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天问一号绕火星兜大圈圈,是能力不足还是另有原因?

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天问一号更进一步

  2021年2月10日晚8点,天问一号成功进入环绕火星的轨道,正式成为火星的人造卫星;15日,天问一号做了一个漂亮的太空“侧手翻”,把原来绕火星赤道飞行改成绕火星两极飞行;2月24日早上6点半,天问一号再“踩一脚刹车”,进入火星停泊轨道。

  说是停泊轨道,其实天问一号并没有停下来,它依然绕着火星在飞。只不过此时的轨道稳定在一个近火点280公里、远火点5.9万公里的巨大椭圆上,天问一号飞一圈火星要自转两圈,这被称为2个“火星日”。

  

  天问一号不停进行轨道调整

  有朋友问了,为什么天问一号要忽远忽近地兜圈子,飞得距离近一点不香吗?拍的照片也更清楚呀!难不成是咱们的探测器不够先进,飞不了圆形轨道?这是个好问题,咱们今天就来聊一聊。

谁在用环绕火星的圆轨道?

  在天问一号之前,已经有多个探测器在环绕火星飞行,其中美国的奥德赛火星探测器已经绕着400公里高度的圆轨道飞行了近20年时间。奥德赛的科学目标是绘制火星地表的高分辨率图像、探测火星地表矿物、分析火星“近空间辐射环境”来判断未来它对人类可能造成的风险。

  

  奥德赛飞的就是圆形轨道

  美国另一颗探测器“火星勘测轨道器”(MRO)也绕着火星飞了15年,它的轨道高度更低,最接近火星时只有250公里、最远316公里,每112分钟绕火星转一圈。MRO实际是一个接近圆的椭圆轨道。

  MRO为什么飞这么低?因为它的目的是给火星照相,同时要探测火星大气、火星重力场,并用雷达扫描火星冰盖下面的情况,要做到这一切,MRO需要尽量靠近火星。同时火星大气层的厚度大约是230公里,为了减小飞行阻力延长寿命,MRO选择贴着火星大气层上面飞。

  

  美国火星勘测轨道器飞行高度很低

天问一号的环火轨道

  天问一号目前采用了大椭圆轨道,一方面它刚刚被火星引力捕获,椭圆轨道更有利于进行轨道机动和调整,同时也跟它接下来一系列的科学任务有关。

  

  不同轨道运动是有区别的

  地球周围有许多卫星使用圆轨道,比如地球同步卫星、一部分GPS和北斗卫星、国际空间站都使用圆轨道。其优点是速度相对恒定、轨道高度、重力大小和方向稳定,有利于完成工作任务。

  由于我们国家是首次到达火星,天问一号要干的工作很多,它需要先侦察火星表面的情况,给着陆区拍照、摸清那里的天气变化规律,然后找准机会释放火星车。做这些事情自然是越近越好。

  但是天问一号要做的事情还不止这些,有些活儿你还需要离得远些才能干成。

天问带了两件“法宝”

  在天问一号的轨道器上安装了两件特殊的科学设备:火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪。

  

  中科大研制的高灵敏磁强计

  如果你用过指南针,就知道咱们地球是有磁场的,地球上繁盛的生命也与磁场密切相关。与月球类似,火星是一颗在地质上被判了死刑的星球,随着内核的冷却,火星早早失去了全球磁场。由于磁场缺失,太阳风长驱直入,把火星的空气吹走、把火星地表的水吹干,它从此失去了孕育生命的条件。

  但你不能说火星周围一点磁场都没有,火星外围大气由于被电离形成一个导电的电离层,当太阳风吹过时,火星电离层会产生抗磁性(你可以理解为电磁感应),这时候一部分太阳风就会受到阻碍,从而绕着火星走。多年来大家对火星电离磁场的研究并不多,咱们天问一号就要干这件大事。

  

  地球与火星磁场的比较

  与磁强计相配合,火星离子与中性粒子分析仪用来探测火星上的水和大气分子是怎么被太阳风吹跑的、它准确的逃逸率是多少。通过计算,我们就能知道火星上稀薄的大气到底还能维持多久。

  

  火星离子与中性粒子分析仪

  所有这些探测和分析,你离火星太近都不行,为了得到准确数据,天问一号需要在火星的远近位置来回反复进行测量,这就需要用到一个大的椭圆轨道。中国科学家们设计在近火点265公里附近探测2小时、远火点11945.6公里附近探测1小时、再在途中进行288分钟的采样,这就是天问一号轨道器的椭圆形最终科学轨道。

  

  天问一号在科学探测轨道上进行数据采样

讲到这里你应该明白了:

  天问一号并不是没有能力飞得离火星更近,它怎么飞要符合科学探测任务的综合要求。与其他国家任务相对单一不同,咱们的天问一号是个多面手,它不仅要将火星车安全送到火星表面近距离开展科学研究,自己还需要围绕火星去捕捉那些看不见的磁场、太阳风、以及被太阳风吹走的各种粒子。这就是天问一号采用大椭圆轨道的原因。

  

  天问一号是个多面手

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