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1.2 限制性问题的分类及其相应的力学模型

1.2.1 圆型和椭圆型限制性三体问题 [1,2]

这是一个N=(2+1)体系统,该三体系统中有两个大天体和一个小天体。由于小天体对两个大天体的运动没有影响,因此,两个大天体的运动即对应一个简单的二体问题,其相对运动(或相对该两个大天体质心的运动)的解是一圆锥曲线。既然讨论的背景是一个三体系统问题,当然要排除抛物线和双曲线的情况,即只有圆运动和椭圆运动。那么,这一三体系统的动力学问题,即分别对应圆型和椭圆型限制性三体问题。对这样一类限制性三体问题,就是在两个大天体运动完全确定的情况下,研究小天体的运动。

对于日—地—月三体系统,相应的三个天体质量分别记作m 1 、m 2 和m,由于月球质量(m)相对日、地质量(m 1 ,m 2 )均较小,大约有m=0.012m 2 ,又地球绕日运动的椭圆轨道偏心率e约为0.017,可以处理成圆轨道,故作为一种近似,可将该系统中月球的运动简化为圆型限制性三体问题。当然,如果处理成椭圆型限制性三体问题就更接近真实情况。又如主带小行星(主带即处于火星与木星轨道之间的小行星带,这是太阳系小行星最集中的空间)的运动,主要受太阳和木星的引力作用,木星的轨道偏心率也较小,因而也常把主带小行星的运动处理成圆型限制性三体问题。

深空探测器的发射,如月球探测器,发射的初始阶段可能有两种形式:一是在近地停泊轨道上运行,择机(根据需要)变轨加速奔向月球,这一停泊轨道段就相当于一个地球卫星;另一形式即从地球上发射升空后直接飞往月球,到达月球附近经推力制动后变为绕月飞行的月球卫星,其运动规律类似于地球卫星。而在地月间的转移轨道飞行段则对应一个地—月—探测器三体系统的典型的圆型或椭圆型限制性三体问题。在太阳系中也不乏类似的实例,除此之外,在密近双星系统中,两子星和它们之间交换的物质(当做小天体)也属这种类型。

对于上述模型,即使最简单的圆型限制性三体问题,就求解而言,至今还没有像二体问题那样完全解决,但这种数学模型却能给出一些重要结果,对研究深空探测器的运动有着其他模型不可替代的作用。

1.2.2 限制性N体问题和受摄限制性三体问题模型

这里N≥3,即该系统中有n个大天体(n≥2)和一个小天体,例如,上面提到的主带小行星的运动,为了更真实地体现这类小行星的运动及其空间分布特征(Kirkwood 空隙),在考虑主要受力因素(太阳和木星的引力作用)外,进一步考虑土星和火星的引力作用,就构成一个限制性五体(N=4+1)问题。月球探测器除受地、月的引力作用外,还有太阳引力的显著影响,它就对应一个限制性四体(N=3+1)问题。在上述系统中,不管大天体有多少(N的数值不同),无论是主带小行星的运动,还是月球探测器的运动,都是在相应大天体的运动确定情况下来研究小天体的运动。但是,在上述提到的两个动力学实例中,如果第三、第四个大天体的引力作用,不足以明显地改变原限制性三体问题模型的结果,那么可以将其作为原限制性三体问题模型的一些小扰动,这就相当于引进一个受摄限制性三体问题模型。事实上,对于上述两个实例,在研究过程中(不管是主带小行星的运动,还是月球探测器的运动)往往就是这样处理的,在目前对深空探测器的发射和某些特殊目标轨道(如晕轨道)的选择,同样是这样处理的,也就是充分利用限制性三体问题模型所提供的重要信息。

1.2.3 限制性(n+k)体问题 [3,4]

这是一个N=(n+k)体系统,其中包含n个大天体和k个小天体,但特指n≥2和k≥2的系统。这一系统实际上等价于两个问题,即一个一般n体问题和一个在n个大天体(运动状态已知)的引力作用下的k个小天体的运动问题。尽管k个小天体的质量相对大于天体而言很小,它们不会影响大天体的运动,但在某些系统中,k个小天体之间的距离却很近,相互之间的引力作用需要考虑,否则就变为k个限制性(n+1)体问题。

关于限制性(n+k)体问题,在太阳系中也有相应的力学背景。例如,主带小行星群中两颗小行星之间的距离可以很近,如果考虑它们之间的引力作用,那么太阳、木星和这两颗小行星就构成一个限制性(2+2)体问题;在地球赤道上空一个定点处发射两颗以上几吨重的地球“静止”卫星,它们相互之间的距离可为百米量级,在精度要求较高的问题中就需要考虑它们之间的相互引力作用,在此情况下,作为椭球体的地球(相当于一个质量密度均匀的球体和椭球体赤道的“多余”部分,可视为两个大天体)和两个卫星同样构成一个限制性(2+2)体问题。在深空探测器的发射中或许也会出现这样的状态,如在某个特殊位置附近定点多个探测器,相互之间的引力作用又不可忽视,在此情况下与两个相应的大天体就构成上述限制性(2+k)体问题。 wp/XxA70H55d5sZcWvrBp8b3qVAidUYbV4DPgtDgjz6TTOddWCausb7rFCet7aDC

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