當“大師兄”遇上“逐日者”：“悟空”與“夸父”能否結伴而行？

時間：2023-03-26 16:01:14來源：food欄目：餐飲美食新聞閱讀：

北京時間10月9日上午7點43分，“夸父一號”先進天基太陽天文臺（ASO-S）成功發射，實現了我國太陽探測衛星跨越式突破。同時，我國空間科學衛星系列首發星“悟空號”暗物質粒子探測衛星（DAMPE）已在軌運行近7年。中國科學家們正在把一個個神話變成現實。

“悟空 ” “夸父”誰更快

神話故事里寄托了古人對速度的追求和向往：夸父“與日逐走，入日”，算來可日行八萬里；行者悟空則“會駕觔斗云，一縱十萬八千里”，顯然快過夸父很多。那么“夸父一號”和“悟空號”誰又跑得更快呢？他們能否結伴而行呢？

先了解一下人造衛星的軌道分類：按軌道形狀分為近圓軌道和橢圓軌道；按軌道傾角（i：軌道平面與赤道平面的夾角）分為赤道軌道（i≈0°）、極地軌道（i≈90°）和傾斜軌道；根據軌道運行方向，還有順行軌道（0°<i<90°，西向東前進）和逆行軌道（90°<i<180°，東向西前進）。此外，人們根據實際需要，利用地球附近的特殊引力場環境，還設計了一系列特殊軌道，例如：地球同步軌道、太陽同步軌道、凍結軌道、閃電軌道等。

“悟空號”和“夸父一號”都運行在近圓形的晨昏太陽同步軌道上。對于在近圓形軌道人造衛星，運行高度越低，必須跑得更快。“夸父一號”運行高度為720公里，繞地球一圈99.3分鐘，速度7.49公里/秒；“悟空號”運行高度為500公里，繞地球一圈94.4分鐘，速度7.63公里/秒，比夸父略快些，大約每繞地球20圈會套一圈，遠不如神話故事里快得那么多。

“悟空號”（紅）與“夸父一號”（紫）衛星軌道仿真動畫

太陽同步晨昏軌道：晝夜兼程

所謂太陽同步軌道，并不是繞太陽飛行，而是指衛星軌道面沿赤道進動的角速度與地球公轉的角速度保持一致，即每天自西向東轉動0.9856度，始終與太陽保持相對固定的取向。在這種條件下，衛星可在每天同一時間飛過同一地點。絕大多數太陽同步軌道的傾角都是90多度，和地球赤道幾乎垂直，衛星差不多是“豎著跑”的。“夸父一號”和“悟空號”的軌道傾角就分別為98.27度和97.39度。

“悟空號”

高度：500 km

傾角：97.39°

周期：94.4 min

速度：7.63 km/s

“夸父一號”

高度：720 km

傾角：98.27°

周期：99.3 min

速度：7.49 km/s

晨昏軌道是一種特殊的太陽同步軌道，衛星過赤道時，地面時間分別是大約早晚6點，恰是當地日出和日落的時候。軌道面和地球晨昏線始終近似重合，衛星幾乎可以永沐陽光。充足且持續的能源供給是很多衛星選擇晨昏軌道的原因。如此優越的“凝視”太陽機會，作為太陽探測衛星的“夸父一號”自然更是不會放過的。

晨昏軌道上的衛星幾乎可以不分晝夜、全年無休地工作，是不折不扣的“工作狂”。比如“夸父一號”，全年僅在5月至8月間每天存在短暫的地球陰影區，其余時間均可以24小時不間斷“緊盯”太陽觀測。全年96%以上的時間處于工作狀態。軌道高度越高的衛星，地球陰影區占比越少，“休息”時間越短。

如何保持同步？

地球的一面被太陽光照亮，明暗交界處的圓稱為晨昏線

，隨著地球繞太陽公轉，晨昏線存在周年運動。那么，是什么力量讓衛星軌道面和晨昏線的運動保持同步呢？

晨昏線示意圖丨圖源：紫金山天文臺

〇 衛星的軌道進動

根據牛頓萬有引力定律，如果地球是一個完美球體，在不考慮其他引力影響的情況下，地球衛星將運行在固定的橢圓軌道上。但是，地球赤道附近存在大約21公里厚的隆起，從而疊加了相當于地球質量約千分之一量級的額外引力。作為低軌道衛星最主要的引力微擾，它會引起衛星公轉軸（即軌道面的垂直方向）繞北極旋轉，像陀螺一樣，這就是衛星的軌道進動。

地球引力場。左：均勻球體；右：

對于近圓軌道，衛星軌道進動周期和衛星高度、以及軌道傾角之間存在一個簡單的關系，軌道傾角越接近九十度，進動周期就越長。

不同軌道高度衛星，軌道面進動（公轉軸繞轉）周期與軌道傾角之間的關系丨圖源：作者

利用地球扁率引起的軌道進動現象，可以通過設計軌道高度和傾角，使得公轉軸繞轉周期恰好為一年，從而與晨昏線的周年運動保持同步，這就是所謂的“太陽同步軌道”。我們還可以通過選擇衛星的發射時間，讓衛星軌道和晨昏線差不多重合，這樣無需額外的能量，就能讓軌道面的垂直方向始終指向太陽方向，這就是“晨昏太陽同步軌道”。

“夸父一號”衛星軌道仿真動畫

運行在兩個高度差220公里的晨昏太陽同步軌道上的“夸父一號”和“悟空號”，或凝視太陽，或尋覓暗物質，一明一暗，雖不能結伴同行，但不妨礙他們攜手解鎖宇宙之謎。

注：仿真動畫由軌道分析與演示軟件aslplayer（1.2.0）制作。

參考文獻：A. Ja?ggi, Exploring the Earth’s Time-Variable Gravity Field using Satellite Observations, No. 49 May, 2022.

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來源：中國科學院紫金山天文臺

原標題：“夸父”與“悟空”能否結伴而行？

編輯：Callo

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