天問一號於7月27日發射，啪的一下，很快啊，2月10號就要進入火星軌道了。火星畢竟是四十多億歲的老同志，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，天問一號標誌了我國航天技術的最尖端。天問一號現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，想與大家分享一點有關於天問一號的小知識。

天問一號是怎麼進入環火軌道的？這個環火軌道有什麼特徵？這樣的軌道能用來做什麼？

01

如何入軌？動量的“小”把戲

大家大概已經通過新聞知道——天問一號將會通過三次“近火點”的火箭點火，將自己固定在一個穩定的火星軌道上。

為什麼是近火點呢？為什麼不是軌道上的任意一個點呢？這樣有什麼好處呢？

其實，這就是一個關於動能和動量的“小把戲”。

圖注：牛頓擺，動量守恆的“把戲”。

我們在高中就已經學習過“機械能守恆”的定理。對於一個物體來說，其動能和引力勢能的和，被稱為是機械能。機械能的具體大小是依賴於參考系的，首先它需要一個提供強大引力的天體，比如地球或者火星，其次其動能也是相對於這個天體而言的。

如果我們取距離地球無窮遠處，一個特定物體的引力勢能為“0”，那麼，在距離地球任意遠的地方，引力勢能將是一個負值。而這個特定物體相對於地球的動能將始終是一個正值。採用這樣的方法，我們將能夠很輕易地通過二者的和，即機械能，來確定這個物體能否被引力捕獲。機械能小於0，動能無法克服引力勢能，物體被捕獲，軌道形態為橢圓（當然，也有可能會撞上地面）；機械能大於0，那麼動能可以完全克服引力勢能，物體逃逸，軌道形態為雙曲線。

圖注：旅行者1號在飛掠木星的時候，可見其雙曲線逃逸軌道。

對於火星也是一樣。天問一號來自於地球，造訪火星，也就是說，他本來是屬於“火星之外的”。如果以火星作為參考系，按照前文所述的計算方法，顯然，其機械能是大於0的，如果不能想辦法“減少機械能”，那麼，天問一號就只能“飛掠”火星，再次逃逸，而非進入環繞的軌道。

怎麼做呢？剎車。

當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”，和利用火箭發動機的反向推進剎車。

圖注：MRO（Mars Reconnaissance Orbiter），正在進行大氣剎車。

美國人對火星的大氣環境已經摸得比較熟了，這次他們的火星車將會直接採用大氣剎車，一步到位，將“毅力號”火星車從逃逸軌道，減速到環繞軌道，再減速到亞軌道，然後著陸。

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定軌道上，不能一股腦地剎車；另一方面，我國對於火星大氣環境，包括密度分佈、溫度分佈、風場等等都知之甚少，美國在公開論文中給出的數據不夠精細，也不能輕信。所以，天問一號實際上完全是採用火箭發動機反推剎車的方案。

反推剎車雖然聽起來粗暴，但也有諸多的講究。這就要回到“機械能”這個問題上去。

首先我們要了解，火箭發動機噴出的物質，會形成反沖力。這種反沖力會改變火箭的動量，而不是動能。設反沖力為F，火箭點火時間為t，航天器質量為m，初速度v0速度變化量為Δv。

那麼根據動量守恆定理：

而火箭動能的改變量則為：

可以從公式裡明顯地看出，火箭點火時，初始速度越快，同樣的點火時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“小把戲”。

這種效應被稱為奧伯特效應，由德國火箭專家，赫爾曼·奧伯特提出。

機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候，什麼時候引力勢能最小，動能最大呢？

那當然是距離火星最近的時候！也就是近火點。

02

極地軌道？長啥樣？

第一次剎車，就發生在2月10日，大致於天問一號與火星的最近點處。這一次剎車將使天問一號進入環繞火星的軌道。此後還會有兩次軌道機動，將會把天問一號固定在一個橢圓近極地軌道上。目前，由於天問一號正要執行相關的軌道機動，具體的軌道特徵我們還不明確。按照計劃，這個極地軌道的傾角大約86.9°。

圖注：天問一號原計劃的軌道機動計劃。與當前最新公佈的並不完全相同。不過，最終的265X12000km的科學任務軌道，與目前的計劃是一致的。

火星大約每24小時37分鐘自轉一周（一個火星日），天問一號停留在極地軌道上，火星的地表就在下面一直轉圈圈。極地軌道使得天問一號得以充分了解整個火星的全貌。

在前三個月裡，天問一號停留在這個軌道上，不斷地分析下方地表的情況，通過拍照、雷達、紅外干涉的方法，摸清楚地形地貌、大氣特徵、風速、氣候。然後找一個天朗氣清，惠風和暢，並且沒有沙塵暴的天氣，降低軌道，把著陸器扔出去。這個日子大約在今年的五月份，那個時候火星北半球進入初夏，氣候相對穩定。

圖注：好奇號火星車進入火星大氣層的動畫模擬。到時候咱們的天問一號火星車也要來這麼一遭。

扔出著陸器，天問一號軌道器又會抬升軌道，直到進入一個近火點265千米高度（距離火星參考平面），遠火點12，500千米的橢圓近極地軌道。

這個軌道是精心設計的——相關文獻顯示，這個軌道，是一個“信號中繼軌道”。

小編我大致算了一下，這個信號中繼軌道，其軌道周期剛好是三分之一個火星日。因此，在一個火星日內，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定點抬頭看看，就能跟地球“打電話”了。

在天問一號火星車的主任務週期內，軌道器的科學任務將是次要的，而中繼任務將是主要的，他將搭起火星車和地球溝通的橋樑，讓地球上的我們能夠“看見、聽見”那遙遠異星上的故事。

圖注：天問一號軌道器搭載的科學載荷。第一行：載荷控制器、中分辨率相機、高分辨率相機；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：磁通門磁強計電子學箱、磁通門探頭、火星軌道科學勘察雷達主控制器。（Zou，2020）

在天問一號火星車任務結束之後，天問一號軌道器也會將軌道降低至最終的265X12000km，這個軌道被稱為“科學軌道”，將被用於後續天問一號軌道器的具體科學測量任務。

03

科學測量？高橢圓軌道很重要

火星的科研是非常複雜的系統工程，而且隔行如隔山。於是小編決定只講自己了解的——火星的磁場。

火星有一個很獨特的性質：沒有內生磁場。

我們知道地球是有內生磁場的，而且很強。那是一個偶極磁場，在地球兩極地區大約能到達65000nT左右。就算是北京，也有大約40000nT。

而在火星，內生磁場基本沒有，只有岩石圈有一些剩餘磁場。

地球上，磁場抵禦了太陽風。而在火星上，太陽風長驅直入，直接就吹拂在了火星的電離層上。

電離層的電導率非常高，相當於是良導體，在太陽風磁場的吹拂下，會產生抗磁性。從而，太陽風磁場的磁力線就被拉伸，彎曲，就像一縷髮絲，披散在火星的大腦門上。

圖注：太陽風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，由於火星內生磁場可以忽略不計，太陽風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。

這縷髮絲飄逸不羈，火星是留不住他的，於是這髮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。

但這縷髮絲燕過留痕——它帶走了火星的氣息。

就像“搓澡”一樣，這太陽風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。現在，科學家們猜測，火星大氣和水的蒸發，就與前述的作用很有關係。

不過問題來了——以前的成功的火星軌道器，可沒有為這個科學目標專門設計過！

圖注：截止目前最先進的火星軌道探測器，NASA的MAVEN。它雖然具備探測火星磁場的儀器，但是軌道高點只有6000km，高度不足以測量火星磁尾。

以前大家最關注的就是火星表面，以及大氣層內的科學特徵，並不是十分關注電離層和磁層。所以，過往的探測器，很少有軌道設計成如天問一號軌道器一般，“極端”的高橢圓軌道的。他們的軌道高點都不夠高，以至於無法勘察到火星磁尾的磁場，因此無法研究太陽風那縷“髮絲”離開火星時，會有什麼現象。

直到近些年，大家越發關注火星上剩餘磁場、電離層、太陽風磁場共同作用對火星環境變遷的影響。天問一號將成為近20年來首個，既能測量近火空間磁場特徵，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計，將採取如圖的測量模式：

圖注：火星磁強計的測量模式：軌道近拱點的2小時，和軌道遠拱點的1小時，採用32Hz的高采樣模式，其餘時間採取1Hz的低採樣模式。（Liu，2020）

可以看出，空間物理科學家最關注的，正是火星近表的磁場，和火星磁尾的信息。這裡，說不定還會有很大的科學發現，有可能可以揭示行星磁場演化消亡的機制、解讀火星氣候的變遷過程，並且對地球的環境變化做出預言。

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。

當然啦，天問一號作為我國的首個火星探測任務，其最主要的目標，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。作為延伸任務的科學探測目標，在這次任務中，是第二重要的，需要等待前序任務都圓滿成功後，再擇機實施。

不過可以預見的是，在未來的一年至兩年裡，中國的行星探測科學產出，將會呈現井噴式增長——火星，我們已經來了！