地球日|石豪：一个“侧手翻”，又开创了中国航天的第一次_天问|共面|速度|卫星|参数|轨道

【地球日|石豪：一个“侧手翻”，又开创了中国航天的第一次】【文/观察者网专栏作者石豪】
北京时间2021年2月15日17时，天问一号火星探测器成功实施捕获轨道远火点平面机动，将探测器轨道调整为经过火星两极的环火轨道，并将近火点高度调整至约265千米。
从横着绕火星赤道，变成竖着绕火星两极，天问一号相当于做了一个漂亮的“侧手翻” ，那么我们就来一起看一看这个“侧手翻”是怎么做的，以及，为什么要做。
远火点机动
天问一号的“侧手翻” ，是在2月10日“刹车”进入的大椭圆火星轨道上完成的。这条轨道的参数是近火点高度约400千米、远火点高度约180000千米、周期约10个地球日、轨道倾角约10° 。
2月10日“刹车”的天问一号探测器处在这条轨道的近火点， 2月15日17时，正好是半个轨道周期——5天，探测器恰好运行到远火点，可以进行机动。

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天问一号探测器远火点变轨示意图 | 图片来源：央视新闻
那么，为什么一定要在远火点把天问一号的轨道面立起来呢？
答案很简单：为了省燃料。
我们知道，航天器可以按照一定参数的轨道绕天体飞行，这些轨道参数有的表征轨道的大小“大不大” ，有的表征轨道形状“圆不圆” ，当然也有表征轨道平面是“平着”还是“竖着”的。
如果想在不改变轨道大小和形状的情况下，单纯把轨道面“竖起来” ，那就要进行一次名叫非共面转移的轨道机动。

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非共面转移示意图 | 图片来源：《宇航概论》，作者：胡其正、杨芳
借用经典教科书的示意图，虚线是初始轨道，实线是变轨后的轨道，只需要在两条轨道的交点给航天器一个合适的速度增量，航天器的轨道面就会发生改变。
一般来说，新旧轨道的交点就是轨道离天体最近和最远的点，对于人造地球卫星而言叫近地点、远地点，对环绕火星的天问一号而言就是近火点和远火点。
根据齐奥尔科夫斯基公式，速度增量是和燃料消耗直接相关的，要改变的速度越多，燃料消耗就越大，对探测器携带的燃料消耗就越多。
再根据开普勒第二定律，探测器在近火点的速度更快，远火点速度更慢，我们可以简单地画出近火点和远火点进行非共面转移所需的速度改变量：

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非共面转移所需速度改变量示意图 | 作者绘制
图中的虚线箭头即是非共面转移的速度改变，箭头越长速度越大。注意上图只是示意，并非实际速度比例，因为根据角动量守恒，在400千米高度近火点，天问一号的速度是180000千米高度远火点速度的48倍左右。
显然，远火点的速度足够小，进行非共面转移所需的速度增量也非常“经济实惠” ，充分利用火星捕获后的大椭圆轨道进行变轨，可以有效减少推进剂消耗。
更为瞩目的是，天问一号不仅进行了非共面转移，还同时把近火点高度降低到265千米左右，不仅为后续变轨缩短了时间，也进一步节约了轨道器燃料，让后续任务更有保障。
那么下一个问题自然是：我们为什么要进入这样一套通过火星南北两极的“竖着的”轨道？
火星摄影师
同样是环绕火星，为什么原来10°倾角的“平躺”轨道不行，非要让轨道面“竖起来”？
答案也很简单：为了对火星表面全覆盖拍照。
要把这个问题讲清楚，我们不妨从地球卫星开始讲起。
目前在人造地球卫星上应用最广的主要有两种轨道：“平着”的地球同步轨道和“竖着”的太阳同步轨道。地球同步轨道一般在地球的赤道面上，轨道倾角为0° ，地球同步轨道的卫星绕地球运转方向和角速度与地球自转完全一致，从地面上看来就像是悬停在赤道上空一样。早在1945年，著名科幻作家亚瑟·克拉克就在他的文章中畅想了用3颗地球同步轨道卫星实现全球无线通信。

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亚瑟·克拉克的全球通信卫星设想 | 图片来源：Wireless World, 作者亚瑟·克拉克
不过，聪明的读者朋友应该已经发现了，这种0°倾角， “平躺”在赤道面上的轨道，是无论如何也无法覆盖地球南北两极的。

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无法覆盖南北极的地球同步轨道卫星 | 图片来源：Intelsat
因此，用于给地球“拍照”的遥感卫星，一般采用的是太阳同步轨道，倾角在97°到99°左右，轨道面基本上是“立起来”的。除了太阳同步轨道本身的优越性以外，能够基本覆盖全球也是卫星设计师所看重的。

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地球静止轨道与太阳同步轨道 | 图片来源：NOAA SciJinks
甚至于，对于一些需要观测南北极区的任务，卫星会放弃太阳同步轨道，选择与90°倾角更接近的轨道，比如美国用于监测极地冰盖的“冰卫星-2”（ICESat-2）就采用了92°倾角的近极地轨道。

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ICESat-2 | 图片来源：SPACENEWS
回到天问一号上来，作为我国第一次火星探测任务，也是第一次火星着陆与火星表面巡视任务，天问一号的轨道器不仅承担了“刹车”、“侧手翻”等轨道控制任务，还要承担对火星表面高分辨率成像等任务。

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天问一号构成 | 图片来源：人民网
尽管在地球上我们已经对火星做了充分的研究，但天问一号的着陆器到底要降落在哪里，具体的火星大气进入点选择，还是需要以环绕器提供的高分辨率图像和大量数据作为支撑。
这也是天问一号着陆之前，要环绕火星飞行数个月的原因。我们从未如此近距离观察过火星，作为中国的第一颗人造火星卫星，天问一号必然要对火星全球进行观测，并对备选着陆区进行细致的拍照和分析，所以一定要进入环绕火星的极地轨道。
因此，小小一个“侧手翻”不仅大有用处，而且也是天问一号火星观测任务的起点。在随后的几个月内，天问一号将逐步降低轨道高度，最终抵达距火星表面几百千米的低极地轨道，为最终着陆火星探好路。
天问一号的工作是开创性的，从火星转移轨道注入，到火星刹车，再到“侧手翻”变轨，每一次成功都是中国航天史的第一。前路漫漫，行路艰难，未来还有更多的难关等待着我们。

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图片来源：中国航天科技集团
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地球日|石豪：一个“侧手翻”，又开创了中国航天的第一次

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