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天问一号完成深空机动

  本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=5093 作者:杨超 (图片资料全部来自网络) 飞向火星的路途是漫长的,我们来继续关注天问一号火星探测器的最新动态。除了之前了两次中途修正外,偶尔也有其它场合官方会透露一些天问一号的飞行状态。   7月23日,天问一号从海南文昌发射场升空,由长征五号火箭直接送入地火转移轨道。 7月28日,天问一号距离地球150万公里,离开地球引力范围。 8月2日,第一次中途修正,3000N主发动机工作20秒。 8月28日,飞行里程达到1亿公里。 9月18日,在中国航天大会上(大会原定在4月24日开的,因疫情推迟),火星探测工程总设计师张荣桥透露了当前天问一号飞行里程达到1.55亿公里。                   9月20日,第二次中途修正,4个120牛发动机工作20秒。 10月1日,国庆节当天,行星探测工程放出了一张天问一号的深空自拍照。这是通过从探测器上分离出一个小型照相机实现的。照相机及时通过 WiFi 把图片传回天问一号,再由天问一号把照片传回地球。 10月9日晚,3000N 主发动机工作480秒,完成深空机动。                     从下面的北京航天飞行控制中心的实时模拟画面看,相对于总里程5亿公里的路途,这次主发动机工作6分钟的深空机动也只是一个不太大的变化。可见要精确瞄准火星也是一件充满挑战的任务。 另外,我觉得北京航天飞行控制中心的这套太阳系模拟软件模块的3D渲染简洁明了,效果非常好。     … 继续阅读

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天问一号第二次中途修正

  本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=5060 作者:杨超 自从天问一号成功发射以来,时不时都在留意航天新闻,并学习相关的背景知识,总是有新的收获。 最近,9月20日,天问一号进行了第二次中途修正,4个120N的发动机同时工作20秒,主要是验证了发动机的在轨工作性能。                           上一次,即第一次中途修正,是3000N的发动机工作20秒。那么,天问一号究竟有多少个发动机呢? 一共是48个。引用中国航天科技集团六院的一则报道如下: 在“天问一号”火星探测器上,航天六院研制交付了着陆巡视器和环绕器的两套推进分系统,共计48台大大小小的发动机。它们将分别为着陆器着陆过程悬停、避障及缓速下降过程提供可靠动力,为环绕器系统提供轨道维持、轨道转移、制动捕获、轨道调整以及姿态控制所需的精准动力。  其中,环绕器上共有21台发动机,分别是8台120N发动机、12台25N发动机和1台3000N发动机。着陆巡视器推进分系统共有27台中室压发动机,分别为20台250N发动机、6台25N发动机和1台7500N发动机。 暂未查到推进系统所使用的推进剂的相关报道和介绍。不过根据之前嫦娥探月工作的情况,应该也是使用技术比较成熟的,且经历了月球软着陆考验的四氧化二氮和甲基肼这一对常温液体推进剂。 嫦娥二号环绕器的主发动机为490牛,天问一号更重一些,因此其环绕器使用了3000牛的发动机,之前第一次中途修正中已经验证过其在轨工作状态了。和嫦娥系列一样,环绕器的8台120N发动机和12台25牛发动机也应该是分为两个分支互为备份。所以,这次第二次中途修正是验证了其中一个分支的4台120牛的发动机。 而天问一号的着陆器的7500牛变推力发动机,和嫦娥三号和四号两个月球着陆器参数一致,应该是同型号或改进型。 除了天问一号、嫦娥系列,我国的其他卫星平台、天宫、神舟飞船、还有远征系列上面级等,都使用这类从490牛到7500牛不等的推进系统。因为其推力比较小,最大的还不到1吨(1万牛才约折合地球海平面1吨的推力),所以其发动机一般采取比较简单且可靠性更高的循环方式:挤压循环(pressure-fed cycle)系统。见下图远征一号。 而长征二、三、四号的芯一级和二级发动机YF-20系列,还有长征四号的三级发动机YF-40,虽然也是采用有毒的肼类推进剂,但因为推力更大,则是用略微复杂的燃气发生器循环(gas-generator cycle)系统。俄罗斯的同类毒发 RD-276(或称RD-275M) 则采用了分级燃烧循环,用于质子号火箭上。俄罗斯也有让质子号逐步退役的计划,但其替代品安加拉号研发进展不太顺利。 我国的氢氧发动机,老一代长征三号的三级上使用的YF-75,和新一代的长征五号一级YF-77,也是采用较为简单的燃气发生器循环设计。长征五号的二级 YF-75D则采用了膨胀循环(expander cycle)设计。国际上氢氧机的最高水平以美国的RS-25为代表,采用复杂度和技术含量最高的高压补燃循环设计,英文中也称之为分级燃烧循环(staged-combustion cycle)。美国另外两款主要的氢氧机 RS-68 和上面级用的 RL-10 则分别采用燃气发生器循环和膨胀循环。 液氧煤油机方面,我国长征五号助推器和长征七号芯一级的 … 继续阅读

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全球卫星导航系统排名(2020年版)

  本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=5001 作者:杨超   以我国成功发射天问一号火星探测器为一个标志性事件,中国的航天综合实力已经稳居全球第二。之前的博文已经分别从火箭的运输能力、深空探测网两个方面的比较,论证了这一点。本文比较各国的全球卫星导航系统(GNSS)建设,再次印证了这个判断。 需要说明和强调一点,航天实力的排名是以当前的水平来比较,不能拿历史来比较。我们必须用发展的眼光来看问题。前苏联一度到达相对高的航天水平,但是其继承者俄罗斯则只能吃老本,水平是每况愈下,维护其航天设施都捉襟见肘,谈不上什么发展,更加无法回到过去的辉煌,整体上已经落到中国后面去了。 卫星导航系统关乎着国家的国防安全问题,是最重要的航天应用之一。导航卫星一般采用距离地面2万公里左右的中轨道卫星(MEO),有时辅以更高的地球同步轨道卫星(GEO)。 民用导航应用的设计原理非常简单,就是单向接收到至少3颗导航卫星发出的卫星自身的时间与位置信号,就可以从数学上计算出接收器的位置。所以,一个导航卫星系统的设计,就是保证地球上任何一个地方都能“看到”至少3颗卫星即可。这也是卫星部署到离地面2万公里的轨道的原因,越高覆盖的面积就越广,需要的导航卫星总数就越少。此外,卫星的信号也会受到天气或高楼高山阻挡等影响,设计导航卫星星座时要有一定的冗余。比如我国的北斗系统,理论上在亚太地区总能收到10颗以上卫星的信号,保证了导航系统的稳健性,和增强了导航的精度。 一、美国GPS 美国的GPS系统由美国空军(United States Air Force)建立并维护,现由新成立的天军(Space Force)维护。卫星刚好部署在周期为12小时的轨道上,一天绕地球两圈。整个系统一共由24颗卫星构成,分别位于6个轨道平面,每个轨道平面均部署4颗卫星。       二、中国北斗卫星导航系统 我国的北斗三号导航卫星系统于今年(2020年)7月31日正式宣布建成开通。主要由24颗中轨道卫星构成,分为3个轨道平面,位于比美国GPS略高的轨道上。另有至少5颗地球同步卫星和3颗斜地球同步轨道卫星(IGSO)部署在亚洲上空,起到增强的作用。 三、俄罗斯GLONASS GLONASS 系统从前苏联时代开始建设,直到苏联解体后的1995年才由俄罗斯继续完成组网。设计轨道比美国 GPS 略低,距地面19000多公里,主体由三个轨道平面共24颗卫星构成。可见导航卫星星座大同小异,就不再重复上示意图了。 由于俄罗斯经济困难,90年代末缺乏足够经费对退役或故障卫星进行更换,到2001年在轨服役的导航卫星一度仅剩可怜的6颗。过了10多年,直到2015年才又逐步重新完成组网。 这样一个维护存在隐患的系统当然只能排在中国的北斗系统后面。 四、欧洲伽利略系统 四大全球导航系统中,以伽利略的轨道最高,约23000多公里。设计方案也是三个轨道平面共30颗卫星。每个轨道平面有8颗卫星加两颗备用。目前只部署了22颗左右,能初步进行导航应用,但也故障频发,甚至出现过连续一周全网卫星瘫痪的情况。其维护水平和俄罗斯算得上难兄难弟。 我国在2003年曾投资加入伽利略系统的建设。但欧洲人背信弃义,我们被迫2006年退出。经此波折,我国还是下定决心建立自己的北斗全球导航系统。到了今年,我们的北斗系统已经正式部署完毕了,欧洲人的伽利略系统还没有完成组网。 五、日本准天顶系统(QZSS) 日本的准天顶系统(Quasi-Zenith Satellite System)完全兼容美国GPS系统,可视为GPS系统在日本天顶的一个增强子系统。   目前,准天顶系统已经部署了4颗卫星,其中3颗不对称的斜地球同步轨道卫星(目的是保证总有1颗几乎在日本东京地区正上方)和1颗地球同步卫星。计划从2023年起再打3颗准天顶卫星,构成共7颗的系统。           … 继续阅读

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全球深空测控网一览(2020年版)

  本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4878 作者:杨超   之前的博文曾提到过,像火星探测这样的深空探测计划,可大致划分为五大子工程,其中有两项子工程是密切相关的,就是测控系统和地面应用系统(Ground Research & Application System,这是立项书中的子项目名称,简称 GRAS)。测控系统主要是追踪、遥测和控制探测器的飞行、入轨和降落等等。而地面应用系统主要完成接收探测器从遥远的太空发回的科学数据的信号,并解码后进行相关研究。这两大子工程的一大共同的关键就是大型天线。 在开展深空探测之前,我们对火箭发射过程和卫星的测控,只需要直径10来米的地面天线就绰绰有余了。这是因为,最远的地球同步卫星,距离地面约36000公里。但这10多米直径的天线,在嫦娥探月工程中就不太够用了,因为月亮距离地球为40万公里。于是,国家随着探月工程的开展,循序渐进的建设直径更大的天线。也就是说,深空探索的一个必不可少的基础设施就是大直径天线。随着今年7月我国的火星探测器成功发射,我国的大直径天线构成的深空网基本建成。火星距离地球最远可以达到4亿公里,比月亮又远了1000倍。如此远的距离,信号非常弱,因此需要非常大的天线才可以接收到探测器发回来的信号和数据,同时也需要发射非常大功率的信号给探测器。 目前各国在航天探测任务中使用的直径最大的天线在70米左右。一般30米以上的天线才能纳入深空观测网。 所以说,深空通信是一个大难题,目前我国已经成功解决这一重大工程难题。之前的一篇博文中,我们对全球火箭运力的对比中,得知以长征五号为代表的我国火箭运载能力是全世界第二,仅次于美国。而在2020年,随着我国火星探测器天问一号的启航,我们的深空网的测控和地面应用(即接收遥远的火星探测器传回的科学数据)水平,也达到全球第二。 下面,通过列举世界所有建立深空探测网的国家的硬件设施来说明这一点。 还有一点要先说明一下,因为一个天线覆盖略小于180度的天空,要构成深空网,对全天达到360度24小时全方位的覆盖,至少要在全球三个不同的地方部署三个天线。最理想的情况是按经度每120度一个。 因此,深空网与近地测控网因其要完成的任务需求不同,往往分开两个不同的独立网络。深空网一般要求30米以上的大直径天线,全球建立至少3个站点。而近地测控网则一般10来米的天线足矣,但是站点需要更多(因为近地,测控范围更小)。比如美国NASA,其深空网由位于加州的JPL负责管理。而其近地网(Near Earth Network,通常仅指地网)又分为地网(Ground Network,由全球约15个地面站组成,其中有一些甚至还是商业运营的地面站)和天网(Space Network,主要由地球同步的中继卫星组成)。天网和地网都由 Goddard Space Flight Center 管理。 全球深空网2020年(Deep Space Network 2020)排名如下:(基于网上可以搜索得到的公开资料,可能存在不甚准确之处) 一、美国NASA 以美国的军事和经济势力,NASA很早就已经建立了全球深空网。据NASA官网的介绍,早在1963年就正式建成,至今已经50多年了。三个主力站点分别位于美国本土加州 Goldstone,澳大利亚的Canberra,和西班牙的马德里(Madrid)附近。而且是比较接近完美的均匀120度分布。三个站都各有70米天线一个,另各有30-40米级别天线数个。三大站点合计30多个天线。见下面示意图,三大站点构成的深空网在近地(3万公里以内)轨道是有盲点的。但这往往是深空探测器的发射阶段,可由近地测控网负责。 NASA设在澳大利亚的 Canberra 站全景图:   美国在其巅峰时期建站太多,在和前苏联的太空竞赛告一段落之后,因为维护这么庞大的设备网络过于昂贵,不得不让一部分天线退役。 如:美国1961曾在南非建了一个26米天线,纳入其深空网络,编号 DSS-51(Deep Space … 继续阅读

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全球现役火箭系统全图(2020年版)

  本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4840 作者:杨超 因为天问一号的发射,最近对航天工程比较感兴趣。上一篇博文谈及了运载火箭系统,本文进一步把全球现役的运载能力在2吨以上(LEO)的火箭系统全部列出来。对没能列出那些运载能力只有几百公斤的火箭表示遗憾。 总的来说,火箭系统还是一个比较复杂的工程,拥有现役发射能力2吨以上的国家或者超国家组织(指欧盟)只有以下六个: 中国 日本 印度 俄罗斯 欧盟 美国 对我们业余关注者来说,对火箭主要了解两点,就能差不多知道各国火箭水平的高低。一是运载能力是多少吨。二是使用什么推进剂(固体、液氧煤油、液氢液氧、四氧化二氮+偏二甲肼等等)和什么发动机,火箭采取什么构型。 几点说明: 1. 此图是用网站 Historic Spacecaft 网站的火箭美工图拼接而成的,原作者为 Richard Kruse. 2. 只列出现役的。研发中的火箭没有列出来,如我国的长征九号、网传的921火箭等等。欧盟也在研制阿丽亚娜6以替代现役的阿丽亚娜5,美国ULA研制火神火箭以替代目前两款火箭, 日本研制 H3 替代 H2,俄罗斯研制安加拉号替代质子号,等等。所以,这个全球火箭全图是2020年版本。 3. 极少数已退役(或运力未达到2吨门槛)的火箭也列出来了,如1970年4月24日,成功发射我国第一颗人造卫星东方红一号的长征一号火箭。 4. 我国火箭正处于更新换代过程中。长征一至四为老一代运载火箭,最大运力为低轨道(LEO)10吨左右。长征五、六、七为新一代运输火箭。其中长征五号LEO运载能力达25吨,是老一代火箭的两倍以上,在全世界来看,运力仅次于美国的 Delta IV Heavy 和 Falcon Heavy,位居全球第三(两款比长五强的火箭均使用 CBC 构型)。 我国旧一代火箭基本都使用液体常温推进剂四氧化二氮+偏二甲肼。新一代火箭则用液氢液氧或者液氧煤油。 5. … 继续阅读

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火星探测与运载火箭系统

  本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4763 作者:杨超   火星探测是一项大工程,这是我国载人航天和探月工程的延申(当然载人航天和探月工程本身也在不断升级深化中)。载人航天和探月工程是被列入国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020)》的国家十六个重大科技专项之一。而据报道,火星探测是2016年正式立项的,但是未见有正式公开的文件,我想不久也会以某种形式列入国家的重大工程项目。 从探月与深空探测工程的官网上,可见探月工程本身又可分为五大工程模块,需要不同的单位牵头协同完成。这里每一个子工程都是大工程。比如说其中的发射场系统,就主要包括新建了海南文昌卫星发射中心。与我国之前的三大卫星发射中心相比,这里纬度更为接近赤道,对发射深空探测器来说是一个有利因素。 为了完成火星探测任务,还要继续完善这五大工程,这是一个不断发展的过程。本文主要谈谈运载火箭系统,就是要研发推力更大的火箭。除了火星探测,我们的载人航天工程建设新一代更大的空间站,和探月工程的采样返回,都离不开更大推力的火箭。长征五号火箭经历过一些波折后,已经成功把重达5吨的火星探测器“天问一号”送入地火转移轨道。还有一些新型号火箭,如载人火箭长征2F的升级换代型号长征七号、近地轨道运送能力超过50吨的超重型火箭长征九号等,也处于不同的开发进度中。 长征五号的成功研发,使得我国的发射能力已经达到国际先进水平。上一篇博文提到,当前,现役火箭中最强的6大火箭型号如下: 美国 SpaceX 的 Falcon 9 和 Falon Heavy, 美国 ULA 的 Delta IV Heavy, 我国的长征五号(包括长征五号B), 欧洲的 Ariane 5, 俄罗斯的 Proton, 俄罗斯的 Angara. 其中,又以美国的 Falcon 系列运力最强,其他5款火箭半斤八两,低轨道运力都在25吨上下。而且 Falcon 火箭系列是目前全球唯一的可重复使用的火箭系统,降低了发射的成本。Falcon 9 火箭目前已经是非常成熟,恰好昨晚(8月18日)有一次发射任务,我第一次看了一下其网络直播。 Falcon 9 火箭的 … 继续阅读

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天问一号第一次中途修正

  本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4710 作者:杨超 上一篇博文讨论了我国天问一号火星探测器从发射到箭器分离的轨迹。 分离后,天问一号就基本只在太阳(和地球等)的引力作用下飞行。有不少业余和半职业的天文爱好者和无线电爱好者都从太空中捕捉到了天问一号,由此还计算出天问一号的轨道根数。不过由于火星探测器比起近地小行星小多了,随着天问一号离地球越来越远,业余人员很难再观测到。 人造航天飞行器被业余天文爱好者观察到是常见的事情。我国的嫦娥二号完成原定任务后,从日地拉格朗日点L2再次变轨,执行在距离地球约700万公里外飞掠小行星的任务时,也曾被不明真相的业余爱好者观测到。 据报道,8月2日7点0分,北京航天飞行控制中心对天问一号执行了第一次轨道中途修正(trajectory correction manoeuvre,简称TCM)。由于长征五号非常精准地把探测器送入了预定轨道,这次修正的主要一个目的考察发动机的在轨工作情况。 天问一号继续着火星之路的漫漫征程。   这次,我国使用重型运载火箭(重型一般指具有把20吨以上送到LEO的能力的火箭)长征五号第一次执行正式任务(之前的长五发射均带有试验性质),把重达五吨的探测器直接送入地火转移轨道,为人类有史以来发向火星的所有探测器中最重的一个。而同期发往火星的阿联酋和美国的探测器因为相对较轻,所以均使用了中型运载火箭。阿联酋用的是日本的H-IIA火箭,美国则是宇宙神五号(Atlas V)火箭。                                                       … 继续阅读

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天问一号的飞行轨道

    本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4647 作者:杨超   2020年7月23日,我国的长征五号火箭用了36分钟把天问一号火星探测器送入地火转移轨道,开启了6个多月的征程,将于明年2月抵达火星。这同时也是我国继探月工程之后,正式开启了行星探测计划。 此前的几天的7月20日,阿联酋的HOPE火星探测器在日本种子岛由日本的H-IIA火箭发射升空。在这之后的7月30日,美国“毅力号”(Perseverance)火星探测器在佛罗里达州卡纳维拉角空军基地41号发射场由Atlas 5号火箭发射升空。 至此,2020年的这次火星探测发射窗口期的全部探测器均已经成功发射。而欧洲的ExoMars火星探测器的发射又一次推迟,只能等到下一个窗口期,即26个月之后的2022年。 这段时间,网上不少科普都解释了为何多国都扎堆在这个窗口期发射火星探测器,主要原因是所谓的霍曼转移轨道(Hohmann Transfer Orbit),比较节省飞达火星所需的燃料。由连续性,在这个时间点前后约一个月多月的时间内,都可以设计出合适的飞行轨道,和理论上最佳的霍曼转移轨道相差不远。 霍曼转移轨道的发射时机是火星与地球的夹角为40度左右。而地球公转的角速度是火星的1.88倍左右,每两年多(即26个月左右)套火星一圈。所以这个40度左右的夹角每26个月才出现一次。 值得指出的是,这个地火转移轨道是指探测器由火箭发射升空后与火箭分离,直至接近火星近火制动好让探测器被火星的引力捕获的这一段过程。这一个过程中,除了中间少数几次的轨道中途修正和深空机动之外,探测器基本上只受到大阳的引力作用(地球和火星的引力都可以忽略不计),其数学模型是相对比较简单的。 而如何用火箭精准地把探测器从地面送入这个地火转移轨道,则要更为困难。所以大家看到发射过程中,发射中心和测控中心的人员都比较紧张。顺利送入轨道后,大家都松了一口气,对这漫长的近七个月的旅途倒没有表示出太多的担心。下一个需要担心的时刻是近火制动。 第一个成功把火星探测器成功送到火星环绕轨道的亚洲国家是印度,于2013年发射,2014年抵达火星。印度人做了一个比较详细的轨道示意图(点击可看大图)。 由此图可以看出,印度的探测器是环绕地球轨道飞行了多圈后,经过多次加速调整,才最后加速离开地球,进入地火转移轨道。主要原因是印度当时的火箭推力不足,不足以把探测器直接推到能够脱离地球的第二宇宙速度。 更早前的1998年,日本也尝试发射火星探测器“のぞみ”号,但是接连发生各种故障,脱离地球轨道时没有正确入轨,经过多次轨道调整,最终也没能进入火星环绕轨道,以失败告终。   我国在2011年也曾尝试向火星发送“萤火一号”探测器,不过是搭乘俄罗斯的火箭,发射失败,最终连地球也未离开。 这次阿联酋也有发布他们的希望号(HOPE)的飞行轨道示意图。但是这个示意图并没有体现火箭发射阶段的飞行轨迹。 用H-IIA火箭把阿联酋的希望号送入轨道的三菱重工有如下的发射计划图,显示了发射轨迹在地球上的投影路径。最终实际发射实际为日本时间7月20日早上6点58分,探测器在约57分钟后和火箭彻底分离。由此可见火箭是绕了地球飞行了大半圈后,从地球背向太阳的一面进入双曲线逃逸轨道,并在后期进一步进入地火转移的大椭圆轨道。 美国毅力号是在美国东部时间早上7点多发射的,发射过程的飞行轨迹和日本相仿,也是绕了地球大半圈。而且从发射到和火箭分离也是总用时约1个小时。下图是毅力号发射公司ULA官网上公开的发射计划。 关于“天问一号”的发射飞行轨迹,我在网上各种官方半官方的网站或媒体上找不到类似于以上图片这么精准的轨迹图。不过根据各种视频文字报道,可以判断出飞行路径和日美两家类似。唯一的区别是于我们发射时间是中午12点多,相对而言,少绕了地球近1/4圈。 根据央视的直播,从监控画面看,器箭分离时,已经在西经126度南纬29度的上空近500公里,快要飞到南美阿根廷上空了,已经绕到地球背面了(背向太阳的一面)。此时检测速度为对地面10.907公里每秒,已经超过了这个高度下的第二宇宙速度,进入了地球逃逸轨道了。 与日美相比,我们这次火星探测器最重,总重达到5吨,但是送达逃逸轨道的时间最短,仅用了36分钟器箭分离。 成功发射后,深空测控也进展地进行。据报道,器箭分离后仅4分钟,我们深空测控网的阿根廷站就捕获了探测器。 天问一号探测器是沿着地球公转轨道切方向略向外,从地球背面飞离地球。因此,直到入夜,即我国国土逐渐因为地球的自转而转到地球背面去时,我们境内地两个深空站才陆续捕获天问一号。发射当天晚上9时37分,东部的佳木斯先捕获到,第二天凌晨1时许,西边的喀什站也捕获到了。 因此,虽然没有找到天问一号的发射轨迹图,我们从各种报道中也容易想象天问一号在太阳系中的飞行轨迹:中午12时许几乎是太阳直射的时候随着火箭起飞,自西向东飞过太平洋,并且略偏南。这是因为7月正是北半球夏天,地球自转轴倾向太阳,而探测器是几乎在黄道平面内飞行。绕到地球背面后,就沿着地球公转轨道的切线飞离地球了(参见下图蓝色线,俯视黄道平面的角度)。   据后续报道,北京时间7月28日凌晨5时左右,天问一号飞离到距离地球150万公里处,离开了地球引力范围。这意味着正式从地球逃逸轨道(双曲线)转接到地火转移轨道(椭圆)。此时天问一号与地日连线的夹角为105度左右(据ProjectPluto上的公布的观察计算数据),也和我们前面分析的飞行轨迹完全吻合。

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