在月球背面安家

　　美國(guó)宇航局正考慮在月球背面建立一個(gè)有人照管的停泊點(diǎn)，以此作為探索深空的前哨，而這個(gè)地點(diǎn)將選在地球和月球的第二拉格朗日點(diǎn)L2上。
　　拉格朗日點(diǎn)在哪里？
　　拉格朗日點(diǎn)的定義是圓型限制性三體問題中存在的5個(gè)秤動(dòng)點(diǎn)的總稱。通俗的解釋是這樣的：一個(gè)小物體在兩個(gè)大天體（M1、M2）的引力作用下，只有在處于L1~L5這5個(gè)點(diǎn)時(shí)，才能相對(duì)于兩個(gè)天體基本保持靜止穩(wěn)定。這是因?yàn)樘罩袃纱筇祗w在此處的萬有引力相等，使小物體處于引力平衡狀態(tài)；或者是太空中兩大天體的萬有引力的合拉力在此處與離心力平衡，故而航天器能在那里停泊。這些點(diǎn)的存在是由法國(guó)數(shù)學(xué)家約瑟夫·路易斯·拉格朗日于1772年推導(dǎo)證明的，故被簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)1、L2、L3、L4、L5點(diǎn)。
　　對(duì)地球和月球兩個(gè)天體來說，L1點(diǎn)處在地球和月球的連線上，并位于它們之間。L2點(diǎn)也在地-月連線上，且位于月球外側(cè)。L3點(diǎn)亦在地-月連線上，但位于地球的外側(cè)。L4點(diǎn)在以地-月連線為底線的等邊三角形的第三個(gè)頂點(diǎn)上，且在月球圍繞地球運(yùn)行軌道的前方。L5點(diǎn)也在以地-月連線為底線的等邊三角形的第三個(gè)頂點(diǎn)上，但在月球圍繞地球運(yùn)行軌道的后方。
　　處在地-月連線上的L1點(diǎn)和L2點(diǎn)，分別位于月球的兩旁，距離月球同為6.5萬千米。由于月球距離地球的平均值為38.44萬千米，故而向L1點(diǎn)發(fā)射航天器要比向月球發(fā)射航天器近16.9％的距離，向L2點(diǎn)發(fā)射航天器要比向月球發(fā)射航天器遠(yuǎn)16.9％的距離。需要說明的是，這個(gè)L2點(diǎn)不同于嫦娥二號(hào)探月衛(wèi)星飛馳到達(dá)的L2點(diǎn)。后者是太陽和地球兩大天體的第二拉格朗日點(diǎn)，距離地球150萬千米。美國(guó)宇航局?jǐn)M在地球和月球的第二拉格朗日點(diǎn)L2上做文章，意在利用該點(diǎn)的位置優(yōu)勢(shì)開展載人航天活動(dòng)，進(jìn)而更有效地進(jìn)行深空探測(cè)和科學(xué)研究工作。
　　目標(biāo)：第二拉格朗日點(diǎn)
　　拉格朗日L2點(diǎn)靠近月球背面，是目前探索能力范圍內(nèi)的首選。 L2停泊點(diǎn)能夠使在月球背面開展重要的遙控機(jī)器人研究成為可能，還能在月球背面的平靜區(qū)域開展對(duì)太陽和其他天體的科學(xué)觀測(cè)，成為射電天文學(xué)和其他科學(xué)研究的平臺(tái)。如果成功地建立—個(gè)有人照管的拉格朗日L2停泊點(diǎn)，那就打破了航天員登月記錄，將是迄今人類太空之旅的最遠(yuǎn)點(diǎn)。
　　美國(guó)科羅拉多大學(xué)天體物理研究中心得到了美國(guó)宇航局月球科學(xué)研究所的資助，研發(fā)從拉格朗日L2點(diǎn)對(duì)月球開展遙控機(jī)器人探索。由于L2點(diǎn)到月球的距離還不到靜止軌道衛(wèi)星到地球距離3.6萬千米的兩倍，故而停泊在L2點(diǎn)上的航天員可以對(duì)月面上活動(dòng)的機(jī)器人進(jìn)行遙控，讓其代替人執(zhí)行科學(xué)探測(cè)和考察研究任務(wù)。與進(jìn)入拉格朗日L1點(diǎn)相比，進(jìn)入拉格朗日L2點(diǎn)更為容易，同時(shí)在月球背面更兼有探測(cè)月球奧秘和觀測(cè)宇宙深空等優(yōu)勢(shì)。例如，航天員可以遙控月面的自動(dòng)裝置從地質(zhì)學(xué)家感興趣的月球背面或從月球南極的艾特肯盆地獲取樣本。直徑達(dá)幾百千米的艾特肯盆地是太陽系中具有40億年歷史的最大、最深和最古老的火山口之一，很可能埋藏著太陽系形成初期的秘密。另外，還可在月球背面部署一個(gè)低頻無線電天線陣來觀測(cè)宇宙早期的第一批恒星，以開拓天文學(xué)的視野。
　　在拉格朗日L2點(diǎn)上建成的控制中心，還可以組裝和檢修人造衛(wèi)星和大型望遠(yuǎn)鏡，為打造燃料補(bǔ)給站以及組裝和升級(jí)未來的大型光學(xué)系統(tǒng)提供支持。由于環(huán)繞地球的高能粒子輻射帶——范艾倫輻射帶離地面最遠(yuǎn)處也不過4萬千米，而停泊在 L2點(diǎn)上的航天員早己超出了這一防護(hù)范圍，故而可以幫助科學(xué)家測(cè)量航天員受宇宙射線和太陽耀斑輻射的劑量，研究人體防護(hù)措施的有效性及其改進(jìn)辦法。
　　從發(fā)展的觀點(diǎn)看，拉格朗日L2點(diǎn)不僅能夠作為探索近月空間和月球的重要平臺(tái)，還可以作為對(duì)能力范圍內(nèi)的多個(gè)目的地進(jìn)行探索的出入口，比如小行星、火星衛(wèi)星，最終可能還有火星本身。換言之，有人照管的L2停泊點(diǎn)，可以成為未來航天器飛往小行星、火星衛(wèi)星和火星的中途站。
　　運(yùn)行在暈軌道上的載人飛船
　　拉格朗日L2點(diǎn)始終處于月球背面上空6.5萬千米高的位置，并和月球一起以相等的角速度圍繞地球運(yùn)動(dòng)，從地球上是無法看見的，也不能用無線電與停泊在該點(diǎn)的航天器進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。為了解決這個(gè)問題，航天專家就選擇了暈軌道的辦法予以應(yīng)對(duì)。
　　暈軌道就是位于垂直地-月連線平面內(nèi)的以L2為圓心的圓形軌道，乃是借助月暈現(xiàn)象而得名的。月暈是月亮周圍出現(xiàn)光環(huán)的一種氣象現(xiàn)象。從地球上看，在暈軌道上運(yùn)行的航天器當(dāng)圓半徑大于3500千米時(shí)，即可達(dá)到可視效果，圍繞L2運(yùn)行的航天器周期約為半個(gè)月，這樣就解決了與地面通信難題。運(yùn)行在暈軌道上的航天器不僅要有接收地面遙控指令和發(fā)回探測(cè)數(shù)據(jù)資料的能力，而且要具備控制軌道的能力。只有載人航天器進(jìn)入這種暈軌道運(yùn)行，才能逐步實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。
　　以人類目前所達(dá)到的航天技術(shù)水平來說，向L2暈軌道發(fā)射無人航天器并不難，難的是用什么樣的載人航天器到達(dá)這一軌道并正常運(yùn)轉(zhuǎn)?？茖W(xué)家小組已開始與獵戶座多用途載人飛船的制造商洛克希德-馬丁公司合作。
　　獵戶座原是美國(guó)為實(shí)現(xiàn)最早于2018年之前重返月球而研制的載人飛船，后來美國(guó)改變計(jì)劃，準(zhǔn)備用其于2025年載人登陸近地小行星，于30年代中期載人飛往火星。現(xiàn)在美國(guó)宇航局又考慮適當(dāng)時(shí)候讓其飛奔L2點(diǎn)的暈軌道。目前，洛克希德-馬丁公司正在研究如何在月球以外的太空區(qū)域進(jìn)行導(dǎo)航，以及如何利用獵戶座的通訊系統(tǒng)控制月球遠(yuǎn)側(cè)的漫游者。此類飛行任務(wù)可以檢測(cè)獵戶座飛船的生命支持系統(tǒng)和從深空返回地球所需的高速返回大氣層的能力，并將有助于證實(shí)獵戶座飛船能夠像設(shè)計(jì)的那樣，提供足夠的防輻射保護(hù)。由于為登陸近地小行星而研制的獵戶座載人飛船已具備了上述功能，讓其先飛往L2點(diǎn)，可以檢驗(yàn)其工作可靠性。
　　在載人飛往小行星或火星時(shí)，獵戶座將與登陸艙、地球出發(fā)站組成聯(lián)合體一塊飛行。當(dāng)其飛往月球背面L2點(diǎn)的暈軌道時(shí)，就用不著登陸艙了。開始階段，獵戶座與地球出發(fā)站分別被新研制的戰(zhàn)神1和戰(zhàn)神5運(yùn)載火箭發(fā)射升空，進(jìn)入近地軌道后再對(duì)接起來，形成一個(gè)大型載人航天器，一次可以運(yùn)載6名航天員。然后飛向L2點(diǎn)并進(jìn)入暈軌道繞其飛行，航天員即可遙控月面機(jī)器人執(zhí)行探測(cè)任務(wù)并按計(jì)劃開展深空觀測(cè)和科學(xué)試驗(yàn)等活動(dòng)。待其完成任務(wù)踏上返回地球的歸程時(shí)，會(huì)在進(jìn)入環(huán)地軌道后丟掉地球出發(fā)站，再入大氣層安全返回地面。如果在L2點(diǎn)暈軌道上需要有人長(zhǎng)期駐留，可用新的獵戶座載人飛船代替原來的飛船，或者用新舊飛船對(duì)接的方式輪換一批航天員。而且，在L2點(diǎn)暈軌道上執(zhí)行任務(wù)，載人飛船重返地球時(shí)的難度相對(duì)較小，成本也更低。
　　為了使停泊在L2點(diǎn)暈軌道上的獵戶座載人飛船能承擔(dān)更多任務(wù)，如成為飛向更遠(yuǎn)深空航天器的中途站，還必須對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)建，也就是再對(duì)接必要的艙段，以便容納更多數(shù)量的航天員和儲(chǔ)備相應(yīng)的物資設(shè)備，并攜有不可缺少的對(duì)接裝置。有的科學(xué)家主張，航天飛機(jī)以及其他飛行器的剩余部件可以用在前往該區(qū)域的航天器身上，以完善其功能?；蛘呦騆2點(diǎn)暈軌道上發(fā)送多個(gè)艙段組裝建成一個(gè)空間站，用獵戶座作為運(yùn)送和更替航天員的載人渡船及貨運(yùn)飛船，以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。如果是用做載人航天器的中途站，使用獵戶座運(yùn)送航天員前往近地小行星或者火星，這兩種設(shè)計(jì)都是可供選擇的最佳方案。
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