新浪科技综合|天问一号准备怎么飞？环火轨道简述
来源：中科院地质地球所
天问一号于7月27日发射 ， 啪的一下 ， 很快啊 ， 2月10号就要进入火星轨道了 。 火星毕竟是四十多亿岁的老同志 ， 没有闪 ， 这下要被天问一号看光光了 。
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作为咱们的第一枚火星探测器 ， 第一枚外行星探测器 ， 天问一号标志了我国航天技术的最尖端 。 天问一号现在可以说是万众瞩目 ， 引起了大家的热烈讨论 。 小编 ， 作为一名航天爱好者 ， 也按捺不住自己的倾吐欲 ， 想与大家分享一点有关于天问一号的小知识 。
天问一号是怎么进入环火轨道的？这个环火轨道有什么特征？这样的轨道能用来做什么？
01
如何入轨？动量的“小”把戏
大家大概已经通过新闻知道——天问一号将会通过三次“近火点”的火箭点火 ， 将自己固定在一个稳定的火星轨道上 。
为什么是近火点呢？为什么不是轨道上的任意一个点呢？这样有什么好处呢？
其实 ， 这就是一个关于动能和动量的“小把戏” 。
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图注：牛顿摆 ， 动量守恒的“把戏” 。
我们在高中就已经学习过“机械能守恒”的定理 。 对于一个物体来说 ， 其动能和引力势能的和 ， 被称为是机械能 。 机械能的具体大小是依赖于参考系的 ， 首先它需要一个提供强大引力的天体 ， 比如地球或者火星 ， 其次其动能也是相对于这个天体而言的 。
如果我们取距离地球无穷远处 ， 一个特定物体的引力势能为“0” ， 那么 ， 在距离地球任意远的地方 ， 引力势能将是一个负值 。 而这个特定物体相对于地球的动能将始终是一个正值 。 采用这样的方法 ， 我们将能够很轻易地通过二者的和 ， 即机械能 ， 来确定这个物体能否被引力捕获 。 机械能小于0 ， 动能无法克服引力势能 ， 物体被捕获 ， 轨道形态为椭圆（当然 ， 也有可能会撞上地面）；机械能大于0 ， 那么动能可以完全克服引力势能 ， 物体逃逸 ， 轨道形态为双曲线 。
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图注：旅行者1号在飞掠木星的时候 ， 可见其双曲线逃逸轨道 。
对于火星也是一样 。 天问一号来自于地球 ， 造访火星 ， 也就是说 ， 他本来是属于“火星之外的” 。 如果以火星作为参考系 ， 按照前文所述的计算方法 ， 显然 ， 其机械能是大于0的 ， 如果不能想办法“减少机械能” ， 那么 ， 天问一号就只能“飞掠”火星 ， 再次逃逸 ， 而非进入环绕的轨道 。
怎么做呢？刹车 。
当今航天器的刹车方法主要有两种 ， 利用行星大气层阻力和空气动力的“大气刹车” ， 和利用火箭发动机的反向推进刹车 。
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图注：MRO（Mars Reconnaissance Orbiter） ， 正在进行大气刹车 。
美国人对火星的大气环境已经摸得比较熟了 ， 这次他们的火星车将会直接采用大气刹车 ， 一步到位 ， 将“毅力号”火星车从逃逸轨道 ， 减速到环绕轨道 ， 再减速到亚轨道 ， 然后着陆 。
但是天问一号不行 。 一方面 ， 天问一号分为轨道器与着陆器（巡视器）两大部分 ， 轨道器要长期留在火星的稳定轨道上 ， 不能一股脑地刹车；另一方面 ， 我国对于火星大气环境 ， 包括密度分布、温度分布、风场等等都知之甚少 ， 美国在公开论文中给出的数据不够精细 ， 也不能轻信 。 所以 ， 天问一号实际上完全是采用火箭发动机反推刹车的方案 。
反推刹车虽然听起来粗暴 ， 但也有诸多的讲究 。 这就要回到“机械能”这个问题上去 。
首先我们要了解 ， 火箭发动机喷出的物质 ， 会形成反冲力 。 这种反冲力会改变火箭的动量 ， 而不是动能 。 设反冲力为F ， 火箭点火时间为t ， 航天器质量为m ， 初速度v0速度变化量为Δv 。
那么根据动量守恒定理：
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而火箭动能的改变量则为：
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可以从公式里明显地看出 ， 火箭点火时 ， 初始速度越快 ， 同样的点火时间所改变的动能就越多！也就是说 ， 飞船飞得越快 ， 动能越大 ， 火箭刹车效率就越高！这 ， 就是动量和动能耍的一个“小把戏” 。
这种效应被称为奥伯特效应 ， 由德国火箭专家 ， 赫尔曼·奥伯特提出 。
机械能由引力势能和动能组成 ， 大家想想 ， 天问一号在飞掠火星的时候 ， 什么时候引力势能最小 ， 动能最大呢？
那当然是距离火星最近的时候！也就是近火点 。
02
极地轨道？长啥样？
第一次刹车 ， 就发生在2月10日 ， 大致于天问一号与火星的最近点处 。 这一次刹车将使天问一号进入环绕火星的轨道 。 此后还会有两次轨道机动 ， 将会把天问一号固定在一个椭圆近极地轨道上 。 目前 ， 由于天问一号正要执行相关的轨道机动 ， 具体的轨道特征我们还不明确 。 按照计划 ， 这个极地轨道的倾角大约86.9° 。
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【新浪科技综合|天问一号准备怎么飞？环火轨道简述】图7/13
图注：天问一号原计划的轨道机动计划 。 与当前最新公布的并不完全相同 。 不过 ， 最终的265X12000km的科学任务轨道 ， 与目前的计划是一致的 。
火星大约每24小时37分钟自转一周（一个火星日） ， 天问一号停留在极地轨道上 ， 火星的地表就在下面一直转圈圈 。 极地轨道使得天问一号得以充分了解整个火星的全貌 。
在前三个月里 ， 天问一号停留在这个轨道上 ， 不断地分析下方地表的情况 ， 通过拍照、雷达、红外干涉的方法 ， 摸清楚地形地貌、大气特征、风速、气候 。 然后找一个天朗气清 ， 惠风和畅 ， 并且没有沙尘暴的天气 ， 降低轨道 ， 把着陆器扔出去 。 这个日子大约在今年的五月份 ， 那个时候火星北半球进入初夏 ， 气候相对稳定 。
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图注：好奇号火星车进入火星大气层的动画模拟 。 到时候咱们的天问一号火星车也要来这么一遭 。
扔出着陆器 ， 天问一号轨道器又会抬升轨道 ， 直到进入一个近火点265千米高度（距离火星参考平面） ， 远火点12 ， 500千米的椭圆近极地轨道 。
这个轨道是精心设计的——相关文献显示 ， 这个轨道 ， 是一个“信号中继轨道” 。
小编我大致算了一下 ， 这个信号中继轨道 ， 其轨道周期刚好是三分之一个火星日 。 因此 ， 在一个火星日内 ， 天问一号的轨道器将会绕火星整三圈 。 也就是说 ， 会在天问一号着陆器的头顶飞过三次 。 这很重要——天问一号火星车只需要每天定时定点抬头看看 ， 就能跟地球“打电话”了 。
在天问一号火星车的主任务周期内 ， 轨道器的科学任务将是次要的 ， 而中继任务将是主要的 ， 他将搭起火星车和地球沟通的桥梁 ， 让地球上的我们能够“看见、听见”那遥远异星上的故事 。
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图注：天问一号轨道器搭载的科学载荷 。 第一行：载荷控制器、中分辨率相机、高分辨率相机；第二行：火星矿物谱仪、火星离子和中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪；第三行：磁通门磁强计电子学箱、磁通门探头、火星轨道科学勘察雷达主控制器 。 （Zou ， 2020）
在天问一号火星车任务结束之后 ， 天问一号轨道器也会将轨道降低至最终的265X12000km ， 这个轨道被称为“科学轨道” ， 将被用于后续天问一号轨道器的具体科学测量任务 。
03
科学测量？高椭圆轨道很重要
火星的科研是非常复杂的系统工程 ， 而且隔行如隔山 。 于是小编决定只讲自己了解的——火星的磁场 。
火星有一个很独特的性质：没有内生磁场 。
我们知道地球是有内生磁场的 ， 而且很强 。 那是一个偶极磁场 ， 在地球两极地区大约能到达65000nT左右 。 就算是北京 ， 也有大约40000nT 。
而在火星 ， 内生磁场基本没有 ， 只有岩石圈有一些剩余磁场 。
地球上 ， 磁场抵御了太阳风 。 而在火星上 ， 太阳风长驱直入 ， 直接就吹拂在了火星的电离层上 。
电离层的电导率非常高 ， 相当于是良导体 ， 在太阳风磁场的吹拂下 ， 会产生抗磁性 。 从而 ， 太阳风磁场的磁力线就被拉伸 ， 弯曲 ， 就像一缕发丝 ， 披散在火星的大脑门上 。
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图注：太阳风磁场与火星电离层相互作用 。 本图视角为从北极向南极看 。 （Brian ， 2006）
比较奇妙的是 ， 由于火星内生磁场可以忽略不计 ， 太阳风磁场的主要方向又是东西方向（平行黄道面方向） ， 因此火星电离层附近的磁场 ， 也是东西方向的 ， 与地球完全不同 。
这缕发丝飘逸不羁 ， 火星是留不住他的 ， 于是这发丝渐渐向火星的南北两极披散过去 ， 最终离开火星 ， 回归行星际空间 。
但这缕发丝燕过留痕——它带走了火星的气息 。
就像“搓澡”一样 ， 这太阳风磁场从火星电离层上一路“搓”过去 ， 带走了很多火星电离层的成份 。 现在 ， 科学家们猜测 ， 火星大气和水的蒸发 ， 就与前述的作用很有关系 。
不过问题来了——以前的成功的火星轨道器 ， 可没有为这个科学目标专门设计过！
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图注：截止目前最先进的火星轨道探测器 ， NASA的MAVEN 。 它虽然具备探测火星磁场的仪器 ， 但是轨道高点只有6000km ， 高度不足以测量火星磁尾 。
以前大家最关注的就是火星表面 ， 以及大气层内的科学特征 ， 并不是十分关注电离层和磁层 。 所以 ， 过往的探测器 ， 很少有轨道设计成如天问一号轨道器一般 ， “极端”的高椭圆轨道的 。 他们的轨道高点都不够高 ， 以至于无法勘察到火星磁尾的磁场 ， 因此无法研究太阳风那缕“发丝”离开火星时 ， 会有什么现象 。
直到近些年 ， 大家越发关注火星上剩余磁场、电离层、太阳风磁场共同作用对火星环境变迁的影响 。 天问一号将成为近20年来首个 ， 既能测量近火空间磁场特征 ， 又能测量火星磁尾的火星探测器！
为此 ， 天问一号轨道器搭载的磁强计 ， 将采取如图的测量模式：
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图注：火星磁强计的测量模式：轨道近拱点的2小时 ， 和轨道远拱点的1小时 ， 采用32Hz的高采样模式 ， 其余时间采取1Hz的低采样模式 。 （Liu ， 2020）
可以看出 ， 空间物理科学家最关注的 ， 正是火星近表的磁场 ， 和火星磁尾的信息 。 这里 ， 说不定还会有很大的科学发现 ， 有可能可以揭示行星磁场演化消亡的机制、解读火星气候的变迁过程 ， 并且对地球的环境变化做出预言 。
听起来很宽泛？那就对了 ， 毕竟这一切 ， 目前还都蒙着神秘的面纱 。
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当然啦 ， 天问一号作为我国的首个火星探测任务 ， 其最主要的目标 ， 直白地说 ， 就是“成功”二字 。 只要能够成功入轨、成功着陆 ， 就是最重要的成就 。 作为延伸任务的科学探测目标 ， 在这次任务中 ， 是第二重要的 ， 需要等待前序任务都圆满成功后 ， 再择机实施 。
不过可以预见的是 ， 在未来的一年至两年里 ， 中国的行星探测科学产出 ， 将会呈现井喷式增长——火星 ， 我们已经来了！
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