，卫星遭到地球与月球的引力合力，是让卫星相对位置稳定的向心力。

在那些点上，卫星向心力的标的目的与地球和月球的向心力标的目的一致，都指向地月系统的量心（地球和月球配合围绕量心扭转）。而且那个向心力的大小赐与的卫星绕量心的运动周期，也与地球和月球绕量心运动的周期一致，因而卫星才能够连结与地球和月球的相对位置稳定。

如图所示，在地球和月球的四周，一共有5个拉格朗日点。

在那5个点中，L2正好是契合鹊桥号工做前提的位置。L2在月球的外侧，在L2点的物体，遭到的地球引力和月球引力的标的目的就是一致的。与月球比拟，在L2点的物体固然离地月量心更远，但是因为L2遭到的是地球引力与月球引力之和，所以在L2的物体也能够拥有和月球不异的公转周期。

L2位于月球的后背，而且会不断“悬停”在阿谁处所，正好能够当做我们跟玉兔二号“打德律风”的中继站。而在现实利用中，中国科学家也确实把鹊桥卫星发射到那个位置，让它充任月球后背与地球掌握中心的联络站。

当我们仰看明月时，固然无法看到玉兔二号以及它的小伙伴的身影，但它们正与我们守看着统一片星空。在夏历兔年，预祝玉兔二号以及它的小伙伴能为我们带来更多欣喜！

本文来自《常识就是力量》杂志，原题目《嫦娥探月中的“三体”》，做者徐文彬、钱航，有删改，原创做品转载请说明来源。