什么是天问一号刚进行的轨道修正?

2020年8月2日7时0分,天问一号的发动机工作20秒钟,完成第一次轨道中途修正,继续飞向火星,未来它还会择机进行数次机动。

进行轨道修正的根本原因在于:任何计算出的探测器理论轨道都是不可能实现的,只能尽量通过轨道修正去逼近。

因为探测器在飞行过程中遇到的各种力太复杂,不可能准确预测。举个最简单的例子,三体问题:当三个天体在引力作用下自由移动时,它们的轨道就完全无法预测,没有办法通过公式描述,只能通过各种数值法去逼近,或者给出各种限定条件和假设。这就是所谓的“三体问题无解”。

而对于深空探测器而言,起步就是更加无解的N体问题,太阳、八大行星、十余颗矮行星、数百颗卫星、无数的小行星和彗星、各种残留的星际分子云和碎片,甚至整个宇宙内知道和不知道的天体,它们都在各个方向对天问一号施加引力。甚至比如你我,也会隔着300万千米吸引着天问一号“回地球”,真·“万有引力”。

实际情况远不止如此,还会有太阳光打在探测器表面产生的压力、探测器本身热辐射导致的压力、探测器通讯天线开机工作产生的压力、相对论效应等等。这些因素甚至会随着太阳活动强度、探测器所处位置、甚至探测器本身的姿态等因素影响,也极难准确预测。发动机工作时,也不可能做到极度精准。

所有因素综合下来,任何探测器都不可能飞在一条理想的理论轨道上。因为理论轨道,事实上是不可能存在的,它只是科学家在电脑、甚至超级计算机上尽力考虑所有因素计算出来的而已,“纸上谈兵”。

所以理论轨道只是参考,在实际飞行过程中,航天工程师需要随时测算探测器的位置,并与理论轨道对比。当发现存在偏差且有必要时,就必须进行轨道修正。一般情况不需要很大的修正,仅需发动机工作推动极短时间微调即可,例如天问一号第一次轨道修正仅有20秒钟工作时间。毕竟科学家们很聪明很努力,把上述的力学模型计算已经尽最大可能细化反映真实情况,实际飞行情况和理论轨道应该“八九不离十”。

所以:修,必然要修。但即便修,也是小修。

所有轨道修正中,第一次实在太重要了,所谓失之毫厘谬以千里。天问一号走了快10天,大约才300万千米的旅程,它眼前还有约5亿千米才能到火星。如果起步阶段的误差不修正,这个误差就会不断扩大,甚至错过火星。

毫无疑问,在未来天问一号还需要进行轨道修正。发射后大家大概规划了几次修正,但最终到底需要进行几次,每次到底需要发动机工作多久,到底需要消耗多少推进剂,都不一定。都需要根据具体情况,由地球上的中国航天人精准计算并决策。

天问一号飞行约7个月才能到火星,背后支持它的是中国航天人的“最强大脑”。

(图源:国家航天局/中国航天报)