2020年7月23日，天问一号探测器发射升空，2021年2月11日，除夕之夜，科学爱好者，除了在家里陪老婆孩子吃年夜饭，喝美酒，最关心的就是我国的第一颗火星探测器“天问一号”的火星重力捕获的问题了。可能春节晚会也要提上好几次的。
这是举家团圆、喜庆的日子，也是科学家们密切坚守的日子，对于科学爱好者，是开心的日子。
看看上面的示意图，几个月之前，我们就从地球出发，沿着一条叫做“霍曼转移轨道”的线路，奔向交汇点，当时的火星，应该在图片的下方呢。
经过科学家们几个世纪以来的观测，基本上做到了呕心沥血的程度，把火星的轨道、重力、体积、亮度等参数计算得非常精确了，从宇航的角度看，可能精确到毫米这样的级别。
上面的示意图，太阳、地球、火星都是作者假想的，实际上从太阳系角度来看，如果在十平方米大小的显示屏上，显示地球与火星的轨道面模拟图，这两个行星的大小都不会超过“几个像素”的级别，对人眼来讲，就是一个亮点而已。
从地球发射的一枚火箭飞向火星，除了轨道计算之外，最主要的是考虑到各种技术因素导致的轨道偏差，需要及时纠正航向。
这么大尺度的飞行，稍微偏差一秒（角度单位），可能差距就在几百万公里，因此需要不断修正自己的航向。
天问一号在200万公里外拍摄的火星照片
- 光学捕捉
虽然火星看起来是一个点，但是它在天问一号的仪器中，还是可以被光学捕捉到的，只要在感光CCD上面位移一个像素，计算机都能够辨认出来，利用各种公式计算一下，就可以得出距离、方向这样的参数来，随后启动小火箭也好、霍尔推进器也好，开始修正方向。
反正这几个月都是这样过来的。每隔一段时间，拍张照片，看看火星在图纸上的误差，积累到一定程度就可以修正航向了。也就是说，“霍曼转移轨道”也是被不断修正的结果。
于是在距离200万公里的时候，天问一号开始为火星拍照了，当然随着距离的进一步接近，拍摄的照片会更多，甚至可能有彩色照片传回来。
- 雷达追踪
距离火星几百万公里的时候，在光学观测部分，火星的位移可能极其微弱，靠光学捕捉已经不可能了，基本上超出了仪器的最小测量范围，这个时候，就可以采用雷达跟踪，向火星发射雷达波，通过定位反射的雷达波，不但可以知道角度，还能知道距离。
雷达波的速度是光速，对于航向纠正的延时，也就数十秒而已，天问一号的速度每秒只有十几公里（相对于地球），贼慢的。
- 引力探测
在距离火星200万公里的时候，实际上，探测器已经调转角度，推进器向前，开始了减速过程。这时候，雷达继续工作着，内部的引力探测器开始工作，要知道在这个尺度上，引力探测器可以抓到1/10000牛的引力变化值！
引力探测是一个信号放大过程，具体可以参照“卡文迪许扭秤”试验，天文仪器上面的东东，原理类似。
以上的多个探测数据组合起来，就可以正确描述“天问一号”的入轨参数了。根据这个参数，调整减速，就可以被火星捕获，停留在火星上空旋转好几圈，成为火星的人造卫星，顺便拍摄大量全景照片、测量磁场、检测太阳辐射什么的。
如果方便的话，天问一号还可能拍摄木星或者小星星带的照片，毕竟距离木星也近了一亿公里。
- 捕获失败的概念有两个：
第一，天问一号路过火星的时候，距离太远，属于擦肩而过，想掉头也来不及了，直接就飞往木星轨道了。
第二就是一头撞向火星，应用程序还没来得及打开减速伞，直接就“咣当”了，这是最糟糕的情况。
04 一切都是数学，探索精神很重要，经济实力是基础火星探索，除了工程技术，其实最根本的就是数学应用，探索就是一个试错的过程，毕竟上亿公里的距离，飞一趟，真的很花费时间和金钱的。
才发射5.3吨重的探测器，就如此大费周章，想要载人登陆火星，来回飞行要一年的话，可不得带上100吨的东东？其难度可想而知，花费20000亿美元肯定不在话下。
想想看，埃隆·马斯克小朋友正在为火星移民做准备，还是先恭喜他能够挣到几万亿美元再说吧。
当然，这里不是贬低马斯克，他的探索精神是值得肯定的。人类的很多高科技，其实本质上就是“疯子”研究出来的。
明天见分晓了，大家翘首以盼！
