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【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 石豪】

這個春節(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”發(fā)出的。

北京時間2021年2月10日19時52分，“天問一號”火星探測器成功實施近火捕獲制動，順利進入大橢圓火星軌道。我國首次火星探測任務的“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

天問一號探測器是2020年7月23日，由長征五號運載火箭自文昌發(fā)射升空的。憑借長征五號強大的運載能力，重達5噸的天問一號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。

這是中國運載火箭首次超越第二宇宙速度。

天問一號發(fā)射瞬間。圖片來源：新華社

在飛向火星的過程中，天問一號進行了一次軌道機動和四次軌道修正，每一次都有自己特殊的作用在其中。

探測器在發(fā)射后是按照預定軌道在太空中飛行的，為了減少實際軌道與預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。

“軌道機動”則是讓探測器進入新軌道而采取的軌道控制，當然這并不是說探測器出了問題需要臨時變道，而是早在任務設計中就確定的。

一般來說，如果探測器的發(fā)射行星和目標行星處于同一個平面上，那通過最簡單的共面轉(zhuǎn)移就能抵達，這就是航天動力學中著名的“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

這也正是天問一號進行軌道機動的原因，2020年10月9日，天問一號的3000N主發(fā)動機點火480多秒，順利完成深空機動，保證了探測器能夠準時與火星交會。

天問一號深空機動示意圖，可以看到天問一號的轉(zhuǎn)移軌道與火星有一個小夾角。圖片來源：國家航天局

而深空機動的完美實施，離不開科學家為天問一號安排的軌道修正。

天問一號是一個重達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)動機、多臺120N和25N發(fā)動機，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、設計最復雜精妙的，沒有之一。

天問一號探測器。圖片來源：人民網(wǎng)

為了能讓天問一號的多種發(fā)動機精確工作，就需要在軌對發(fā)動機的實際性能和工況進行精確測量和標定。2020年8月2日，天問一號第一次軌道修正，3000N主發(fā)動機首次點火工作，并進行了性能實測；9月20日，天問一號第二次軌道修正，4臺120N發(fā)動機同時點火工作，在軌驗證了發(fā)動機的實際性能；10月28日，天問一號第三次軌道修正，8臺25N發(fā)動機同時點火工作，并對發(fā)動機性能進行了在軌標定。

這樣，在進入火星軌道之前，所有姿軌控發(fā)動機都進行了實際點火與標定，探測器會根據(jù)實測數(shù)據(jù)對點火時間進行微調(diào)，保證天問一號的精準飛行。

可以說，萬事俱備，只待“剎車”。

完美剎車

2021年2月5日，天問一號進行了第四次軌道修正，此時探測器在茫茫太空中累計飛行了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)布了天問一號在距離火星220萬千米處獲取的第一幅火星圖像。

天問一號的第一幅火星圖像。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，導致近火點與火星表面太近。別忘了，火星表面是有大氣的，探測器離得太近會進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。

時機很重要，機會只有一次。

所以天問一號要在快繞到火星“背面”的時候開始制動捕獲點火，3000N主發(fā)動機全力輸出，工作時間長達15分鐘，以至于關(guān)機時探測器已身處陰影區(qū)，從地球看去被火星完全遮擋。

這個時候，我們在地球上完全無法獲得天問一號的消息。

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

在航天工程中，有時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自己。

天問一號火星捕獲過程影像。來源：國家航天局

2021年2月11日20時50分許，地面測控中心準時收到來自飛出陰影區(qū)的天問一號的消息。經(jīng)過確認，天問一號探測器已經(jīng)進入近火點高度約400千米、遠火點高度約180000千米、周期約10個地球日、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。