为什么詹姆斯韦布望远镜不停在L2点上，而是绕L2转圈？

关于詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）为何不“停”在拉格朗日L2点，而是选择绕L2点“转圈”这个问题，这背后其实涉及到非常精妙的天体力学和望远镜的实际运行需求。简单来说，JWST之所以选择一个围绕L2点的轨道，而不是直接“锚定”在L2点上，是为了 在维持光学观测的稳定性和节省燃料之间找到一个最佳平衡点。

要深入理解这一点，我们需要先了解几个关键概念：

1. 什么是拉格朗日点？

拉格朗日点，或者说拉格朗日点（Lagrangian points），是引力作用下，在两个大质量天体（例如太阳和地球）组成的系统中，存在的五个特殊位置。在这些位置上，第三个较小天体（例如JWST）所受到的太阳和地球的引力与它们绕共同质心公转的离心力恰好平衡。这样一来，这个小天体就可以相对稳定地与这两个大天体一起绕着共同质心运动。

2. L2点（第二拉格朗日点）的优势

对于太空望远镜来说，L2点之所以如此吸引人，有以下几个主要原因：

恒定的避光条件： L2点位于地球和太阳连线的延长线上，距离地球约150万公里。这意味着， JWST 可以在任何时候将它的巨型遮阳板（Solar Shield）正对着太阳、地球和月球，有效地阻挡它们发出的光和热。对于一个需要在红外波段进行观测的望远镜来说，保持极低的温度至关重要，因为任何微小的红外辐射都会干扰到微弱的宇宙信号。L2点提供了近乎完美的避光环境。
稳定的观测平台： 在L2点，JWST 可以保持一个相对固定的方向朝向深空，而无需频繁调整姿态来规避地球或太阳。这对于需要长时间曝光来捕捉遥远、微弱天体的观测任务来说非常重要。
通信方便： L2点与地球的相对位置变化相对可预测，使得与地球进行稳定的通信成为可能。

3. 为什么不“停”在L2点，而是“绕”？

虽然L2点在理论上是一个平衡点，但现实中的天体运动和系统的非理想性让直接“停”在这里变得复杂且低效。

L2点本身并不绝对稳定： L2点虽然被称为“平衡点”，但它是一个不稳定平衡点。这意味着，即使 JWST 理论上被放置在L2点上，任何微小的扰动——比如其他天体的引力影响（尽管L2点旨在最小化这些影响，但并非完全消除）、太阳风的压力、甚至是望远镜自身微弱的辐射压——都会导致它逐渐偏离L2点。如果 JWST 只是静止地“停”在L2点，它会很快因为这些扰动而“滚落”下来，需要消耗大量的燃料来纠正。

轨道修正以节省燃料： JWST 选择的轨道是一种围绕L2点进行的晕轨道（Halo Orbit）。这种轨道之所以能节省燃料，是因为它利用了天体的引力“借力”。想象一下，JWST 在L2点附近绕一个椭圆形或者说“晕”状的轨道运动。在轨道的某些部分，它会稍微靠近地球，利用地球的引力“拉”一下；在另一些部分，它会稍微远离地球，利用地球和太阳的共同引力“推”一下。通过精巧地设计这个轨道，JWST 可以利用这些引力相互作用来维持自身在L2区域内的稳定运动，而不需要持续地喷射推进剂来抵抗偏离。

这种绕轨道运动，就好比你在一座小山顶上放一个球。如果山顶是完美平坦的，球可能会停在那里。但如果山顶稍微有些起伏，球很容易就滚下去了。而如果你给球一个非常小的、精确控制的初速度，让它围绕山顶的某个区域转动，通过巧妙地调整速度，你就能让它在山顶附近保持一个相对稳定的运动，而不需要一直推着它。JWST 的晕轨道就是利用了这种“动态平衡”。

保持恒定的避光： 晕轨道的设计也确保了 JWST 能够持续地将遮阳板对着太阳、地球和月球。尽管 JWST 在轨道上“移动”，但它的相对位置和姿态变化是可控的，使得遮阳板的作用得以最大化。

4. JWST 的轨道策略

JWST 的轨道不是一个简单的圆形，而是一个更复杂的“晕轨道”。具体来说，它运行在一个叫做利萨久轨道（Lissajous Orbit）或者晕轨道的轨道上。

利萨久轨道： 这种轨道是一种在xy平面上由两个不同频率的正弦函数合成的闭合曲线。在L2点附近，JWST 的轨道可以被理解为在垂直于日地连线的平面（yz平面）上进行近似的椭圆运动，同时在日地连线方向（x方向）上也有一定的周期性波动，但这种波动幅度要小得多。

轨道周期： JWST 的晕轨道周期大约是6个月。这意味着它每6个月绕L2点“转”一圈。

轨道维持： 尽管晕轨道本身有助于节省燃料，但仍然需要定期的轨道维持操控（Station Keeping）。这通常是每隔几周或者几个月进行一次，通过短暂的点火推进器来微调望远镜的位置和速度，以抵消积累的微小扰动，将其重新置于预定的轨道内。这些操控所需的燃料非常少，远低于直接“驻留”在L2点所需的纠正燃料。

总结来说，詹姆斯·韦伯望远镜选择围绕L2点运行，而非直接“停”在L2点上，是为了：

1. 利用“不稳定平衡点”的特性，通过巧妙的轨道设计，借助天体引力实现动态平衡，从而最大限度地节省燃料。
2. 保持望远镜所需的极低工作温度，确保红外观测的灵敏度，使其遮阳板能持续有效地屏蔽太阳、地球和月球的光热。
3. 在燃料效率和观测稳定性之间找到最佳的平衡点，以最大化望远镜的科学寿命和观测能力。

因此，JWST 不是在“偷懒”，而是在以一种极其智能和高效的方式，在浩瀚的宇宙空间中执行其伟大的科学使命。它就像一个在宇宙的“甜甜圈”边上翩翩起舞的芭蕾舞者，利用引力的韵律来维持自己的平衡与姿态。

网友意见

因为L2点是不稳定的。（那些说“L2没太阳光”的答案并不完全正确）

韦伯望远镜被发送到绕着拉格朗日点L2的轨道，而不是L2点上，为什么呢？

避免占坑

有人说，是因为如果某大国的某一个航天器先占据了L2拉格朗日点，那么其它航天器就没办法使用这个位置了。反之，如果多个航天器同时绕这个拉格朗日点附近运行，那就不会打架了。像最近发射的赫歇尔空间天文台、WMAP^[1]和“普朗克”卫星都是在L2点附近。当它们寿终正寝时，如果在L2点上就需要较多的推进剂让它们离开稳定点前往墓地轨道，如果是在附近，就坡下驴就可以用减少推进剂的使用了。

这看上去一是个理由，但并不全面。

不稳定的山巅

我们知道，詹姆斯韦伯望远镜并不是绕地球运转，而是在L2点绕太阳运转，也就是说，望远镜与地球一起以相等的公转角速度围绕太阳运动。而仅当公转轨道是圆形时，L2才是一个相对地日“静止”的点。真实世界里的轨道是椭圆形的，加上月球、木星、金星和其他行星的扰动，拉格朗日点是在不断移动着的。打个比方，L2点就像一个马鞍^[2]，或者再形象点说，L2点就像一个山巅，（还是一个一直在晃来晃去的山巅），稍微有一点点扰动，山巅上的小石子就会偏离滚落山下。（至于为什么它是不稳定的，这是一个微积分问题，我就不给大家灌公式了）

实际上，不止是L2点，在5个拉格朗日点中，由欧拉于1767年推算出的前三个点，也就是L1、L2和L3 都是动态不稳定的^[3]，这意味着微小的偏离都会随着时间的推移而增长，慢慢地就偏离轨道了。具体就不计算了，只需知道，日地的L2点只需24.4天就会漂移走，而L3需要43.12年^[4]。因此，位于这几个点上的航天器必须使用其推进系统不断进行轨道修正以保持在稳定点附近（但所需的燃料仍然比近地轨道调整的要少），而且是长时间地保持。

在航天动力学和天体物理中，一些航天器会采用利萨如轨道（Lissajous^[5]）。

它可以让航天器在拉格朗日点附近徘徊（自然却复杂的运动）^[6]，即使略有扰动时也可以不使用或少使用推进系统（借助复杂的离心力与科里奥利力的合力）就能恢复暂时的平衡，从而保证其相对于地球和太阳处于一个相对稳定的位置^[7]。（其中更特殊的是晕轨道，和利萨如的区别主要是在于是否闭合，哦，对了，还有李雅普诺夫轨道，这里就先不展开讲了）

减少推进系统的使用，除了延长使用寿命以外，还有一个好处就是减少因推进器的频繁启动造成望远镜振动，从而减少对观测的影响。同样的道理，控制量还不能太过细微，因为控制越精细，就意味着推进系统启动越频繁，不但会消耗大量燃料，启动期间相机也几乎没法用，减少了使用时间，意味着白白的浪费宝贵的寿命。

L2轨道的轨道周期为6个月。由于太阳风的辐射压力和观测事件造成的姿态调整扰动，JWST需要比其他拉格朗日轨道任务（通常每年3-4次）更频繁地进行轨道保持的操作。通过每日的跟踪测量，保证其在每21天^[8]的一个周期里保持姿态位置的准确。

所以，题主所问的“绕L2点转圈”，是为了最大限度地提高稳定性和延长寿命。

（BTW，关于题主问题描述中的通讯干扰问题，L1点因为在日地之间，所以是有通讯考虑的，L2点是在日地的延长线上的，绕不绕圈并不会对通讯起到什么作用。）

日食

最后一点，也是很重要的一点，就是要避免进入L2点的日食区，或者说避免过多的进入地球的影子。

我最近看很多自媒体在写鸽王的时候，都会说它去L2点是因为要躲在地球的阴影后面，减少太阳光对其影响。

这只说对了一半。我们知道，地球本影平均长约137.7 万千米，而L2点距地球约150万千米，也就是说，L2点并不在地球的本影锥体中，事实上，很多在L2的航天器都没有处于地球的半影中^[9]。下图是按比例画出的地月和JWST的轨道，可以看出地球的阴影对JWST的影响并没有想象的那么大^[10]。

大部分航天器都是太阳能供电，所以不能真正的在黑暗中工作，需要一些太阳光提供能源。这就需要那里的航天器要围绕L2点为中心运行，而不能在L2所谓“日环食”区等死。JWST也是一样。虽然它确实配备有可充电的锂电池，但主要是用来在太阳能电池组展开之前和期间提供电力，以及在用电高峰期间短暂补充电力以弥补太阳能电池组的输出缺口。它的轨道设计原则中明确写明^[11]，锂电池不是为了在日食期间供电用的，JWST不能进入地球的影子中^[12]。所以只能在L2点附近画圈（也能避免频繁进入地球阴影而导致的热胀冷缩变化，减少对镜面平整度的影响）。

哦对了，以上答案同样适用于嫦娥四号的中继卫星鹊桥。

哦，千万别想不开去真的想着去看关于L2的计算公式和相关的论文，你会掉头发的。比如下面这张：

或者为了躲避日食而做的计算^[13]图是酱紫的：

为了能给祖国航天添砖加瓦，请航天专业的学生多多努力学习吧。

参考

1. ^ 威尔金森微波各向异性探测器
2. ^ https://physics.stackexchange.com/questions/286642/why-are-the-lagrangian-points-l-1-l-2-l-3-unstable
3. ^ 在没有其他影响的情况下，围绕拉格朗日点L 4和L 5 的轨道是动态稳定的，只要两个主要物体的质量比大于约 25
4. ^纯理论情况下。 https://www.math.arizona.edu/~gabitov/teaching/141/math_485/Final_Report/Lagrange_Final_Report.pdf
5. ^ 以法国数学家Jules Antoine Lissajous（1822-1880）命名
6. ^ https://www.cosmos.esa.int/documents/29201/305493/IN_L2_orbit.pdf/8d80f802-196d-48ff-973d-8a768798bef0
7. ^ https://handwiki.org/wiki/Lissajous_orbit
8. ^ https://jwst-docs.stsci.edu/jwst-observatory-characteristics/jwst-orbit
9. ^ 在L2点，有约70%的太阳被地球遮挡，形成日环食。
10. ^Stationkeeping Monte Carlo Simulation for the James Webb Space Telescope。Dichmann，Cassandra M.Alberding，Wayne H.Y https://ntrs.nasa.gov/citations/20140007519
11. ^ https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20150017756/downloads/20150017756.pdf
12. ^ https://ntrs.nasa.gov/citations/20160001318
13. ^ https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20190028885/downloads/20190028885.pdf

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