1月24日(周一),工程师们计划指示NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜完成最后的校正点火,将其送入预定轨道,距离地球近100万英里,即所谓的第二个太阳-地球拉格朗日点,简称L2。

在数学上,拉格朗日点是所谓的“受限三体问题”的解。空间中任何两个大质量、有引力的物体都会产生五个特定的位置——拉格朗日点——在这些位置上,它们的引力和第三个小物体(比如航天器)的运动离心力处于平衡状态。拉格朗日点被标记为L1到L5,前面是产生他们的两个引力体的名称(大的那个在前面)。

资料来源:NASA/WMAP科学团队

虽然所有拉格朗日点都是引力平衡点,但并非所有点都是完全稳定的。 L1、L2和L3是具有马鞍形重力梯度的“亚稳定”位置,就像两个稍高的山峰之间的山脊线中间的一个点,它是两个山峰之间的低点、稳定点,但相对于山脊两边的山谷,它仍然是一个高的、不稳定的点。L4和L5是稳定的点,因为每个位置都像一个浅的凹陷或碗,位于一个长而高的山脊或山丘的中间。

虽然所有的拉格朗日点都是引力平衡点,但不是所有的都是完全稳定的。L1、L2和L3是具有马鞍形重力梯度的 “元稳定 “位置,就像两个稍高的山峰之间的山脊线中间的一个点,它是两个山峰之间的低点、稳定点,但相对于山脊两边的山谷,它仍然是一个高的、不稳定的点。L4和L5是稳定的,因为每个位置都像一个浅的凹陷或碗,位于一个长而高的山脊或山丘的中间。

那么为什么要把韦伯送到太阳-地球L2轨道上呢?因为它是红外天文台的理想位置。在日地L2,太阳和地球(以及月球)始终位于空间的一侧,这使得韦伯能够保持其望远镜光学元件和仪器永远处于阴影中。这使得它们能够在寒冷的环境中获得红外灵敏度,但在任何时候仍能进入近一半的天空进行观测。要在一段时间内观察天空中的任何一个点,只需等待几个月,就可以绕太阳走得更远,并揭示更多以前在太阳“后面”的天空。

此外,在L2,地球离地球足够远,从它辐射出来的大约室温的热量不会加热韦伯。因为L2是一个重力平衡的位置,韦伯很容易在那里保持轨道。请注意,环绕L2运行比精确停留在L2更简单、更容易、更有效。此外,通过绕轨道运行而不是完全在L2,韦伯将永远不会让太阳被地球遮挡,这对韦伯的热稳定性和发电是必要的。事实上,韦伯绕L2的轨道比月球绕地球的轨道大!L2还便于通过深空网络始终与地球上的任务运行中心保持联系。出于同样的原因,包括WMAP、赫歇尔和普朗克轨道太阳-地球L2在内的其他天基观测站。

此外,在L2,地球离得足够远,从它辐射出来的大致为室温的热量不会使韦伯升温。而且由于L2是一个引力平衡的位置,韦伯很容易在那里保持轨道。请注意,绕L2轨道运行比精确停留在L2更简单、更容易、更有效。此外,通过绕行而不是精确地停留在L2,韦伯将永远不会被地球遮住太阳,这对于韦伯的热稳定性和发电是必要的。事实上,韦伯围绕L2的轨道比月球围绕地球的轨道还要大! L2也便于通过深空网络始终与地球上的任务操作中心保持联系。其他的天基观测站,包括WMAP、Herschel和Planck,也是出于同样的原因绕着日地L2运行。

一般来说,让航天器送至日地L2是相当简单,但韦伯的结构增加了一个缺点。韦伯的飞行动力学首席工程师凯伦·里肯(Karen Richon)介绍了将韦伯送到L2并保持在那里的情况:

“想象一下,尽可能用力地将一个球直接抛向空中;它开始时速度非常快,但随着重力将其拉回到地球,速度会减慢,最终停在最高点,然后返回地面。类似于你的手臂将球的能量传递到离地球表面几米的地方,阿丽亚娜5型运载火箭给了给了韦伯能量,让它走了110万公里的伟大距离,但没有足够的能量摆脱地球引力。就像球一样,韦伯也在减速,如果我们允许的话,它最终会停下来,然后落回地球。与球不同,韦伯不会返回地球表面,而是在一个极为椭圆的轨道上,近地点高度为300公里,远地点高度为130万公里。韦伯上的小型火箭发动机每三周左右利用一次推力,将使其保持在L2轨道上,每六个月在光环轨道上绕行一次。

“那么,为什么阿丽亚娜号没有给韦伯更多的能量,为什么韦伯需要进行航线修正?如果阿丽亚娜号给韦伯的能量比让它到达L2所需的能量哪怕多一点点,那么当它到达那里时,它的速度就会过快,并会过度偏离它所期望的科学轨道。韦伯将不得不做一个重要的刹车动作,向太阳推进以减慢速度。这种不仅会耗费大量的推进剂,而且还不可能,因为这需要将韦伯旋转180度,才能向太阳推进,这将使其望远镜的光学器件和仪器直接暴露在太阳下,从而使其结构过热,并使粘合在一起的胶水融化。由于一些原因,在望远镜上安装推进器作为直接制动推力的方式是不可行的,而且从来都不是一个设计选项。

“因此,韦伯要求阿丽亚娜火箭提供足够的能量,以确保我们永远不必进行再次点火,但我们总是需要天文台进行重复点火,以精确地弥补差异并将其置于所需轨道。阿丽亚娜5型火箭的目标非常精确,我们的第一次也是最关键的点火比我们的小必须计划和设计,为延长任务留下更多燃料!”

——NASA戈达德太空飞行中心韦伯飞行动力学首席工程师凯伦·里肯。

关于韦伯轨道的详细情况,可以在这里找到。

参考来源:

https://blogs.nasa.gov/webb/2022/01/21/webbs-journey-to-l2-is-nearly-complete/

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