空間望遠(yuǎn)鏡接連罷工都是陀螺儀惹的禍?
對天文學(xué)家來說,“壞消息”最近接踵而至。
先是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡因陀螺儀故障暫??茖W(xué)觀測。緊接著,錢德拉空間望遠(yuǎn)鏡也進(jìn)入安全模式。盡管后者的原因還在排查中,但也不排除陀螺儀失靈的情況。
再往前追溯,開普勒空間望遠(yuǎn)鏡也曾經(jīng)因?yàn)橥勇輧x故障而被迫改造為K2望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)工作。
那么,屢屢“罷工”的陀螺儀對空間望遠(yuǎn)鏡觀測來說意味著什么?空間望遠(yuǎn)鏡在太空中還會面對哪些其他風(fēng)險(xiǎn)?科學(xué)家和工程師在打造空間望遠(yuǎn)鏡時又是如何考量的?
確保望遠(yuǎn)鏡姿態(tài)穩(wěn)定指向精確
在茫茫宇宙中,天文學(xué)家們想要觀測的可能是某一個特定的天區(qū)或天體。如何能讓在軌道上運(yùn)行的空間望遠(yuǎn)鏡“聽話”地指向觀測目標(biāo)呢?
“這主要依賴由陀螺儀等組成的瞄準(zhǔn)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。陀螺儀可以測量出望遠(yuǎn)鏡的移動速度,確保它在觀測中能保持穩(wěn)定的姿態(tài)和正確的指向。”中科院國家天文臺研究員平勁松介紹道。
形象一點(diǎn)說,空間望遠(yuǎn)鏡在空中的觀測主要是給特定的目標(biāo)“拍照”。生活中,相信大家都有過因手抖而拍出模糊照片的體驗(yàn)。
“而有了陀螺儀的幫助,空間望遠(yuǎn)鏡就可以保持穩(wěn)定的姿態(tài),通過長時間的曝光拍出清晰的圖像,滿足科學(xué)家的觀測需求。” 中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所空間新技術(shù)部主任徐偉解釋道。
事實(shí)上,陀螺儀不僅應(yīng)用在高大上的空間望遠(yuǎn)鏡里,也許還藏在你的手機(jī)里。當(dāng)你按下快門時,陀螺儀會測量出手機(jī)翻轉(zhuǎn)的角度,將手抖產(chǎn)生的偏差反饋給圖像處理器,對鏡頭的抖動方向及位移給出補(bǔ)償,從而拍出清晰的圖片。
聽上去,陀螺儀好像有著“定海神針”一樣的效果。如此重要的部件,自然是輕易不能壞。2009年,在對哈勃空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行第4次維修時,宇航員全部更換了它的6個陀螺儀,其中有3個是增強(qiáng)型陀螺儀,預(yù)計(jì)使用壽命更長。
平勁松介紹,來自美國國家航空航天局的消息顯示,目前哈勃望遠(yuǎn)鏡只剩下兩個增強(qiáng)型陀螺儀在運(yùn)行。盡管在只有1個陀螺儀運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下,哈勃望遠(yuǎn)鏡也可以維持相對低效率的工作,但要有3個陀螺儀正常工作,它才能最高效地進(jìn)行觀測。
風(fēng)險(xiǎn)不只來自失靈的陀螺儀
盡管最近的消息,大多聚焦于失靈的陀螺儀,但空間望遠(yuǎn)鏡在復(fù)雜的空間環(huán)境里運(yùn)行,還面臨著許多其他的挑戰(zhàn)。
如果將這些風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排序,平勁松認(rèn)為,首要的是能源系統(tǒng),如果一旦沒有能源保障,就無法工作了。目前空間望遠(yuǎn)鏡能源系統(tǒng)主要由太陽能帆板電池組成。如果太陽能帆板不能正常打開,或者因老化不能正常工作,“斷電”的后果也是很恐怖的。
其次,是包括陀螺儀在內(nèi)的關(guān)鍵部件出現(xiàn)老化失靈,帶來姿態(tài)控制等方面問題,以至于難以進(jìn)行科學(xué)觀測。
在徐偉看來,一般而言,在設(shè)計(jì)壽命期里,空間望遠(yuǎn)鏡陀螺儀出現(xiàn)故障的概率比較低。而超長時間服役帶來的老化失靈,則是很正常的現(xiàn)象,沒有什么可大驚小怪的。
再者,就是宇宙中的超高能帶電粒子對望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部電子設(shè)備的沖擊。平勁松介紹,很多情況下,超高能帶電粒子誘發(fā)的航天器異常表現(xiàn)為,電子設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)或邏輯狀態(tài)跳變、工作模式非受控地切換、邏輯運(yùn)行或執(zhí)行操作異常等故障。
“有些電子設(shè)備或系統(tǒng)故障,可以通過地面工作人員對系統(tǒng)進(jìn)行重啟來進(jìn)行修復(fù),有些則會導(dǎo)致航天器徹底失靈,無法正常工作。”平勁松說道。
此外,來自宇宙中較大塵埃的撞擊,可能帶來望遠(yuǎn)鏡表面器械的損傷。如果撞到鏡筒,可能影響相對較小,一旦傷及鏡面會影響觀測。
作為空間望遠(yuǎn)鏡中的主力大將,哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、錢德拉空間望遠(yuǎn)鏡,目前都是暫??茖W(xué)觀測的狀態(tài)。萬一它們就此退役,那有相關(guān)觀測需求的天文學(xué)家們還可以指望誰?
徐偉介紹,由美國國家航空航天局、歐洲空間局等聯(lián)合研發(fā)的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡,目前正在緊鑼密鼓的研制中。盡管其發(fā)射時間一直在推遲。但有著“史上最強(qiáng)大空間望遠(yuǎn)鏡”之稱的它,仍然被天文學(xué)界寄予厚望。
對挑戰(zhàn)盡量做足冗余備份
聽上去好像困難重重,但事實(shí)上,大多數(shù)空間望遠(yuǎn)鏡升空后都表現(xiàn)卓越,不僅能完成預(yù)定任務(wù),還常常超期服役。
比如,最近暫時“休眠”的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡,原計(jì)劃工作15年就“退休”,現(xiàn)在已經(jīng)工作了28年多。同樣,設(shè)計(jì)壽命5年的錢德拉望遠(yuǎn)鏡也已經(jīng)服役了19年。
取得這樣的戰(zhàn)果,除了要有一顆“越挫越勇”的心之外,科學(xué)家和工程師在設(shè)計(jì)制造空間望遠(yuǎn)鏡時對冗余和備份的考慮功不可沒。針對望遠(yuǎn)鏡每一個器件,都有一整套的設(shè)計(jì)、評估、測試的經(jīng)驗(yàn)和相應(yīng)的工業(yè)等級要求。比如,一個器件設(shè)計(jì)壽命8年,那它實(shí)際壽命可能是15年或更久。
空間望遠(yuǎn)鏡通常造價不菲,升空之后的維修成本也非常之高。為了應(yīng)對充滿未知的空間環(huán)境,科學(xué)家和工程師在設(shè)計(jì)時對風(fēng)險(xiǎn)做了盡可能的防范。
對此,平勁松舉例道,在能源系統(tǒng)上,采用太陽能供電系統(tǒng)的同時,多數(shù)航天器會同時攜帶化學(xué)燃料作為補(bǔ)充。除了化學(xué)燃料,還可能攜帶少量的惰性氣體,將其電離形成由離子和電子組成的等離子體。其中,離子在電場作用下加速噴出,產(chǎn)生的推力可維持較長時間的運(yùn)行。
而面對可能發(fā)生的碰撞,比如流星雨帶來的塵埃,除了安裝防護(hù)裝置以外,還可以通過地面工作人員的操作,通過變軌實(shí)現(xiàn)避讓。
當(dāng)然,再多的冗余和備份,以及各種事后的補(bǔ)救維修,都不是萬能的。再勤奮的望遠(yuǎn)鏡都有“退休”的那一天。退役后的空間望遠(yuǎn)鏡會有著怎樣的歸宿?
為了避免產(chǎn)生太多的太空垃圾,退役后受控的望遠(yuǎn)鏡,有些會按照預(yù)定程序以各種方式焚毀。有些則會上升到比地球同步軌道更高一些的地方,那里被稱作是“太空墳?zāi)?rdquo;。
剩下的不受控的望遠(yuǎn)鏡,可能就在太空中四處漫步,以它自己的方式凝望宇宙。(唐婷)
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