SOHO:如何在地球150万公里外重生?

作者: 李会超

来源: 科学大院

发布日期: 2017-07-18

本文详细讲述了SOHO飞船的使命、功能及其在1998年因技术故障导致失控后,如何通过技术人员的努力成功恢复并继续其太阳观测任务的过程。

提起SOHO,不少人可能会把它和某个地产公司联系起来。但我们今天谈到的SOHO并非地产项目,而是“太阳和日球层观测台”(Solar and Heliospheric Observatory)飞船的简称。SOHO飞船的神圣使命是研究太阳内部和外部各个圈层中的物理过程,为我们更深入的理解太阳这颗恒星、理解太阳风暴产生和发展的过程提供观测数据。

为了完成这个任务,SOHO被发射到了日地第一拉格朗日点(L1)。在这里,地球和太阳引力的共同作用,使SOHO飞船绕太阳公转的角速度和地球绕太阳公转的角速度一样,因此,它始终处于地球和太阳连线上的固定位置,最适合连续不断地监测太阳活动。

SOHO配备了种类丰富的观测仪器,这让我们的观测更加得心应手。

既能用多普勒效应和日震学理论洞悉太阳内部的秘密,又能用紫外波段的成像、光谱的观测研究日冕的结构;既能利用塞曼效应测量太阳光球的磁场,又能用白光日冕仪跟踪太阳风暴的踪迹,还能在太阳风暴到达飞船所在位置时进行实地测量。这样一个功能强大、设计精巧的飞船,凝聚了欧洲和美国最优秀的空间物理学家和空间技术人员十多年的心血。

它搭载的科学仪器,由欧洲和美国各研究机构的团队分别设计,飞船的总装、测试由欧洲航天局(ESA)负责,而飞船发射和飞船在轨运行期间的控制和数据传输等工作,则由美国国家航天局(NASA)负责。

1995年12月2日,SOHO搭乘美国的宇宙神IIAS火箭升空,顺利到达日地L1点,所有科学仪器成功开机。直到今天,SOHO的大部分科学仪器依然能够正常工作,依旧是我们监视太阳风暴,研究太阳奥秘不可替代的航天器。当然,它的数据也支撑了不少空间物理界的科研工作者的研究,让他们拿到了学位和项目。

为了保持卫星姿态的稳定,不让卫星在太空中“手抖”,卫星上设置了三个飞轮来抵消卫星自身工作过程中的振动。

但随着振动的累积,飞轮的转速会越来越快,每隔一段时间,卫星上的发动机会来接过飞轮的负担,彻底地修正飞船姿态,同时使飞轮的转速变慢。这样一次“动量修正”需要花费48小时。对于48小时的维护时间,科学家们意见很大。因为一次维护会让他们失去两天的观测机会。而太阳上爆发事件的时间尺度要比48小时小很多,因此一次维护可能会让科学家们失去对许多太阳爆发事件的宝贵研究机会。

1998年6月24日,飞船正使用新流程进行一次例行的“动量修正”。在SOHO飞船上,共配置了3台陀螺仪,它们用于测量飞船的姿态和滚转状态。由于流程和代码的bug,在动量修正完成后,陀螺仪A正确关机,陀螺仪B没有从维护时的高增益状态转换回正常情况下的低增益状态。

此时,陀螺仪B开始输出不正确的数据,飞船上的飞控计算机据此错误判断飞船姿态不正常,进而进入了“紧急太阳再捕获”(Emergency Sun Re-acquisition,缩写ESR)模式,试图修正并不存在的偏差。按照正确流程,此时陀螺仪A应该重新开机,但又是代码的bug让陀螺仪A仍然处于关机状态。在歇菜的陀螺仪A和抽风的陀螺仪B的共同努力下,飞控计算机彻底凌乱了。

最终,SOHO在太空中的姿态完全失控,用于收发控制信号的天线不能再稳定的指向地球,最终导致与地面丧失了联系。

在飞船失控后,NASA和ESA随即召集精通这艘飞船技术的相关人员,组成了一只“抢险队”,试图挽救这个弥足珍贵的太阳观测台。对事态进行分析后,技术人员们发现,留给他们的时间不多了。首先,SOHO所在的轨道并不稳定,而失控状态下的飞船无法进行轨道维持。

如果在3-4个月内不救回SOHO,它就将从所在的位置逃逸,进入绕日轨道。同时,飞船姿态失控后,太阳能电池板不能得到充分的照射,飞船的供电会处在持续不足的状态。用于加热飞船的相关系统无法工作,飞船上的仪器将不得不忍耐比设计值低10倍的低温。时间一长,那些精密的科学仪器将有可能被冻坏。

为了尽快确定SOHO目前的位置和状态,抢险队打起了当时口径最大的射电望远镜阿雷西博的主意。

7月3日,技术人员们成功锁定了SOHO。它的实际位置和预测位置相差不远,正以52.8秒的周期在太空中翻滚。令技术人员感到欣慰的是,在与SOHO恢复通信后,他们发现控制飞船的通信和控制系统基本正常,电池里的电能也没有被彻底耗竭。拯救飞船的工作首先从恢复电池电量开始。

此时,飞船的姿态只能使太阳能电池板输出不到一半的功率,而飞船与地面通信时又要大量耗电,控制人员们不得不间或中断与飞船的通信,来保证飞船电池能够尽快充满。飞船燃料箱里携带的200公斤燃料中,有48公斤已经被低温冻住。五个助推器和它们的燃料管道也同时被冻住了。依靠飞船有限的电能所提供的加热,技术人员用了长达11天的时间才完成了对飞船的解冻。

最后,飞船的姿态得以纠正,SOHO重新回到了朝向太阳的正常工作状态。万幸的是,经过这一番折腾之后,SOHO几乎毫发未损,所有的科学仪器都能正常产生可用的数据,只有惹祸的陀螺仪A和陀螺仪B不能再继续工作。为此,ESA利用卫星上仍然能够使用的仪器,应急研发了一套不依赖陀螺仪后的姿态控制方案。

前段时间,与拯救SOHO剧情差不多的事件也发生在了我们国家。因为火箭工作出现问题,一开始未能成功入轨的中星9A卫星,在地面控制人员的努力下,利用自身的发动机连续调整轨道,最终成功进入预定工作位置。用智慧和勇气克服困难力挽狂澜,也许这正是航天工作的魅力之一吧!

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