天问一号火星拜年指南

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。

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”。

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。

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。

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v速度变化量为Δv。

那么根据动量守恒定理：

而火箭动能的改变量则为：

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°。

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。

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。

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。

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！

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：

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。

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！

参考文献：

[1]Wan, W.X., Wang, C., Li, C.L. et al. China’s first mission to Mars. Nat Astron 4, 721 (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1148-6;

[2]Liu, K., Hao, X. J., Li, Y. R., Zhang, T. L., Pan, Z. H., Chen, M. M., Hu, X. W., Li, X., Shen, C. L., and Wang, Y. M. (2020). Mars Orbiter magnetometer of China’s First Mars Mission Tianwen-1. Earth Planet. Phys., 4(4), 384–389. http://doi.org/10.26464/epp2020058;

[3]Y. Zou, Y. Zhu, Y. Bai et al., Scientific objectives and payloads of Tianwen-1, China’s first Mars exploration mission, Advances in Space Research, https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.11.005;

[4]Brain, D.A. Mars Global Surveyor Measurements of the Martian Solar Wind Interaction. Space Sci Rev 126, 77–112 (2006). https://doi.org/10.1007/s11214-006-9122-x;

以及维基百科、NASA、CNSA等。

原标题：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

编辑：zhenni