微信公眾號(hào)“中國(guó)探月工程”9月21日消息，2020年9月20日23時(shí)，在我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)飛行控制團(tuán)隊(duì)操作下，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器4臺(tái)120N發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火工作20秒，順利完成第二次軌道中途修正，并在軌驗(yàn)證了120N發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際性能。

截至目前，天問(wèn)一號(hào)已在軌飛行60天，距離地球約1900萬(wàn)千米，飛行里程約1.6億千米，探測(cè)器各系統(tǒng)狀態(tài)良好，地面測(cè)控通信各中心和臺(tái)站跟蹤正常。

中途修正是指在探測(cè)器飛行過(guò)程中，對(duì)各種原因?qū)е碌能壍榔x進(jìn)行修正，使探測(cè)器更貼近理論軌道飛行。天問(wèn)一號(hào)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。

國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局“中國(guó)的航天”微信公眾號(hào)同日發(fā)文，介紹天問(wèn)一號(hào)要軌道修正和深空機(jī)動(dòng)的原因：

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(wàn)到4億千米之間不斷變化，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了地月之間38萬(wàn)千米的平均距離。在選擇火星探測(cè)窗口時(shí)，需要利用地球和火星每次靠近的機(jī)會(huì)，提前幾個(gè)月發(fā)射，這種機(jī)會(huì)每隔約26個(gè)月才會(huì)出現(xiàn)。

2000-2022年地球和火星距離變化，各探測(cè)任務(wù)在太空中飛行的時(shí)間區(qū)間

探測(cè)器的奔火之旅，軌道按照探測(cè)窗口不同，可能長(zhǎng)達(dá)5-7億千米，耗時(shí)6-11個(gè)月不等。距離和時(shí)間帶來(lái)了一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：由于實(shí)際飛行情況極其復(fù)雜，理論軌道是不可能完全實(shí)現(xiàn)的，必須通過(guò)軌道修正和深空機(jī)動(dòng)去盡量逼近。

火箭入軌精度

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

長(zhǎng)征五號(hào)發(fā)射“天問(wèn)一號(hào)”的壯觀場(chǎng)景

火箭推力強(qiáng)勁，往往設(shè)計(jì)成多級(jí)，每級(jí)數(shù)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，最后一級(jí)甚至需要多次滑行和點(diǎn)火，最終才是星箭分離，整個(gè)過(guò)程隨時(shí)都可能會(huì)帶來(lái)微小偏差。因此，完美的入軌位置從來(lái)都只是理論值，人類目前任何一款火箭都無(wú)法達(dá)到。

這也意味著，所有的火星探測(cè)器，從出發(fā)時(shí)，就已經(jīng)有了些許軌道誤差。好在這個(gè)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(cè)器經(jīng)歷極其復(fù)雜的受力擾動(dòng)

舉個(gè)最簡(jiǎn)單、也是航天領(lǐng)域最經(jīng)典的三體問(wèn)題：當(dāng)三個(gè)物體在引力作用下自由移動(dòng)時(shí)，它們的軌道就完全無(wú)法預(yù)測(cè)，沒(méi)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(guò)各種數(shù)值法去逼近。這就是著名的“三體問(wèn)題無(wú)解”。

而對(duì)于火星探測(cè)器而言，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止三體問(wèn)題這么簡(jiǎn)單。太陽(yáng)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(jì)其數(shù)，它們都在向火星探測(cè)器施加萬(wàn)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(guò)這個(gè)力太過(guò)渺小而已。

太陽(yáng)系的萬(wàn)物都在影響火星探測(cè)器軌道©?NASA+中文注釋

實(shí)際情況還要更加復(fù)雜，會(huì)有很多非引力項(xiàng)存在，它們又可以叫做非保守力。例如太陽(yáng)輻射的光子會(huì)打在探測(cè)器表面產(chǎn)生光壓，探測(cè)器本身熱輻射，探測(cè)器星載儀器開(kāi)機(jī)引起的輻射，相對(duì)論效應(yīng)……等等。這些力隨著探測(cè)器的工作狀態(tài)、在太陽(yáng)系內(nèi)位置、太陽(yáng)活動(dòng)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(cè)。

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(shí)，只可能盡最大可能接近。

軌道修正和深空機(jī)動(dòng)本身也不精確

如果把“天問(wèn)一號(hào)”飛往火星比做駕車(chē)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(huì)跑偏一些，所以需要偶爾微調(diào)方向盤(pán)，讓它保持在車(chē)道中間——這是軌道修正，是小修。

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

打方向的過(guò)程中，也是你不斷了解方向盤(pán)性能的過(guò)程，這對(duì)于深空探測(cè)器更是如此。在進(jìn)入太空前，所有的測(cè)試都是在地面進(jìn)行，但地面不可能代表真實(shí)的深空環(huán)境，更何況地球和探測(cè)器之間往往要面臨非常大的雙向時(shí)延，最遠(yuǎn)時(shí)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(píng)估測(cè)試，幫助后續(xù)的修正和機(jī)動(dòng)做得更好。

“天問(wèn)一號(hào)”前往火星之旅，需要航天人全程保駕護(hù)航

所有因素綜合下來(lái)，任何一個(gè)火星探測(cè)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(dòng)。對(duì)于“天問(wèn)一號(hào)”而言，需要1次深空機(jī)動(dòng)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(cè)器的普遍情況。

2020年8月2日7時(shí)整，剛出發(fā)不久的“天問(wèn)一號(hào)”完成了首次軌道修正，3000牛推力的發(fā)動(dòng)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(duì)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(dòng)操作更加準(zhǔn)確。

9月20日23時(shí)整，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器4臺(tái)120N發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火工作20秒，順利完成第二次軌道中途修正，并在軌驗(yàn)證了120N發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能。在中國(guó)航天人的努力下，天問(wèn)一號(hào)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。

“天問(wèn)一號(hào)”飛行約7個(gè)月才能到火星，前途漫漫，充滿挑戰(zhàn)，背后支持它的是中國(guó)航天人的“最強(qiáng)大腦”。