【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 石豪】

北京時間2021年2月15日17時，天問一號火星探測器成功實施捕獲軌道遠(yuǎn)火點(diǎn)平面機(jī)動，將探測器軌道調(diào)整為經(jīng)過火星兩極的環(huán)火軌道，并將近火點(diǎn)高度調(diào)整至約265千米。

從橫著繞火星赤道，變成豎著繞火星兩極，天問一號相當(dāng)于做了一個漂亮的“側(cè)手翻”，那么我們就來一起看一看這個“側(cè)手翻”是怎么做的，以及，為什么要做。

遠(yuǎn)火點(diǎn)機(jī)動

天問一號的“側(cè)手翻”，是在2月10日“剎車”進(jìn)入的大橢圓火星軌道上完成的。這條軌道的參數(shù)是近火點(diǎn)高度約400千米、遠(yuǎn)火點(diǎn)高度約180000千米、周期約10個地球日、軌道傾角約10°。

2月10日“剎車”的天問一號探測器處在這條軌道的近火點(diǎn)，2月15日17時，正好是半個軌道周期——5天，探測器恰好運(yùn)行到遠(yuǎn)火點(diǎn)，可以進(jìn)行機(jī)動。

天問一號探測器遠(yuǎn)火點(diǎn)變軌示意圖 | 圖片來源：央視新聞

那么，為什么一定要在遠(yuǎn)火點(diǎn)把天問一號的軌道面立起來呢？

答案很簡單：為了省燃料。

我們知道，航天器可以按照一定參數(shù)的軌道繞天體飛行，這些軌道參數(shù)有的表征軌道的大小“大不大”，有的表征軌道形狀“圓不圓”，當(dāng)然也有表征軌道平面是“平著”還是“豎著”的。

如果想在不改變軌道大小和形狀的情況下，單純把軌道面“豎起來”，那就要進(jìn)行一次名叫非共面轉(zhuǎn)移的軌道機(jī)動。

非共面轉(zhuǎn)移示意圖 | 圖片來源：《宇航概論》，作者：胡其正、楊芳

借用經(jīng)典教科書的示意圖，虛線是初始軌道，實線是變軌后的軌道，只需要在兩條軌道的交點(diǎn)給航天器一個合適的速度增量，航天器的軌道面就會發(fā)生改變。

一般來說，新舊軌道的交點(diǎn)就是軌道離天體最近和最遠(yuǎn)的點(diǎn)，對于人造地球衛(wèi)星而言叫近地點(diǎn)、遠(yuǎn)地點(diǎn)，對環(huán)繞火星的天問一號而言就是近火點(diǎn)和遠(yuǎn)火點(diǎn)。

根據(jù)齊奧爾科夫斯基公式，速度增量是和燃料消耗直接相關(guān)的，要改變的速度越多，燃料消耗就越大，對探測器攜帶的燃料消耗就越多。

再根據(jù)開普勒第二定律，探測器在近火點(diǎn)的速度更快，遠(yuǎn)火點(diǎn)速度更慢，我們可以簡單地畫出近火點(diǎn)和遠(yuǎn)火點(diǎn)進(jìn)行非共面轉(zhuǎn)移所需的速度改變量：

非共面轉(zhuǎn)移所需速度改變量示意圖 | 作者繪制

圖中的虛線箭頭即是非共面轉(zhuǎn)移的速度改變，箭頭越長速度越大。注意上圖只是示意，并非實際速度比例，因為根據(jù)角動量守恒，在400千米高度近火點(diǎn)，天問一號的速度是180000千米高度遠(yuǎn)火點(diǎn)速度的48倍左右。

顯然，遠(yuǎn)火點(diǎn)的速度足夠小，進(jìn)行非共面轉(zhuǎn)移所需的速度增量也非?！敖?jīng)濟(jì)實惠”，充分利用火星捕獲后的大橢圓軌道進(jìn)行變軌，可以有效減少推進(jìn)劑消耗。

更為矚目的是，天問一號不僅進(jìn)行了非共面轉(zhuǎn)移，還同時把近火點(diǎn)高度降低到265千米左右，不僅為后續(xù)變軌縮短了時間，也進(jìn)一步節(jié)約了軌道器燃料，讓后續(xù)任務(wù)更有保障。

那么下一個問題自然是：我們?yōu)槭裁匆M(jìn)入這樣一套通過火星南北兩極的“豎著的”軌道？

火星攝影師

同樣是環(huán)繞火星，為什么原來10°傾角的“平躺”軌道不行，非要讓軌道面“豎起來”？

答案也很簡單：為了對火星表面全覆蓋拍照。

要把這個問題講清楚，我們不妨從地球衛(wèi)星開始講起。

目前在人造地球衛(wèi)星上應(yīng)用最廣的主要有兩種軌道：“平著”的地球同步軌道和“豎著”的太陽同步軌道。地球同步軌道一般在地球的赤道面上，軌道傾角為0°，地球同步軌道的衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)方向和角速度與地球自轉(zhuǎn)完全一致，從地面上看來就像是懸停在赤道上空一樣。早在1945年，著名科幻作家亞瑟·克拉克就在他的文章中暢想了用3顆地球同步軌道衛(wèi)星實現(xiàn)全球無線通信。

亞瑟·克拉克的全球通信衛(wèi)星設(shè)想 | 圖片來源：Wireless World, 作者亞瑟·克拉克

不過，聰明的讀者朋友應(yīng)該已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，這種0°傾角，“平躺”在赤道面上的軌道，是無論如何也無法覆蓋地球南北兩極的。

無法覆蓋南北極的地球同步軌道衛(wèi)星 | 圖片來源：Intelsat

因此，用于給地球“拍照”的遙感衛(wèi)星，一般采用的是太陽同步軌道，傾角在97°到99°左右，軌道面基本上是“立起來”的。除了太陽同步軌道本身的優(yōu)越性以外，能夠基本覆蓋全球也是衛(wèi)星設(shè)計師所看重的。

地球靜止軌道與太陽同步軌道 | 圖片來源：NOAA SciJinks

甚至于，對于一些需要觀測南北極區(qū)的任務(wù)，衛(wèi)星會放棄太陽同步軌道，選擇與90°傾角更接近的軌道，比如美國用于監(jiān)測極地冰蓋的“冰衛(wèi)星-2”（ICESat-2）就采用了92°傾角的近極地軌道。

ICESat-2 | 圖片來源：SPACENEWS

回到天問一號上來，作為我國第一次火星探測任務(wù)，也是第一次火星著陸與火星表面巡視任務(wù)，天問一號的軌道器不僅承擔(dān)了“剎車”、“側(cè)手翻”等軌道控制任務(wù)，還要承擔(dān)對火星表面高分辨率成像等任務(wù)。

天問一號構(gòu)成 | 圖片來源：人民網(wǎng)

盡管在地球上我們已經(jīng)對火星做了充分的研究，但天問一號的著陸器到底要降落在哪里，具體的火星大氣進(jìn)入點(diǎn)選擇，還是需要以環(huán)繞器提供的高分辨率圖像和大量數(shù)據(jù)作為支撐。

這也是天問一號著陸之前，要環(huán)繞火星飛行數(shù)個月的原因。我們從未如此近距離觀察過火星，作為中國的第一顆人造火星衛(wèi)星，天問一號必然要對火星全球進(jìn)行觀測，并對備選著陸區(qū)進(jìn)行細(xì)致的拍照和分析，所以一定要進(jìn)入環(huán)繞火星的極地軌道。

因此，小小一個“側(cè)手翻”不僅大有用處，而且也是天問一號火星觀測任務(wù)的起點(diǎn)。在隨后的幾個月內(nèi)，天問一號將逐步降低軌道高度，最終抵達(dá)距火星表面幾百千米的低極地軌道，為最終著陸火星探好路。

天問一號的工作是開創(chuàng)性的，從火星轉(zhuǎn)移軌道注入，到火星剎車，再到“側(cè)手翻”變軌，每一次成功都是中國航天史的第一。前路漫漫，行路艱難，未來還有更多的難關(guān)等待著我們。

圖片來源：中國航天科技集團(tuán)

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