太空停车埸，太阳系里的拉格朗日点

                          刘忠战

    我们在地面上停车，习惯找一小块“平地”，因为不用担心小车脱刹后会自动“游走”。假如能找到一块小凹地，将车停在凹地底部，那就更不用担心车子脱刹被大风“推走“。人们不选择在斜坡上停车，道理很简单，因为那里是随时可能滑走的地方。下图中的在A、B点，都可以停放小球，但唯独不能放在斜坡。

地面上两种安全停车位

    如果将这种低凹地可以稳定停车的原理用于太空中火箭的停泊，那问题就变成在太空能否能找到一块“空间”，供火箭的停畄，不受外力作用而自动游走？火箭能在太空“停车”吗？

    众所周知，看似虚无的太空，其实充满着周边星体延伸过来的“万有引力”，引力象一张无形的网，从不同方向牵拉着飞行中的火箭，火箭要么顺着引方向飞过去，掉落在某个星体上，要么保持一定的速度，用飞弧线产生的离心力来平衡引力，保持一种自由飞行状态，在太空，能否找到不受力、可以停下来的地方？

    一位法国天文学家、数学家拉格朗日（1736－1813）研究过这个有趣的问题，他发现当有多个星体同时作用于飞行体时，空间会出现特殊的小区域，星球的引力会在该区域取得相互平衡而使合力为零，类似于地面上的“小平台”或“小凹地＂，这些点正是我们要寻找的“太空停车场”。天文学称这样的点为拉格朗日点。下图表示在太阳和地球共同作用下，形成的五个特殊的格朗日点。

    ＜地日系拉格朗日L1～L5点＞

    十七世纪中叶，牛顿揭示了万有引力，紧随其后，拉格朗日在思考宇宙“三体引力场”问题时，发现引力方程组在简化条件下可得到五个“特解”。简化条件是：三个天体同处于同一个平面，相对位置固定，其中有一个小天体，忽略它对另两大天体的作用力，这样会求出五个力的平衡点（即上图的L1～L5），太阳系里每个行星都与太阳有相对固定的位置关系，所以轨道平面上都有5个平衡点，这里所说的平衡，是指两个大天体的引力和小天体随大天体系统同步公转的惯性力三者的矢量平衡。我们的地球和月亮组成了“地月系”，在嫦娥登月工程中就曾成功地利用了月背的L2点，驻畄了鹊桥通讯卫星，携助嫦娥月背着陆立了大功。L2位置是一个A类平衡点（平台型），驻畄在那里几乎消耗能量很少，所以长期畄守，以后会为更多的探月工程服务。

（有关L2点位置的推算法，请畄意本作者另文《嫦娥登月活鹊桥》）

    ＜L1～L5点的力场等位线图＞

    为了更清晰地表达五个平衡点的力埸分布，通常用力场等位线来表示（上图），象看地图上的等高线一样，容易看出，L1、L2、L3属于A类小区，它是高势点上的小平台，是一种暂稳区，若受到某种干挠，也会有游离的趋势，需要适时修正，才不至于游离。日地系的L1和L2 点被广泛用于航天器的长期驻畄。因为日地系的L2 点藏在地球的背影里，不受阳光的干挠，在太空微信号监测项目中，它是最理想的驻畄地。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，就充分利用了日地系L2 点的优势，成功驻畄並展开试验。以后，詹姆斯韦伯望远镜也会在前往此处驻畄。

＜地球背面L2点的威尔金森探测器＞

    更有趣的现象是L4、L5这种B类凹地区，它不仅能停车，而且有动态锁定车位的功能，它象是一个平缓的陷阱，会自动收集在太空流浪的小行星，将它们锁定在自已的小范围内。

＜木－日系L4、L5小行星会聚区＞

    也就是说L4、L5有捕获功能，早在1772 年，拉格朗日就曾预言，在太阳—木星组成的木日系中，L4 、L5点，可能已存在被捕获的小天体。这一猜想果然在1906 年被德国天文学家马克思洛夫所证实，他用照相法发现了位于L4 点有颗小行星。后来又逐渐发现了一大群同类型被捕获的小行星，注意上图，在火－木轨道之间有一个布满白点的环带，那是太阳系形成之初尚未被大行星吸附凝聚的小行星带，但图的下方和右上方有两个白点群，这便是木日系的L4、L5捕获区，命名为“特洛依群”，人们将这类小行星统称为特洛伊小行星（希腊神话中的诡异人物）。在科幻作品中，这两个特殊点常被神化，是藏神纳鬼的太一角。太阳系每个行星与太阳间都会有对应的L1～L5点，这样算下来太阳系的停车点应了实有四五十个，其中木星质量最大，轨道远离太阳，所以L4、L5区的捕获功能最为清晰。

    在太空探测日益频繁的今天，四五十个拉格朗日点将会为旅行在漫漫长路上的飞船提供一个安全的服务区。或许能为太空旅客提供捡修、加油、小息的场所，也许有一天发射探测木星、土星、甚至飞出太阳糸奔向半人马座的另一个太阳的火箭，会在地日系的L2站上出发，因在那里已经具备了第二宇宙速度，稍事加力，就会飞出太阳系。

                  2020－8一1