探测器|石豪：有那么15分钟，我们完全没有天问一号的消息_发动机点火|进行了|地球|飞行

【文/观察者网专栏作者石豪】
这个春节，来自1.92亿公里外的一声“春节快乐” ，在全世界面前展现了中国科技的新高度。
这声问候，是已经飞行了200余天的“天问一号”发出的。
北京时间2021年2月10日19时52分， “天问一号”火星探测器成功实施近火捕获制动，顺利进入大椭圆火星轨道。我国首次火星探测任务的“绕、着、巡”胜利完成第一步——“绕” 。
火星，这颗千百年来承载了人类太多梦想与期盼的红色星球，终于迎来了第一颗中国卫星。
奔火之路
天问一号探测器是2020年7月23日，由长征五号运载火箭自文昌发射升空的。凭借长征五号强大的运载能力，重达5吨的天问一号探测器组合体被直接加速到超过11.2千米/秒的地球逃逸速度，摆脱地球引力进入地火转移轨道，成为绕太阳公转的人造卫星。
这是中国运载火箭首次超越第二宇宙速度。

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天问一号发射瞬间。图片来源：新华社
在飞向火星的过程中，天问一号进行了一次轨道机动和四次轨道修正，每一次都有自己特殊的作用在其中。
探测器在发射后是按照预定轨道在太空中飞行的，为了减少实际轨道与预定轨道的偏差而采取的轨道控制叫“轨道修正” ，一般来说只要入轨精度够高，轨道修正需要消耗的燃料都比较少。
“轨道机动”则是让探测器进入新轨道而采取的轨道控制，当然这并不是说探测器出了问题需要临时变道，而是早在任务设计中就确定的。
一般来说，如果探测器的发射行星和目标行星处于同一个平面上，那通过最简单的共面转移就能抵达，这就是航天动力学中著名的“霍曼转移”（Hohmann Transfer）。

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霍曼转移示意图。图片来源：Robert A. Braeunig
但火星绕太阳公转的平面与地球公转平面（黄道面）并不吻合，带有一个小的夹角，因此地球火星之间的转移轨道就不在黄道面上，而是三维立体的。

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地火非共面转移示意图。图片来源：Robert A. Braeunig
这也正是天问一号进行轨道机动的原因， 2020年10月9日，天问一号的3000N主发动机点火480多秒，顺利完成深空机动，保证了探测器能够准时与火星交会。

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天问一号深空机动示意图，可以看到天问一号的转移轨道与火星有一个小夹角。图片来源：国家航天局
而深空机动的完美实施，离不开科学家为天问一号安排的轨道修正。
天问一号是一个重达5吨的大家伙，包含轨道器、着陆器和巡视器，配备了3000N主发动机、多台120N和25N发动机，在世界各国的第一颗火星探测器中是质量最大、功能最多、设计最复杂精妙的，没有之一。

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天问一号探测器。图片来源：人民网
为了能让天问一号的多种发动机精确工作，就需要在轨对发动机的实际性能和工况进行精确测量和标定。 2020年8月2日，天问一号第一次轨道修正， 3000N主发动机首次点火工作，并进行了性能实测；9月20日，天问一号第二次轨道修正， 4台120N发动机同时点火工作，在轨验证了发动机的实际性能；10月28日，天问一号第三次轨道修正， 8台25N发动机同时点火工作，并对发动机性能进行了在轨标定。
这样，在进入火星轨道之前，所有姿轨控发动机都进行了实际点火与标定，探测器会根据实测数据对点火时间进行微调，保证天问一号的精准飞行。
可以说，万事俱备，只待“刹车” 。
完美刹车
2021年2月5日，天问一号进行了第四次轨道修正，此时探测器在茫茫太空中累计飞行了4.65亿千米，距离地球1.84亿千米，距离火星仅110万千米。国家航天局也发布了天问一号在距离火星220万千米处获取的第一幅火星图像。

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天问一号的第一幅火星图像。图片来源：国家航天局
行百里者半九十。别看距离火星已经近在咫尺，但天问一号毕竟还是一颗绕太阳飞行的人造卫星，速度过快。如果不及时踩一脚刹车，探测器将与火星擦肩而过， “一失足成千古恨，再回首已百年身” 。
但刹车太早也不行。如果急着踩刹车的话，探测器很容易过度减速，导致近火点与火星表面太近。别忘了，火星表面是有大气的，探测器离得太近会进一步失去速度从而坠毁在火星上，甚至可能直接被火星大气破坏。
时机很重要，机会只有一次。
所以天问一号要在快绕到火星“背面”的时候开始制动捕获点火， 3000N主发动机全力输出，工作时间长达15分钟，以至于关机时探测器已身处阴影区，从地球看去被火星完全遮挡。
这个时候，我们在地球上完全无法获得天问一号的消息。
更为关键的是，天问一号离我们已经太远了，远到自然界的速度极限——电磁波也需要近10.7分钟才能抵达地球，我们接收到的信号，都是探测器11分钟以前发出的。
在航天工程中，有时候几毫秒的延迟都是不可接受的，更何况10.7分钟， “Ping太高了” 。
一切只能靠天问一号自己。
天问一号火星捕获过程影像。来源：国家航天局
2021年2月11日20时50分许，地面测控中心准时收到来自飞出阴影区的天问一号的消息。经过确认，天问一号探测器已经进入近火点高度约400千米、远火点高度约180000千米、周期约10个地球日、轨道倾角约10°的大椭圆环火轨道，成为火星的一颗人造卫星。
【探测器|石豪：有那么15分钟，我们完全没有天问一号的消息】举国欢腾。

探测器|石豪：有那么15分钟，我们完全没有天问一号的消息

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