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(fā)射，實現(xiàn)了我國太陽探測衛(wèi)星跨越式突破。同時，我國空間科學衛(wèi)星系列首發(fā)星 " 悟空號 " 暗物質粒子探測衛(wèi)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(xiàn)實。

Part.1

" 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(wèi)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(jù)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(jù)實際需要，利用地球附近的特殊引力場環(huán)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(wèi)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。

Part.2

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(wèi)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(wèi)星可在每天同一時間飛過同一地點。絕大多數(shù)太陽同步軌道的傾角都是 90 多度，和地球赤道幾乎垂直，衛(wèi)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。

晨昏軌道是一種特殊的太陽同步軌道，衛(wèi)星過赤道時，地面時間分別是大約早晚 6 點，恰是當?shù)厝粘龊腿章涞臅r候。軌道面和地球晨昏線始終近似重合，衛(wèi)星幾乎可以永沐陽光。充足且持續(xù)的能源供給是很多衛(wèi)星選擇晨昏軌道的原因。如此優(yōu)越的 " 凝視 " 太陽機會，作為太陽探測衛(wèi)星的 " 夸父一號 " 自然更是不會放過的。

晨昏軌道上的衛(wèi)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(qū)，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(tài)。軌道高度越高的衛(wèi)星，地球陰影區(qū)占比越少，" 休息 " 時間越短。

Part.3

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(wèi)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(wèi)星的軌道進動

根據(jù)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(wèi)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(wèi)星最主要的引力微擾，它會引起衛(wèi)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(wèi)星的軌道進動。

地球引力場。左：均勻球體；右：扁球體【參考文獻】

對于近圓軌道，衛(wèi)星軌道進動周期和衛(wèi)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(wèi)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(xiàn)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(wèi)星的發(fā)射時間，讓衛(wèi)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"。

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。