石豪:一个“侧手翻”,又开创了中国航天的第一次

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。

石豪:一个“侧手翻”,又开创了中国航天的第一次

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。

石豪:一个“侧手翻”,又开创了中国航天的第一次

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。