空間望遠鏡接連罷工 都是陀螺儀惹的禍?

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本報記者 唐 婷

對天文學家來說，“壞消息”最近接踵而至。

先是哈勃空間望遠鏡因陀螺儀故障暫停科學觀測。緊接著，錢德拉空間望遠鏡也進入安全模式。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，開普勒空間望遠鏡也曾經因為陀螺儀故障而被迫改造為K2望遠鏡繼續工作。

那么，屢屢“罷工”的陀螺儀對空間望遠鏡觀測來說意味著什么?空間望遠鏡在太空中還會面對哪些其他風險?科學家和工程師在打造空間望遠鏡時又是如何考量的?

確保望遠鏡姿態穩定指向精確

在茫茫宇宙中，天文學家們想要觀測的可能是某一個特定的天區或天體。如何能讓在軌道上運行的空間望遠鏡“聽話”地指向觀測目標呢?

“這主要依賴由陀螺儀等組成的瞄準控制系統來實現。陀螺儀可以測量出望遠鏡的移動速度，確保它在觀測中能保持穩定的姿態和正確的指向。”中科院國家天文臺研究員平勁松介紹道。

形象一點說，空間望遠鏡在空中的觀測主要是給特定的目標“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。

“而有了陀螺儀的幫助，空間望遠鏡就可以保持穩定的姿態，通過長時間的曝光拍出清晰的圖像，滿足科學家的觀測需求。” 中科院長春光學精密機械與物理研究所空間新技術部主任徐偉解釋道。

事實上，陀螺儀不僅應用在高大上的空間望遠鏡里，也許還藏在你的手機里。當你按下快門時，陀螺儀會測量出手機翻轉的角度，將手抖產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，在對哈勃空間望遠鏡進行第4次維修時，宇航員全部更換了它的6個陀螺儀，其中有3個是增強型陀螺儀，預計使用壽命更長。

平勁松介紹，來自美國國家航空航天局的消息顯示，目前哈勃望遠鏡只剩下兩個增強型陀螺儀在運行。盡管在只有1個陀螺儀運轉的情況下，哈勃望遠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，它才能最高效地進行觀測。

風險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，但空間望遠鏡在復雜的空間環境里運行，還面臨著許多其他的挑戰。

如果將這些風險進行排序，平勁松認為，首要的是能源系統，如果一旦沒有能源保障，就無法工作了。目前空間望遠鏡能源系統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，是包括陀螺儀在內的關鍵部件出現老化失靈，帶來姿態控制等方面問題，以至于難以進行科學觀測。

在徐偉看來，一般而言，在設計壽命期里，空間望遠鏡陀螺儀出現故障的概率比較低。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鏡內部電子設備的沖擊。平勁松介紹，很多情況下，超高能帶電粒子誘發的航天器異常表現為，電子設備或系統出現數據或邏輯狀態跳變、工作模式非受控地切換、邏輯運行或執行操作異常等故障。

“有些電子設備或系統故障，可以通過地面工作人員對系統進行重啟來進行修復，有些則會導致航天器徹底失靈，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。

作為空間望遠鏡中的主力大將，哈勃空間望遠鏡、錢德拉空間望遠鏡，目前都是暫停科學觀測的狀態。萬一它們就此退役，那有相關觀測需求的天文學家們還可以指望誰?

徐偉介紹，由美國國家航空航天局、歐洲空間局等聯合研發的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，目前正在緊鑼密鼓的研制中。盡管其發射時間一直在推遲。但有著“史上最強大空間望遠鏡”之稱的它，仍然被天文學界寄予厚望。

對挑戰盡量做足冗余備份

聽上去好像困難重重，但事實上，大多數空間望遠鏡升空后都表現卓越，不僅能完成預定任務，還常常超期服役。

比如，最近暫時“休眠”的哈勃空間望遠鏡，原計劃工作15年就“退休”，現在已經工作了28年多。同樣，設計壽命5年的錢德拉望遠鏡也已經服役了19年。

取得這樣的戰果，除了要有一顆“越挫越勇”的心之外，科學家和工程師在設計制造空間望遠鏡時對冗余和備份的考慮功不可沒。針對望遠鏡每一個器件，都有一整套的設計、評估、測試的經驗和相應的工業等級要求。比如，一個器件設計壽命8年，那它實際壽命可能是15年或更久。

空間望遠鏡通常造價不菲，升空之后的維修成本也非常之高。為了應對充滿未知的空間環境，科學家和工程師在設計時對風險做了盡可能的防范。

對此，平勁松舉例道，在能源系統上，采用太陽能供電系統的同時，多數航天器會同時攜帶化學燃料作為補充。除了化學燃料，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，產生的推力可維持較長時間的運行。

而面對可能發生的碰撞，比如流星雨帶來的塵埃，除了安裝防護裝置以外，還可以通過地面工作人員的操作，通過變軌實現避讓。

當然，再多的冗余和備份，以及各種事后的補救維修，都不是萬能的。再勤奮的望遠鏡都有“退休”的那一天。退役后的空間望遠鏡會有著怎樣的歸宿?

為了避免產生太多的太空垃圾，退役后受控的望遠鏡，有些會按照預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“太空墳墓”。

剩下的不受控的望遠鏡，可能就在太空中四處漫步，以它自己的方式凝望宇宙。