[文/观察者网专栏作家石昊]

北京时间2021年2月15日17时，田文一号火星探测器成功实施捕获轨道远火点平面机动，将探测器轨道调整为经过火星两极的圆形火点轨道，并将近火点高度调整为265公里左右

从水平绕火星赤道到垂直绕火星两极，田文一号相当于做了一个漂亮的“侧手翻”，那么我们来看看这个“侧手翻”是怎么做的，为什么要做。

远火机动

2月10日，田文一号“刹车”进入大椭圆火星轨道，完成了“侧手翻”。这条轨道的参数是火点附近约400公里，火点附近约18万公里，周期约10个地球日，轨道倾角约10°。

2月10日，“刹车”的田文一号探测器就在这条轨道的近火点。2月15日17: 00，正好是轨道周期的一半——五天。探测器刚好跑到远火点，可以机动。

田文一号探测器远火点变化轨迹示意图|图片来源:央视新闻

那么，为什么一定要把田文一号的轨面设在远火点呢？

答案很简单:省油。

我们知道，航天器可以按照一定的参数绕天体运行。这些轨道参数有的代表轨道的大小，有的代表轨道的形状，当然还有轨道的平面是“平的”还是“垂直的”。

如果想在不改变轨道大小和形状的情况下，简单地将轨道表面“立起来”，就需要进行一种叫做非共面转移的轨道机动。

非共面传递示意图|图片来源:航空航天概论，作者:胡杨芳

借用经典教材的示意图，虚线是初始轨道，实线是变轨后的轨道。只有在两个轨道的交点处给航天器适当的速度增量，航天器的轨道平面才会发生变化。

一般来说，新旧轨道的交点就是轨道离天体最近和最远的点。对于人造地球卫星，它被称为近地点和远地点，对于围绕火星的田文一号，它被称为近地点和远地点。

根据齐奥尔科夫斯基公式，速度增量与油耗直接相关。要改变的速度越多，燃料消耗就越大，探测器携带的燃料消耗就越多。

根据开普勒第二定律，探测器的速度在近火点较快，在远火点较慢。我们可以简单地画出近火点和远火点之间非共面转移所需的速度变化:

非共面转移所需速度变化示意图|作者绘制

图中虚线箭头表示非共面转移的速度变化，箭头越长，速度越高。注意，上图只是示意图，并不是实际的速比，因为根据角动量守恒，田文一号在400公里火点附近的速度是18万公里远火点的48倍左右。

显然，远火点的速度足够小，非共面转移所需的速度增量也非常“经济”。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。

更值得注意的是，田文一号不仅进行了非共面转移，还将近火点高度降低至265公里左右，不仅缩短了后续变轨的时间，还进一步节省了轨道器的燃料，使后续任务更有保障。

那么接下来的问题自然就是:我们为什么要通过火星的南北极进入这样一个“垂直”的轨道？

火星摄影师

也是围绕火星。为什么原来的“平躺”轨道不能倾角10？为什么一定要让轨道平面“立起来”？

答案也很简单:为了拍摄完整覆盖火星表面的照片。

为了解释清楚这个问题，我们不妨从地球卫星说起。

目前人造地球卫星应用最广泛的轨道有两种:水平地球同步轨道和垂直太阳同步轨道。地球同步轨道一般在地球赤道面上，倾角为0°。地球同步轨道上的卫星绕地球旋转的方向和角速度与地球自转完全一致，从地面上看，就像是在赤道上盘旋空。早在1945年，著名科幻作家阿瑟·克拉克就在文章中梦想利用三颗地球同步轨道卫星实现全球无线通信。

亚瑟·克拉克的全球通信卫星构想|图片来源:无线世界，作者亚瑟·克拉克

但是，聪明的读者应该已经发现，这个0°倾角，平躺在赤道面上的轨道，无论如何也覆盖不了地球的南北极。

无法覆盖南北极的地球同步轨道卫星|图片来源:Intelsat

所以，用来给地球“拍照”的遥感卫星，一般都采用太阳同步轨道，倾角在97°到99°左右，轨道平面基本“立”起来。除了太阳同步轨道本身的优越性，卫星设计者基本覆盖全球也很重要。

地球静止轨道和太阳同步轨道|图片来源:NOAA SciJinks

甚至，对于一些需要观测南北极地区的任务，卫星会放弃太阳同步轨道，选择更接近90°倾角的轨道。例如，美国用于监测极地冰盖的IceSat-2采用了倾角为92°的近极地轨道。

ICESat-2 |图片来源:SPACENEWS

回到田文一号，作为中国第一次火星探测任务，也是第一次火星着陆和表面巡视任务，“田文一号”轨道器不仅承担了“刹车”和“侧翻”的任务，还承担了火星表面高分辨率成像的任务。

田文-1的构成|图片来源:人民网

虽然我们已经在地球上对火星进行了充分的研究，但是田文一号的着陆器将在哪里着陆，以及如何选择火星大气层的具体进入点，仍然需要轨道器提供的高分辨率图像和大量数据的支持。

这就是为什么田文1号在着陆前绕火星飞行了几个月。我们从未如此近距离地观察过火星。作为中国第一颗人造火星卫星，“田文一号”势必将对火星进行全球观测，并对备选着陆区域进行详细的拍照和分析，因此它必须进入火星周围的极地轨道。

因此，小小的“侧手翻”不仅有用，也是田文一号火星观测任务的起点。在接下来的几个月里，田文一号将逐渐降低轨道高度，最终到达距离火星表面数百公里的低极轨道，从而为登陆火星铺平道路。

田文一号的工作是开创性的，从火星转移轨道注入，到火星制动，再到“侧手翻”变轨。每一次成功都是中国航天史上的第一次。前面的路漫长而艰难，未来还有更多困难在等着我们。

图片:中国航天科技集团公司

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