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空间望远镜接连罢工 都是陀螺仪惹的祸?

来源:科技日报    发布日期:2018-10-22

    对天文学家来说,“坏消息”最近接踵而至。

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    先是哈勃空间望远镜因陀螺仪故障暂停科学观测。紧接着,钱德拉空间望远镜也进入安全模式。尽管后者的原因还在排查中,但也不排除陀螺仪失灵的情况。

    再往前追溯,开普勒空间望远镜也曾经因为陀螺仪故障而被迫改造为K2望远镜继续工作。

    那么,屡屡“罢工”的陀螺仪对空间望远镜观测来说意味着什么?空间望远镜在太空中还会面对哪些其他风险?科学家和工程师在打造空间望远镜时又是如何考量的?

    确保望远镜姿态稳定指向精确

    在茫茫宇宙中,天文学家们想要观测的可能是某一个特定的天区或天体。如何能让在轨道上运行的空间望远镜“听话”地指向观测目标呢?

    “这主要依赖由陀螺仪等组成的瞄准控制系统来实现。陀螺仪可以测量出望远镜的移动速度,确保它在观测中能保持稳定的姿态和正确的指向。”中科院国家天文台研究员平劲松介绍道。

    形象一点说,空间望远镜在空中的观测主要是给特定的目标“拍照”。生活中,相信大家都有过因手抖而拍出模糊照片的体验。

    “而有了陀螺仪的帮助,空间望远镜就可以保持稳定的姿态,通过长时间的曝光拍出清晰的图像,满足科学家的观测需求。” 中科院长春光学精密机械与物理研究所空间新技术部主任徐伟解释道。

    事实上,陀螺仪不仅应用在高大上的空间望远镜里,也许还藏在你的手机里。当你按下快门时,陀螺仪会测量出手机翻转的角度,将手抖产生的偏差反馈给图像处理器,对镜头的抖动方向及位移给出补偿,从而拍出清晰的图片。

    听上去,陀螺仪好像有着“定海神针”一样的效果。如此重要的部件,自然是轻易不能坏。2009年,在对哈勃空间望远镜进行第4次维修时,宇航员全部更换了它的6个陀螺仪,其中有3个是增强型陀螺仪,预计使用寿命更长。

    平劲松介绍,来自美国国家航空航天局的消息显示,目前哈勃望远镜只剩下两个增强型陀螺仪在运行。尽管在只有1个陀螺仪运转的情况下,哈勃望远镜也可以维持相对低效率的工作,但要有3个陀螺仪正常工作,它才能最高效地进行观测。

    风险不只来自失灵的陀螺仪

    尽管最近的消息,大多聚焦于失灵的陀螺仪,但空间望远镜在复杂的空间环境里运行,还面临着许多其他的挑战。

    如果将这些风险进行排序,平劲松认为,首要的是能源系统,如果一旦没有能源保障,就无法工作了。目前空间望远镜能源系统主要由太阳能帆板电池组成。如果太阳能帆板不能正常打开,或者因老化不能正常工作,“断电”的后果也是很恐怖的。

    其次,是包括陀螺仪在内的关键部件出现老化失灵,带来姿态控制等方面问题,以至于难以进行科学观测。

    在徐伟看来,一般而言,在设计寿命期里,空间望远镜陀螺仪出现故障的概率比较低。而超长时间服役带来的老化失灵,则是很正常的现象,没有什么可大惊小怪的。

    再者,就是宇宙中的超高能带电粒子对望远镜内部电子设备的冲击。平劲松介绍,很多情况下,超高能带电粒子诱发的航天器异常表现为,电子设备或系统出现数据或逻辑状态跳变、工作模式非受控地切换、逻辑运行或执行操作异常等故障。

    “有些电子设备或系统故障,可以通过地面工作人员对系统进行重启来进行修复,有些则会导致航天器彻底失灵,无法正常工作。”平劲松说道。

    此外,来自宇宙中较大尘埃的撞击,可能带来望远镜表面器械的损伤。如果撞到镜筒,可能影响相对较小,一旦伤及镜面会影响观测。

    作为空间望远镜中的主力大将,哈勃空间望远镜、钱德拉空间望远镜,目前都是暂停科学观测的状态。万一它们就此退役,那有相关观测需求的天文学家们还可以指望谁?

    徐伟介绍,由美国国家航空航天局、欧洲空间局等联合研发的詹姆斯·韦伯空间望远镜,目前正在紧锣密鼓的研制中。尽管其发射时间一直在推迟。但有着“史上最强大空间望远镜”之称的它,仍然被天文学界寄予厚望。

    对挑战尽量做足冗余备份

    听上去好像困难重重,但事实上,大多数空间望远镜升空后都表现卓越,不仅能完成预定任务,还常常超期服役。

    比如,最近暂时“休眠”的哈勃空间望远镜,原计划工作15年就“退休”,现在已经工作了28年多。同样,设计寿命5年的钱德拉望远镜也已经服役了19年。

    取得这样的战果,除了要有一颗“越挫越勇”的心之外,科学家和工程师在设计制造空间望远镜时对冗余和备份的考虑功不可没。针对望远镜每一个器件,都有一整套的设计、评估、测试的经验和相应的工业等级要求。比如,一个器件设计寿命8年,那它实际寿命可能是15年或更久。

    空间望远镜通常造价不菲,升空之后的维修成本也非常之高。为了应对充满未知的空间环境,科学家和工程师在设计时对风险做了尽可能的防范。

    对此,平劲松举例道,在能源系统上,采用太阳能供电系统的同时,多数航天器会同时携带化学燃料作为补充。除了化学燃料,还可能携带少量的惰性气体,将其电离形成由离子和电子组成的等离子体。其中,离子在电场作用下加速喷出,产生的推力可维持较长时间的运行。

    而面对可能发生的碰撞,比如流星雨带来的尘埃,除了安装防护装置以外,还可以通过地面工作人员的操作,通过变轨实现避让。

    当然,再多的冗余和备份,以及各种事后的补救维修,都不是万能的。再勤奋的望远镜都有“退休”的那一天。退役后的空间望远镜会有着怎样的归宿?

    为了避免产生太多的太空垃圾,退役后受控的望远镜,有些会按照预定程序以各种方式焚毁。有些则会上升到比地球同步轨道更高一些的地方,那里被称作是“太空坟墓”。

    剩下的不受控的望远镜,可能就在太空中四处漫步,以它自己的方式凝望宇宙。

作者:记者 唐 婷编辑:蔡思颖
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