為什麼天問一號要軌道修正和深空機動？

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，這遠遠超過了地月之間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會，提前幾個月發射，這種機會每隔約26個月才會出現。在2020年7月，人類再次迎來探測窗口，阿聯「希望號」、中國「天問一號」和美國「毅力號」三個任務相繼出發。

2000-2022年地球和火星距離變化，各探測任務在太空中飛行的時間區間

火星探測器在飛行過程中，需要藉助地火轉移軌道前往火星，這條軌道按照探測窗口不同，可能長達5-7億千米，耗時6-11個月不等。距離和時間也帶來了一個巨大的挑戰：地火轉移軌道只是一條理論軌道，而由於實際飛行情況極其複雜，它是不可能實現的，必須通過軌道修正和深空機動去逼近。

原因如下：

1.火箭入軌精度

火星探測器結構複雜、飛行距離遠、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，它需要中國現役最強的長徵五號火箭發射。歷史上各國的火星探測任務，也都需要依託各自的強力火箭系列。

長徵五號發射「天問一號」的壯觀場景©️Tea-Tia

火箭推力強勁，往往設計成多級，每級數臺發動機同時工作，最後一級甚至需要多次滑行和點火，最終才是星艦分離，整個過程都可能帶來微小偏差。因而，人類任何一款火箭都是不可能達到完美的入軌位置，那只是理論。

這也意味著，所有的火星探測器，從出發時，一定已經有了些許軌道誤差。且這個誤差處在起步階段，越早修正就能避免更多誤差積累。

2.火星探測器經歷極其複雜的受力擾動

舉個最簡單、也是航天領域最經典的三體問題：當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測，沒有準確模型能夠描述，只能不斷給出限定和假設，嘗試通過各種數值法去逼近。這就是著名的「三體問題無解」。

而對於火星探測器而言，遠遠不止三體問題這麼簡單。太陽系內各種天體，例如恆星、行星、矮行星、衛星、小行星、彗星、空間碎片、星際分子雲、甚至人類尚未發現的天體等，不計其數，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。

太陽系的萬物都在影響火星探測器軌道©️NASA+中文注釋

實際情況還要更加複雜，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生光壓，探測器本身熱輻射，探測器星載儀器開機引起的輻射，相對論效應，等等。這些力隨著探測器的工作狀態、在太陽系內位置、太陽活動強度、空間天氣等諸多因素影響，而這些因素幾乎不可能準確預測。

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。

3.軌道修正和深空機動本身也不精確

如果把「天問一號」飛往火星比做駕車行駛，或許更容易理解：它有一條規劃好的線路，這叫預定軌道。但基於前文分析，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，當需要拐彎時，你需要更大程度打方向盤，這是深空機動，是大機動。

打方向的過程中，也是你不斷了解方向盤性能的過程，這對於深空探測器更是如此。在進入太空前，所有的測試都是在地面進行，但地面不可能代表真實的深空環境，更何況地球和探測器之間往往要面臨非常大的雙向時延，最遠時往返通訊需要45分鐘。因而，軌道推進系統和姿態控制系統執行命令的精度到底如何，當然也需要進入軌道後評估測試，幫助後續的修正和機動做的更好。

「天問一號」前往火星之旅，需要航天人全程保駕護航

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移軌道上，中間需要數次軌道修正和深空機動。對於「天問一號」而言，需要1次深空機動和4-5次軌道修正。軌道修正次數可能發生變化：如果工作狀態極其理想，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0分，剛出發的「天問一號」完成了首次軌道修正，3000牛推力的發動機工作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「失之毫釐，謬以千裡」；另一方面，也讓航天人對推進系統的性能有了全方位了解，能讓後續的修正和機動操作更加準確。

9月20日23時整，天問一號探測器4臺120N發動機同時點火工作20秒，順利完成第二次軌道中途修正，並在軌驗證了120N發動機的實際性能。在中國航天人的努力下，天問一號發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。未來在大規模的深空機動後，也需要進行軌道修正。

「天問一號」飛行約7個月才能到火星，前途漫漫，充滿挑戰，背後支持它的是中國航天人的「最強大腦」。