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空間望遠(yuǎn)鏡接連罷工 都是陀螺儀惹的禍?

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

本報(bào)記者 唐 婷

對(duì)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(cè)。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(duì)空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)來說意味著什么?空間望遠(yuǎn)鏡在太空中還會(huì)面對(duì)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(shí)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(cè)的可能是某一個(gè)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(cè)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(cè)量出望遠(yuǎn)鏡的移動(dòng)速度，確保它在觀測(cè)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(tái)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(cè)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(zhǎng)時(shí)間的曝光拍出清晰的圖像，滿足科學(xué)家的觀測(cè)需求。” 中科院長(zhǎng)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(shí)，陀螺儀會(huì)測(cè)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(duì)鏡頭的抖動(dòng)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(duì)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行第4次維修時(shí)，宇航員全部更換了它的6個(gè)陀螺儀，其中有3個(gè)是增強(qiáng)型陀螺儀，預(yù)計(jì)使用壽命更長(zhǎng)。

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(gè)增強(qiáng)型陀螺儀在運(yùn)行。盡管在只有1個(gè)陀螺儀運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，哈勃望遠(yuǎn)鏡也可以維持相對(duì)低效率的工作，但要有3個(gè)陀螺儀正常工作，它才能最高效地進(jìn)行觀測(cè)。

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(cè)。

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(zhǎng)時(shí)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(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重啟來進(jìn)行修復(fù)，有些則會(huì)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(duì)較小，一旦傷及鏡面會(huì)影響觀測(cè)。

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(cè)的狀態(tài)。萬一它們就此退役，那有相關(guān)觀測(cè)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(shí)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(duì)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(shí)“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(shí)對(duì)冗余和備份的考慮功不可沒。針對(duì)望遠(yuǎn)鏡每一個(gè)器件，都有一整套的設(shè)計(jì)、評(píng)估、測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)和相應(yīng)的工業(yè)等級(jí)要求。比如，一個(gè)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(jià)不菲，升空之后的維修成本也非常之高。為了應(yīng)對(duì)充滿未知的空間環(huán)境，科學(xué)家和工程師在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)做了盡可能的防范。

對(duì)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(shí)，多數(shù)航天器會(huì)同時(shí)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(chǎng)作用下加速噴出，產(chǎn)生的推力可維持較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。

而面對(duì)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(huì)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(huì)按照預(yù)定程序以各種方式焚毀。有些則會(huì)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。