天問一號于7月27日發(fā)射，啪的一下，很快啊，2月10號就要進(jìn)入火星軌道了?；鹦钱吘故撬氖鄡|歲的老同志，沒有閃，這下要被天問一號看光光了。
作為咱們的第一枚火星探測器，第一枚外行星探測器，天問一號標(biāo)志了我國航天技術(shù)的最尖端。天問一號現(xiàn)在可以說是萬眾矚目，引起了大家的熱烈討論。小編，作為一名航天愛好者，也按捺不住自己的傾吐欲，想與大家分享一點(diǎn)有關(guān)于天問一號的小知識。
天問一號是怎么進(jìn)入環(huán)火軌道的？這個(gè)環(huán)火軌道有什么特征？這樣的軌道能用來做什么？
01?如何入軌？動量的“小”把戲
大家大概已經(jīng)通過新聞知道——天問一號將會通過三次“近火點(diǎn)”的火箭點(diǎn)火，將自己固定在一個(gè)穩(wěn)定的火星軌道上。
為什么是近火點(diǎn)呢？為什么不是軌道上的任意一個(gè)點(diǎn)呢？這樣有什么好處呢？
其實(shí)，這就是一個(gè)關(guān)于動能和動量的“小把戲”。
圖注：牛頓擺，動量守恒的“把戲”。
我們在高中就已經(jīng)學(xué)習(xí)過“機(jī)械能守恒”的定理。對于一個(gè)物體來說，其動能和引力勢能的和，被稱為是機(jī)械能。機(jī)械能的具體大小是依賴于參考系的，首先它需要一個(gè)提供強(qiáng)大引力的天體，比如地球或者火星，其次其動能也是相對于這個(gè)天體而言的。
如果我們?nèi)【嚯x地球無窮遠(yuǎn)處，一個(gè)特定物體的引力勢能為“0”，那么，在距離地球任意遠(yuǎn)的地方，引力勢能將是一個(gè)負(fù)值。而這個(gè)特定物體相對于地球的動能將始終是一個(gè)正值。采用這樣的方法，我們將能夠很輕易地通過二者的和，即機(jī)械能，來確定這個(gè)物體能否被引力捕獲。機(jī)械能小于0，動能無法克服引力勢能，物體被捕獲，軌道形態(tài)為橢圓（當(dāng)然，也有可能會撞上地面）；機(jī)械能大于0，那么動能可以完全克服引力勢能，物體逃逸，軌道形態(tài)為雙曲線。
圖注：旅行者1號在飛掠木星的時(shí)候，可見其雙曲線逃逸軌道。
對于火星也是一樣。天問一號來自于地球，造訪火星，也就是說，他本來是屬于“火星之外的”。如果以火星作為參考系，按照前文所述的計(jì)算方法，顯然，其機(jī)械能是大于0的，如果不能想辦法“減少機(jī)械能”，那么，天問一號就只能“飛掠”火星，再次逃逸，而非進(jìn)入環(huán)繞的軌道。
怎么做呢？剎車。
當(dāng)今航天器的剎車方法主要有兩種，利用行星大氣層阻力和空氣動力的“大氣剎車”，和利用火箭發(fā)動機(jī)的反向推進(jìn)剎車。
圖注：MRO（Mars Reconnaissance Orbiter），正在進(jìn)行大氣剎車。
美國人對火星的大氣環(huán)境已經(jīng)摸得比較熟了，這次他們的火星車將會直接采用大氣剎車，一步到位，將“毅力號”火星車從逃逸軌道，減速到環(huán)繞軌道，再減速到亞軌道，然后著陸。
但是天問一號不行。一方面，天問一號分為軌道器與著陸器（巡視器）兩大部分，軌道器要長期留在火星的穩(wěn)定軌道上，不能一股腦地剎車；另一方面，我國對于火星大氣環(huán)境，包括密度分布、溫度分布、風(fēng)場等等都知之甚少，美國在公開論文中給出的數(shù)據(jù)不夠精細(xì)，也不能輕信。所以，天問一號實(shí)際上完全是采用火箭發(fā)動機(jī)反推剎車的方案。
反推剎車雖然聽起來粗暴，但也有諸多的講究。這就要回到“機(jī)械能”這個(gè)問題上去。
首先我們要了解，火箭發(fā)動機(jī)噴出的物質(zhì)，會形成反沖力。這種反沖力會改變火箭的動量，而不是動能。設(shè)反沖力為F，火箭點(diǎn)火時(shí)間為t，航天器質(zhì)量為m，初速度v0速度變化量為Δv。
那么根據(jù)動量守恒定理：
而火箭動能的改變量則為：
可以從公式里明顯地看出，火箭點(diǎn)火時(shí)，初始速度越快，同樣的點(diǎn)火時(shí)間所改變的動能就越多！也就是說，飛船飛得越快，動能越大，火箭剎車效率就越高！這，就是動量和動能耍的一個(gè)“小把戲”。
這種效應(yīng)被稱為奧伯特效應(yīng)，由德國火箭專家，赫爾曼·奧伯特提出。
機(jī)械能由引力勢能和動能組成，大家想想，天問一號在飛掠火星的時(shí)候，什么時(shí)候引力勢能最小，動能最大呢？
那當(dāng)然是距離火星最近的時(shí)候！也就是近火點(diǎn)。
02?極地軌道？長啥樣？
第一次剎車，就發(fā)生在2月10日，大致于天問一號與火星的最近點(diǎn)處。這一次剎車將使天問一號進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道。此后還會有兩次軌道機(jī)動，將會把天問一號固定在一個(gè)橢圓近極地軌道上。目前，由于天問一號正要執(zhí)行相關(guān)的軌道機(jī)動，具體的軌道特征我們還不明確。按照計(jì)劃，這個(gè)極地軌道的傾角大約86.9°。
圖注：天問一號原計(jì)劃的軌道機(jī)動計(jì)劃。與當(dāng)前最新公布的并不完全相同。不過，最終的265X12000km的科學(xué)任務(wù)軌道，與目前的計(jì)劃是一致的。
火星大約每24小時(shí)37分鐘自轉(zhuǎn)一周（一個(gè)火星日），天問一號停留在極地軌道上，火星的地表就在下面一直轉(zhuǎn)圈圈。極地軌道使得天問一號得以充分了解整個(gè)火星的全貌。
在前三個(gè)月里，天問一號停留在這個(gè)軌道上，不斷地分析下方地表的情況，通過拍照、雷達(dá)、紅外干涉的方法，摸清楚地形地貌、大氣特征、風(fēng)速、氣候。然后找一個(gè)天朗氣清，惠風(fēng)和暢，并且沒有沙塵暴的天氣，降低軌道，把著陸器扔出去。這個(gè)日子大約在今年的五月份，那個(gè)時(shí)候火星北半球進(jìn)入初夏，氣候相對穩(wěn)定。
圖注：好奇號火星車進(jìn)入火星大氣層的動畫模擬。到時(shí)候咱們的天問一號火星車也要來這么一遭。
扔出著陸器，天問一號軌道器又會抬升軌道，直到進(jìn)入一個(gè)近火點(diǎn)265千米高度（距離火星參考平面），遠(yuǎn)火點(diǎn)12，500千米的橢圓近極地軌道。
這個(gè)軌道是精心設(shè)計(jì)的——相關(guān)文獻(xiàn)顯示，這個(gè)軌道，是一個(gè)“信號中繼軌道”。
小編我大致算了一下，這個(gè)信號中繼軌道，其軌道周期剛好是三分之一個(gè)火星日。因此，在一個(gè)火星日內(nèi)，天問一號的軌道器將會繞火星整三圈。也就是說，會在天問一號著陸器的頭頂飛過三次。這很重要——天問一號火星車只需要每天定時(shí)定點(diǎn)抬頭看看，就能跟地球“打電話”了。
在天問一號火星車的主任務(wù)周期內(nèi)，軌道器的科學(xué)任務(wù)將是次要的，而中繼任務(wù)將是主要的，他將搭起火星車和地球溝通的橋梁，讓地球上的我們能夠“看見、聽見”那遙遠(yuǎn)異星上的故事。
圖注：天問一號軌道器搭載的科學(xué)載荷。第一行：載荷控制器、中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)；第二行：火星礦物譜儀、火星離子和中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀；第三行：磁通門磁強(qiáng)計(jì)電子學(xué)箱、磁通門探頭、火星軌道科學(xué)勘察雷達(dá)主控制器。（Zou，2020）
在天問一號火星車任務(wù)結(jié)束之后，天問一號軌道器也會將軌道降低至最終的265X12000km，這個(gè)軌道被稱為“科學(xué)軌道”，將被用于后續(xù)天問一號軌道器的具體科學(xué)測量任務(wù)。
03?科學(xué)測量？高橢圓軌道很重要
火星的科研是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，而且隔行如隔山。于是小編決定只講自己了解的——火星的磁場。
火星有一個(gè)很獨(dú)特的性質(zhì)：沒有內(nèi)生磁場。
我們知道地球是有內(nèi)生磁場的，而且很強(qiáng)。那是一個(gè)偶極磁場，在地球兩極地區(qū)大約能到達(dá)65000nT左右。就算是北京，也有大約40000nT。
而在火星，內(nèi)生磁場基本沒有，只有巖石圈有一些剩余磁場。
地球上，磁場抵御了太陽風(fēng)。而在火星上，太陽風(fēng)長驅(qū)直入，直接就吹拂在了火星的電離層上。
電離層的電導(dǎo)率非常高，相當(dāng)于是良導(dǎo)體，在太陽風(fēng)磁場的吹拂下，會產(chǎn)生抗磁性。從而，太陽風(fēng)磁場的磁力線就被拉伸，彎曲，就像一縷發(fā)絲，披散在火星的大腦門上。
圖注：太陽風(fēng)磁場與火星電離層相互作用。本圖視角為從北極向南極看。（Brian，2006）
比較奇妙的是，由于火星內(nèi)生磁場可以忽略不計(jì)，太陽風(fēng)磁場的主要方向又是東西方向（平行黃道面方向），因此火星電離層附近的磁場，也是東西方向的，與地球完全不同。
這縷發(fā)絲飄逸不羈，火星是留不住他的，于是這發(fā)絲漸漸向火星的南北兩極披散過去，最終離開火星，回歸行星際空間。
但這縷發(fā)絲燕過留痕——它帶走了火星的氣息。
就像“搓澡”一樣，這太陽風(fēng)磁場從火星電離層上一路“搓”過去，帶走了很多火星電離層的成份?，F(xiàn)在，科學(xué)家們猜測，火星大氣和水的蒸發(fā)，就與前述的作用很有關(guān)系。
不過問題來了——以前的成功的火星軌道器，可沒有為這個(gè)科學(xué)目標(biāo)專門設(shè)計(jì)過！
圖注：截止目前最先進(jìn)的火星軌道探測器，NASA的MAVEN。它雖然具備探測火星磁場的儀器，但是軌道高點(diǎn)只有6000km，高度不足以測量火星磁尾。
以前大家最關(guān)注的就是火星表面，以及大氣層內(nèi)的科學(xué)特征，并不是十分關(guān)注電離層和磁層。所以，過往的探測器，很少有軌道設(shè)計(jì)成如天問一號軌道器一般，“極端”的高橢圓軌道的。他們的軌道高點(diǎn)都不夠高，以至于無法勘察到火星磁尾的磁場，因此無法研究太陽風(fēng)那縷“發(fā)絲”離開火星時(shí)，會有什么現(xiàn)象。
直到近些年，大家越發(fā)關(guān)注火星上剩余磁場、電離層、太陽風(fēng)磁場共同作用對火星環(huán)境變遷的影響。天問一號將成為近20年來首個(gè)，既能測量近火空間磁場特征，又能測量火星磁尾的火星探測器！
為此，天問一號軌道器搭載的磁強(qiáng)計(jì)，將采取如圖的測量模式：
圖注：火星磁強(qiáng)計(jì)的測量模式：軌道近拱點(diǎn)的2小時(shí)，和軌道遠(yuǎn)拱點(diǎn)的1小時(shí)，采用32Hz的高采樣模式，其余時(shí)間采取1Hz的低采樣模式。（Liu，2020）
可以看出，空間物理科學(xué)家最關(guān)注的，正是火星近表的磁場，和火星磁尾的信息。這里，說不定還會有很大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，有可能可以揭示行星磁場演化消亡的機(jī)制、解讀火星氣候的變遷過程，并且對地球的環(huán)境變化做出預(yù)言。
聽起來很寬泛？那就對了，畢竟這一切，目前還都蒙著神秘的面紗。
當(dāng)然啦，天問一號作為我國的首個(gè)火星探測任務(wù)，其最主要的目標(biāo)，直白地說，就是“成功”二字。只要能夠成功入軌、成功著陸，就是最重要的成就。作為延伸任務(wù)的科學(xué)探測目標(biāo)，在這次任務(wù)中，是第二重要的，需要等待前序任務(wù)都圓滿成功后，再擇機(jī)實(shí)施。
不過可以預(yù)見的是，在未來的一年至兩年里，中國的行星探測科學(xué)產(chǎn)出，將會呈現(xiàn)井噴式增長——火星，我們已經(jīng)來了！
