石豪：一個“側手翻”，又開創了中國航天的第一次
【文/觀察者網專欄作者 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火點平面機動，將探測器軌道調整為經過火星兩極的環火軌道，並將近火點高度調整至約265千米。
從橫着繞火星赤道，變成豎着繞火星兩極，天問一號相當於做了一個漂亮的“側手翻”，那麼我們就來一起看一看這個“側手翻”是怎麼做的，以及，為什麼要做。
遠火點機動
天問一號的“側手翻”，是在2月10日“剎車”進入的大橢圓火星軌道上完成的。這條軌道的參數是近火點高度約400千米、遠火點高度約180000千米、週期約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，2月15日17時，正好是半個軌道週期——5天，探測器恰好運行到遠火點，可以進行機動。
天問一號探測器遠火點變軌示意圖 | 圖片來源：央視新聞
那麼，為什麼一定要在遠火點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的軌道繞天體飛行，這些軌道參數有的表徵軌道的大小“大不大”，有的表徵軌道形狀“圓不圓”，當然也有表徵軌道平面是“平着”還是“豎着”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”，那就要進行一次名叫非共面轉移的軌道機動。
非共面轉移示意圖 | 圖片來源：《宇航概論》，作者：胡其正、楊芳
借用經典教科書的示意圖，虛線是初始軌道，實線是變軌後的軌道，只需要在兩條軌道的交點給航天器一個合適的速度增量，航天器的軌道面就會發生改變。
一般來説，新舊軌道的交點就是軌道離天體最近和最遠的點，對於人造地球衞星而言叫近地點、遠地點，對環繞火星的天問一號而言就是近火點和遠火點。
根據齊奧爾科夫斯基公式，速度增量是和燃料消耗直接相關的，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。
再根據開普勒第二定律，探測器在近火點的速度更快，遠火點速度更慢，我們可以簡單地畫出近火點和遠火點進行非共面轉移所需的速度改變量：
非共面轉移所需速度改變量示意圖 | 作者繪製
圖中的虛線箭頭即是非共面轉移的速度改變，箭頭越長速度越大。注意上圖只是示意，並非實際速度比例，因為根據角動量守恆，在400千米高度近火點，天問一號的速度是180000千米高度遠火點速度的48倍左右。
顯然，遠火點的速度足夠小，進行非共面轉移所需的速度增量也非常“經濟實惠”，充分利用火星捕獲後的大橢圓軌道進行變軌，可以有效減少推進劑消耗。
更為矚目的是，天問一號不僅進行了非共面轉移，還同時把近火點高度降低到265千米左右，不僅為後續變軌縮短了時間，也進一步節約了軌道器燃料，讓後續任務更有保障。
那麼下一個問題自然是：我們為什麼要進入這樣一套通過火星南北兩極的“豎着的”軌道？
火星攝影師
同樣是環繞火星，為什麼原來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，我們不妨從地球衞星開始講起。
目前在人造地球衞星上應用最廣的主要有兩種軌道：“平着”的地球同步軌道和“豎着”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°，地球同步軌道的衞星繞地球運轉方向和角速度與地球自轉完全一致，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顆地球同步軌道衞星實現全球無線通信。
亞瑟·克拉克的全球通信衞星設想 | 圖片來源：Wireless World, 作者亞瑟·克拉克
不過，聰明的讀者朋友應該已經發現了，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衞星 | 圖片來源：Intelsat
因此，用於給地球“拍照”的遙感衞星，一般採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越性以外，能夠基本覆蓋全球也是衞星設計師所看重的。
地球靜止軌道與太陽同步軌道 | 圖片來源：NOAA SciJinks
甚至於，對於一些需要觀測南北極區的任務，衞星會放棄太陽同步軌道，選擇與90°傾角更接近的軌道，比如美國用於監測極地冰蓋的“冰衞星-2”（ICESat-2）就採用了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，也是第一次火星着陸與火星表面巡視任務，天問一號的軌道器不僅承擔了“剎車”、“側手翻”等軌道控制任務，還要承擔對火星表面高分辨率成像等任務。
天問一號構成 | 圖片來源：人民網
儘管在地球上我們已經對火星做了充分的研究，但天問一號的着陸器到底要降落在哪裏，具體的火星大氣進入點選擇，還是需要以環繞器提供的高分辨率圖像和大量數據作為支撐。
這也是天問一號着陸之前，要環繞火星飛行數個月的原因。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衞星，天問一號必然要對火星全球進行觀測，並對備選着陸區進行細緻的拍照和分析，所以一定要進入環繞火星的極地軌道。
因此，小小一個“側手翻”不僅大有用處，而且也是天問一號火星觀測任務的起點。在隨後的幾個月內，天問一號將逐步降低軌道高度，最終抵達距火星表面幾百千米的低極地軌道，為最終着陸火星探好路。
天問一號的工作是開創性的，從火星轉移軌道注入，到火星剎車，再到“側手翻”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等待着我們。
圖片來源：中國航天科技集團
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