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【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 石豪】

這個(gè)春節(jié)，來自1.92億公里外的一聲“春節(jié)快樂”，在全世界面前展現(xiàn)了中國科技的新高度。

這聲問候，是已經(jīng)飛行了200余天的“天問一號(hào)”發(fā)出的。

北京時(shí)間2021年2月10日19時(shí)52分，“天問一號(hào)”火星探測器成功實(shí)施近火捕獲制動(dòng)，順利進(jìn)入大橢圓火星軌道。我國首次火星探測任務(wù)的“繞、著、巡”勝利完成第一步——“繞”。

火星，這顆千百年來承載了人類太多夢想與期盼的紅色星球，終于迎來了第一顆中國衛(wèi)星。

奔火之路

天問一號(hào)探測器是2020年7月23日，由長征五號(hào)運(yùn)載火箭自文昌發(fā)射升空的。憑借長征五號(hào)強(qiáng)大的運(yùn)載能力，重達(dá)5噸的天問一號(hào)探測器組合體被直接加速到超過11.2千米/秒的地球逃逸速度，擺脫地球引力進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，成為繞太陽公轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星。

這是中國運(yùn)載火箭首次超越第二宇宙速度。

天問一號(hào)發(fā)射瞬間。圖片來源：新華社

在飛向火星的過程中，天問一號(hào)進(jìn)行了一次軌道機(jī)動(dòng)和四次軌道修正，每一次都有自己特殊的作用在其中。

探測器在發(fā)射后是按照預(yù)定軌道在太空中飛行的，為了減少實(shí)際軌道與預(yù)定軌道的偏差而采取的軌道控制叫“軌道修正”，一般來說只要入軌精度夠高，軌道修正需要消耗的燃料都比較少。

“軌道機(jī)動(dòng)”則是讓探測器進(jìn)入新軌道而采取的軌道控制，當(dāng)然這并不是說探測器出了問題需要臨時(shí)變道，而是早在任務(wù)設(shè)計(jì)中就確定的。

一般來說，如果探測器的發(fā)射行星和目標(biāo)行星處于同一個(gè)平面上，那通過最簡單的共面轉(zhuǎn)移就能抵達(dá)，這就是航天動(dòng)力學(xué)中著名的“霍曼轉(zhuǎn)移”（Hohmann Transfer）。

霍曼轉(zhuǎn)移示意圖。圖片來源：Robert A. Braeunig

但火星繞太陽公轉(zhuǎn)的平面與地球公轉(zhuǎn)平面（黃道面）并不吻合，帶有一個(gè)小的夾角，因此地球火星之間的轉(zhuǎn)移軌道就不在黃道面上，而是三維立體的。

地火非共面轉(zhuǎn)移示意圖。圖片來源：Robert A. Braeunig

這也正是天問一號(hào)進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)的原因，2020年10月9日，天問一號(hào)的3000N主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火480多秒，順利完成深空機(jī)動(dòng)，保證了探測器能夠準(zhǔn)時(shí)與火星交會(huì)。

天問一號(hào)深空機(jī)動(dòng)示意圖，可以看到天問一號(hào)的轉(zhuǎn)移軌道與火星有一個(gè)小夾角。圖片來源：國家航天局

而深空機(jī)動(dòng)的完美實(shí)施，離不開科學(xué)家為天問一號(hào)安排的軌道修正。

天問一號(hào)是一個(gè)重達(dá)5噸的大家伙，包含軌道器、著陸器和巡視器，配備了3000N主發(fā)動(dòng)機(jī)、多臺(tái)120N和25N發(fā)動(dòng)機(jī)，在世界各國的第一顆火星探測器中是質(zhì)量最大、功能最多、設(shè)計(jì)最復(fù)雜精妙的，沒有之一。

天問一號(hào)探測器。圖片來源：人民網(wǎng)

為了能讓天問一號(hào)的多種發(fā)動(dòng)機(jī)精確工作，就需要在軌對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能和工況進(jìn)行精確測量和標(biāo)定。2020年8月2日，天問一號(hào)第一次軌道修正，3000N主發(fā)動(dòng)機(jī)首次點(diǎn)火工作，并進(jìn)行了性能實(shí)測；9月20日，天問一號(hào)第二次軌道修正，4臺(tái)120N發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火工作，在軌驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能；10月28日，天問一號(hào)第三次軌道修正，8臺(tái)25N發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火工作，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行了在軌標(biāo)定。

這樣，在進(jìn)入火星軌道之前，所有姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)都進(jìn)行了實(shí)際點(diǎn)火與標(biāo)定，探測器會(huì)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)點(diǎn)火時(shí)間進(jìn)行微調(diào)，保證天問一號(hào)的精準(zhǔn)飛行。

可以說，萬事俱備，只待“剎車”。

完美剎車

2021年2月5日，天問一號(hào)進(jìn)行了第四次軌道修正，此時(shí)探測器在茫茫太空中累計(jì)飛行了4.65億千米，距離地球1.84億千米，距離火星僅110萬千米。國家航天局也發(fā)布了天問一號(hào)在距離火星220萬千米處獲取的第一幅火星圖像。

天問一號(hào)的第一幅火星圖像。圖片來源：國家航天局

行百里者半九十。別看距離火星已經(jīng)近在咫尺，但天問一號(hào)畢竟還是一顆繞太陽飛行的人造衛(wèi)星，速度過快。如果不及時(shí)踩一腳剎車，探測器將與火星擦肩而過，“一失足成千古恨，再回首已百年身”。

但剎車太早也不行。如果急著踩剎車的話，探測器很容易過度減速，導(dǎo)致近火點(diǎn)與火星表面太近。別忘了，火星表面是有大氣的，探測器離得太近會(huì)進(jìn)一步失去速度從而墜毀在火星上，甚至可能直接被火星大氣破壞。

時(shí)機(jī)很重要，機(jī)會(huì)只有一次。

所以天問一號(hào)要在快繞到火星“背面”的時(shí)候開始制動(dòng)捕獲點(diǎn)火，3000N主發(fā)動(dòng)機(jī)全力輸出，工作時(shí)間長達(dá)15分鐘，以至于關(guān)機(jī)時(shí)探測器已身處陰影區(qū)，從地球看去被火星完全遮擋。

這個(gè)時(shí)候，我們?cè)诘厍蛏贤耆珶o法獲得天問一號(hào)的消息。

更為關(guān)鍵的是，天問一號(hào)離我們已經(jīng)太遠(yuǎn)了，遠(yuǎn)到自然界的速度極限——電磁波也需要近10.7分鐘才能抵達(dá)地球，我們接收到的信號(hào)，都是探測器11分鐘以前發(fā)出的。

在航天工程中，有時(shí)候幾毫秒的延遲都是不可接受的，更何況10.7分鐘，“Ping太高了”。

一切只能靠天問一號(hào)自己。

天問一號(hào)火星捕獲過程影像。來源：國家航天局

2021年2月11日20時(shí)50分許，地面測控中心準(zhǔn)時(shí)收到來自飛出陰影區(qū)的天問一號(hào)的消息。經(jīng)過確認(rèn)，天問一號(hào)探測器已經(jīng)進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400千米、遠(yuǎn)火點(diǎn)高度約180000千米、周期約10個(gè)地球日、軌道傾角約10°的大橢圓環(huán)火軌道，成為火星的一顆人造衛(wèi)星。

舉國歡騰。