即将开启“环火”之旅，“天问一号”被火星捕获有多难
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我国首次火星探测任务“天问一号”探测器在经历了近7个月的深空旅行后，即将抵达目的地。预计除夕前后，“天问一号”将进行近火制动（俗称“刹车”），开启环绕火星之旅。
投入火星“怀抱”的那一瞬间可以说是“步步惊心”——一旦在此刻与火星擦肩而过，就再也没有机会触摸这颗红色星球了。而在精准捕获的背后，凝聚了科学家和工程师们的精确计算与无数心血。事实上，从发射起飞的那一刻，“天问一号”就已经在为“环火”做准备了。
探测火星
出发需要卡准窗口
太阳居于太阳系的中心，由内向外，地球排第3位，火星紧随其后。地球环绕太阳一周需要约365天，火星则需要约687天。这种“不同步”导致地球和火星之间距离时刻在变化，从5500万千米到4亿千米不等。
从地球视角来看，火星与地球每隔780天（两年两个月）左右才“会合”一次：在780天内，地球绕太阳运行2周49度角时，恰好超过火星1周，二者相距最近（即火星冲日）。若以照操场跑步打比方的话，相当于780天后，跑在内道的地球恰好“套”了外道的火星一圈。
人类航天虽然经历了数十年发展，但运载火箭依然以利用化学能为主，远达不到科幻电影中无视星际旅行距离 “横冲直撞”的设定。故而，火星探测器的发射时间要求很苛刻，必须在每次地球与火星 “会合”之前几个月、火星相对于太阳的位置领先于地球特定角度的时候出发，瞄准6至11个月之后火星的位置，开启火星探测之旅，这样对火箭运载能力要求最低。
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▲“天问一号”探测器发射升空。新华社发
由于每次地球与火星“会合”的机会带来的理想探测窗口仅在一个月左右，探测任务如果赶不上出发，就要等待26个月后的下一次机会。这对于存在设计寿命且有着巨大保管维护成本的探测器而言，代价可能极大，甚至需要重造。
因此，及时抓住发射窗口，就等于提前“预订”了几个月后的火星引力捕获机会。2020年7月23日12时41分，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器搭乘长征五号遥四火箭，从文昌航天发射场升空，正式开始了火星之旅。
飞行途中
精准修正轨道瞄准火星
在实际飞行时，“天问一号”采取一种基于“霍曼转移”优化的从地球到火星轨道，它基本上就是一个和地球轨道、火星轨道相切的半椭圆。
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▲火星探测霍曼转移轨道示意图。 （制图：毛新愿）
理论上，这种方式仅需推进系统在离开地球和火星时两次加速，最为简单和节省能量。然而，在抵达火星轨道时，如果航天器没能及时冲进火星引力主导的范围内，就会被太阳巨大的引力重新吸引回来，永远失去探测火星的宝贵机会。
既然人类无法影响火星，为了保证航天器及时被火星捕获，就必须精准调整其状态。因此，在最初规划飞行轨迹时，就要精准计算出航天器与火星相遇的时机。
然而，这一切并不容易。一方面，火箭推力强劲，每级都有数台发动机同时工作，尤其是最后一级发动机要经历多次滑行和点火，每一个步骤都可能带来微小偏差，这些偏差累积起来，会使航天器很难达到最理想的入轨精度。另一方面，太阳系内天体众多，“天问一号”受到的各种作用力极为复杂。由于太阳活动强度和空间天气多变，它几乎不可能完全按照预定轨道飞行，必须进行轨道修正和深空机动，才能让“天问一号”与火星按时相遇。
如果把“天问一号”飞往火星比做驾车行驶，或许更容易理解。“天问一号”有一条规划好的线路，这叫预定轨道。但实际情况下，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，这就是轨道修正，又叫“小修”。同时，这条车道也不是完美的直线，当需要拐弯时，航天器就得更大程度打方向盘，这就是深空机动，也叫“大机动”。
由于长征五号火箭本次入轨精度极高，“天问一号”推进系统表现也非常精准，在飞行过程中，仅进行了一次深空机动和四次轨道修正，比预期的次数要少。2020年10月1日，“天问一号”通过分离测量传感器在深空中自拍，检验自身状态全部工作正常。那天正好是国庆节与中秋节难得一见的同期相遇，这张中国历史上最远最强的超级自拍，为祖国人民送上了最好的祝福：鲜艳的五星红旗在太空深处熠熠生辉。
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