一次说清楚，为什么天问一号要轨道修正和深空机动？_风闻

来源：微信公众号“中国航天日”

9月20日23时，在我国首次火星探测任务飞行控制团队控制下，天问一号探测器4台120N发动机同时点火工作20秒，顺利完成第二次轨道中途修正，并在轨验证了120N发动机的实际性能。

所以到底是什么原因，火星探测器需要不断地轨道修正和深空机动呢？

我们知道，火星虽是地球的邻居，与地球之间的距离却在5500万到4亿千米之间不断变化，这远远超过了地月之间38万千米的平均距离。在选择火星探测窗口时，需要利用地球和火星每次靠近的机会，提前几个月发射，这种机会每隔约26个月才会出现。

2000-2022年地球和火星距离变化，各探测任务在太空中飞行的时间区间

探测器的奔火之旅，轨道按照探测窗口不同，可能长达5-7亿千米，耗时6-11个月不等。距离和时间带来了一个巨大的挑战：由于实际飞行情况极其复杂，理论轨道是不可能完全实现的，必须通过轨道修正和深空机动去尽量逼近。

火箭入轨精度

火星探测器结构复杂、飞行距离远、重量较大，对火箭要求很高。例如“天问一号”要一次完成“绕、着、巡”三大工程目标，它需要中国现役运载能力最强的“长征五号”运载火箭发射。

长征五号发射“天问一号”的壮观场景

火箭推力强劲，往往设计成多级，每级数台发动机同时工作，最后一级甚至需要多次滑行和点火，最终才是星箭分离，整个过程随时都可能会带来微小偏差。因此，完美的入轨位置从来都只是理论值，人类目前任何一款火箭都无法达到。

这也意味着，所有的火星探测器，从出发时，就已经有了些许轨道误差。好在这个误差尚处在起步阶段，越早修正就能避免更多误差积累。

火星探测器经历极其复杂的受力扰动

举个最简单、也是航天领域最经典的三体问题：当三个物体在引力作用下自由移动时，它们的轨道就完全无法预测，没有准确模型能够描述，只能不断给出限定和假设，尝试通过各种数值法去逼近。这就是著名的**“三体问题无解”**。

而对于火星探测器而言，远远不止三体问题这么简单。太阳系内各种天体，例如恒星、行星、矮行星、卫星、小行星、彗星、空间碎片、星际分子云甚至人类尚未发现的天体等，不计其数，它们都在向火星探测器施加万有引力。甚至隔着屏幕的你我，从理论上讲，我们也在努力把它“吸回地球”，只不过这个力太过渺小而已。

太阳系的万物都在影响火星探测器轨道©️NASA+中文注释

**实际情况还要更加复杂，会有很多非引力项存在，它们又可以叫做非保守力。**例如太阳辐射的光子会打在探测器表面产生光压，探测器本身热辐射，探测器星载仪器开机引起的辐射，相对论效应……等等。这些力随着探测器的工作状态、在太阳系内位置、太阳活动强度、空间天气等诸多因素的变化而变化，且这些因素几乎不可能准确预测。

因而，即便最聪明的航天轨道专家使用最厉害的电脑，考虑到所有可能的因素，依然只是“纸上谈兵”，不可能接近真实，只可能尽最大可能接近。

轨道修正和深空机动本身也不精确

如果把“天问一号”飞往火星比做驾车行驶，或许更容易理解：

它有一条规划好的线路，这叫预定轨道。

但基于前文分析，大家也了解它一定会跑偏一些，所以需要偶尔微调方向盘，让它保持在车道中间——这是轨道修正，是小修。

而车道也不是完美的直线，当需要拐弯时，你需要更大程度打方向盘——这是深空机动，是大机动。

打方向的过程中，也是你不断了解方向盘性能的过程，这对于深空探测器更是如此。在进入太空前，所有的测试都是在地面进行，但地面不可能代表真实的深空环境，更何况地球和探测器之间往往要面临非常大的双向时延，最远时往返通讯需要数十分钟。因而，轨道推进系统和姿态控制系统执行命令的精度到底如何，当然也需要进入轨道后评估测试，帮助后续的修正和机动做得更好。

“天问一号”前往火星之旅，需要航天人全程保驾护航

所有因素综合下来，任何一个火星探测器都不可能飞在一条理想的地火转移轨道上，中间需要数次轨道修正和深空机动**。**对于“天问一号”而言，需要1次深空机动和4-5次轨道修正。

轨道修正次数可能发生变化：如果工作状态极其理想，可以减少；考虑到具体情况，也可能增加。这也是所有火星探测器的普遍情况。

2020年8月2日7时整，刚出发不久的“天问一号”完成了首次轨道修正，3000牛推力的发动机工作20秒钟。一方面，它可以修正火箭入轨误差和初始轨道偏差，毕竟刚起步阶段极其重要，一定要小心“失之毫厘，谬以千里”；另一方面，也让航天人对推进系统的性能有了全方位了解，能让后续的修正和机动操作更加准确。

9月20日23时整，天问一号探测器4台120N发动机同时点火工作20秒，顺利完成第二次轨道中途修正，并在轨验证了120N发动机的实际性能。在中国航天人的努力下，天问一号发射入轨和第一次中途修正的精度很高，因此本次修正量很小。

“天问一号”飞行约7个月才能到火星，前途漫漫，充满挑战，背后支持它的是中国航天人的“最强大脑”。