天问一号探测器完成第二次轨道中途修正
天问一号探测器完成第二次轨道中途修正观察者网微信公众号“中国探月工程”9月21日消息 ， 2020年9月20日23时 ， 在我国首次火星探测任务飞行控制团队操作下 ， 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发动机实际性能 。 截至目前 ， 天问一号已在轨飞行60天 ， 距离地球约1900万千米 ， 飞行里程约1.6亿千米 ， 探测器各系统状态良好 ， 地面测控通信各中心和台站跟踪正常 。 中途修正是指在探测器飞行过程中 ， 对各种原因导致的轨道偏离进行修正 ， 使探测器更贴近理论轨道飞行 。 天问一号发射入轨和第一次中途修正的精度很高 ， 本次修正量很小 。 国家国防科技工业局“中国的航天”微信公众号同日发文 ， 介绍天问一号要轨道修正和深空机动的原因：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 。 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 。 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 。 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” 。
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