小火箭聊太陽同步軌道之三
2020-11-23 騰訊網小火箭出品
本文作者：邢強博士
本報告共7012字，63圖。預計閱讀時間：1小時。
本報告分4個部分，本文是第3部分。
又到春節了！
小火箭在這裡祝所有小火箭好友春節快樂！萬事如意！
衛星繞著地球轉，形成了軌道平面。
小火箭試著手繪不同的太陽同步軌道，但是考慮到數據直觀化之後依然要堅持精確性的原則，還是用小火箭計算中心給出的軌道計算圖吧！
上圖，紅色和綠色的軌道，都是太陽同步軌道。可見，不同的軌道高度，太陽同步軌道有著不同的傾角。不過，這兩條軌道的傾角都大於90°。
小火箭加入第3條太陽同步軌道。這條軌道更高了，她的傾角也就更大。
換個角度來看，傾角的差異更明顯一些。
再換個角度。哈！還是那3條太陽同步軌道，有趣了。
嗯！這就是軌道動力學的魅力所在吧！
簡單的規則，在太陽、地球和月亮的共同作用下，紛繁變幻。而不變的，則是工程師的智慧和大自然的美妙！
所有的圍繞地球轉動的人造地球衛星，除了正好在90°傾角的軌道上以外，其他的任何軌道都受到地球不是完美球體這一事實的影響。
地球的質量分配不均勻，導致衛星的軌道發生變化。
以上是地球重力場示意圖，紅色當地重力加速度較大，藍色表示較小。
這是按g值放大後的示意圖，實際上地球還是很圓的。
有多圓？按照國際足聯的標準，充滿氣的足球的橢圓率（表徵橢圓的數值，越大，越橢。如果是0，則是正圓），允許大於0.01438849，但是不能超過0.01459854。
地球的赤道半徑為6378.140公裡，極半徑為6356.755公裡。那麼，地球的橢圓率為0.0033528，也就是1/298.257。
也就說，地球比足球（其實也包括籃球、排球、棒球）等我們人類日常所見的球體都要更圓一些。上圖為小火箭寫本文時（公元2019年1月30日上午9點半）的地球，估計完成本文時已經會是2月了吧！
咱們回過頭來再聊太陽同步軌道。因為地球質量分布不均勻，
對於高度185公裡，傾角為40°的軌道來說，每天向西轉動6.8°；
對於高度555公裡，傾角為130°的軌道來說，每天會向東轉動4.7°。
至此，我們對太陽同步軌道有了更深層次的了解：
太陽同步軌道，本質上就是利用了地球的這種特性，通過軌道高度和傾角的組合，剛好每天向東轉動0.9863°，恰巧與太陽的運行特徵相一致的軌道。
以下，小火箭給出太陽同步軌道的一些應用實例：
日冕
太陽過渡區與日冕探測器（TRACE衛星）是美國宇航局於1998年4月在范登堡空軍基地發射的一顆太陽探測衛星，目的是研究太陽的小尺度磁場和等離子體結構，具有極高的空間解析度和時間解析度。
這是一條晨昏太陽同步軌道，也就衛星在穿越赤道上空的時候，當地恰好處於日出或者日落的時分。這樣的軌道，非常有利於對太陽進行持續不間斷地觀測。
小火箭覺得值得一提的是，該衛星是由一枚飛馬座空射運載火箭送入預定軌道的。
我計算了飛馬座火箭的流場。注意看該火箭的切尖三角翼設計。足足有6.7米的翼展為火箭提供了升力。
火箭的頭部受氣動加熱的影響。從這個角度看，小火箭覺得這很像是一架可以高速飛行的飛機。
從高空發射火箭的另外的好處就是避開了較為稠密的大氣，讓空氣阻力的影響儘量減小，從而也能節省一部分燃料。
有關飛馬座運載火箭和空射運載火箭，詳見小火箭的空射運載報告系列《空中發射運載火箭能夠節省多少能量？》《世界最大的飛機下線：重燃空中發射火箭熱情》。
公元1998年4月2日，協調世界時02點43分23秒，一枚飛馬座空射運載火箭點火成功，隨後將TRACE送入預定軌道。
一架伴飛的F/A-18大黃蜂記錄下了精彩的瞬間。
這次入軌相當精準，衛星狀態也很好。
預計1年的在軌壽命，結果整個項目成功運營了12年2個月零19天！
當時洛克希德·馬丁公司把這顆科學實驗衛星按軍星標準打造了一下。這顆僅250公斤重的小衛星，可謂是不負眾望。
TRACE衛星上攜帶的太陽望遠鏡口徑為30釐米，視場為8.5角分，空間解析度達到了1角秒，波段範圍覆蓋了可見光到遠紫外波段。
TRACE衛星是美國宇航局為了迎接太陽活動極大年而專門發射的第一顆太陽探測器，她升空後與太陽和太陽風層探測器（SOHO）互為補充，為研究太陽的日冕結構、加熱機制、光球層磁場的變化等課題進行了大量的觀測。
上圖為TRACE衛星拍攝的我們的太陽的圓盤圖，帶著一種攝人心魄的美。
太陽黑子是太陽光球上的一種現象。當高密度的磁活動抑制了對流的激烈活動時，在太陽表面就形成了一塊溫度相對比較低的區域（只有3000℃到4200℃）。在可見光層面下，太陽黑子就呈現出了比周圍區域稍微黑一點點的斑點。
TRACE衛星抓拍到的日冕物質大量拋射的瞬間。
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