2020年9月20日23時許，在北京航天飛行控制中心，我國首次火星探測任務(wù)飛行控制團(tuán)隊，順利完成對天問一號的第二次軌道中途修正。

從7月23日發(fā)射至今，天問一號已在軌飛行60天，距離地球約1900萬千米，飛行路程約1.6億公里。

天問一號飛往火星的時間漫長，距離遙遠(yuǎn)，近7個月的路途被地面照顧它的飛控人劃分成了一個個目標(biāo)，逐步實現(xiàn)。除了以時間為單位，飛行里程當(dāng)然也是一個重要的計量方式，第一個以“億”為單位的小目標(biāo)就在8月28日10時08分實現(xiàn)了。

8月28日是天問一號探測器在軌飛行的第36天，距離地球1075萬公里，細(xì)心的讀者不禁要問了，為什么飛行里程突破1個億，可是距離地球卻才1000多萬呢？

這是因為天問一號在飛向火星的過程中，是沿著一個機(jī)動軌道以弧線的形式飛行的，會不斷遠(yuǎn)離地球。但與此同時，地球和火星也都在各自的軌道上繞著太陽公轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出“你走我也走”的狀態(tài)。所以相對發(fā)射時刻的那個地點(diǎn)，天問一號的里程數(shù)在高速累加，而相對地球的距離則并沒有那么快速地拉開，最終呈現(xiàn)出兩個不同的距離數(shù)。

火星探測器為什么需要不斷地軌道修正和深空機(jī)動呢？

我們知道，火星雖是地球的鄰居，與地球之間的距離卻在5500萬到4億千米之間不斷變化，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地月之間38萬千米的平均距離。在選擇火星探測窗口時，需要利用地球和火星每次靠近的機(jī)會，提前幾個月發(fā)射，這種機(jī)會每隔約26個月才會出現(xiàn) 。

探測器的奔火之旅，軌道按照探測窗口不同，可能長達(dá)5-7億千米，耗時6-11個月不等。距離和時間帶來了一個巨大的挑戰(zhàn)：由于實際飛行情況極其復(fù)雜，理論軌道是不可能完全實現(xiàn)的，必須通過軌道修正和深空機(jī)動去盡量逼近。

火箭入軌精度

火星探測器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、飛行距離遠(yuǎn)、重量較大，對火箭要求很高。例如“天問一號”要一次完成“繞、著、巡”三大工程目標(biāo)，它需要中國現(xiàn)役運(yùn)載能力最強(qiáng)的“長征五號”運(yùn)載火箭發(fā)射。

火箭推力強(qiáng)勁，往往設(shè)計成多級，每級數(shù)臺發(fā)動機(jī)同時工作，最后一級甚至需要多次滑行和點(diǎn)火，最終才是星箭分離，整個過程隨時都可能會帶來微小偏差。因此，完美的入軌位置從來都只是理論值，人類目前任何一款火箭都無法達(dá)到。

這也意味著，所有的火星探測器，從出發(fā)時，就已經(jīng)有了些許軌道誤差。好在這個誤差尚處在起步階段，越早修正就能避免更多誤差積累。

火星探測器經(jīng)歷極其復(fù)雜的受力擾動

舉個最簡單、也是航天領(lǐng)域最經(jīng)典的三體問題：當(dāng)三個物體在引力作用下自由移動時，它們的軌道就完全無法預(yù)測，沒有準(zhǔn)確模型能夠描述，只能不斷給出限定和假設(shè)，嘗試通過各種數(shù)值法去逼近。這就是著名的“三體問題無解”。

而對于火星探測器而言，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止三體問題這么簡單。太陽系內(nèi)各種天體 ，例如恒星、行星、矮行星、衛(wèi)星、小行星、彗星、空間碎片、星際分子云甚至人類尚未發(fā)現(xiàn)的天體等，不計其數(shù)，它們都在向火星探測器施加萬有引力 。甚至隔著屏幕的你我，從理論上講，我們也在努力把它“吸回地球”，只不過這個力太過渺小而已。

實際情況還要更加復(fù)雜，會有很多非引力項存在，它們又可以叫做非保守力。例如太陽輻射的光子會打在探測器表面產(chǎn)生光壓，探測器本身熱輻射，探測器星載儀器開機(jī)引起的輻射，相對論效應(yīng)……等等。這些力隨著探測器的工作狀態(tài)、在太陽系內(nèi)位置、太陽活動強(qiáng)度、空間天氣等諸多因素的變化而變化，且這些因素幾乎不可能準(zhǔn)確預(yù)測。

因而，即便最聰明的航天軌道專家使用最厲害的電腦，考慮到所有可能的因素，依然只是“紙上談兵”，不可能接近真實，只可能盡最大可能接近。

軌道修正和深空機(jī)動本身也不精確

如果把“天問一號”飛往火星比做駕車行駛，或許更容易理解：

它有一條規(guī)劃好的線路，這叫預(yù)定軌道。

但基于前文分析，大家也了解它一定會跑偏一些，所以需要偶爾微調(diào)方向盤，讓它保持在車道中間——這是軌道修正，是小修。

而車道也不是完美的直線，當(dāng)需要拐彎時，你需要更大程度打方向盤——這是深空機(jī)動，是大機(jī)動。

打方向的過程中，也是你不斷了解方向盤性能的過程，這對于深空探測器更是如此。在進(jìn)入太空前，所有的測試都是在地面進(jìn)行，但地面不可能代表真實的深空環(huán)境，更何況地球和探測器之間往往要面臨非常大的雙向時延，最遠(yuǎn)時往返通訊需要數(shù)十分鐘。因而，軌道推進(jìn)系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行命令的精度到底如何，當(dāng)然也需要進(jìn)入軌道后評估測試，幫助后續(xù)的修正和機(jī)動做得更好。

所有因素綜合下來，任何一個火星探測器都不可能飛在一條理想的地火轉(zhuǎn)移軌道上，中間需要數(shù)次軌道修正和深空機(jī)動。對于“天問一號”而言，需要1次深空機(jī)動和4-5次軌道修正。

軌道修正次數(shù)可能發(fā)生變化：如果工作狀態(tài)極其理想，可以減少；考慮到具體情況，也可能增加。這也是所有火星探測器的普遍情況。

2020年8月2日7時整，剛出發(fā)不久的“天問一號”完成了首次軌道修正，3000牛推力的發(fā)動機(jī)工作20秒鐘。一方面，它可以修正火箭入軌誤差和初始軌道偏差，畢竟剛起步階段極其重要，一定要小心“失之毫厘，謬以千里”；另一方面，也讓航天人對推進(jìn)系統(tǒng)的性能有了全方位了解 ，能讓后續(xù)的修正和機(jī)動操作更加準(zhǔn)確。

9月20日23時整，天問一號探測器4臺120N發(fā)動機(jī)同時點(diǎn)火工作20秒，順利完成第二次軌道中途修正，并在軌驗證了120N發(fā)動機(jī)的實際性能。在中國航天人的努力下，天問一號發(fā)射入軌和第一次中途修正的精度很高，因此本次修正量很小。

第二次軌道中途修正要干什么？

在天問一號飛向火星期間，由于探測器長期處于無動力飛行，微小的位置速度誤差會逐漸累積和放大，所以地面測控系統(tǒng)需要在飛行過程中對探測器飛行軌道進(jìn)行修正，確保探測器始終飛行在預(yù)定軌道上。

第二次中途軌道修正，北京航天飛行控制中心的工作人員對天問一號的4臺120牛發(fā)動機(jī)做了開機(jī)點(diǎn)火的操作，既修正軌道，又測試了發(fā)動機(jī)的狀態(tài)。

2020年9月20日23時，在器地距離約1900萬公里處，在我國首次火星探測任務(wù)飛行控制團(tuán)隊控制下，天問一號探測器4臺120N發(fā)動機(jī)同時點(diǎn)火工作20秒，順利完成第二次軌道中途修正，并在軌驗證了120N發(fā)動機(jī)的實際性能。天問一號發(fā)射入軌和第一次中途修正的精度很高，本次修正量很小。

充分驗證發(fā)動機(jī)性能

此前在8月份執(zhí)行的首次軌道修正，是通過一臺3000N推力的發(fā)動機(jī)點(diǎn)火20秒完成的，而此次軌道修正則是由4臺120N推力的發(fā)動機(jī)點(diǎn)火20秒完成的。

專家介紹，從變軌能力上，整個探測器的發(fā)動機(jī)配置分三種：一種就是3000N的主發(fā)動機(jī)；第二種是4臺120N的發(fā)動機(jī)，中檔的推力；第三種最小的則是由8臺25N發(fā)動機(jī)完成。

不同的發(fā)動機(jī)、不同的組合方式，來應(yīng)對不同的變軌需求。120N和25N這樣的小推力發(fā)動機(jī)可以更加精準(zhǔn)地進(jìn)行修正量較小的動作。而3000N的發(fā)動機(jī)則將在深空機(jī)動、近火制動等變量較大的動作中發(fā)揮作用。

此外，進(jìn)入環(huán)火飛行階段后的軌道控制和維持，也需要用到這些發(fā)動機(jī)。因此通過這兩次軌道修正，驗證了不同發(fā)動機(jī)的實際性能，為后續(xù)的軌道控制奠定了基礎(chǔ)。

十月份進(jìn)行深空機(jī)動

據(jù)了解，后續(xù)探測器將在10月份執(zhí)行深空機(jī)動。相比較于軌道修正的細(xì)微調(diào)整，深空機(jī)動則是一個控制量較大的軌控動作，會對探測器的軌道傾角和大小進(jìn)行調(diào)整。簡單來說，深空機(jī)動后探測器才是在真正意義上飛向火星，因此更為重要，難度也更大。

目前探測器已經(jīng)飛離地球1900萬公里，單向通信時延達(dá)到了一分鐘左右。后續(xù)探測器還將以每天約30萬公里的速度遠(yuǎn)離地球，面對通信帶來的挑戰(zhàn)，研制團(tuán)隊也已經(jīng)做好了充分預(yù)案。

航天科技集團(tuán)五院，火星探測器著陸巡視器進(jìn)入艙總體主任設(shè)計師董捷介紹，團(tuán)隊已經(jīng)完成了深空機(jī)動的執(zhí)行流程和執(zhí)行程序的確認(rèn)，包括每條指令的內(nèi)容、發(fā)送時機(jī)，并且在系統(tǒng)層面上完成了推演。針對可能出現(xiàn)的異常情況也做好了相應(yīng)預(yù)案。

你知道嗎？地球天氣轉(zhuǎn)涼，天問一號也要供暖？

從7月到現(xiàn)在的9月，若是大家身處北方，就可以明顯感受到氣溫的變化了，在我國東北地區(qū)，再過一個月甚至就要供暖了，同樣的，天問一號在飛行的過程中也需要“供暖”。

隨著距離太陽越來越遠(yuǎn)，天問一號對太陽能的需求會逐漸變化，所以探測器會對太陽帆板進(jìn)行一定的調(diào)整，以滿足電力供應(yīng)，這個變化將在第二次中途修正后執(zhí)行。

在調(diào)整太陽帆板角度的同時，還要對探測器本身的姿態(tài)做出調(diào)整控制，使得天問一號和地球之間的通信順暢。既要精確控制太陽帆板，還要調(diào)整探測器姿態(tài)，這對北京航天飛行控制中心的姿態(tài)控制提出了很高的要求。

隨著時間推移，還會經(jīng)歷太陽直接照射的熱能不夠的狀況，也就是說天問一號只能通過太陽帆板接收光能，而沒有足夠的熱能來保持體溫。隨著探測器的體溫降低，此時就需要天問一號給自己加電發(fā)熱，保持器上設(shè)備正常運(yùn)行。就如我們冬季供暖一樣，不同的是天問一號的加熱更精準(zhǔn)，它可以識別出身上哪個部位溫度過低，就會按區(qū)域精準(zhǔn)“供暖”，在節(jié)省能源的同時保證設(shè)備安全。

目前，天問一號仍在北京航天飛行控制中心的嚴(yán)密測控之下穩(wěn)步飛行，即將突破自己2億公里的里程數(shù)，地面守護(hù)它的飛控人也將始終如一，確保天問一號平穩(wěn)健康。這個過程漫長且不易，他們將心聲寄托在歌聲里，演繹出航天人獨(dú)特的風(fēng)采。

來源：中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng),環(huán)球網(wǎng),央廣網(wǎng)

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